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Chemistry

OCarboxyanhydrides ニッケル/亜鉛錯体による媒介のユウロピウムの開環重合

doi: 10.3791/56654 Published: November 21, 2017

Summary

Ocarboxyanhydrides ニッケル/亜鉛錯体による媒介の制御されたユウロピウム開環重合用プロトコルである. します。

Abstract

ここでは、予想される分子量 Zn アルコキシドのアイソタク チック ポリ (α-ヒドロキシ酸) の合成を可能にする効率的な開環重合用の Ni/Ir 触媒を組み合わせた効果的なプロトコルについて述べる (> 140kDa) と分子量分布の狭い (Mw/Mn < 1.1)。この開環重合は、アルコール イニシエーターと青色 LED (400-500 nm) 照射ユウロピウム Ir 触媒存在下での Ni と Zn の複合体によって媒介されます。重合は、望ましくない副反応を避けるために低温 (-15 ° C) で行われます。完全なモノマーの消費は、狭い分子量分布を持つ期待の分子量に近い高分子を提供 4-8 時間以内実現できます。結果数平均分子量 1000 まで重合度と相関を示しています。Homodecoupling 1H nmr による研究は、得られたポリマーはエピマー化せずアイソタク チックであることを確認します。この重合を本報告では、立体規則ポリ (α-ヒドロキシ酸) やその共重合体の様々 な機能的な側鎖グループを軸受を準備する急速な制御のO- carboxyanhydrides 重合を達成するための戦略を提供しています。

Introduction

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ポリ (α-ヒドロキシ酸) (ケヤパハ) バイオメディカル機器から包装に至るまでのアプリケーションと生分解性、生体適合性ポリマーの重要なクラスであります。1,2が PAHAs α-ヒドロキシ酸の重縮合による直接準備することができます、結果の PAHAs の分子量 (MWs) は一般的に低い。3 (例えば、乳酸とグリコール酸) ラクトンの開環重合 (ROP) 重縮合より MWs と分子量分布 (Đ) のよりよい制御を提供する合成手法であります。ただし、PAHAs とラクトンの側鎖の機能の欠如は、物理・化学的性質とその応用の多様性を制限します。4,5 、2006 年から 1, 3-dioxolane-2, 4-diones、いわゆるO- carboxyanhydrides (OCAs)、側鎖の機能の豊富な6,7,8,と準備することができます9,10,11,12,13は、ポリエステルの重合用高活性モノマーの代替クラスとして浮上しています。14,15

OCAs ROP の触媒システムは、触媒、8,12,16,17有機金属触媒12,18,19 に分類できます。、20,21と生体触媒。22一般に、触媒によって促進される OCAs ROP は OCAs 電子グループ、8,17を軸受のエピマー化 (すなわち、年の欠如) などのもっとまたはより少なく自由な方法で進む予測不可能な MWs または遅い重合速度論。13これらの問題に対処するため作業中の Zn アルコキシド コンプレックスは OCAs ROP のため開発されました。12マテリアルインテグレーション Rop は、重合度の低い (DP) エピマー化なしで達成されました。ただし、この亜鉛アルコキシドの触媒は効率的に重合 (DP ≥ 300) の高度でポリマーを生成できません。13

我々 は最近、カスタマイズ性とケヤパハ合成 (図 1) の効率を大幅に向上させる有望なアプローチを報告しています。13 OCAs の開環重合を仲介する亜鉛アルコキシドと OCA の脱炭酸を促進するユウロピウム Ni/Ir 触媒をマージします。低温 (-15 ° C) およびユウロピウム Ni/Ir 触媒の使用は相乗的開環し、OCA の望ましくない副反応を回避しながらチェーン伝播 Ni カルボニルの形成などの脱炭酸を加速します。23,24 ni 複雑なトランス メタル化にアクティブな Zn アルコキシドはチェーン伝達の鎖末端にあります。13

このプロトコルでは、新鮮な準備追加 (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2'-ビピリジル、タラ = 1, 5-シクロオクタジエン)、Zn(HMDS)2 (HMDS = ヘキサメチルジシラザン)、25ベンジル アルコール (BnOH) と Ir [dF (CF3) ppy]2(dtbbpy) PF6 (Ir 1dF (CF3) ppy = 2-(2, 4-difluorophenyl)-5-(トリフルオロメチル) ピリジン、dtbbpy = 4, 4' - ジ-tert- ブチル-2, 2'-ビピリジン) の存在下でのコールド トラップ付きグローブ ボックスでモノマーの l-1ソリューション26に、ブルーの LED ライト (400-500 nm) と温度 (図 1) を維持するためにファンが。温度は-15 ° C ± 5 ° C で重合中に保持されます。OCA の変換は、フーリエ変換赤外分光法によって監視されます。得られたポリマー MWs とĐs は、ゲル浸透クロマトグラフィー (GPC) によって特徴付けられます。Homodecoupling 1H nmr による研究は、得られるポリマーがアイソタク チックであるかどうかを決定します。ほとんどの化学薬品は水分に非常に敏感、詳しいビデオ プロトコル落とし穴ユウロピウム OCAs ROP に関連付けられている新しい実務を支援するものです。

