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Chemistry

Controlado por polimerização de anel de abertura Photoredox do - Carboxyanhydrides, mediada por complexos de Ni/Zn

doi: 10.3791/56654 Published: November 21, 2017

Summary

Um protocolo para a polimerização do anel de abertura controlada photoredox de O- carboxyanhydrides, mediada por complexos de Ni/Zn é apresentado.

Abstract

Aqui, descrevemos um protocolo eficaz que combina catálise de Ni/Ir photoredox com o uso de um alcóxido-Zn para polimerização eficiente de anel de abertura, permitindo a síntese de poli isotactic (α-hidroxi ácidos), com esperada pesos moleculares (> 140 kDa) e distribuições de peso molecular mais estreitas (Mw/Mn < 1.1). Esta abertura do anel de polimerização é mediada por complexos de Ni e Zn na presença de um iniciador de álcool e um photoredox de catalisador de infravermelho, irradiado por um LED azul (400-500 nm). A polimerização é realizada em uma baixa temperatura (-15 ° C) para evitar reações colaterais indesejáveis. O consumo de monômero completo pode ser alcançado dentro de 4-8 horas, proporcionando um polímero perto o esperado peso molecular com distribuição estreita de peso molecular. Resultado número médio peso molecular mostra uma correlação linear com o grau de polimerização até 1000. O homodecoupling 1estudo H NMR confirma que o polímero obtido é isotactic sem epimerização. Esta polimerização aqui indicada oferece uma estratégia para a realização rápida, controlado Ocarboxyanhydrides - polimerização para preparar stereoregular poli (α-hidroxi ácidos) e seus copolímeros tendo vários grupos funcionais da cadeia lateral.

Introduction

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Poli (ácido α-hidroxi) (PAHA) é uma importante classe de polímeros biodegradáveis e biocompatíveis com aplicações que vão desde dispositivos biomédicos para materiais de embalagem. 1 , 2 embora PAHAs pode ser preparado diretamente por policondensação de α-hidroxi ácidos, os pesos moleculares (MWs) dos PAHAs resultantes são geralmente baixos. 3 abertura de anel polimerização (ROP) de lactonas (por exemplo, lactidas e glicolido) é uma abordagem alternativa sintética que oferece o melhor controle no MWs e distribuição de peso molecular (Đ) do que de policondensação. No entanto, a falta de funcionalidade de cadeia lateral em PAHAs e em lactonas limitar a diversidade de propriedades físicas e químicas e suas aplicações. 4 , 5 desde 2006, 1,3-dioxolano-2,4-diones, os chamados O- carboxyanhydrides (OCAs), que pode ser preparado com uma rica variedade de funcionalidades de cadeia lateral,6,7,8, 9 , 10 , 11 , 12 , 13 têm emergido como uma classe alternativa de monômeros altamente ativos para polimerização de poliéster. 14 , 15

Sistemas catalíticos para a ROP de OCAs podem ser categorizados em organocatalisadores,8,12,16,17 catalisadores organometálicos12,18,19 ,20,21 e Biocatalisadores. 22 em geral, o ROP de OCAs, promovido pela organocatalyst procede de uma forma mais ou menos descontrolada, como epimerização (ou seja, a falta de stereoregularity) para OCAs portando grupos elétron-retirando,8,17 MWs imprevisíveis, ou cinética de polimerização lenta. 13 para resolver esses problemas, um complexo de Zn-alcóxido ativo foi desenvolvido para o ROP de OCAs. 12 well-controlled ROPs foram alcançados em um baixo grau de polimerização (DP) sem epimerização. No entanto, este catalisador alcóxido-Zn eficientemente não pode produzir polímeros com um alto grau de polimerização (DP ≥ 300). 13

