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Chemistry

镍/锌配合物介导的O-Carboxyanhydrides 的控制 Photoredox 环开聚合

doi: 10.3791/56654 Published: November 21, 2017

Summary

介绍了由 Ni/锌配合物介导的受控 photoredox 环开放聚合的O-carboxyanhydrides 的协议。

Abstract

在这里, 我们描述一个有效的协议, 结合 photoredox 镍/Ir 催化与使用锌醇的有效开环聚合, 允许合成的规聚 (α-羟基酸) 与预期的分子量 (> 140kDa) 和窄分子量分布 (Mw/mn < 1.1)。这种环开聚合由 Ni 和锌配合物在乙醇引发剂和 photoredox 红外催化剂的存在下进行介导, 由蓝色 LED (400-500 nm) 照射。在低温 (-15 ° c) 下进行聚合以避免不受欢迎的副反应。完整的单体消耗可以在 4-8 小时内完成, 为聚合物提供接近分子量的分子量分布。结果数字平均分子量显示一个线性相关与聚合程度1000。homodecoupling 的1H 核磁共振研究证实, 所获得的聚合物是规没有异构化。本文所报告的聚合提供了一种实现快速、受控的O-carboxyanhydrides 聚合的策略, 以制备 stereoregular 聚 (α-羟基酸) 及其承载各种功能侧链基团的共聚物。

Introduction

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聚 (α-羟基酸) (PAHA) 是一类重要的生物降解和生物相容性高分子材料, 其应用范围广泛, 从医用设备到包装原料。1,2虽然 PAHAs 可以通过α-羟基酸的缩聚直接制备, 但产生的 PAHAs 的分子量 (MWs) 普遍较低。3酯 (如丙交酯和乙) 的开环聚合 (ROP) 是一种替代合成方法, 可以更好地控制 MWs 和分子量分布 (Đ), 而不是缩聚。然而, PAHAs 和酯的侧链功能的缺乏限制了物理和化学性质及其应用的多样性。4,5自2006年以来, 13--1,3--24-diones, so-called O-carboxyanhydrides (oca), 可以用丰富多样的侧链功能编写,6,7,8,9,10,11,12,13已成为聚酯聚合中一种高活性单体的替代类。14,15

oca 的催化系统可分为有机、8121617有机金属催化剂121819 ,20,21和催化剂。22一般情况下, 由有机促进的 oca 的 ROP 以或多或少不受控制的方式进行, 例如异构化 (即缺少 stereoregularity), 用于 oca 轴承电子提取组,8,17不可预知的 MWs, 或慢聚合动力学。13为了解决这些问题, 研制了一种活性锌-醇络合物, 用于 oca 的 ROP。12井控保护在低聚合 (DP) 的情况下, 没有异构化。然而, 这种锌-醇催化剂不能有效地产生高聚合度的聚合物 (DP ≥ 300)。13

我们最近报告了一种有希望的方法, 大大提高了 PAHA 合成的可和效率 (图 1)。13将 photoredox 镍/Ir 催化剂与锌醇脱, 以调节环开聚合 oca。低温 (-15 ° c) 和 photoredox 镍/Ir 催化的使用, 协同加速了脱链的传播, 同时避免了不受欢迎的副反应, 如镍羰基的形成。23,24在转移与 Ni 复合体的活性锌-醇位于链终点链传播。13

在本协议中, 我们添加新鲜准备 (bpy) Ni (COD) (bpy = 22 '-吡啶, COD = 15-1,5-), Zn (HMDS)2 (HMDS = 烷),25苄醇 (BnOH) 和 Ir [dF (CF3) 吡]2(dtbbpy) PF6 (Ir-1, dF (CF3) 吡 = 2-(24-氟)-5-三氟甲基吡啶, dtbbpy = 44 "-di--butyl-2,2'-bipyridine) 到单体 l-1解决方案26在一个带有冷陷阱的手套箱中, 在一个蓝色 LED 灯 (400-500 nm) 和风扇以保持温度 (图 1)。在聚合过程中, 温度保持在-15 ° c ±5° c。采用傅里叶变换红外光谱法对亚奥氏转化率进行了监测。由此产生的聚合物 MWs 和Đs 的特点是凝胶渗透色谱 (GPC)。homodecoupling 的1H 核磁共振研究确定所得到的聚合物是否是规的。由于大多数化学品对湿气高度敏感, 详细的视频协议旨在帮助新的从业者避免与 oca photoredox ROP 相关的陷阱。

