Partikel ohne Box: Bürsten erste Synthese von Photochemisch PEG-Sterne-Polymers unter Umgebungsbedingungen

Chemistry

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Summary

Poly (Ethylenglycol) (PEG) Pinsel-Arm-Sternpolymeren (BASPs) mit schmalen Massenverteilungen und abstimmbare nanoskopische Größen werden über Ringöffnungsmetathese (ROMP) einer PEG-Norbornen Macromonomer gefolgt von der Übertragung von Teilen der resultierenden Lebens synthetisiert Pinsel Initiator Fläschchen mit verschiedenen Mengen eines starren, foto spaltbare bis-Norbornen Vernetzer.

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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

Praktische Methoden für die schnelle, parallele Synthese von funktionalisierten Nanopartikeln vielfältig ermöglicht Entdeckung von neuen Formulierungen für Drug-Delivery, biologische Bildgebung und unterstützt Katalyse. In diesem Bericht zeigen wir, Parallelsynthese von Pinsel-Arm-Sternpolymer (BASP)-Nanopartikel von der "Pinsel-first"-Methode. In diesem Verfahren wird ein Norbornen-Poly (Ethylenglycol) (PEG) Makromonomeren (PEG-MM) zunächst über Ringöffnungsmetathese-Polymerisation (ROMP) polymerisiert, um einen Wohn Pinsel Makroinitiator zu generieren. Aliquots dieser Initiator-Stammlösung werden zu Fläschchen, die verschiedenen Mengen eines photoabbaubare bis-Norbornen Vernetzer enthalten aufgenommen. Die Exposition gegenüber Vernetzer initiiert eine Reihe von kinetisch gesteuerter Bürste + Pinsel und Sterne + Sterne Kupplungsreaktionen, die letztlich ergibt BASPs mit Kernen der Vernetzer und Kronen von PEG umfasste zusammen. Die endgültige BASP Größe hängt von der Menge an Vernetzungsmittel zugesetzt. Wir führen die synThese drei BASPs am Prüfplatz ohne besondere Vorkehrungen, um Luft und Feuchtigkeit zu entfernen. Die Proben werden durch Gelpermeationschromatographie (GPC) charakterisiert; Ergebnisse vereinbart eng mit unseren früheren Bericht, inert (Handschuhfach) Bedingungen genutzt. Schlüssel praktischen Eigenschaften, Vorteile und mögliche Nachteile des bürsten ersten Verfahren werden diskutiert.

Introduction

Polymere Nanopartikel sind weit verbreitet für ihre mögliche Verwendung als Plattformen für die Arzneimittelabgabe, unterstützte Katalyse, Bio-Imaging und Selbstorganisation 3.1 untersucht. Moderne Anwendungen erfordern, dass Nanopartikel-Synthese leicht, reproduzierbar mit chemischen Funktionalitäten kompatibel und zugänglich Diversifizierung 4,5 sein. Ringöffnungs-Metathese-Polymerisation (ROMP) gespannter Olefine ist eine leistungsfähige Methode für die Synthese von funktionalisierten Polymernanostrukturen mit kontrollierten Größen und schmale Massenverteilungen 1,6-8. Zum Beispiel kann Norbornen-funktionalisierten Poly (ethylenglycol) (PEG)-Makromonomeren (MM) effizient über ROMP polymerisiert, um wasserlösliche Flaschenbürstenpolymeren zu erzeugen. Mit diesem Ansatz können Nanostrukturen, die mehrere lösbare Wirkstoffmoleküle, Fluorophore und Spin-Kontrastmittel führen schnell und parallel 6, 9, 10 hergestellt werden.

ROMP hat auch die "arm-first"-Synthese von Sternpolymeren verwendet. In dem Arm ersten Verfahren werden lineare Polymere mit einem multifunktionalen Vernetzungsmittel vernetzt wird, um kugelförmige Nanostrukturen mit Polymerarme geben. Schrock und Mitarbeiter berichteten über die erste Arm-first ROMP Synthese von Sternpolymeren durch Vernetzung von Norbornen, dicarbomethoxynorbornadiene und Trimethylsilyl geschützten dicarboxynorbornene lineare Polymere mit einem bifunktionellen Vernetzungsmittel Norbornen. 11, 12 Buchmeiser hat diese Methode für die Synthese von Stoffen mit einem erweiterten Palette von Anwendungen, die unterstützt Katalyse, Gewebetechnik und Chromatographie 13-17 enthalten. Otani und Mitarbeiter haben Stern-Polymer-Nanopartikel mit funktionalen Oberflächen über einen Zusammenhang mit "in-out"-Strategie Polymerisation 18, 19 gemacht.