Recentemente informamos uma abordagem promissora que melhora consideravelmente a capacidade de personalização e eficiência de síntese PAHA (Figura 1). 13 fusão catalisadores de Ni/Ir photoredox que promovem a descarboxilação OCA com zinco alcóxido para mediar a abertura do anel de polimerização de OCAs. O uso de baixa temperatura (-15 ° C) e photoredox catálise Ni/Ir em sinergia acelera o anel-abertura e descarboxilação do OCA para propagação da cadeia, evitando reações colaterais indesejáveis, por exemplo, a formação de Ni-carbonila. 23 , 24 em cima transmetalação com complexo de Ni a Zn-alcóxido ativo está localizado no terminus da cadeia de propagação da cadeia. 13

Neste protocolo, acrescentamos frescos preparados (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2'-bipirdil, COD = 1,5-cicloctadieno), Zn(HMDS)2 (HMDS = hexamethyldisilazane), álcool benzílico de25 (BnOH) e IV [PPA do dF (CF.3)]2(dtbbpy) PF (de6 IV-1, PPA do dF (CF.3) = 2-(2,4-difluorophenyl) -5-(trifluorometil) piridina, dtbbpy = 4, 4' - di -terc- butil-2, 2'-Bipiridina) para o monômero l-1 solução26 em uma caixa de luva com uma armadilha fria, na presença de um luz de LED azul (400-500 nm) e um ventilador para manter a temperatura (Figura 1). A temperatura é mantida a-15 ° C ± 5 ° C durante a polimerização. A conversão de OCA é monitorada por espectroscopia de infravermelho-transformada de Fourier. O polímero resultante MWs e s Đé caracterizada por uma cromatografia de permeação de gel (GPC). O homodecoupling 1estudo H NMR determina se o polímero obtido é isotactic, ou não. Como a maioria dos produtos químicos são altamente sensíveis à umidade, o protocolo detalhado vídeo destina-se a ajudar novos praticantes evitar armadilhas associadas com o photoredox ROP de OCAs.

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Protocol

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Atenção: Por favor, consulte todos os materiais relevantes dados fichas de segurança (MSDS) antes de usar. Muitos produtos químicos usados na síntese são extremamente tóxico e cancerígeno. Por favor, use todas as práticas de segurança adequadas ao realizar a reação, incluindo o uso de controles de engenharia (coifa e porta-luvas) e equipamentos de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jaleco, calça longa-metragem, sapatos fechados, luz azul bloqueio de segurança óculos). Seguindo os procedimentos envolvem técnicas de tratamento de ar livre padrão em uma caixa de luva. Todas as soluções são transferidas usando a pipeta.

1. preparação do catalisador e iniciador

Nota: Todo o processo é realizado em uma caixa de luva com uma armadilha fria. Todos os produtos químicos são secas ou purificados antes de se mudar para a caixa. 13 todos os frascos e copos são secos e aquecidos no forno antes de se mudar para a caixa.

  1. Preparação de (solução de bpy)Ni(COD)
    Nota: (bpy)Ni(COD) devem ser preparadas em situ. Deve ser armazenado no congelador a caixa de luva (-35 ° C) e utilizado dentro de uma semana. Todas as outras soluções de iniciador e catalisadores podem ser armazenadas no freezer caixa de luva mais de 1 mês.
    1. Pesa Ni(COD)2 (3,5 mg, 12,7 µmol, 1,0 eq) dentro de um frasco de 7 mL cintilação.
    2. Pese 2, 2 '-Bipiridina (5,9 mg, 37,8 µmol) dentro de um frasco de 7 mL cintilação.
    3. Dissolva o 2, 2 '-Bipiridina em 1 mL de anidro tetrahidrofurano (THF).
    4. Adicione 2 resultante, solução de 2 '-Bipiridina (337 µ l) para o frasco contendo o Ni(COD)2.
    5. Dilua a mistura em 1 mL de THF anidro.
    6. Tampar o frasco e coloque a mistura de reação em temperatura ambiente por 2 h.
      Nota: Ni(COD)2 não é solúvel em THF, Considerando que (bpy)Ni(COD) é solúvel em THF. Não deve haver nenhuma precipitação na solução roxa após 2 h.
    7. Loja a (bpy)Ni(COD) no congelador-35 ° C.
  2. Preparação da solução de2 Zn(HMDS)
    1. Adicione Zn(HMDS)2 (3,3 mg, 4 µ l, 8,5 µmol) para um frasco de 7 mL cintilação.
    2. Dissolva o Zn(HMDS)2 em 1 mL de THF anidro.
    3. Armazene a solução de2 Zn(HMDS) no congelador-35 ° C.
  3. Preparação da solução BnOH
    1. Adicione BnOH (4,0 mg, 4 µ l, 37,0 µmol) para um frasco de 7 mL cintilação.
    2. Dissolva o BnOH em 4 mL de THF anidro.
    3. Armazene a solução BnOH no congelador-35 ° C.
  4. Preparação da solução de Ir-1
    1. Desligue a luz do porta-luvas.
      Atenção: É necessário desligar a luz do porta-luvas para evitar a desativação da Ir-1 antes de polimerização.
    2. Adicione Ir-1 (2,9 mg, 2.6 µmol) para um frasco de 7 mL cintilação.
    3. Dissolva o Ir-1 em 3 mL de THF anidro.
    4. Armazene a solução Ir-1 no congelador-35 ° C.

