상자없이 입자 : 주위 조건에서 광분해 성 고분자 PEG 브러쉬 최초의 합성

Chemistry

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Summary

폴리 (에틸렌 글리콜) (PEG) 브러시 팔 성 고분자 좁은 질량 분포 및 조정할 수있는 나노 크기로 (BASPs는) 그 결과 생활의 부분 전송 다음에 PEG - 노보 넨 거대 단량체의 개환 메타 세 시스 중합 (ROMP)을 통해 합성된다 강성, 사진 분해성 비스 - 노보 넨의 가교제의 다양한 금액을 포함하는 유리 병에 브러시 개시.

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Liu, J., Gao, A. X., Johnson, J. A. Particles without a Box: Brush-first Synthesis of Photodegradable PEG Star Polymers under Ambient Conditions. J. Vis. Exp. (80), e50874, doi:10.3791/50874 (2013).

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Abstract

다양하게 기능화 된 나노 입자의 빠른 병렬 합성을위한 편리한 방법은 약물 전달, 생체 이미징 및 지원 촉매에 대한 새로운 공식의 발견을 가능하게 할 것이다. 이 보고서에서, 우리는 "브러시 최초의"방법으로 브러시 팔 성 폴리머 (BASP) 나노 입자의 병렬 합성을 보여줍니다. 이 방법에서, 노르 보르 넨 - 말단 폴리 (에틸렌 글리콜) (PEG)이 거대 단량체 (PEG-MM) 우선 리빙 브러시 매크로 개시제를 생성하는 개환 복분해 중합 (ROMP)을 통해 중합된다. 이 기자 원액의 분액 광분해 비스 - 노보 넨의 가교제의 다양한 금액을 포함 유리 병에 추가됩니다. 가교제에 대한 노출은 궁극적으로 PEG 구성 가교제 및 ​​코로나로 구성 코어 BASPs를 산출 역학적으로 제어 브러쉬 + 브러쉬 스타 + 스타 커플 링 반응의 시리즈를 시작합니다. 최종 BASP 크기 첨가 가교제의 양에 의존한다. 우리는 SYN을 수행공기와 수분을 제거하는 데 특별한주의와 벤치 탑에 세 BASPs의 논문. 샘플은 겔 투과 크로마토 그래피 (GPC)에 의해 특징되며, 결과는 불활성 (글로브 박스) 조건을 살린 우리의 이전 보고서와 밀접 동의했다. 키 실용적인 기능, 장점 및 브러시 첫 번째 방법의 잠재적 인 단점을 설명합니다.

Introduction

고분자 나노 입자는 널리 약물 전달 플랫폼 지원 촉매, 생물 이미징 및 자기 조립 1-3으로 자신의 잠재력을 사용하기 위해 연구되고있다. 현대 응용 프로그램은 나노 입자의 합성은, 손쉬운 재현, 화학 기능과 호환 및 다양 4,5에 순종 할 것을 요구하고 있습니다. 긴장 올레핀의 개환 메타 세 시스 중합 (ROMP)는 제어 크기와 좁은 질량 분포 1,6-8와 기능성 고분자 나노 구조의 합성을위한 강력한 방법론이다. 예를 들어, 노르 보르 넨 - 작용 화 된 폴리 (에틸렌 글리콜) (PEG) 매크로 단량체 (MMS)를 효율적으로 수용성 병 브러시 중합체를 생성하기 위하여 ROMP 통해 중합 될 수있다. 이 방법을 사용하여, 다 이형성 약물 분자, 형광, 및 스핀 조영제를 운반 나노 구조물이 급속히 평행 6, 9, 10에서 제조 될 수있다.

ROMP는 성 고분자의 "팔 첫 번째"합성에 사용되어왔다. 아암 첫번째 방법에서는, 선형 중합체는 무기 중합체 구형 나노 구조물을 제공하는 다기능 가교제로 가교 결합된다. Schrock 및 동료는 노르 보르 넨, dicarbomethoxynorbornadiene 및 관능 넨 가교제와 트리메틸 실릴 보호 dicarboxynorbornene 선형 중합체의 가교 결합을 통해 성 중합체의 제 1 아암 우선 ROMP 합성을보고 하였다. 11,12 Buchmeiser이있는 물질의 합성에 대해이 방법을 확장했다 지원 촉매, 조직 공학, 크로마토 그래피 13-17 포함 된 응용 프로그램의 범위. 오타니과 동료 관계 "에서 아웃"중합 전략 (18, 19)을 통해 기능성 표면 성 고분자 나노 입자를 만들었습니다.