Die meisten Arm ersten Polymerisationen umfassen ein komplexes Zusammenspiel von Monomer, Polymer und Sterne Kupplungsreaktionen. The letztere verläuft über eine Stufenwachstumsmechanismus, der in der Regel führt zu breiten Molekulargewicht (MW)-Distributionen. Um diese Einschränkung in verwandten Arm-first Atomtransferradikalpolymerisation Reaktionen zu überwinden, Matyjaszewski und Mitarbeiter durchgeführt Arm-first Vernetzung von vorgeformten polymeren MMs Sternpolymere mit sehr schmalen MW-Distributionen 20 bereitzustellen. In diesem Fall ist der Raumbedarf der MM und die erhöhte Verhältnis der Sternarme zu Websites Initiation, gehemmt schlecht kontrolliert Sterne + Sterne Kupplungsverfahren und führte zu einer lebendigen, Kettenwachstumsmechanismus.

Wenn man versucht die gleiche Strategie im Rahmen der ROMP mit einem Norbornen-terminiertes PEG-MM und einem Bis-norbornen Vernetzer wurden Sternpolymere mit sehr breiten, multimodale MW-Verteilungen erhalten. Dieses Ergebnis legt nahe, dass in diesem System allein die MM nicht hinreichend sperrig Sterne + Sterne Kupplung hemmen. Um den Raumbedarf der Sternarme erhöhen und möglicherweise dieses uncontro begrenzenlled Kopplung haben wir versucht, die ersten polymerisieren MM Flaschenbürste Polymere bilden in Abwesenheit von Vernetzer und fügen Sie den Vernetzer. Wir waren erfreut, dass unter bestimmten Voraussetzungen, diese "Pinsel-first"-Verfahren bereitgestellt, unkomplizierten Zugang zu "Pinsel-Arm-Sternpolymere" (BASPs) mit schmaler MW-Distributionen und abstimmbare Kern und Korona-Funktionalitäten.

Wir berichteten kürzlich über die Bürsten ersten ROMP Synthese von PEG BASPs mit Grubbs-Katalysator der 3. Generation A (Abbildung 1) 21. In dieser Arbeit, die Exposition von PEG-MM B Katalysator A erzeugt eine lebendige Pinsel Makroinitiator mit definierten Rückgrat Länge (B1, Abbildung 1). Übertragung von Aliquots der B 1 bis Fläschchen, die unterschiedliche Mengen von Vernetzungsmittel C enthielt eingeleitet BASPBildung. Die MW und damit die Größe der BASPs erhöht geometrisch mit der Menge an C zugegeben. Wir stellten eine mechanistische Hypothese dieser geometrischen Wachstumsprozess und gezeigt, dass funktionelle Nitroxid Kern-und Corona-markierten BASPs ohne weiteres ohne Modifikation nach der Polymerisation oder sequentiellen Schritte Monomer Zusätze hergestellt werden. Doch in all den beschriebenen Beispiele, waren wir besorgt über die Deaktivierung des Katalysators, führten wir alle Reaktionen unter N 2-Atmosphäre in einem Handschuhfach.

Seit unserem ersten Bericht haben wir festgestellt, dass die Bürsten erste Methode ist sehr effektiv für die Bildung von BASPs aus einer breiten Palette von Norbornen-terminierte MMs und funktionelle Vernetzer. Wir haben auch entdeckt, dass das Verfahren am Prüfplatz ohne besondere Vorkehrungen durchgeführt, um Luft und Feuchtigkeit zu entfernen.

Hier wird eine Reihe von drei BASPs unterschiedlicher MW sy werdendurch die Bürsten ersten Verfahren unter Umgebungsbedingungen nthesized. Kurz gesagt, werden 10 Äquivalente von B bis 1,0 Äquivalente Katalysator A (Fig. 1a) für 15 min ausgesetzt, um ein BI mit einem durchschnittlichen Polymerisationsgrad (DP) von 10 zu ergeben. Drei Aliquote dieser Charge von BI wird auf separaten Fläschchen, die 10, 15 enthalten, übertragen werden, und 20 Äquivalente (N, 1b) des C. Nach 4 h wird die Polymerisation durch Zugabe von Ethylvinylether werden. Die Sternpolymer MW und MW-Distributionen mit einem Gelpermeationschromatographie Instrument mit einem Mehrwinkel-Laserlichtstreudetektor (GPC-MALLS) ausgestattet charakterisiert werden.