2. Photoredox abertura do anel de polimerização de l-1

Nota: Todo o processo é realizado em uma caixa de luva com uma armadilha fria. Todos os monômeros OCA são recristalizados em luvas antes de usar. 13 aqui damos o exemplo da polimerização de DP = 500 ([l -1] /[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2] / [BnOH] / [Ir-1] = 500/1/1/1/0.1). Polímeros na DPs diferentes também podem ser preparados por ajustando o monômero massa adequadamente.

  1. Preparação da solução de l-1 para polimerização
    1. Adicione l-1 (72,2 mg, 375.7 µmol) para um frasco de 7 mL cintilação.
    2. Dissolva o l-1 em 722 µ l de THF anidro.
    3. Adicione 200 µ l de solução de l-1 em outro frasco de 7 mL cintilação equipado com uma barra de agitação.
    4. Adicione 100 µ l de THF anidro dentro do frasco de 7 mL cintilação.
    5. Tampa do frasco e coloque a solução de l-1 na armadilha fria.
    6. Desligue a luz do porta-luvas.
      Atenção: É necessário desligar a luz do porta-luvas para evitar a desativação da Ir-1 antes de polimerização.
  2. Arrefecimento a armadilha fria
    1. Dentro da caixa, coloque um termômetro para a armadilha fria.
    2. Fora da caixa, adicione ca. 500 mL de etanol para o frasco de dewar.
    3. Adicione nitrogênio líquido para o frasco de dewar.
    4. Carrega o frasco de dewar KGW para a armadilha fria.
    5. Legal a armadilha fria até-50 ° C.
    6. Coloque uma celeuma placa por baixo o frio armadilha (ver Figura 1).
  3. Executar a polimerização do anel de abertura photoredox
    Nota: Antes de iniciar a polimerização, coloque óculos de segurança essa luz bloco azul ao seu alcance. Todas as soluções de sistema de catalisador são imediatamente retiradas do congelador e adicionadas sucessivamente dentro do frasco de cintilação de 7 mL contendo 20 mg de l-1 , sem pausa ou interrupção de mais de 30 s.
    1. Adicionar (bpy)Ni(COD) solução (16,4 µ l, 0.208 µmol) dentro do frasco de 7 mL cintilação contendo l-1 (preparado em 2.1).
    2. Adicione a solução de2 Zn(HMDS) (µ l 24.4, 0.208 µmol) dentro do frasco.
    3. Adicione solução BnOH (22,5 µ l, 0.208 µmol) dentro do frasco.
    4. Adicionar a solução IV-1 (µ l 24.2, 0.0208 µmol) dentro do frasco e tampar o frasco.
    5. Use óculos de segurança, bloqueando a luz LED azul.
      Cuidado: Como LED azul luz com alta intensidade relativa é usada, use óculos de segurança durante todo o processo.
    6. Liga a luz de LED azul (34 W) e o ventilador para dissipar o calor gerado pelo LED luz. Direcionar a luz para o frasco na armadilha fria. (Figura 1)
    7. Ligue o agitador.
    8. Cobrir a armadilha fria com folha de alumínio.
    9. Manter a temperatura de reação a-15 ± 5 ° C e adicionar nitrogênio líquido a cada 15-20 minutos.
      Nota: A manutenção da temperatura de reação é importante para o controle de MW e polimerização.