대부분의 암 - 최초의 중합 모노머, 폴리머, 스타 커플 링 반응의 복잡한 상호 작용을 포함한다. 일일반적으로 넓은 분자량 (MW) 분포에 이르게 단계 성장 메카니즘을 통해 전자 후자 진행한다. 관련 팔 첫 번째 원자 이동 라디칼 중합 반응에서 이러한 제한을 극복하기 위해, Matyjaszewski와 동료는 매우 좁은 분자량 분포 (20)와 성 고분자를 제공하는 미리 형성된 고분자의 MMS 팔 첫 번째 가교를 수행했습니다. 이 경우, MMS를의 입체의 부피, 및 사이트를 시작 전 성 암의 증가 비율은 제대로 통제 스타 + 스타 커플 링 프로세스를 억제하고, 생활, 체인의 성장 메커니즘을했다.

우리는 노르 보르 넨 - 말단 PEG-MM 및 비스 - 노르 보르 넨 가교제와 ROMP의 컨텍스트에서 동일한 전략을 시도 할 때, 매우 광범위한 멀티 모달 MW 분포 스타 폴리머를 얻었다. 이 결과는이 시스템에서 혼자 MM 스타 + 스타 커플 링을 억제 할만큼 부피가 커지지 않는 것을 제안했다. 스타 팔의 입체의 부피를 증가시키고 잠재적으로이 uncontro를 제한하려면커플 링을 채우면, 먼저 가교제의 부재 하에서 병 브러시 중합체를 형성하는 MM를 중합하고 가교 결합제를 추가하려고. 우리는 특정 조건 하에서,이 "솔 - 최초의"방법은 좁은 분자량 분포 및 조정할 수있는 코어와 코로나의 모든 기능 "브러시 팔 성 고분자"(BASPs)에 간단한 액세스를 제공하는 것을 발견하게 된 것을 기쁘게했다.

우리는 최근 그럽 제 3 세대 촉매 A (그림 1) 21를 사용하여 PEG의 BASPs의 브러시 첫 ROMP 합성을보고했다. 본 연구에서는 촉매에 PEG-MM B의 노출은 정의 백본 길이의 생활 브러쉬 매크로 개시제 (B1, 그림 1)을 생성합니다. 가교제 C의 다른 양을 포함 유리 병에 B 1의 분취 량의 전송 BASP를 시작형성. MW 및 BASPs의 크기는 따라서, C의 양이 증가 기하학적 첨가. 우리는이 기하학적 성장 과정에 대한 역학적 가설을 제공하고 기능, 질산화물 코어 코로나 - 표지 BASPs 좀처럼 후 중합 변형 단계 또는 순차적 인 단량체 첨가를 필요로하지 않고 제조 할 수 있다는 것을 보여 주었다. 그러나보고 된 모든 예제에서, 우리는 촉매의 비활성화에 대해 우려했다, 우리는 글로브 박스 내부에 N 2 분위기에서 모든 반응을 수행 하였다.

우리의 최초 보고서 이후, 우리는 브러시 첫 번째 방법은 노보 넨 종료 MMS를 및 기능 가교제의 넓은 범위에서 BASPs의 형성에 매우 효과적이라는 사실을 발견했다. 우리는 또한이 방법은 공기 나 수분을 제거하는 데 특별한주의와 함께 벤치 탑에서 수행 할 수있는 것을 발견했다.

여기서, 다른 MW의 세 BASPs 일련의 싸이됩니다주변 조건에 따라 브러시 첫 번째 방법으로 nthesized. 요컨대, B의 10은 10 당량의 평균 중합도 (DP)와 BI를 수득 15 분 동안 촉매 A (도 1A)의 1.0 당량에 노출 될 것이다. BI의이 배치의 세 가지 분주은 10, 15를 포함하는 별도의 유리 병에 옮겨, 20 당량 (N, 그림 1b) C의 것입니다. 4 시간 후, 중합을 에틸 비닐 에테르의 첨가를 통해 급냉한다. 스타 폴리머 및 MW MW의 분포는 다각도 레이저 광산란 검출기 (GPC-MALLS) 탑재 겔 투과 크로마토 그래피를 사용하여 악기 특성화 될 것이다.

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Protocol

우리는 제 3 kDa의 O-(2 - 아미노 에틸) 폴리에틸렌 글리콜 (PEG-NH 2) 및 노르 보르 넨-N-히드 록시 숙신 (NHS) 에스테르로부터 PEG-MM B의 합성 및 정제를 기술한다. 이전 화합물은 시그마 알드리치 사에서 구입, 또는 문헌 절차 (22, 23)에 따라 음이온 중합을 통해 제조 할 수있다. 후자의 화합물은 발행 절차 (21)에 따라 두 단계로 제조 될 수있다. 다음으로 우리는 상업적으로 이용 가능한 그럽 2 차 생성 촉매에서 촉매의 합성을 설명합니다. 그런 다음 브러시 첫 BASP 합성이 복잡한의 사용을 보여줍니다. 이 실험은 10 = DP와 BI에서 N = 10, 15, 20로 BASPs를 만들기위한 절차를 상세. 모든 반응은 표준 신틸레이션 바이알을 사용하여 흄 후드에서 수행 하였다.