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Protocol

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注意: は、すべて関連材料の安全データ用紙 (MSDS) 使用する前にご相談ください。合成で使用されている多くの化学物質、急性毒性、発癌性。反応工学的制御 (ヒューム フードとグローブ ボックス) と個人用保護具 (保護メガネ、手袋、白衣、フルレングスのパンツ、閉じてつま先の靴、青の光の使用を含むを実行するときにすべての適切な安全対策を使用してください。ブロック安全ゴーグル)。次の手順は、グローブ ボックスの標準的な無料の空気処理技術を含みます。すべてのソリューションは、ピペットを使用して転送されます。

1. 触媒との発信側の準備

注: 全体のプロセスは、コールド トラップをグローブ ボックスで実施します。すべての化学物質は乾燥またはボックスに移動する前に精製します。13すべてのバイアルとガラス乾燥させ、ボックスに移動する前に、オーブンで加熱します。

  1. (Bpy)Ni(COD) 溶液の調製
    注: (bpy)Ni(COD) たておかなければ、その場で。それはグローブ ボックス冷凍庫 (-35 ° C) に格納されている必要があります、1 週間以内に使用します。他のすべての触媒およびイニシエーター ソリューションに格納できるグローブ ボックス冷凍庫 1 ヶ月以上。
    1. 7 mL シンチレーション バイアルに Ni(COD)2 (3.5 mg、12.7 µmol 1.0 eq) を考慮します。
    2. 2, 2 '-ビピリジン (5.9 mg、37.8 µmol) 7 mL シンチレーション バイアルに重量を量る。
    3. 2, 2 '-ビピリジンを 1 mL の無水テトラヒドロ フラン (THF) を解散します。
    4. 結果として得られる 2, 2 '-ビピリジン ソリューション (337 μ L) Ni(COD)2バイアルを追加します。
    5. 1 mL の無水 thf に混合物を希釈します。
    6. バイアルのキャップ、2 時間室温で反応混合物を配置します。
      注: Ni(COD)2は THF に溶解しないに対し (bpy)Ni(COD) THF に溶解。紫のソリューションで 2 時間後沈殿物はないはずです。
    7. ストア (-35 ° C のフリーザーで bpy)Ni(COD)。
  2. Zn(HMDS)2溶液の調製
    1. 7 mL シンチレーション バイアルに Zn(HMDS)2 (3.3 mg、4 μ L、8.5 µmol) を追加します。
    2. Zn(HMDS)2 1 mL の無水 thf に溶解します。
    3. -35 ° C のフリーザーに Zn(HMDS)2ソリューションを格納します。
  3. BnOH 溶液の調製
    1. 7 mL シンチレーション バイアルに BnOH (4.0 mg、4 μ L、37.0 µmol) を追加します。
    2. BnOH 4 mL の無水 thf に溶解します。
    3. -35 ° C のフリーザーに BnOH ソリューションを格納します。
  4. Ir 1 溶液の調製
    1. グローブ ボックス ライトをオフにします。
      注意: それは重合前にIr 1の非アクティブ化を避けるためにグローブ ボックス ライトをオフにする必要は。
    2. 7 mL シンチレーション バイアルにIr 1 (2.9 mg, 2.6 µmol) を追加します。
    3. Ir 1 3 mL の無水 thf に溶解します。
    4. -35 ° C のフリーザーでIr 1ソリューションを格納します。

2. l-1 のユウロピウム開環重合

注: 全体のプロセスは、コールド トラップをグローブ ボックスで実施します。すべての OCA モノマーは、使用する前にグローブ ボックスに再結晶しました。13 DP で重合の例を与える私たちここで 500 を = ([l -1]/[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2]/[BnOH]/[Ir 1] = 500/1/1/1/0.1)。異なる DPs でポリマーはモノマーを質量に応じて調整することによっても用意できます。