3. monitorar a conversão do monômero por espectros de infravermelho-transformada de Fourier

Nota: Espectros de infravermelho-transformada de Fourier (FTIR) são gravados em um espectrômetro FT-IR equipado com acessório de amostragem diamante ATR e transmissão.

  1. Em pontos específicos de tempo, adicionar uma pequena alíquota da solução de polímero (20 µ l) dentro de um frasco de 7 mL cintilação e tampado.
  2. Remova o frasco fora da caixa de luva.
  3. Imediatamente solte a solução (3 µ l) sobre a amostra de diamante de FTIR-ATR. A solução forma um filme dentro de 10 s para a medição do espectro.
  4. Medir o espectro FTIR da amostra.
    Nota: A conversão do monômero foi determinada pela relação intensidade entre 1760 cm-1 e 1805s cm-1: conversão % eu =1760/ (eu1760 + I1805) (representante resulta na Figura 2). Geralmente, a polimerização leva cerca de 1-8 h para DP que variam de 200 a 1000 (cinética detalhada são discutidos em referência 13).

4. a medição do peso de molecular do polímero por cromatografia de permeação de gel

Nota: Experiências de permeação de Gel (GPC) de cromatografia são executadas em um sistema equipado com uma bomba isocrática com desgaseificador, detector de espalhamento de luz (MALS) multi-ângulo do laser (laser de GaAs 30 mW em λ = 690 nm) e o detector de índice de refração diferencial (DRI) com uma fonte de luz de 690 nm. Separações são executadas usando colunas de exclusão de tamanho conectados em série (100 Å, 500 Å, 103 Å e 10 colunas de4 Å, 5 µm, 300 × 4,6 mm) a 35 ° C, utilizando THF como fase móvel a um fluxo de 0,35 mL/min. O peso molecular de polímeros (MW) e a distribuição de peso molecular (Ð) são determinados usando o modelo de Zimm ajuste de dados MALS-DRI. A presença de metal complexo em polímero não afeta os resultados de medição do GPC.

  1. Remova uma pequena alíquota da solução de polímero (50 μL) fora da caixa de luva.
  2. Adicione 100 µ l de THF dentro do frasco.
  3. Injete a amostra o sampler do GPC.
  4. Analise o resultado depois de executar o GPC é concluído.
    Nota: O polímero deve ser monodispersas com estreitas Đ (representante resulta na Figura 3). O polímero (20 mg) pode ser secado e lavado por 1 mL de éter dietílico contendo 1% HOAc e 1 mL de metanol, que pode remover a 87% de Ni e 50% de complexos de Zn, determinados por espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplado (ICP-MS).

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Representative Results

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A conversão de OCA é monitorada por espectroscopia de infravermelho-transformada de Fourier, como mostrado na Figura 2. O pico em 1805 cm-1 é atribuído como o trecho de ligação anidrido na OCA; o pico em 1760 cm-1 corresponde à formação da ligação éster em polímero. Quando o pico do monômero em 1805 cm-1 desaparece completamente, a polimerização é terminada.

O MW e Đ do polímero resultante é caracterizada por uma cromatografia de permeação de gel. A Figura 3 mostra a polimerização de anel de abertura controlada photoredox de OCAs com DP que variam de 200 a 1000. Aumentar o monômero alimenta ratio (proporção de /[Zn(HMDS)2] de [l-1]) leva a um aumento e esperado Mn do polímero resultante. Além disso, Mn de polímeros aumenta linearmente com a inicial [l -1] / [Ni] / [Zn] / [Ir-1] relação até 1000/1/1/0.1 e todos os valores Đ são < 1.1.