주의 : 항상 장갑, 실험실 코트, 실험실 착용유해 화학 물질로 작업 할 때 안경, 일반적인 실험실 안전 사례를 따릅니다. 유기 용매 흄 후드에서 처리해야합니다. 고체는 흄 후드 외부의 균형을 계량 할 수 있습니다. 화학 물질은 피부, 눈, 입에 접촉하지 않아야합니다. 그것은 강력하게이 절차를 시작하기 전에 모든 용매와 고체 사용에 대한 MSDS를 읽을 것을 권장합니다.

1. PEG-MM B의 제조

  1. 교반 막대가 장착 된 40 ㎖ 섬광 유리 병에 PEG-NH 2 (300 ㎎, 0.0001 몰, 1.0 당량)를 추가합니다.
  2. 무수 N, N-디메틸 포름 아미드 (DMF)의 PEG-NH 2 3 ㎖에 용해.
  3. 노보 넨-NHS 에스테르 (0.000105 몰, 1.05 당량) (21) 36 밀리그램을 추가합니다.
  4. 유리 병 캡을 실온에서 하룻밤 반응 혼합물을 저어.
  5. 교반 막대를 제거하고 PEG-MM B를 침전 반응 용액에 디 에틸 에테르를 추가합니다.
  6. 흰색 독감 필터FFY는 침전 및 디 에틸 에테르로 광범위하게 세척. 대안 적으로, 50m의 원심 분리 관, 원심 실온에서 5 분 동안 4,000 rpm에서로 현탁액을 전송 한 다음 상등액을 가만히 따르다. 다시 신선한 디 에틸 에테르, 원심 분리 및 상등액을 추가합니다. 우리는 배의 총이 절차의 3 배를 반복하는 것이 좋습니다.
  7. 잔여 디 에틸 에테르를 제거하도록 24 시간 동안 진공 하에서 침전물을 건조시켰다.

2. PEG-MM의 정화

우리의 이전 보고서에서 PEG-MM B 시판 PEG-NH 2에서 제조하고 (단계 1.7 이후, 즉 ') 건조 후 추가의 정제없이 BASP 합성에 사용 하였다. 이 연구에서, 우리는 (집에서 만든 대 상업) PEG-NH 2 소스를 변경하고, 우리는보다 엄격한 예비 고성능 액체 크로마토 그래피 (준비 - HPLC) MM 정화 전후 BASP 형성 결과를 비교. 이 연구, 박사의 나머지 부분에서단계 1.7 후의 IED MM은 같은 B1이라고합니다. 프렙-HPLC는 B2를 수득 B1을 정화하는 데 사용되었다. 음이온 중합을 통해 우리의 실험실에서 합성 된 유사 준비 - HPLC 정제 MM은 B3이라고합니다. 프렙-HPLC는 1 ㎖의 시료 루프 실온에서 애질런트 조르 박스 300SB-C18 PrepHT 역상 컬럼과 베크만 콜터 HPLC (127p 및 166p 용매 모듈 검출기 모듈)을 사용하여 실시 하였다.

  1. 셋업 HPLC를 용매로 : 탈 이온수 (밀리 포아 정화 시스템, 18.2 Ω)을 1 % 아세트산, 용매 B : 아세토 니트릴.
  2. 주요 펌프 및 95 %와 5 %의 B를 열 평형
  3. 아세토 니트릴 PEG-MM 또는 메탄올 (150 ㎎ / ㎖)을 녹입니다.
  4. 13mm 0.45 μm의 나일론 주사기 필터를 통해 필터링합니다.
  5. 설정 HPLC 방법 :
    - 유속 : 20 ㎖ / 분
    - 0-1 분 : 10 % B와 90 %의 선형 그라데이션
    - 1-10 분 : 리네아90 % B 및 10 %로 R 구배
    - 10-13 분 : 초기 조건 (5 % B 95 %)로 전환하고 다시 평형을 열
    - 256 nm에서 흡광도를 인식 할 수 있도록 UV 검출기
  6. 샘플 루프에 시료 0.8 ㎖를 넣습니다.
  7. 샘플을 주입한다.
  8. 주요 흡수 피크 (특정 조건에서, 제품이 5-7 분 사이에 용출)를 수집합니다.
  9. 필요를 반복합니다. 둥근 바닥 플라스크에 함께 순수 분수를 결합합니다.
  10. 회전 증발을 통해 모든 용매를 제거합니다.
  11. 디클로로 메탄에 재용 상품과 황산나트륨을 추가한다. 부드럽게 흔들거나 ≅ 1 시간 동안 주기적으로 플라스크를 저어.
  12. 다공성 유리 필터를 사용하여 혼합물을 고를.
  13. 회전 증발을 통해 농축. 밤새 진공 건조.
  14. PEG-MM은 CD 2 1 H-NMR을 특징으로 할 수있다 망할 CIA 2 (15 ~ 20 mg/0.7 ML의 CD 2 망할 CIA 2, 500 MHz 이상의가 128 이상 검사 및 휴식 지연 추천, D1= 양성 이온화 모드 및 사용이 2.0 초), 및 MALDI-TOF - MALDI 매트릭스로서 (4 - hydroxyphenylazo) 벤조산.
  15. PEG-MM은 4 ℃에서 섬광 유리 병에 달 동안 저장 될 수있다