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Protocol

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警告: 使用前请查阅所有相关材料安全数据表 (MSDS)。合成中使用的许多化学物质具有剧毒和致癌性。在执行反应时, 请使用所有适当的安全做法, 包括使用工程控制 (油烟罩和手套) 和个人防护用品 (安全眼镜、手套、实验室大衣、全长长裤、闭脚趾鞋、蓝光屏蔽安全护目镜)。以下程序涉及在手套箱中的标准无处理技术。所有的解决方案都是用吸管转移的。

1. 催化剂和引发剂的制备

注: 整个过程是在一个带有冷阱的手套箱中进行的。所有化学物质在进入盒子前都要经过干燥或纯化。13所有瓶子和玻璃器皿都在烤箱里烘干和加热, 然后再搬进盒子里。

  1. (bpy) 镍 (COD) 溶液的制备
    注: (bpy) Ni (COD) 应在原位就地进行准备。它应存放在手套箱冷冻机 (-35 ° c), 并在一个星期内使用。所有其他催化剂和引发剂的解决方案都可以储存在1月以上的手套箱冰柜中。
    1. 称 Ni (COD)2 (3.5 毫克, 12.7 µmol, 1.0 eq) 变成7毫升的闪烁瓶。
    2. 称 2,2-吡啶 (5.9 毫克, 37.8 µmol) 为7毫升的闪烁小瓶。
    3. 在1毫升无水四氢呋喃 (呋喃) 中溶解 2,2-吡啶。
    4. 将产生的 2,2-吡啶溶液 (337 µL) 添加到含有 Ni (COD)2的小瓶中。
    5. 稀释1毫升无水呋喃的混合物。
    6. 瓶盖的瓶子和地方的反应混合物在室温下2小时。
      注: ni (cod)2不可溶于呋喃, 而 (bpy) ni (cod) 可溶于呋喃。2小时后紫色溶液中不应有沉淀。
    7. 将 (bpy) 镍 (COD) 储存在-35 ° c 的冰箱中。
  2. 锌 (HMDS)2溶液的制备
    1. 添加锌 (HMDS)2 (3.3 毫克, 4 µL, 8.5 µmol) 到7毫升闪烁瓶。
    2. 在1毫升无水呋喃中溶解锌 (HMDS)2
    3. 存储锌 (HMDS)2解决方案在-35 ° c 的冰箱。
  3. BnOH 溶液的制备
    1. 添加 BnOH (4.0 毫克, 4 µL, 37.0 µmol) 到7毫升闪烁瓶。
    2. 在4毫升无水呋喃中溶解 BnOH。
    3. 在-35 ° c 冰箱中存储 BnOH 溶液。
  4. Ir-1 溶液的制备
    1. 关闭手套箱灯。
      注意: 在聚合之前, 必须关闭手套盒灯以避免Ir-1的失活。
    2. Ir-1 (2.9 毫克, 2.6 µmol) 添加到7毫升闪烁瓶中。
    3. 在3毫升无水呋喃中溶解Ir-1
    4. Ir-1解决方案存储在-35 ° c 的冰箱中。

2. l-1 的 Photoredox 环开聚合

注: 整个过程是在一个带有冷阱的手套箱中进行的。在使用前, 所有的亚奥亚单体都是在手套箱中再结晶。13在这里, 我们给出的例子聚合在 DP=500 ([l -1]/[(bpy) 镍 (COD)]/[锌 (HMDS)2]/[BnOH]/[Ir-1] = 500/1/1/1/0.1)。聚合物在不同的 DPs 也可以通过相应的调整单体质量。