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Protocol

Wir beschreiben zunächst die Synthese und Reinigung von PEG-MM B von 3 kDa-O-(2-Aminoethyl)-Polyethylenglykol (PEG-NH 2) und Norbornen-N-Hydroxysuccinimidyl (NHS)-Ester. Die ehemalige Verbindung kann von Sigma Aldrich Inc. gekauft werden, oder durch anionische Polymerisation nach Literaturverfahren 22,23 vorbereitet. Die letztere Verbindung kann in zwei Schritten nach einem veröffentlichten Verfahren 21 hergestellt werden. Weiter beschreiben wir eine Synthese von Katalysator A aus kommerziell erhältlichen Grubbs-Katalysator der 2. Generation. Wir haben dann zeigen die Verwendung dieser Komplex für bürsten ersten BASP-Synthese. Dieses Experiment beschreibt die Verfahren zur Herstellung BASPs mit N = 10, 15 und 20 von einer BI mit DP = 10. Alle Reaktionen wurden in einem Abzug mit Standard Szintillationsgefäße durchgeführt.

ACHTUNG: Tragen Sie immer Handschuhe, ein Labor-Mantel, und LaborGläser, und folgen gemeinsamen Labor-Sicherheitspraktiken bei der Arbeit mit gefährlichen Chemikalien. Jedes organische Lösungsmittel muß in einem Abzug gehandhabt werden. Feststoffe können auf einer Waage außerhalb der Abzugshaube abgewogen werden. Chemikalien dürfen nicht in Kontakt mit Haut, Augen oder Mund. Es wird dringend empfohlen, die Sicherheitsdatenblätter für alle in diesem Verfahren eingesetzten Feststoff und Lösungsmittel vor Beginn zu lesen.

1. Herstellung von PEG-MM B

  1. In PEG-NH 2 (300 mg, 0,0001 mol, 1.0 eq) in eine 40 ml Szintillationsfläschchen mit einem Rührstab.
  2. Lösen die PEG-NH 2 in 3 ml wasserfreiem N, N-Dimethylformamid (DMF).
  3. In 36 mg Norbornen-NHS-Ester (0,000105 mol, 1.05 eq) 21.
  4. Verschließe das Röhrchen und rühren das Reaktionsgemisch über Nacht bei Raumtemperatur.
  5. Entfernen Sie den Rührstab und fügen Diethylether zur Reaktionslösung, um die PEG-MM B auszufällen.
  6. Filtern Sie die weißen Grippeffy ausfallen und ausgiebig mit Diethylether gewaschen. Alternativ kann die Suspension in einem 50-m-Zentrifugenröhrchen, Zentrifugieren bei 4.000 Upm für 5 Minuten bei Raumtemperatur und dann dekantiert. In frischem Diethylether, Zentrifuge, dekantieren und wieder. Wir empfehlen, die Wiederholung dieser Prozedur 3x für insgesamt 5x.
  7. Trocknen Sie den Niederschlag unter Vakuum für 24 Stunden, um Rest Diethylether entfernen.

2. Reinigung von PEG-MM

In unserem letzten Bericht wurde der PEG-MM B aus kommerziell erhältlichen PEG-NH 2 hergestellt und wurde für BASP Synthese ohne weitere Reinigung nach dem Trocknen (dh nach Schritt 1.7) verwendet. In dieser Studie, variieren wir die PEG-NH 2-Quelle (Gewerbe gegenüber hausgemacht), und wir BASP Bildung Ergebnisse zu vergleichen vor und nach strenger präparative Hochleistungs-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC-prep) MM Reinigung. Im Rest dieser Studie, die dried MM nach Schritt 1.7 erhalten wird als B1 bezeichnet. Prep-HPLC wurde zur Reinigung von B1 zu B2 zu geben. Eine analoge prep-HPLC gereinigt MM in unserem Labor durch anionische Polymerisation synthetisiert wird als B3 bezeichnet. Prep-HPLC wurde mit einer 1 ml-Probenschleife und einer Agilent Zorbax 300SB-C18 PrepHT Umkehrphasen-Säule bei Raumtemperatur unter Verwendung eines Beckmann Coulter HPLC (127p und 166p Lösungsmittel Modul Detektormodul).