3. 촉매의 제조

  1. 20 ㎖ 유리 병 교반 막대 장착에 그럽 2 차 생성 촉매 (500 ㎎, 0.589 밀리몰)를 추가합니다.
  2. 유리 병에 피리딘 (약 0.474 ㎖, 5.89 밀리몰, 10 EQ)를 추가합니다. 솔루션은 즉각 적색에서 녹색으로 변경해야합니다. 붉은 색이 모두 사라지고 솔루션 (15-30 분) 점성이 될 때까지 반응을 자극 할 수 있습니다.
  3. 복잡한을 침전 차가운 펜탄과 반응 병을 채우십시오.
  4. 녹색 침전물 (촉매)를 수집하는 현탁액을 필터링합니다. 차가운 펜탄 15 ㎖로 세척 배.
  5. 진공 하에서 밤새 녹색 고체를 건조.
  6. 단지가 될 수있다활동의 상당한 손실없이 벤치 탑 데시 케이 터에서 실온에서 몇 달 동안 저장됩니다. 추가 예방 조치를 위해, 우리는 일반적으로 글로브 박스 내부 -20 ° C의 냉동고에 복잡한을 저장합니다. 4 ㎖의 섬광 유리 병에 즉시 (단계 3.5) 건조 후의 편의를 위해, 우리는 미리 무게 된 금액. 우리는 글로브 박스 냉동고에서이 병을 저장할 수 있습니다. 때 ROMP 반응을 실행할 준비가, 우리는 단순히 글로브 박스 중 한 병을 가지고 (4.4 단계) 아래에 설명 된대로 사용합니다.

4. 함께 사는 브러쉬 고분자의 원액 (BI)의 제조 DP = 10

  1. 3 ㎖, 교반 막대가 장착 된 기밀 스크류 캡 유리 병 MM B 65 밀리그램 (0.020 밀리몰, 10 EQ)를 달아. 이 금액은 BASPs의 3 가지 크기의 각 MM 20 ㎎, 및 BI의 GPC 분석을위한 5 밀리그램의 나머지에 해당합니다. 유리 병의 바닥에 직접 MM을 추가 주걱을 사용합니다. TR이 시나리오로 유리 병의 측면에 부착 물질을 방지하기 위해 y는 최종 BASP 제품에서 MM 오염으로 이어질 수 있습니다.
  2. THF의 158 μL의 MM B를 녹입니다. 즉시 용매 증발을 피하기 위해 THF를 첨가 한 후 바이알을 캡핑. 주 : 중합시 MM의 최종 농도는 0.05 M. THF 158 μL가 여기에 추가되는 경우, 촉매 용액 243 μL, 8.8 단계이어야 [MM에 대응 THF 합계의 401 μl를 수득하고 추가 될 ] = 0.05 M.는이 단계에서 용매의 양만큼 스텝 동안 8.8 용매 량도 [MM보기] 0.05 수득 변화되는대로 변화 될 수있다. 우리는 중합 <0.05 가끔 전환을 완료하기 위해 진행하지 마십시오 [MM]로 수행 것을 발견했다.
  3. MM 모두가 용해 될 때까지 용액을 저어 보자. 필요한 경우 가볍게 가열한다. 측면 상에 점성 용액 또는 유리 병의 뚜껑을 스플래터 마십시오.
  4. 다음으로, 알려진 양 (2.8 추가3 ㎖ 유리 병 (또는 사전에 무게 촉매와 유리 병을 얻을)에 촉매의 예에 대한 MG). 6 ㎎ / ㎖의 촉매 솔루션을 제공하기 위해 무수 THF (이 예에서 466 μL)를 추가합니다. 즉시 병을 모자. 촉매가 완전히 용해 할 수 있도록 허용;. 필요한 경우 부드럽게 병을 흔들어이 촉매 용액은 ROMP 즉시 사용되어야한다. 주 1 : 촉매 용액은 숲 녹색이어야합니다. 블랙 또는 녹갈색이면 그것이 분해 가능성이 있으며, 그것은 아마도 ROMP 양호한 결과를 산출하지 않을 것이다. 분해가 발생하면, 우리는 (위의 제 3 항) 신선한 촉매를 제조하거나 새로 증류 THF를 사용하는 것이 좋습니다. 주 2 : THF의 양이 첨가는 최종 [MM은 ~ 0.05 인 것을 보장하도록 선택된다. 이 금액만큼 보상 조정 단계 4.2 MM 용액으로 만들어 짐에 따라 조정될 수있다.
  5. B 1 EQ, 243 μL (1.46 MG 추가 BI 불순물을 초래할 수 있으므로, 측면과 유리 병의 뚜껑에 반응 혼합물 튀는 마십시오.
  6. 곧바로 바이알을 캡과 브러시 매크로 개시제 (BI)를 형성하기 위해 15 분 동안 반응 혼합물을 교반시킨.