  1. 聚合 l-1 溶液的制备
    1. 将 l-1 (72.2 毫克, 375.7 µmol) 添加到7毫升闪烁瓶中。
    2. 在722µL 的无水呋喃中溶解 l-1
    3. 将 l-1解决方案中的200µL 添加到另一个 7 mL 闪烁小瓶中, 并装有搅拌棒。
    4. 在7毫升的闪烁瓶中加入100µL 无水呋喃。
    5. 盖上瓶子, 并将 l-1解决方案置于冷阱中。
    6. 关闭手套箱灯。
      注意: 在聚合之前, 必须关闭手套盒灯以避免Ir-1的失活。
  2. 冷却冷阱
    1. 在盒子里, 把温度计放进冰冷的陷阱里。
    2. 在盒子外面, 将约500毫升的乙醇加入杜瓦瓶。
    3. 在杜瓦瓶中加入液氮。
    4. 将团体杜瓦瓶装入冷阱。
    5. 将冷阱冷却到-50 ° c。
    6. 在冷阱下放置一个搅拌板 (参见图 1)。
  3. 进行 photoredox 环开聚合
    注: 在开始聚合前, 放置安全护目镜, 阻挡蓝光。所有的催化剂系统解决方案立即从冷冻库中取出, 并先后添加到7毫升闪烁瓶包含20毫克的 l-1没有暂停或中断三十年代。
    1. 添加 (bpy) Ni (COD) 溶液 (16.4 µL, 0.208 µmol) 到包含 l-1的 7 mL 闪烁小瓶中 (在2.1 中准备)。
    2. 将锌 (HMDS)2溶液 (24.4 µL、0.208 µmol) 添加到小瓶中。
    3. 将 BnOH 溶液 (22.5 µL, 0.208 µmol) 加入瓶中。
    4. 将 Ir-1 溶液 (24.2 µL, 0.0208 µmol) 放入小瓶中, 然后盖上瓶子。
    5. 戴安全护目镜阻挡蓝色 LED 灯。
      注意: 当使用相对高强度的蓝色 LED 灯时, 在整个过程中佩戴安全护目镜。
    6. 打开蓝色 led 灯 (34 W) 和风扇, 以驱散由 led 灯产生的热量。在寒冷的陷阱里把光引向瓶子。(图 1)
    7. 打开搅拌器。
    8. 用铝箔盖住冷阱。
    9. 将反应温度保持在-15 ±5° c, 每15-20 分钟加液氮。
      注: 反应温度的维持是聚合和兆瓦控制的重要因素。

3. 用傅里叶变换红外光谱监测单体转换

注: 傅立叶变换红外光谱 (FTIR) 记录在红外光谱仪上, 装有金刚石 ATR 和透射采样附件。

  1. 在特定时间点, 添加一个小分聚合物溶液 (20 µL) 成一个7毫升的闪烁瓶, 并加盖。
  2. 从手套箱里取出瓶子。
  3. 立即将溶液 (3 µL) 放到 FTIR-ATR 金刚石取样器上。解答在十年代之内形成影片为光谱测量。
  4. 测量样品的 FTIR 光谱。
    注: 单体转换是由1760厘米-1和 1805s cm-1的强度比决定的: conversion% = I1760/(I1760 + i1805) (代表结果在图 2)。一般情况下, 从200到1000的 DP 范围, 聚合大约需要 1-8 h (详细的动力学在参考13中讨论)。

4. 凝胶-渗透色谱法测定聚合物分子量

注: 凝胶渗透色谱 (GPC) 实验是在装有气、多激光光散射 (加工) 探测器 (GaAs 30 mW 激光 at λ = 690 nm) 和差分折射率 (直接还原铁) 探测器的系统上进行的。有 690 nm 的光源使用串行连接的大小排除列 (100 Å、500Å、103 Å和 104 Å列、5µm、300 x 4.6 mm) 在35° c 使用呋喃作为流动相, 以0.35 毫升/分钟的流速执行分色。聚合物分子量 (兆瓦) 和分子量分布 (-) 是用 Zimm 模型拟合的加工-直接还原铁数据确定的.聚合物中金属络合物的存在并不影响 GPC 的测量结果。

  1. 从手套箱中取出一小分聚合物溶液 (50 µL)。
  2. 将100µL 的呋喃加入瓶中。
  3. 将样品注入 GPC 取样器。
  4. 在 GPC 运行完成后分析结果。
    注: 聚合物应分散与狭窄的Đ (代表结果在图 3)。该聚合物 (20 毫克) 可由1毫升乙醚 (含1% 霍阿克和1毫升甲醇) 进行干燥和洗涤, 可去除87% 的镍和50% 的锌配合物, 由电感耦合等离子体质谱 (ICP) 测定。

