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Chemistry

Contrôlé Photoredox polymérisation par ouverture de O- Carboxyanhydrides médiées par les Complexes de Ni/Zn

Published: November 21, 2017 doi: 10.3791/56654
Automatic Translation
1,2, 2
1Center for Molecular Systems and Organic Devices, Institute of Optoelectronic Materials, Key Laboratory for Organic Electronics and Information Displays & Institute of Advanced Materials, Jiangsu National Synergetic Innovation Center for Advanced Materials, Nanjing University of Posts and Telecommunications, 2Department of Chemical Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University

Summary

Un protocole pour la polymérisation d’anneau-ouverture contrôlée photoredox d’O- carboxyanhydrides médiées par les complexes de Ni/Zn est présenté.

Abstract

Nous décrivons ici un protocole efficace qui combine catalyse Ni/Ir photoredox avec l’utilisation d’un alcoolate de Zn pour polymérisation par ouverture efficace, permettant la synthèse du poly isotactique (α-hydroxy-acides) avec des poids moléculaire prévus (> 140 kDa) et réduire les distributions des poids moléculaires (Mw/Mn < 1.1). Cette polymérisation par ouverture est médiée par des complexes Ni et Zn en présence d’un initiateur de l’alcool et un photoredox catalyseur Ir, irradié par une LED bleue (400-500 nm). La polymérisation s’effectue à basse température (-15 ° C) pour éviter les réactions secondaires indésirables. La consommation complète monomère peut être réalisée dans les 4 à 8 heures, fournissant un polymère près le poids moléculaire prévu avec répartition du poids moléculaire étroit. Poids moléculaire moyen en nombre a entraîné montre une corrélation linéaire avec le degré de polymérisation jusqu'à 1000. Le homodécouplage 1étude RMN H confirme que le polymère obtenu est isotactique sans épimérisation. Cette polymérisation rapportée ici vous propose une stratégie pour la réalisation rapide et contrôlée Ocarboxyanhydrides - polymérisation pour préparer stéréorégulier poly (α-hydroxy-acides) et ses copolymères portant divers groupes fonctionnels de chaîne latérale.

Introduction

Poly (acide α-hydroxy) (PAHA) est une importante classe de polymères biodégradables et biocompatibles avec des applications allant des dispositifs biomédicaux aux matériaux d’emballage. 1 , 2 bien que PAHAs peuvent être préparés directement par polycondensation d’acides α-hydroxylés, les poids moléculaires (MWs) des PAHAs qui en résultent sont généralement faibles. 3 polymérisation par ouverture (ROP) de lactones (p. ex., lactide et glycolide) est une autre approche synthétique qui offre le meilleur contrôle sur MWs et distribution de poids moléculaire (Đ) que la polycondensation. Toutefois, le manque de fonctionnalité de la chaîne latérale en PAHAs et en lactones limite la diversité des propriétés physiques et chimiques et de leurs applications. 4 , 5 . depuis 2006, 1, 3-dioxolane-2, 4-diones, ce que l'on appelle O- carboxyanhydrides (LCP), qui peut être préparé avec une variété riche de fonctionnalités de la chaîne latérale,6,7,8, 9 , 10 , 11 , 12 , 13 sont apparus comme une autre classe de monomères très actifs pour la polymérisation de polyester. 14 , 15

Systèmes catalytiques pour le ROP d’OCAs peuvent être classés en organocatalysts,8,12,16,17 catalyseurs organométalliques12,18,19 ,20,21 et biocatalyseurs. 22 en règle générale, le ROP d’OCAs, promue par organocatalyst procède de manière plus ou moins incontrôlée, tels que l’épimérisation (c.-à-d., le manque de stereoregularity) pour OCAs portant des groupes électroattracteurs,8,17 MWs imprévisibles ou cinétique lente de la polymérisation. 13 pour résoudre ces problèmes, un complexe de Zn-alcoolate actif a été développé pour le ROP d’OCAs. 12 well-controlled ROPs ont été atteints à un faible degré de polymérisation (DP) sans épimérisation. Cependant, ce catalyseur de Zn-alcoolate ne peuvent pas produire efficacement les polymères avec un haut degré de polymérisation (DP ≥ 300). 13

Nous avons récemment rapporté une approche prometteuse qui améliore grandement la personnalisation et l’efficacité de la synthèse PAHA (Figure 1). 13 nous fusionnons catalyseurs de Ni/Ir photoredox qui favorisent la décarboxylation de la OCA avec zinc alcoolate de médiation polymérisation par ouverture d’OCAs. L’utilisation de basse température (-15 ° C) et photoredox catalyse Ni/Ir en synergie accélère l’ouverture et la décarboxylation d’OCA pour la propagation de la chaîne tout en évitant des réactions secondaires indésirables, par exemple, la formation de Ni-carbonyle. 23 , 24 sur transmétallation avec Ni complexe du Zn-alcoolate actif est situé au terminus de la chaîne pour la propagation de la chaîne. 13