5. BASPs의 형성

  1. 3.6 ± 0.1 밀리그램 (단계 5.2에서 전송되는 BI의 양에 6.18 μmol, 10 당량), 5.5 ± 0.1 밀리그램 (9.28μmol, 단계 5.2에서 전송되는 BI의 양에 15 EQ)를 추가하고, 7.3 ± 0.1 MG (12.4μmol, 단계 5.2에서 전송되는 BI의 양에 20 당량) 교반 막대가 장착 세 개의 분리 된 3 ㎖ 유리 병에 가교제 C의. 유리 병의 측면에 부착 물질을 방지하기 위해 유리 병의 바닥에 직접 가교제의 무게를보십시오. 참고 : 가교제 C는 THF에 매우 용해되지 않습니다. 이 때문에, 고체를이 단계에서 직접적으로 사용된다. 가교 결합제는 수용성이고 경우에 다음 가교제의 농축 원액 제조 될 수 있고,이 용액을 다양한 양이 바이알에 전달 될 수있다. 다시, 최종 중합의 농도는> 0.05 M되어야하며 용매 가교제에 첨가되고있는 경우, 용매의 환원 밖에 보상되어야한다.
  2. C를 포함하는 세 개의 튜브의 각 BI 솔루션의 123 μL (0.618 μmol)를 추가합니다. 유리 병에 추가 할 때 바로 고체 가교제 위의 바늘 끝을 유지하십시오. 한 번이 아니라 적하보다 BI 솔루션을 추가합니다.
  3. 유리 병 캡을 때까지 실온에서 반응을 저어완성. BASP 성장에 식별 할 수있는 효과가 없습니다 최대 24 시간 동안 교반을 계속,이 특정 MM와 가교제의 조합으로, 반응 ~ 4 시간에 완료됩니다. BI의 완전한 전환을 보장하기 위해 GPC에 의해 모니터링합니다.
  4. 한 나머지 BI 용액에 에틸 비닐 에테르의 강하 및 N은 각각 10, 15 = 20 BASP 반응 혼합물을 첨가하여 반응을 켄 칭하고. 완전한 담금질을 보장​​하기 위해 10 분 동안 교반 하였다.

6. GPC 샘플 준비

GPC-MALLS 결과 쇼 덱스 GPC KD-806M 칼럼, 와이어트 던 Heleos-II MALLS 검출기, 실온에서 와이어트 Optilab t-REX 굴절률 검출기가 장착 애질런트 1260 LC 시스템에서 얻어졌다. 1.0 ㎖의 유속에서 0.025 M의 LiBr과 DMF는 / 분을 용리액으로서 사용 하였다. 결과는 와이어트 제공 아스트라 6 소프트웨어를 사용하여 분석 하였다.

  1. 각 반응 유리 병을위한 새로운 유리 피펫을 사용하여반응의 작은 샘플을 작성하는 반응 용액에 피펫 팁을 찍어. 약 3 ㎎ / ㎖의 최종 농도를 수득 DMF에서 0.025 M의 LiBr 250 μL로 피펫의 안쪽을 씻는다.
  2. GPC 유리 병에 시료를 증착하기 전에 0.45 ㎛의 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 필터를 통해 희석 된 샘플을 필터링합니다.
  3. GPC-MALLS 실행을 설정하고 실행이 완료되면 결과를 분석.

약어 목록 :

A : 그럽 제 3 세대 비스 - 피리딘 촉매

B : 폴리 (에틸렌 글리콜) (PEG) 마크로 모노머 (MM)

B1 : PEG MM 상업적 (Aldrich)을 PEG-NH 2 사용할 수 있으며 HPLC의 정제하지 않고 사용하여 제조.

B2 : PEG MM은 시판 (Aldrich)을 PEG-NH를 사용하여 제조

B3 : PEG MM을 사용하여 제조 새로 PEG-NH 2 합성 및 HPLC 정제 한 후 사용.