  1. 重合用 l-1 溶液の調製
    1. 7 mL シンチレーション バイアルに l-1 (72.2 mg, 375.7 µmol) を追加します。
    2. 無水 thf 722 μ L に l-1を溶解します。
    3. 攪拌棒装備別のシンチレーション 7 mL バイアルに l-1溶液 200 μ L を追加します。
    4. 7 mL シンチレーション バイアルに無水 thf 中の 100 μ L を追加します。
    5. バイアルのキャップし、コールド トラップの l-1ソリューションを配置します。
    6. グローブ ボックス ライトをオフにします。
      注意: それは重合前にIr 1の非アクティブ化を避けるためにグローブ ボックス ライトをオフにする必要は。
  2. コールド トラップを冷却
    1. 箱の中には、コールド トラップに温度計を入れます。
    2. ボックスの外側を追加 ca。 500 mL のエタノールのデュワー フラスコ。
    3. デュワー フラスコに液体窒素を追加します。
    4. コールド トラップに KGW デュワー フラスコをロードします。
    5. -50 ° c. にコールド トラップを冷却します。
    6. 入れてかき混ぜるプレート下、コールド トラップ (図 1参照)。
  3. ユウロピウム開環重合を実行します。
    注: 重合を開始する前に場所の安全ブロックを青い光が届くゴーグルします。すべての触媒システム ソリューションをすぐに冷凍庫から取り出して 20 mg l-1一時停止または中断なしの 30 以上を含む 7 mL シンチレーション バイアルに順次付加 s。
    1. ソリューションを追加 (bpy)Ni(COD) (16.4 μ L、0.208 µmol) l-1 (2.1 の準備) バイアル 7 mL シンチレーションに。
    2. バイアルに Zn(HMDS)2ソリューション (24.4 μ L、0.208 µmol) を追加します。
    3. バイアルに BnOH 溶液 (22.5 μ L、0.208 µmol) を追加します。
    4. バイアルに Ir 1 ソリューション (24.2 μ L, 0.0208 µmol) を追加し、バイアルのキャップします。
    5. 青の LED 光を遮断、安全ゴーグルを着用します。
      注意: 相対高強度の光を使用して青色 LED として、全体のプロセスの中に安全ゴーグルを着用します。
    6. 光青 LED ライト (34 W) と LED によって生成される熱を放散するファンを入れます。コールド トラップのバイアルに光を向けます。(図 1)
    7. かくはんを入れます。
    8. アルミ箔コールド トラップをカバーします。
    9. -15 ± 5 ° C で反応温度を維持し、15-20 分ごと液体窒素を追加します。
      注: 反応温度の維持は、重合の MW が重要です。

3. モニター モノマー変換フーリエ変換赤外吸収スペクトル

注: フーリエ変換赤外吸収スペクトル (FTIR) ダイヤモンド ATR と伝送サンプリング アクセサリ装備 FT-IR 分光器に記録されます。

  1. 特定の時点で 7 mL シンチレーション バイアルに高分子溶液 (20 μ L) の小さい因数を追加し、頂いた。
  2. グローブ ボックスのバイアルを削除します。
  3. 赤外 ATR ダイヤモンド サンプラーにソリューション (3 μ L) をすぐにドロップします。ソリューション フォーム 10 内映画スペクトル測定のための s。
  4. 試料の赤外スペクトルを測定します。
    注: モノマー変換された 1760 cm-1と 1805s cm-1の間強度比によって決定されます: 変換 % =1760/(私1760 +1805) (代表は、図 2の結果)。一般的に、重合は、1 8 h 約 200 から 1000 まで DP (詳細な動態は参照13で説明します)。

4. ゲル浸透クロマトグラフィーによる高分子の分子量の測定

注: ゲル浸透クロマトグラフィー (GPC) 実験は、脱ガス装置、システム レーザー光散乱 (MALS) 検出器搭載者のイソクラティック ポンプ システムで実行されます (GaAs 30 mW レーザー λ = 690 nm)、および差動屈折 (DRI) 検出器690 nm の光源。直列サイズ排除カラムを使用して色分解を実行 (100 Å、500 Å、103 Å と 104 Å 列、5 μ m、300 × 4.6 mm) 35 ° c a 0.35 mL/min の流速で移動相として THF を使用します。ポリマーの分子量 (MW) と分子量分布 (Ð) は、MALS DRI データの適合 Zimm 模型を使用して決定されます。金属、高分子錯体の存在は、GPC 測定結果には影響しません。

  1. グローブ ボックスの高分子溶液 (50 μ L) の小さい因数を削除します。
  2. バイアルに thf 100 μ L を追加します。
  3. GPC サンプラーにサンプルを注入します。
  4. GPC の実行が完了したら、結果を分析します。
    注: ポリマーは、狭いĐと単分散をする必要があります (図 3の結果代表)。ポリマー (20 mg) を乾燥し、Ni の 87%、亜鉛錯体、誘導結合プラズマ質量分析法 (ICP-MS) による決定の 50% を削除することができます 1% とし、1 mL メタノール含有 1 mL ジエチル エーテルで洗浄することができます。