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Representative Results

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通过傅里叶变换红外光谱对亚奥的转换进行监测, 如图 2所示。在 1805 cm-1的峰值被分配为在亚奥理事会中的酸酐粘结拉伸;峰值在 1760 cm-1对应于聚合物中酯键的形成。一旦单体的峰值在1805厘米-1完全消失, 聚合完成。

所产生的聚合物的兆瓦和Đ以凝胶渗透色谱为特征。图 3显示控制的 photoredox 环开聚合 oca, DP 范围从200到1000。增加单体进给率 ([l-1]/[锌 (HMDS)2] 比) 会导致产生的聚合物的增加和预期的Mn 。此外, 聚合物的Mn与初始的 [l-1]/[镍]/[Zn]/[Ir-1] 比值呈线性增加, 可达 1000/1/1/0.1, 所有Đ值都为 < 1.1。

核磁共振研究测量得到的聚合物的立体。吡啶有机等介导的 oca 的 ROP 可以诱导异构化在α-川上 oca 轴承电子提取基团。8,17这些聚合物的 homodecoupling 1H 核磁共振显示了α-川区的多个峰值, 表明聚合中 stereoregularity 的损失。利用我们的方法, homodecoupling 的1H 核磁共振研究显示α-川区 (5.0-5.3 ppm) 的单峰, 表明所获得的聚合物是规没有异构化 (图 4)。

Figure 1
图 1.镍锌介导的 l-1photoredox ROP 方案。photoredox 聚合是在一个带有冷阱的手套箱中进行的, 用冷却风扇的 LED 灯照射来保持温度。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2.(a) l-1和 (b) 反应混合物在 photoredox 聚合过程中的红外光谱。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3.(a) 聚合 (l-1) 与 [l] 的Mn和分子量分布 (mw/mn) 的图形-1]/[zn (HMDS)2] 比率 ([(bpy) Ni (COD)]/[锌 (HMDS)2]/[BnOH]/[Ir-1] = 1/1/1/0.1)。(b) 具有代表性的凝胶渗透色谱 (GPC) photoredox 聚合反应在面板 (a) 中的痕迹。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4.聚 (l-1) 的核磁共振谱。(a) 1H 核磁共振谱;(b) 1H homodecoupling 核磁共振谱。请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

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协议中的关键步骤是保持反应温度在-15 ±5° c。在聚合之前, 所有的催化剂溶液和亚奥基单体都必须在-35 ° c 的手套箱冷冻库中储存。在寒冷的陷阱中, 反应瓶必须预。在反应过程中, 由于 LED 灯散热, 必须每 15-20 分钟监测反应。一旦温度上升到-10 ° c, 液态氮应加入到杜瓦瓶冷却陷阱。低温的原因是室温下镍 (CO) 络合物的形成, 这对受控的 photoredox 聚合是不利的, 并影响到兆瓦和Đ13

O-carboxyanhydrides 与下垂官能团的合成尝试由有机一直困扰着不受控制的聚合, 包括异构化, 这阻碍了 stereoregular 高兆瓦聚合物的制备。这种 photoredox 控制的 ROP 聚合可以成功地制备 stereoregular 的高兆瓦聚合物与 DP 达到1000的各种亚奥亚单体, 这是在参考文献13。采用顺序加法法对不同的亚奥亚单体的共聚反应也不太大。但是, 对于L-扁桃亚型单体, 在高 DPs 下还没有达到兆瓦控制。我们目前正在研究这种方法, 并试图开发一种新的聚合催化剂的策略。

总之, 我们的镍/锌介导的 photoredox 聚合协议提供了一种实现快速, 控制亚奥亚聚合的战略, 以制备 stereoregular 聚 (α-羟基酸) 及其共聚物轴承的各种功能侧链集团。我们预计, 我们的新战略将允许新一代的新聚酯具有良好的宏观性质, 如刚性, 弹性和生物降解性。这种方法也可以用于新的制造技术, 如固化 nanoimprinting 光刻。

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Disclosures

作者声明没有竞争的金融利益。本论文提出了一项临时专利 (美国专利申请号:62/414016)。

Acknowledgments

这项工作得到了弗吉尼亚理工学院和州立大学开办资金的支持。Q.F. 承认中国国家自然科学基金 (21504047)、江苏省自然科学基金 (BK20150834)、南京邮电大学科学基金 NUPTSF (NY214179) 的支持。

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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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).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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