Dans ce protocole, nous ajoutons frais préparé (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2'-bipyridyle, COD = 1, 5-cyclooctadiène), Zn(HMDS)2 (HMDS = hexaméthyldisilazane),25 (BnOH) l’alcool benzylique et Ir [ppy dF (CF3)]2(dtbbpy) (6 ) PF 1-Ir, ppy dF (CF3) = 2-(2, 4-difluorophényl) -5-(trifluorométhyl) pyridine, dtbbpy = 4, 4' - di -tert- butyl-2, 2'-bipyridine) dans le monomère l-1 solution26 dans une boîte à gants avec un piège à froid, en présence d’un lumière LED bleue (400-500 nm) et un ventilateur pour maintenir la température (Figure 1). La température est maintenue à-15 ° C ± 5 ° C au cours de la polymérisation. La conversion de l’OCA est surveillée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Le polymère résultant MWs et Đs se caractérise par une chromatographie de perméation de gel (GPC). Le homodécouplage 1étude RMN H détermine si le polymère obtenu est isotactique ou non. Comme la plupart des produits chimiques sont très sensibles à l’humidité, le protocole détaillé de vidéo est destiné à aider les nouveaux praticiens à éviter les pièges liés à la photoredox ROP d’OCAs.

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Protocol

ATTENTION : Veuillez consulter tous les documents pertinents fiches signalétiques (FS) avant utilisation. Beaucoup de produits chimiques utilisés dans la synthèse est extrêmement toxiques et cancérigènes. Copiez toutes les pratiques de sécurité qui s’imposent lors de l’exécution de réaction, y compris l’utilisation des contrôles d’ingénierie (hotte aspirante et boîte à gants) et des équipements de protection individuelle (lunettes, gants, blouse, pantalons longs, chaussures fermées-toe, bleu-clair blocage de sécurité des lunettes). Conformément aux procédures impliquent des techniques de manipulation de sans air standard dans une boîte à gants. Toutes les solutions sont transférées à l’aide de la pipette.

1. préparation des catalyseurs et initiateur

NOTE : L’ensemble du processus est effectué dans une boîte à gants avec un piège à froid. Tous les produits chimiques sont séchés ou purifiées avant de passer à la boîte. 13 tous les flacons et la verrerie sont séchées et chauffés dans le four avant de passer à la boîte.

  1. Préparation de (solution de bpy)Ni(COD)
    NOTE : (bpy)Ni(COD) doit être fraîchement préparé in situ. Il doit être stocké dans la boîte à gants du congélateur (-35 ° C) et utilisé dans la semaine. Toutes les autres solutions d’initiateur et catalyseurs peuvent être stockées dans le congélateur de la boîte à gants plus de 1 mois.
    1. Peser Ni(COD)2 (3,5 mg, 12,7 µmol, 1,0 eq) dans un flacon à scintillation de 7 mL.
    2. Peser 2, 2′-bipyridine (5,9 mg, 37,8 µmol) dans un flacon de 7 mL à scintillation.
    3. Dissoudre le 2, 2′-bipyridine dans 1 mL de tétrahydrofurane anhydre (THF).
    4. Ajouter résultante 2, 2′-bipyridine solution (337 µL) dans le flacon contenant le Ni(COD)2.
    5. Diluer le mélange dans 1 mL de THF anhydre.
    6. Boucher le flacon et placer le mélange réactionnel à la température ambiante pendant 2 h.
      Remarque : Ni(COD)2 n’est pas soluble dans le THF, considérant que (la bpy)Ni(COD) est soluble dans le THF. Il ne devrait y avoir aucune précipitation dans la solution de pourpre après 2 h.
    7. Stocker le (bpy)Ni(COD) dans le congélateur à-35 ° C.
  2. Préparation de la solution2 Zn(HMDS)
    1. Zn(HMDS)2 (3,3 mg, 4 µL, 8,5 µmol) s’ajoute un flacon à scintillation de 7 mL.
    2. Dissoudre la Zn(HMDS)2 dans 1 mL de THF anhydre.
    3. Conserver Zn(HMDS)2 solution dans le congélateur à-35 ° C.
  3. Préparation de la solution BnOH
    1. BnOH (4,0 mg, 4 µL, 37,0 µmol) s’ajoute un flacon à scintillation de 7 mL.
    2. Dissoudre le BnOH dans 4 mL de THF anhydre.
    3. Stocker la solution de BnOH dans le congélateur à-35 ° C.
  4. Préparation de la solution 1-Ir
    1. Éteindre la lumière de la boîte à gants.
      ATTENTION : Il faut éteindre la lumière de la boîte à gants afin d’éviter la désactivation de l’Ir-1 avant la polymérisation.
    2. Ir-1 (2,9 mg, 2,6 µmol) s’ajoute un flacon à scintillation de 7 mL.
    3. Dissoudre la Ir-1 à 3 mL de THF anhydre.
    4. Conserver la solution 1-Ir dans le congélateur à-35 ° C.