  1. Aufbau HPLC mit Lösungsmittel A: entionisiertes Wasser (Millipore Reinigungssystem, 18,2 Ω) mit 1% Essigsäure, Lösungsmittel B: Acetonitril.
  2. Prime Pumpen und ins Gleichgewicht Spalte A mit 95% und 5% B.
  3. Auflösen PEG-MM in Acetonitril oder Methanol (150 mg / ml).
  4. Filtriert durch ein 13 mm 0,45 um Nylon-Spritzenfilter.
  5. Stellen HPLC-Methode:
    - Durchflussmenge: 20 ml / min
    - 0-1 min: linearer Gradient auf 10% B und 90% A
    - 1-10 min: linear Gradient auf 90% B und 10% A
    - 10-13 min: Schalter auf Anfangsbedingungen (5% B und 95%) und wieder ins Gleichgewicht Spalte
    - Set UV-Detektor, um die Absorption bei 256 nm zu erkennen
  6. Laden Sie 0,8 ml Probe auf die Probenschleife.
  7. Inject Probe.
  8. Sammeln Sie die wichtigsten Absorptionsspitze (unter den angegebenen Bedingungen eluiert das Produkt zwischen 5-7 min).
  9. Bei Bedarf wiederholen. Kombinieren reinen Fraktionen zusammen in einem Rundkolben.
  10. Entfernen Sie alle Lösungsmittel durch Rotationsverdampfung.
  11. Abgeblasen, das Produkt in Dichlormethan und fügen Natriumsulfat. Schütteln Sie die Flasche oder regelmäßig rühren ≅ 1 Stunde.
  12. Filtern der Mischung unter Verwendung eines Glasfrittenfilters.
  13. Konzentrieren Sie sich durch Rotationsverdampfung. Unter Vakuum über Nacht trocknen.
  14. Die PEG-MM kann durch 1 H-NMR in CD 2 Cl 2 charakterisiert werden (15-20 ml mg/0.7 CD 2 Cl 2, 500 MHz oder höher ist mit über 128 Scans und Relaxationsverzögerung empfohlen, d1= 2,0 s) und MALDI-TOF mit positivem lonisations-Modus und 2 - (4-Hydroxyphenylazo) benzoesäure als MALDI Matrix.
  15. Die PEG-MM kann über Monate in einem Scintillationsfläschchen bei 4 º C gelagert werden

3. Herstellung von Katalysator A

  1. In der 2. Generation Grubbs-Katalysator (500 mg, 0.589 mmol) zu einer 20 ml-Fläschchen mit einem Rührstab.
  2. In Pyridin (etwa 0,474 ml, 5,89 mmol, 10 eq) in das Fläschchen. Die Lösung sollte sofort Farbe von rot auf grün. Die die Reaktion rühren, bis alle der roten Farbe ist verschwunden, und die Lösung wurde viskos (15-30 min).
  3. Füllen Sie das Reaktionsgefäß mit kaltem Pentan Komplex A auszufällen.
  4. Filtern Sie die Suspension auf die grüne Niederschlag (Katalysator A) zu sammeln. Wasch 4x mit je 15 ml kaltem Pentan.
  5. Trocknen Sie die grünen Feststoff unter Vakuum über Nacht.
  6. Komplexe A kannfür Monate bei Raumtemperatur in einem Exsikkator Tisch ohne signifikanten Aktivitätsverlust aufbewahrt. Für zusätzliche Vorsichtsmaßnahme, speichern wir normalerweise den Komplex in einem -20 ° C Gefrierschrank in einem Handschuhfach. Der Einfachheit halber haben wir vor, wiegen bekannten Mengen einer in 4 ml Scintillationsröhrchen unmittelbar nach der Trocknung (Schritt 3.5). Wir haben dann diese Fläschchen im Handschuhfach zu speichern Gefrierschrank. Wenn Sie bereit sind, eine ROMP-Reaktion führen, nehmen wir einfach ein Fläschchen aus dem Handschuhfach und benutzen, wie nachfolgend beschrieben (Schritt 4.4).