Os estudos de NMR medem a estereoquímica do polímero obtido. O ROP de OCAs mediada por organocatalyst tais como dimetilaminopiridina pode induzir epimerização sobre o α-Metino para OCAs portando grupos elétron-retirando. 8 , 17 a homodecoupling 1H NMR destes polímeros exibiu vários picos na região de α-Metino, indicando a perda do stereoregularity na polimerização. Usando nosso método, o homodecoupling 1estudo H NMR mostra único pico na região de α-Metino (5.0-5,3 ppm), indicando que o polímero obtido é isotactic sem epimerização (Figura 4).

Figure 1
Figura 1. Regime de photoredox Ni/Zn-mediada ROP de l -1. A polimerização de photoredox é realizada em uma caixa de luva com armadilha fria, irradiada por luz LED com um ventilador de refrigeração para manter a temperatura. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2. Espectros FTIR do (a) l -1 e (b) a mistura de reação durante a polimerização de photoredox. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3. (a) a parcela de distribuição den e peso molecular de M(Mw/Mn) de poli (l-1) contra [l-1] /[Zn(HMDS)2] relação ([(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2] / [BnOH] / [ IV-1] = 1/1/1/0,1). (b) vestígios de cromatografia (GPC) representativa de permeação de gel da reação de polimerização de photoredox no painel (a). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4. Espectro de RMN de poli (l -1). espectro de RMN de H (a) 1; espectro de homodecoupling NMR 1H (b). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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O passo crítico no âmbito do protocolo é manter a temperatura de reação a-15 ± 5 ° C. Todas as soluções de catalisadores e monômeros OCA tem que ser armazenado em um freezer de luvas a-35 ° C antes da polimerização. Os frascos de reação tem que ser pre-cooled na armadilha fria. Durante a reação, porque a luz LED dissipa o calor, é necessário monitorar a cada 15-20 minutos de reação. Uma vez que a temperatura é elevada acima nitrogênio líquido a-10 ° C, deve ser adicionado para o dewar para esfriar a armadilha. A razão para a baixa temperatura é a formação de complexos em temperatura ambiente, que é prejudicial para a polimerização de photoredox controlada e afeta o MW e Đo Ni(CO). 13

Tentativas de síntese de carboxyanhydrides - Ocom pendentes grupos funcionais por organocatalisadores tem sido atormentadas por polimerização descontrolada, incluindo epimerização, o que dificulta a preparação de polímeros de alta-MW stereoregular. Esta polimerização de ROP photoredox controlado pode com sucesso preparar stereoregular polímeros de alta-MW com DP atingindo 1000 para vários monômeros OCA, que estão documentados na referência 13. A copolimerização de diferentes monômeros OCA por adição sequencial também é pouco exigente usando nossos métodos. No entanto, para monômeros OCA L- mandélico, o controle de MW não foi alcançado no altos DPs. Estamos atualmente investigando esta metodologia e tentar desenvolver uma nova estratégia de catalisador para a polimerização.

Em conclusão, nosso protocolo de polimerização de photoredox Ni/Zn-mediada oferece uma estratégia para a realização rápida e controlada de polimerização OCA para preparar stereoregular poli (α-hidroxi ácidos) e seus copolímeros tendo vários grupos funcionais da cadeia lateral. Esperamos que nossa nova estratégia permite a geração de novos poliésteres com propriedades macroscópicas desejáveis, tais como rigidez, elasticidade e biodegradabilidade. Esse método também pode ser útil para novas técnicas de fabricação tais como litografia nanoimprinting fotopolimerizável.

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Disclosures

Os autores declaram não concorrentes interesses financeiros. Uma patente provisória (E.U. patente aplicação n: 62/414.016) tem sido arquivado referentes aos resultados apresentados neste trabalho.

Acknowledgments

Este trabalho foi financiado através do financiamento de start-up da Virginia Polytechnic Institute e Universidade de estado. Q.F. reconhece o apoio da Fundação Nacional de ciências naturais da China (21504047), Fundação ciência Natural da província de Jiangsu (BK20150834), Universidade de Nanjing dos correios e telecomunicações científica Fundação 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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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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