BASP : 브러시 팔 성 고분자

BI : 생활 브러시 기자

C : 광분해 성 가교제

D : 몰 질량의 분산도 지수

DMF : N, N-디메틸 포름 아미드

DP : 수 평균 정도의 중합

GPC : 겔 투과 크로마토 그래피

프렙-HPLC : 취용 고성능 액체 크로마토 그래피

MALLS : 다각도 레이저 광산란

MM : 거대

MW : 분자량

M의 W : 중량 평균 개월고맙다 질량

N : 가교제 동등의 수 (A에게 C의 비율)

NHS : N-히드 록시 숙신

PEG : 폴리에틸렌 글리콜

PEG-MM : 노보 넨 PEG 거대 단량체 (또한 화합물 B라고 함)

ROMP : 개환 메타 세 시스 중합

THF : 테트라 히드로 푸란

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Representative Results

그림 2는 GPC는 B1, B2, B3과에서 준비 BASPs의 다양한 흔적을 보여줍니다. 모든 경우에, 데이터는 가교제 (N)의 당량을 늘리면 BASP의 크기 증가에 이르게 나타낸다. 우리의 이전 보고서에서 관찰 된 바와 같이, 가교 결합제의 10 당량 균일 BASPs를 달성하기 위해 충분하지 않다; N = 10 샘플은 특히 정제되지 않은 MM의 B1의 경우 잔류 브러시 중합체 다량 깨끗이 멀티 모달 GPC 트레이스를 나타낸다 ( 그림 2a). 가교제 더 많은 양의 아주 작은 잔류 브러시와 MM 균일 MW 분포를 초래한다. 20 - 중량 평균 몰 질량 (M 승)이N에서 = 15을가는 두 배로. B3, 여운 MM 1 % 미만의 경우 잔류 BI는 = 15 N에 남아 N 20 케이스를 =.

그림 1
그림 1. 솔 - 팔 스타 폴리머 (BASP) 합성. 패널 (A) 2 세대 촉매 그럽 '시판 그럽에서 제 3 세대 비스 피리딘 촉매 (A)'의 합성을 설명하기위한 개략도. 또한이 연구에서 사용 된 PEG-MM (B)와 가교제 (C)의 구조가 도시이다. 패널 (b)는 브러시 첫번째 프로세스의 개략도를 나타낸다. 촉매 (A)와 PEG-MM (B)의 중합 BASP의 형성의 결과로 다음 가교제 (C)에 추가 된 10 개 단위 생활 브러시 개시 (BI)를 생성한다. ig1highres.jpg "대상 ="_blank "> 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
다양한 PEG MMS는로부터 제조 = 10 N, 15, 20 BASPs의도 2. 주제 GPC 결과. 패널 (a), (b), 및 (c) 각각의 MMS B1, B2B3에 대한 데이터를 도시한다. 상업 PEG-NH 2, 미 반응 MM, 잔류 BI에서 불순물을 별표로 표시되어 있습니다. M W 및 분산도 지수 (D) 값은 삽입 된 테이블에 제공됩니다. 높은 지형 나노 구조를 위해 GPC에 의해 얻어진 Ð 값은 신중하게 (24, 25)으로 간주해야합니다. 단 일상 균일 피크의 관찰은 입자 반경의 좁은 분포를 제안합니다.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "대상 ="_blank "> 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

브러쉬 우선 BASP 합성의 주요 장점은 신속하게 전문적인 장비가 필요하지 않고 병렬로 다양한 크기와 구성의 나노 구조를 합성 할 수있는 독특한 기능입니다. 본 연구는 노르 보르 넨 기능화 PEG 거대 단량체 (B,도 1) 및 비스 - 노르 보르 넨 니트로 벤질 에스테르 가교제 (C,도 1)를 사용하여 브러시 제 합성법을 보여준다. B에서 PEG 사슬은 최종 BASP 구조에 수용성을 부여한다. 니트로 계 가교제는 광분해이다.

이 일반적인 절차는 다른 엑소 - 노보 넨 기반의 MMS를 및 가교제 수정할 수 있습니다. 우리는 모두 여러 조합에서 BASPs을 준비했습니다. 예를 들어, 우리는 다른 항암제, 질산화물, 자기 공명 영상 조영제 (27)를 수행 노보 넨-PEG 기반의 MMS를 사용했다. 우리는 또한 PEG 이외의 중합체로 구성 MMS를 사용했습니다. 우리의 경험에서, 브러시 첫 번째 방법은 거의 모든 기능 엑소 - 노보 넨 미드가 MM 종료에 적용 할 수 있습니다. (촉매 활성 반대) BI에 MM (> 95 %)의 높은 전환율이 달성되지 않는 경우, MM 불순물은 대부분 원인이다. 이 보고서 (준비 - HPLC)에 설명 된대로 더 엄격한 정화는 일반적으로 성공적으로 ROMP에 이르게한다. 우리는 촉매 (예 : 무료 아민, 올레핀, 아 지드 등)을 방해하는 것으로 알려져있다 보호 작용기를 부담 MMS를 가진 ROMP 중합을 시도하지 않습니다. 이러한 그룹은, 중합 후 개질 (27)를 통해 브러시 제 1 합성 후에 도입 될 수있다. 예를 들어, 우리는 BASP 형성 후 지드로 변환 된 알킬 할라이드 MMS를에서 아 지드 - BASPs을 준비했습니다. 이러한 지드는 구리 - 촉매 아 지드 - 알킨 사이클로 "클릭 &에 사용 된# 34; 반응.