4. Vorbereitung der Stammlösung der Lebens-Polymer-Bürsten-(BI) mit DP = 10

  1. In einer 3 ml mit einer gasdichten Schraubverschluss mit einem Rührstab Fläschchen, wiegen 65 mg (0,020 mmol, 10 eq) MM B. Diese Menge entspricht 20 mg MM für jede der 3 verschiedenen Größen BASPs und 5 mg Reste für die GPC-Analyse des BI. Verwende einen Spatel, um die MM direkt an den Boden des Fläschchens hinzuzufügen. Try Material anhaften zu den Seiten der Ampulle als dieses Szenario zu verhindern könnten MM Verunreinigung in der letzten BASP Produkt.
  2. Lösen Sie die MM B in 158 ul THF. Das Fläschchen sofort verschließen, um nach der Zugabe von THF Lösungsmittelverdampfung zu vermeiden. Hinweis: Die Endkonzentration des MM bei der Polymerisation sollte 0,05 M. Wenn 158 &mgr; l THF wird hier gegeben, dann 243 ul der Katalysatorlösung, Schritt 4.4 ist, wird zugesetzt, um 401 ul THF Gesamt, die [mm entspricht ergeben ] = 0,05 M. Die Menge an Lösungsmittel während dieses Schrittes kann variiert werden, solange die Menge des Lösungsmittels während der Stufe 4.4 ebenfalls variiert werden, um [M] von 0,05 erhalten. Wir haben festgestellt, dass Polymerisationen durchgeführt mit [MM] <0,05 manchmal nicht gehen müssen, um die Umwandlung abzuschließen.
  3. Lassen Sie die Lösung rühren, bis alle M gelöst. Erhitzen Sie leicht, wenn nötig. Vermeiden Sie spritzt die viskose Lösung auf den Seiten oder den Deckel des Fläschchens.
  4. Dann legen Sie eine bekannte Menge (2,8mg bei diesem Beispiel) des Katalysators A in einen 3 ml-Fläschchen (oder erhalten ein Fläschchen mit vorgewogenen Katalysator A). Wasserfreies THF (466 &mgr; l bei diesem Beispiel), um eine 6 mg / ml Katalysatorlösung zu ergeben. Verschließen Sie die Flasche sofort. Lassen Sie den Katalysator vollständig auflösen;. Schütteln Sie das Fläschchen, wenn nötig sollten Diese Katalysatorlösung sofort für ROMP verwendet werden. Anmerkung 1: Die Katalysator-Lösung sollte ein Wald grüner Farbe sein. Wenn es schwarz oder grünlich-braun ist, dann ist es wahrscheinlich, zerlegt hat, und es wird wahrscheinlich nicht zufriedenstellend ROMP Ergebnisse. Wenn Zersetzung auftritt, empfehlen wir die Zubereitung frischer Katalysator (nach Abschnitt 3) oder unter Verwendung von frisch destilliertem THF. Anmerkung 2: Die Menge an THF zu A ist so gewählt, dass die endgültige [M] ist ~ 0,05. Diese Menge kann eingestellt werden, solange Ausgleichsmaßnahmen an den MM-Lösung in Schritt 4.2 hergestellt.
  5. In 243 ul (1,46 mg; 1 eq nach B BI-Verunreinigung in der letzten BASP führen.
  6. Verschließen Sie die Flasche sofort und ließ die Reaktionsmischung rühren für 15 min, um die Bürste Makroinitiator (BI) zu bilden.