2. Photoredox polymérisation par ouverture de l-1

NOTE : L’ensemble du processus est effectué dans une boîte à gants avec un piège à froid. Tous les monomères de l’OCA sont recristallisées dans la boîte à gants avant utilisation. 13 nous donnons ici l’exemple de la polymérisation à DP = 500 ([l -1] /[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2] / [BnOH] / [Ir-1] = 500/1/1/1/0.1). Polymères à DPs différentes peuvent également être préparés en ajustant le monomère de masse en conséquence.

  1. Préparation de la solution l-1 pour la polymérisation
    1. L-1 (72,2 mg, 375,7 µmol) s’ajoute un flacon à scintillation de 7 mL.
    2. Dissoudre le l-1 en 722 µL de THF anhydre.
    3. Ajouter 200 µL de solution de l-1 dans un autre flacon de 7 mL à scintillation, équipé d’un bar de remuer.
    4. Ajouter 100 µL de THF anhydre dans le flacon de 7 mL à scintillation.
    5. Boucher le flacon et placer la solution de l-1 dans le piège froid.
    6. Éteindre la lumière de la boîte à gants.
      ATTENTION : Il faut éteindre la lumière de la boîte à gants afin d’éviter la désactivation de l’Ir-1 avant la polymérisation.
  2. Refroidir le piège froid
    1. À l’intérieur de la boîte, placez un thermomètre dans le piège froid.
    2. À l’extérieur de la boîte, ajouter env. 500 mL d’éthanol dans la fiole de dewar.
    3. Ajouter l’azote liquide dans la fiole de dewar.
    4. Charger la fiole de dewar KGW le piège froid.
    5. Cool le piège cryogénique à-50 ° C.
    6. Mettez un émoi plaque sous le froid piéger (voir Figure 1).
  3. Effectuer la polymérisation par ouverture photoredox
    Remarque : Avant de commencer la polymérisation, placer des lunettes de sécurité ce bloc bleu lumineux à portée de main. Toutes les solutions de système de catalyseur sont immédiatement sorties du congélateur et ajoutées successivement dans le flacon de scintillation de 7 mL contenant 20 mg de l-1 , sans pause ni perturbation des plus de 30 s.
    1. Ajouter (solution de bpy)Ni(COD) (16,4 µL, 0,208 µmol) dans le flacon de 7 mL à scintillation contenant l-1 (préparé en 2.1).
    2. Ajouter Zn(HMDS)2 solution (24,4 µL, 0,208 µmol) dans le flacon.
    3. Ajouter la solution de BnOH (22,5 µL, 0,208 µmol) dans le flacon.
    4. Ajouter une solution 1-Ir (24,2 µL, 0.0208 µmol) dans le flacon et boucher le flacon.
    5. Porter des lunettes de sécurité bloquant la lumière LED bleue.
      ATTENTION : Comme bleu LED lumière avec une intensité élevée relative sert, porter des lunettes pendant tout le processus.
    6. Allumez la lumière LED bleue (34 W) et le ventilateur pour dissiper la chaleur générée par la LED lumineuse. Diriger la lumière vers le flacon dans le piège froid. (Figure 1)
    7. Tourner sur l’agitateur.
    8. Couvrir le piège froid avec du papier aluminium.
    9. Maintenir la température de réaction à-15 ± 5 ° C et ajouter de l’azote liquide toutes les 15-20 minutes.
      Remarque : Le maintien de la température de réaction est important pour la polymérisation et contrôle MW.

3. surveiller la conversion de monomère par transformée de Fourier spectres infrarouges

Remarque : Les spectres infrarouges-transformée de Fourier (FTIR) sont enregistrés sur un spectromètre FT-IR avec accessoire d’échantillonnage ATR de diamant et de la Transmission.