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Representative Results

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図 2に示すように、OCA の変換はフーリエ変換赤外分光法によって監視されます。OCA の無水結合ストレッチとして 1805 cm-1にピークが割り当てられます1760 cm-1にピークは、ポリマー中のエステル結合の形成に対応します。1805 cm-1にモノマーのピークが完全に消えると、重合が完了します。

MW と生成ポリマーのĐは、ゲル浸透クロマトグラフィーによって特徴付けられます。200 から 1000 まで DP と OCAs の制御されたユウロピウム開環重合を図 3に示します。モノマーを増やすに増加と予想されるMn生成ポリマーの比 ([l-1]/[Zn(HMDS)2] 比) リードをフィードしました。その上、ポリマーのMnは初期 [l-1] に比例して増加/[Ni]/[Zn]/[Ir-1] 比 1000/1/1/0.1、最大およびすべてのĐ値が < 1.1。

Nmr による研究では、得られた高分子の立体化学を測定します。ジメチルアミノピリジンなど触媒を介した OCAs ROP OCAs 電子グループを軸受の α メチンにエピマー化を引き起こすことができます。8,17 homodecoupling 1H NMR これらのポリマーは、重合における年の喪失を示す α メチン地域の複数のピークを出展しました。Homodecoupling 1H nmr 法を用いて、α メチン地域 (5.0 5.3 ppm) で得られたポリマーがアイソタク チック (図 4) が反転なしであることを示す単一のピークを示しています。

Figure 1
図 1.ニッケル/亜鉛を介したユウロピウム l-1の ROP の方式です。ユウロピウム重合は、コールド トラップ、温度を維持するために冷却ファン付け LED ライト照射とグローブ ボックスで行われています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2 。(A) l-1 (b) ユウロピウム重合中に反応混合物の FTIR スペクトル。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3.(a) Mnと分子量分布のプロット (Mw/Mn) ポリ (l-1) [l-1]/[Zn(HMDS)2対] 比 ([(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2]/[BnOH]/[Ir 1] = 1/1/1/0.1)。((a) パネルのユウロピウム重合反作用の b) 代表的なゲル浸透クロマトグラフィー (GPC) 跡。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4 。ポリ (l-1) の NMR スペクトル。(a) 1H NMR スペクトル(b) 1H homodecoupling NMR スペクトル。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

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Discussion

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-15 ± 反応温度を維持しているプロトコルの中で重要なステップ 5 ° Cすべての触媒ソリューションおよび OCA モノマー重合前に-35 ° C でグローブ ボックスの冷凍庫で保存する必要。反応容器は、コールド トラップで予冷する必要があります。LED ライト放散熱のため、反応中に 15-20 分ごとの反応を監視する必要は。温度を上げて一度を追加とする-10 ° C、液体窒素デュワー トラップを冷却するために。低温常温管理されたユウロピウム重合にとって有害である、MW とĐに影響を与える複雑な Ni(CO) の形成です。13

O- carboxyanhydrides 触媒による懸垂機能グループからの合成の試みは、高 MW の立体規則性高分子の作製を阻害するが、反転を含む自由な重合に悩まされています。この制御ユウロピウム ROP 重合準備できる立体規則高 MW ポリマー DP で、参照13に記載されている各種の OCA モノマー 1000 に到達します。逐次添加による別 OCA モノマーとの共重合も私たちの方法を使用して多くを求めないです。ただし、 L- マンデル OCA モノマー MW コントロール達成されていない高 DPs で。現在この方法を調査して、重合新触媒戦略を開発ましょう。

結論としては、Ni/亜鉛を介したユウロピウム重合プロトコルは立体規則ポリ (α-ヒドロキシ酸) とさまざまな機能性側鎖グループを軸受の共重合体を準備する急速な制御の OCA 重合を達成するための戦略を提供しています。剛性、弾力性、生分解性など望ましいの巨視的な性質を持つ新しいポリエステルの世代の新たな戦略ができると見込んでいます。このメソッドは、光硬化型ナノイン プリント ・ リソグラフィなど新しい加工技術の役に立つことができます。

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Disclosures

著者は競合する金銭的な利益を宣言しません。仮特許 (米国特許アプリケーションなし: 62/414,016) 本稿で示された結果に係る提出されています。

Acknowledgments

この作品は、バージニア工科大学と州立大学からスタートアップの資金によって支えられました。Q.F. は、国家自然科学基金、中国の (21504047)、江蘇省の自然科学財団 (BK20150834)、南京大学の記事および通信科学財団 NUPTSF (NY214179) からの支援を認めています。

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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<em>O</em>Carboxyanhydrides ニッケル/亜鉛錯体による媒介のユウロピウムの開環重合
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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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