5. Bildung BASPs

  1. Add 3,6 ± 0,1 mg (6,18 &mgr; mol, 10 eq der Menge von BI in Schritt 5.2 überführt werden), 5,5 ± 0,1 mg (9.28μmol, 15 eq der Menge von BI in Schritt 5.2 überführt werden) und 7,3 ± 0,1 mg (12.4μmol, 20 eq der Menge von BI in Schritt 5.2 überführt werden) Vernetzer C drei separate 3 ml Fläschchen mit Rührstäben ausgestattet. Versuchen, das Vernetzungsmittel direkt auf den Boden des Fläschchens zu wiegen, um Material von den Seiten der Ampulle anhaftet. Hinweis: Vernetzer C in THF sehr gut löslich. Aus diesem Grund wird der feste direkt in diesem Schritt verwendet. In Fällen, in denen das Vernetzungsmittel löslich ist, dann wird eine konzentrierte Stammlösung des Vernetzers vorgenommen werden können und verschiedene Mengen dieser Lösung können Ampullen übertragen werden. Wiederum sollte die Konzentration der endgültigen Polymerisation> 0,05 M sein, wenn Lösungsmittel wird der Vernetzer zugegeben, dann eine Ausgleichs Reduktion des Lösungsmittels sollte an anderer Stelle vorgenommen werden.
  2. Add 123 ul (0,618 mmol) des BI-Lösung zu jeder der drei Fläschchen mit C. Versuchen Sie, die Nadelspitze direkt über der Fest Vernetzer halten beim Hinzufügen in die Ampulle. Fügen Sie die BI-Lösung auf einmal anstatt tropft.
  3. Verschließen Sie die Fläschchen und rühren die Reaktionen bei RT bisFertigstellung. Mit dieser spezifischen MM und Vernetzer-Kombination, ist die Reaktion in ~ 4 Stunden; weiterem Rühren für bis zu 24 Stunden hat keine erkennbaren Auswirkungen auf BASP Wachstum. Überwachung durch GPC um eine vollständige Umsetzung von BI zu gewährleisten.
  4. Abschrecken der Reaktion durch Zugabe von einem Tropfen Ethylvinylether zu der verbleibenden Lösung BI und jeder der N = 10, 15 und 20 BASP Reaktionsmischungen. Rühren für 10 min, um die vollständige Löschung zu gewährleisten.

6. GPC Probenvorbereitung

Die GPC-MALLS Ergebnisse wurden auf einem Agilent 1260 LC-System mit einem Shodex GPC KD-806M-Säule, eine Wyatt Dämmerung Heleos-II MALLS Detektor und einem Wyatt Optilab T-Rex Brechungsindex-Detektor bei Raumtemperatur ausgestattet erhalten. DMF mit 0,025 M LiBr mit einer Fließgeschwindigkeit von 1,0 ml / min wurde als Elutionsmittel verwendet. Die Ergebnisse wurden mit Astra 6-Software zur Verfügung gestellt von Wyatt analysiert.

  1. Mit Hilfe einer neuen Glaspipette für jeden Reaktionsgefäß, Tauchen die Pipettenspitze in die Reaktionslösung auf, eine kleine Probe der Reaktion. Waschen Sie die Innenseite der Pipette mit 250 ul 0,025 M LiBr in DMF, um eine Endkonzentration von etwa 3 mg / ml zu ergeben.
  2. Filtern der verdünnten Probe durch einen 0,45 um Filter Polytetrafluorethylen vor dem Aufbringen der Probe in einem GPC-Ampulle.
  3. Set-up GPC-MALLS läuft und die Ergebnisse zu analysieren, wenn die Läufe abgeschlossen sind.

Liste der Abkürzungen:

A: Grubbs 3. Generation bis-Pyridin-Katalysator

B: Poly (ethylenglycol) (PEG)-Makromonomer (MM)

B1: Verwendung im Handel erhältlich (Aldrich) PEG-NH 2 und HPLC-Reinigung ohne PEG MM vorbereitet.

B2: PEG MM mit kommerziell erhältlichen (Aldrich) PEG-NH vorbereitet

B3: unter Verwendung von PEG mM PEG-NH 2 neu synthetisiert und nach der HPLC-Reinigung verwendet.

BASP: Pinsel-Arm-Sternpolymer

BI: Wohn Pinsel Initiator

C: photoabbaubare Vernetzer

D: Molmasse Dispersitätsindex

DMF: N, N-Dimethylformamid

DP: Zahlenmittel Polymerisation

GPC: Gelpermeationschromatographie

Prep-HPLC: präparative Hochleistungsflüssigkeitschromatographie

ZENTREN: Mehrwinkel-Laserlichtstreuung

MM: Macromonomer

MW: Molekulargewicht

M w: Gewichtsmittel molar Massen

N: Anzahl der Äquivalente Vernetzer (Verhältnis von C zu A)

NHS: N-Hydroxysuccinimidyl

PEG: Polyethylenglykol

PEG-MM: Norbornen-PEG Makromonomer (auch als Verbindung B bezeichnet)