우리는 더 자세히 MM 순도의 영향을 연구하기 위해 노력했다. 잔류 MM 및 BI 항상 GPC에서 관찰되었다 소량 브러시 처음 반응은 MM 시판 PEG-NH 2 (B1, 그림 2a)에서 준비를 사용하여 수행 될 때 추적합니다. 우리는 완전히 순수한 MMS는 일반적으로 양적 MM 변환을 제공하는 경험에서 배웠습니다. 또한, 우리는 잔류 MM의 양이 상업 PEG-NH 2의 배치 수에 따라 달라질 것으로 나타났습니다했다. 우리는 비 기능 PEG-NH 2 불순물, 아마도 단순히 PEG 디올은, 명백한 잔류 MM 불순물에 대한 책임이 있다고 의심. 따라서, 우리는 순수한 MM의 B2를주고 B1을 정제-HPLC에 활용 2B이 정제 과정이 참으로 잔류 MM의 양 (오렌지 스타) 약 2 배 감소 않았 음을 보여줍니다;. 그것은 레모하지 않았다완전히했습니다. 흥미롭게도, B2뿐만 아니라 BASPs에 BI의 높은 변환을 주었다 아마도 촉매 비활성화되었다 불순물 준비 - HPLC를 통해 제거되었습니다. 잔여 MM의 양에 아직도 불만, 우리는 에탄올의 에틸렌 옥사이드 (의 음이온 중합을 통해 PEG-NH 2의 합성을위한 문학 방법을 따라주의 : 산화 에틸렌 훈련, 경험이 풍부한 화학자에 의해 처리되어야한다, 그것은 가연성, 폭발성 , 독성 가스!).이 만든 PEG-NH 2 (B3로부터 제조 22, 23 MM)는 상업 MMS를 비교하여 개선 된 결과를 얻었다. 해당 BASPs의 GPC 분석은 검출 가능한 잔여 MM 없었다 매우 작은 (<1 %), 잔류 BI (도 2C 참조). 고순도 BASPs가 필요한 경우 따라서, 우리는 가장 순수한 가능한 MM를 사용하는 것이 좋습니다. 잔류 MM 및 BI 쉽게 제거 될 수 있다는 것을 유의브러시 먼저 합성 한 후 투석을 통해 더 큰 BASPs.

우리는 또한 C 이외의 가교제를 사용했습니다. 예를 들어, 우리는 bisnorbornene 금속 착물, 중합 개시제, 산 분해 가능한 링커 및 초분자 호스트에서 BASPs을 준비했습니다. 우리는 노보 넨 사이에 강성 스페이서 가교제가 가장 균일 BASPs를 제공하는 경향이 있다는 것을 발견 등의 가교제는 노보 넨을 소비 분자 내 고리 화 반응을 겪을 가능성이 적은 있지만 BASP 성장에 기여하지 않습니다.

에 관계없이 MM와 가교제 조합, 우리는 다음과 같은 일반적인 방법은 브러시 첫 번째 성공의 가장 높은 기회로 이어질 것입니다 찾을 수 있습니다. 첫째, 새로 합성 된 단량체와 브러시 최초의 합성을 시도하기 전에, 우리는 DP = 25, 50과 이상 브러쉬 고분자 혼자 아마도 DP = 10 브러쉬 고분자를 만드는 것이 좋습니다. 이 테스트가 성공하면 훌륭한 기회가되는 브러시 우선방법은 성공합니다. 둘째, 브러시 제 중합 용 최적 농도는 단량체의 화학 성분 및 성분의 구조에 의존한다. 우리는 BASP의 큰 배치를하기 전에 작은 규모에 대한 몇 가지 농도를 테스트하는 것이 좋습니다. 셋째, 중합은 최상의 결과를 제공하기 위해 나타나 디클로로 메탄 또는 테트라 히드로 푸란 중에서 수행; 이들 용매에 가용성 인 단량체는 이상적이다. 상술 한 바와 같이 가교제가 이들 용매에 난 용성 인 경우에, 우리는 고체로 추가하기보다는 추가적인 용매를 첨가 추천합니다. 오래 MM은 수용성이기 때문에, 우리는 가교 분 이내에 용액에 완전히 가교제를 가져다 찾을 수 있습니다. 중합은 불활성 조건을 필요로하지 않습니다하지만 넷째, 우리는 그것의 수명을 증가시키기 위해 불활성 분위기 하에서 촉매의 저장을 권장합니다. 중요한 것은, 촉매 용액의 경시 분해 것이다 촉매 용액 그럽 삼대 CA에서 신선한 준비되어야talyst마다 ROMP의 일련의 반응이 수행된다. 마지막으로, 균일 한 BASPs에 필요한 가교제의 양이 가교제 및 ​​MM의 구조에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 가교제 C 10 당량은 BI 완전한 전환을 제공하기에 충분하지 않다. 다른 경우에, 우리는 가교제의 1 당량의 추가를 발견, 심지어 40 당량까지 좋은 결과를 제공합니다. 새로운 가교제가 사용될 때마다, 우리는 최적의 가교제 량을 식별하는 다양한 N 값을 소량 일련의 반응을 실행하는 추천한다.

