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
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、8、12、16、17有机金属催化剂12、18、19 ,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-叔-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
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。
-
(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。- 称 Ni (COD)2 (3.5 毫克, 12.7 µmol, 1.0 eq) 变成7毫升的闪烁瓶。
- 称 2,2-吡啶 (5.9 毫克, 37.8 µmol) 为7毫升的闪烁小瓶。
- 在1毫升无水四氢呋喃 (呋喃) 中溶解 2,2-吡啶。
- 将产生的 2,2-吡啶溶液 (337 µL) 添加到含有 Ni (COD)2的小瓶中。
- 稀释1毫升无水呋喃的混合物。
- 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。 - 将 (bpy) 镍 (COD) 储存在-35 ° c 的冰箱中。
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锌 (HMDS)2溶液的制备
- 添加锌 (HMDS)2 (3.3 毫克, 4 µL, 8.5 µmol) 到7毫升闪烁瓶。
- 在1毫升无水呋喃中溶解锌 (HMDS)2 。
- 存储锌 (HMDS)2解决方案在-35 ° c 的冰箱。
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BnOH 溶液的制备
- 添加 BnOH (4.0 毫克, 4 µL, 37.0 µmol) 到7毫升闪烁瓶。
- 在4毫升无水呋喃中溶解 BnOH。
- 在-35 ° c 冰箱中存储 BnOH 溶液。
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Ir-1 溶液的制备
- 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。 - 将Ir-1 (2.9 毫克, 2.6 µmol) 添加到7毫升闪烁瓶中。
- 在3毫升无水呋喃中溶解Ir-1 。
- 将Ir-1解决方案存储在-35 ° c 的冰箱中。
- 关闭手套箱灯。
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。
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聚合 l-1 溶液的制备
- 将 l-1 (72.2 毫克, 375.7 µmol) 添加到7毫升闪烁瓶中。
- 在722µL 的无水呋喃中溶解 l-1 。
- 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。
- 在7毫升的闪烁瓶中加入100µL 无水呋喃。
- 盖上瓶子, 并将 l-1解决方案置于冷阱中。
- 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。
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冷却冷阱
- 在盒子里, 把温度计放进冰冷的陷阱里。
- 在盒子外面, 将约500毫升的乙醇加入杜瓦瓶。
- 在杜瓦瓶中加入液氮。
- 将团体杜瓦瓶装入冷阱。
- 将冷阱冷却到-50 ° c。
- 在冷阱下放置一个搅拌板 (参见图 1)。
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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。- 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)。
- 将锌 (HMDS)2溶液 (24.4 µL、0.208 µmol) 添加到小瓶中。
- 将 BnOH 溶液 (22.5 µL, 0.208 µmol) 加入瓶中。
- 将 Ir-1 溶液 (24.2 µL, 0.0208 µmol) 放入小瓶中, 然后盖上瓶子。
- 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。 - 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)
- 打开搅拌器。
- 用铝箔盖住冷阱。
- 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。
- 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。
- 从手套箱里取出瓶子。
- 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。
- 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。
- 从手套箱中取出一小分聚合物溶液 (50 µL)。
- 将100µL 的呋喃加入瓶中。
- 将样品注入 GPC 取样器。
- 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
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)。
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.
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.
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.
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
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Đ。13
从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 |
References
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