ROMP: Ringöffnungsmetathese-Polymerisation

THF: Tetrahydrofuran

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Representative Results

Figur 2 zeigt GPC-Kurven für eine Vielzahl von BASPs von B1, B2 und B3 hergestellt. In allen Fällen werden die Daten zeigen, dass die Erhöhung der Äquivalente Vernetzer (N) führt zu einer Erhöhung der Größe des BASP. Wie in unserer früheren Bericht beobachteten, 10 Äquivalente Vernetzer nicht ausreicht, um einheitliche BASPs erreichen, die N = 10 Proben eine deutlich multimodale GPC-Kurve mit einer großen Menge an Restbürsten Polymer insbesondere bei ungereinigtem MM B1 ( Abbildung 2a). Größere Mengen an Vernetzer führen in Uniform MW-Distributionen mit sehr wenig Rest Pinsel und MM. Das gewichtsdurchschnittliche Molekulargewicht (M w) in etwa verdoppelt, wenn man von N = 15-20. Im Falle von B3, ohne Rest mm und weniger als 1% Rest BI bleibt für die N = 15 und N = 20 Fälle.

Figur 1
Abbildung 1. Schematische für Pinsel-Arm-Sterne-Polymer (BASP) Synthese. Panel (a) zeigt die Synthese von Grubbs 3. Generation Bispyridin Katalysator (A) von kommerziell erhältlichen Grubbs 2. Generation Katalysator. Ebenfalls gezeigt sind die Strukturen der PEG-M (B) und Vernetzungsmittel (C) in dieser Arbeit verwendet. Platte (b) zeigt eine schematische Darstellung des Bürsten ersten Prozeß. Polymerisation von PEG-MM (B) mit einem Katalysator (A) eine 10-Wohneinheit Bürsten Initiator (BI), die dann an Vernetzungsmittel (C) zugegeben, was zur Bildung eines BASP. ig1highres.jpg "target =" _blank "> Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.

Figur 2
2. Repräsentative Ergebnisse der GPC aus verschiedenen PEG MMs von N = 10, 15 und 20 BASPs. Panels (a), (b) und (c) zeigen Daten für MMS B1, B2 und B3 sind. Verunreinigungen aus kommerziellen PEG-NH 2, nicht umgesetztes mm und Rest BI sind mit Sternen markiert. Werte M w und Dispersionsindex (D) sind in den Tabellen Einsatz vorgesehen. Beachten Sie, dass D-Werte von GPC für stark verzweigten Nanostrukturen erhalten müssen sorgfältig 24,25 berücksichtigt werden. Die Beobachtung von mono-, Uniform Spitzen deutet auf eine enge Verteilung der Partikelradien.tp_upload/50874/50874fig2highres.jpg "target =" _blank "> Klicken Sie hier für eine größere Ansicht.

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Discussion

Der entscheidende Vorteil der Bürsten ersten BASP Synthese ist die einzigartige Fähigkeit, schnell zu synthetisieren Nanostrukturen unterschiedlicher Größe und Zusammensetzung parallel, ohne dass eine spezielle Ausrüstung. In dieser Studie zeigen wir die Bürsten erstes synthetisches Verfahren unter Verwendung eines Norbornen-funktionalisierte PEG Makromonomer (B, Fig. 1) und ein Bis-norbornen Nitrobenzylester Vernetzer (C, Fig. 1). Die PEG-Ketten von B verleihen Wasserlöslichkeit der endgültigen BASP-Struktur. Die Nitrobenzyl-basierte Vernetzer photoabbaubare.

Dieses allgemeine Verfahren kann auch für andere exo-Norbornen basierenden MMS und Vernetzer modifiziert werden. Wir haben BASPs von mehreren Kombinationen von beiden hergestellt. Zum Beispiel haben wir Norbornen-PEG-Basis MMs, die verschiedene Anti-Krebs-Medikamente, Nitroxide, und Magnetresonanztomographie-Kontrastmittel 27 tragen, verwendet. Wir haben auch MMs von anderen als PEG Polymeren bestehen. Nach unserer Erfahrung kann der Bürsten erste Methode auf fast jede funktionelle exo-Norbornen Imid beendet MM angewendet werden. In Fällen, in denen hohe Umsätze von MM BI (> 95%) nicht erreicht werden, ist ein MM Verunreinigung der wahrscheinlichste Täter (im Gegensatz zur katalytischen Aktivität). Mehr rigorose Reinigung wie in diesem Bericht (Prep-HPLC) skizziert führt typischerweise zu einer erfolgreichen ROMP. Beachten Sie, dass wir nicht ROMP Polymerisationen mit MMs, die ungeschützten funktionellen Gruppen, die dafür bekannt sind, mit Katalysator A (zB freie Amine, Olefine, Azide, etc.) stören tragen versucht. Diese Gruppen können nach dem ersten Pinsel Synthese über Post-Polymerisation Änderung 27 eingeführt werden. Zum Beispiel haben wir Azid-BASPs von Alkylhalogenid MMs, die Azide nach BASP Bildung umgewandelt wurden hergestellt. Diese Azide wurden für Cu-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition "click & verwendet# 34; Reaktionen.