  1. À des moments précis, ajouter une petite aliquote de la solution de polymère (20 µL) dans un flacon de 7 mL à scintillation et plafonnés.
  2. Retirer la cuvette hors de la boîte à gants.
  3. Immédiatement, laisser tomber la solution (3 µL) sur le sampler de diamant FTIR-ATR. La solution forme un film dans les 10 s pour la mesure du spectre.
  4. Mesurer le spectre FTIR de l’échantillon.
    Remarque : La conversion de monomère a été déterminée par le rapport d’intensité entre 1760 cm-1 et 1805s cm-1: conversion % j’ai =1760/ (j’ai1760 + I1805) (représentant les résultats dans la Figure 2). Généralement, la polymérisation prend environ 1 à 8 h pour DP allant de 200 à 1000 (cinétique détaillée sont décrites dans référence 13).

4. la mesure de la masse moléculaire du polymère par chromatographie de perméation de gel

Remarque : Gel-perméation chromatographie (GPC) expériences réalisées sur un système équipé d’une pompe isocratique avec dégazeur, détecteur de diffusion de la lumière (MALS) multi-angles laser (laser de GaAs 30 mW à λ = 690 nm) et détecteur de l’indice de réfraction différentielle (DRI) avec une source lumineuse de 690 nm. Séparations sont effectuées à l’aide de colonnes d’exclusion de taille connectés en série (100 500 Å, 10 Å3 Å et 10 colonnes4 Å, 5µm, 300 × 4,6 mm) à 35 ° C à l’aide de THF comme phase mobile à un débit de 0,35 mL/min. La masse moléculaire de polymères (MW) et de la distribution de poids moléculaire (Ð) sont déterminés à l’aide du modèle de Zimm l’ajustement des données MALS-DRI. La présence de métal complexe dans le polymère n’affecte pas les résultats de mesure de GPC.

  1. Supprimer une petite aliquote de la solution de polymère (50 µL) hors de la boîte à gants.
  2. Ajouter 100 µL de THF dans le flacon.
  3. Injecter l’échantillon dans l’échantillonneur GPC.
  4. Analyser le résultat une fois terminée l’exécution GPC.
    Remarque : Le polymère doit être monodisperses avec étroites Đ (représentant les résultats à la Figure 3). Le polymère (20 mg) peut être séché et lavé par 1 mL d’éther diéthylique contenant 1 % HOAc avec 1 mL du méthanol, qui peut enlever 87 % de nickel et de 50 % des complexes Zn, déterminées par spectrométrie de masse à plasma inductif (ICP-MS).

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Representative Results

La conversion de l’OCA est surveillée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, comme illustré à la Figure 2. Le pic à 1805 cm-1 est assigné comme le tronçon de liaison anhydride dans OCA ; le pic à 1760 cm-1 correspond à la formation de la liaison ester dans le polymère. Une fois que le pic de monomère à 1805 cm-1 disparaît complètement, la polymérisation est terminée.

La MW et Đ du polymère qui en résulte se caractérise par une chromatographie par perméation de gel. La figure 3 montre la polymérisation par ouverture contrôlée photoredox d’OCAs avec DP allant de 200 à 1000. Augmentant le monomère nourrir ratio (ratio de /[Zn(HMDS)2] [l-1]) conduit à une augmentation et attendue Mn du polymère résultant. En outre, M,n , des polymères augmente linéairement avec initial [l -1] / [Ni] / [Zn] / [Ir-1] ratio jusqu'à 1000/1/1/0.1 et toutes les valeurs Đ sont < 1.1.

Les études de RMN mesurent la stéréochimie des polymères obtenus. Le ROP d’OCAs médiée par organocatalyst comme diméthylaminopyridine peut induire une épimérisation sur le α-méthine pour OCAs portant des groupes électroattracteurs. 8 , 17 le homodécouplage 1H RMN de ces polymères présentaient des pics multiples dans la région de α-méthine, indiquant la perte de la stereoregularity dans la polymérisation. En utilisant notre méthode, la homodécouplage 1étude H RMN montre pic unique à la région de α-méthine (5,0 5,3 ppm), ce qui indique que le polymère obtenu est isotactique sans épimérisation (Figure 4).