마지막 참고로, 많은 다른 방법이 (코어 우선, 팔 첫 번째, 등) (25, 26) 별 모양의 고분자를 만들기 위해 존재한다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 각각의 방법은 크기 제한, 정화 요구 사항 및 기능 그룹 호환성 등의 단점과 장점을 가지고 있습니다. 우리는, ROMP의 넓은 작용기 허용 주장노르 보르 넨계 작용 성 모노머의 합성의 용이성, 및 병렬로 빠르게 벤치 탑 ROMP 반응을 수행하고, 실온에서, 다양한 응용 프로그램에 배려 브러시 제 ROMP 접근법 가치 할 수있는 능력. 미래에, 우리는이 방법을 개발하는 것을 계속하고 BASP는 약물 및 유전자 전달, 세포 이미징 및 자기 조립 등 다양한 응용 프로그램에 대한 nanoarchitectures. 이러한 새로운 입자와 조합 합성에 대한 자신의 능력의 잠재력은 아직 탐험해야합니다.

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Disclosures

저자가 공개하는 게 없다.

Acknowledgements

우리는 화학의 MIT 부서와이 작품의 지원을위한 MIT 링컨 연구소의 고급 개념위원회 감사합니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Grubbs Second Generation Catalyst Materia (or Sigma Aldrich) C848 (Sigma Aldrich: 569747) Used as purchased from manufacturer.
*Provided as a generous gift.
Pyridine Sigma Aldrich 270970 Used as purchased from manufacturer
O-(2-aminoethyl)polyethylene glycol 3000 Sigma Aldrich 07969 Used as purchased from manufacturer
PEG-MM N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21, protocol 1)
norbornene-N-hydroxysuccinimidyl (NHS) ester N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21)
Bis-norb-NBOC Crosslinker N/A N/A Synthesized following reported procedures (Ref. 21)
Pentane Sigma Aldrich 158941 Used as purchased from manufacturer
Tetrahydrofuran (HPLC grade) Sigma Aldrich 34865 Dried and purified over a solvent purification columns
Dichloromethane VWR BDH1113-4LG Used as purchased from manufacturer
Acetonitrile (HPLC grade) Sigma Aldrich 34998 Used as purchased from manufacturer
Acetic Acid Sigma Aldrich A6283 Used as purchased from manufacturer
Sodium sulfate Sigma Aldrich 239313 Used as purchased from manufacturer
Diethyl ether Sigma Aldrich 673811 Used as purchased from manufacturer
Dimethylformamide (HPLC grade) Sigma Aldrich 270547 Used as purchased from manufacturer
Lithium Bromide Sigma Aldrich 213225 Used as purchased from manufacturer
MillQ Biocel A10 Millipore
Beckmann Coulter HPLC (127p solvent module, 166p detector) Beckmann Coulter
Zorbax 300SB-C18 PrepHT reverse phase column Agilent
1260 Infinity Liquid Chromatography Agilent
GPC KD-806M column Shodex
Dawn Heleos II Light Scatterer Wyatt
Optilab T-rEX Refractive Index Detector Wyatt
Glass Scintillation Vials - 40 ml Chemglass CG-4909-05
Glass Scintillation Vials - 4 ml Chemglass CG-4904-06
Glass Scintillation Vials (PTFE-lined cap) - 2 ml Agilent 5183-4518
Stir-bars VWR 5894x various sizes
13 mm 0.45 µm Nylon Syringe filter PerkinElmer 02542903
13 mm 0.45 µm polytetrafluoroethylene syringe filter PerkinElmer 02542909
1 ml disposable syringes VWR 53548-001
Swing bucket centrifuge or similar Should be able to reach approximately 4,000 rpm
Round bottom flask
Fritted glass filter assembly
Rotary Evaporator
Balance

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References

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