Figure 1
Figure 1. Régime de médiation/Zn-Ni photoredox ROP de l -1. La polymérisation de photoredox est réalisée dans une boîte à gants avec piège cryogénique, irradié par la lumière LED avec un ventilateur de refroidissement pour maintenir la température. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Spectres FTIR (a) l -1 et (b) le mélange réactionnel au cours de la polymérisation de photoredox. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3. (a) les parcelles de Mn et la masse moléculaire de distribution (Mo/n) de poly (l-1) contre [l-1] /[Zn(HMDS)2] ratio ([(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2] / [BnOH] / [ IR-1] = 1/1/1/0,1). (b) traces de chromatographie (GPC) représentant gel-perméation de la réaction de polymérisation photoredox dans panneau (a). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Spectres RMN de poly (l -1). (a) spectre de RMN de H 1; spectre (b) 1H homodécouplage NMR. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Discussion

L’étape critique au sein du protocole maintient la température de réaction-15 ± 5 ° C. Toutes les solutions de catalyseurs et des monomères OCA doivent être stockés dans un congélateur de boîte à gants à-35 ° C avant la polymérisation. Les flacons à réaction doivent être refroidis dans le piège froid. Au cours de la réaction, parce que la lumière LED dissipe la chaleur, il est nécessaire de surveiller la réaction chaque 15-20 minutes. Une fois que la température s’élève jusqu'à-10 ° C, azote liquide il faut ajouter dans le dewar pour refroidir le piège. La raison de la basse température est la formation de la Ni(CO) complexe à température ambiante, ce qui est préjudiciable à la polymérisation contrôlée photoredox et affecte la MW et Đ. 13

Tentatives de synthèse de O- carboxyanhydrides avec des groupes fonctionnels pendants d’organocatalysts ont été en proie à la polymérisation incontrôlée, y compris une épimérisation, qui entrave la préparation de polymères haute-MW stéréorégulier. Cette polymérisation de ROP photoredox contrôlée peut correctement préparer stéréorégulier polymères haute-MW avec DP atteignant 1000 pour différents monomères OCA, qui sont documentés dans la référence 13. La copolymérisation de différents monomères OCA par addition séquentielle est aussi peu exigeante à l’aide de nos méthodes. Toutefois, pour les monomères L- mandélique OCA, le contrôle de MW n’a pas été atteint au DPs élevés. Nous sommes actuellement enquêter sur cette méthodologie et tenter d’élaborer une nouvelle stratégie de catalyseur pour la polymérisation.

En conclusion, notre protocole de polymérisation photoredox Ni/Zn-mediated propose une stratégie pour la réalisation rapide et contrôlée polymérisation OCA pour préparer stéréorégulier poly (α-hydroxy-acides) et leurs copolymères portant divers groupes fonctionnels de chaîne latérale. Nous espérons que notre nouvelle stratégie permet la génération de nouveaux polyesters avec des propriétés macroscopiques souhaitables telles que la rigidité, élasticité et biodégradabilité. Cette méthode aussi peut être utile pour les nouvelles techniques de fabrication comme uns photopolymérisable lithographie.

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Disclosures

Les auteurs déclarent sans intérêts financiers concurrents. Une demande de brevet provisoire (US Patent Application No : 62/414 016) a été déposée concernant les résultats présentés dans cet article.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par des fonds de démarrage de la Virginia Polytechnic Institute and State University. Q.F. reconnaît le soutien de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (21504047), Fondation sciences naturelles de la Province du Jiangsu (BK20150834), Université de Nanjing des postes et télécommunications, scientifique Fondation NUPTSF (NY214179).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ni(COD)2 Strem 28-0010 Stored in the glove box freezer.
2,2′-bipyridine Strem 07-0290 Stored in the glove box freezer.
Zn(HMDS)2 N/A N/A Synthesized following reported procedures.25 Stored in the glove box freezer.
Benzyl alcohol Sigma-Aldrich 402834 Stored with 4Å molecular sieve
Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6 Strem 77-0425 Stored in the glove box freezer.
THF Sigma-Aldrich 34865 Dried by alumina columns and stored with 4Å molecular sieve in the dark bottle in the glove box.
Ethanol Sigma-Aldrich 793175
GPC with an isocratic pump Agilent Agilent 1260 series
Dawn Heleos II Light Scatterer Wyatt
Optilab rEX differential refractive index detector Wyatt
Size exclusion columns Phenomenex
Glass Scintillation Vials - 7 ml VWR
FTIR spectrometer Agilent
Stir bars VWR 58948-091
Balance
Glove box Mbraun Labstar Pro

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References

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Chimie numéro 129 polymérisation par ouverture O- carboxyanhydrides Photoredox Poly (α-hydroxy-acides) Polyester polymérisation vivante
Contrôlé Photoredox polymérisation par ouverture de <em>O</em>- Carboxyanhydrides médiées par les Complexes de Ni/Zn
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Feng, Q., Tong, R. Controlled… More

Feng, Q., Tong, R. Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes. J. Vis. Exp. (129), e56654, doi:10.3791/56654 (2017).

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