Wir haben versucht, die Auswirkungen der MM Reinheit genauer zu untersuchen. Kleine Mengen an Rest MM und BI wurden immer in Spuren beobachtet GPC bei bürsten ersten Reaktionen wurden unter Verwendung von MM hergestellt aus kommerziell erhältlichen PEG-NH 2 (B1, 2a) durchgeführt. Wir hatten aus der Erfahrung gelernt, die völlig rein MMs Regel geben quantitative MM-Konvertierung. Darüber hinaus haben wir bemerkt, dass die Menge an Rest mm je nach Chargennummer des kommerziellen PEG-NH 2 variiert. Wir vermuteten, dass ein nicht-funktionelles PEG-NH 2 Verunreinigung vielleicht einfach PEG-Diol war die scheinbare Rest MM Verunreinigung verantwortlich. Daher verwendeten wir prep-HPLC zu reinigen B1 bis B2 reinen MM geben Abbildung 2b zeigt, dass dieser Reinigungsprozess tatsächlich die Menge der Rest MM (orange Stern) etwa zwei-fache verringern;. Es nicht remohabe es vollständig. Interessanterweise gab B2 höhere Umwandlung von BI BASPs als auch, vielleicht eine Verunreinigung, die Deaktivierung des Katalysators führte, wurde über HPLC-prep entfernt. Immer noch nicht zufrieden mit der Menge der Rest MM, folgten wir der Literatur Verfahren für die Synthese von PEG-NH 2 durch anionische Polymerisation von Ethylenoxid aus Ethanolamin (ACHTUNG: Ethylenoxid sollte von ausgebildeten, erfahrenen Chemiker behandelt werden, es ist ein hoch brennbar, explosiv und giftige Gase!). 22,23 MM von diesem hausgemachten PEG-NH 2 (B3) hergestellt ergab verbesserte Ergebnisse im Vergleich zu den kommerziellen MMs. GPC-Analyse der entsprechenden BASPs zeigte keine nachweisbare Rest MM und sehr wenig (<1%) Rest BI (Abbildung 2c). So, wenn hohe Reinheit BASPs erforderlich sind empfehlen wir die Verwendung der reinsten MM möglich. Beachten Sie, dass Rest MM und BI kann leicht entfernt werden solldie größeren BASPs durch Dialyse nach Bürsten erste Synthese.

Wir haben auch andere als C Vernetzer. Zum Beispiel haben wir BASPs bisnorbornene von Metallkomplexen, Polymerisationsinitiatoren, Säure-spaltbare Linker, und supra Wirte hergestellt. Wir finden, dass Vernetzer mit starren Abstandshalter zwischen den norbornene neigen dazu, die gleichmäßige BASPs bereitzustellen; solche Vernetzer sind weniger wahrscheinlich, dass die intramolekulare Cyclisierung Reaktionen, die norbornene verbrauchen zu unterziehen, aber nicht zu BASP Wachstum beitragen.

Unabhängig von der MM und Vernetzer-Kombination, finden wir die folgenden allgemeinen Verfahren wird auf die höchste Chance Bürsten ersten Erfolg führen. Erstens, bevor Bürsten erste Synthese mit neu synthetisierten Monomere, empfehlen wir machen das DP = 10 Pinsel Polymer allein und möglicherweise länger Bürstenpolymere mit DP = 25 und 50. Wenn diese Tests erfolgreich sind, gibt es eine ausgezeichnete Chance, dass die ersten PinselMethode wird auch erfolgreich sein. Zweitens ist die ideale Konzentration für den bürsten ersten Polymerisationsstufe abhängig Monomer chemischen Zusammensetzung und Struktur der Komponenten. Wir empfehlen, die Prüfung ein paar kleinen Konzentrationen auf, bevor sie eine große Partie von BASP. Drittens geführt Polymerisationen in Dichlormethan oder Tetrahydrofuran scheinen die besten Ergebnisse zu ergeben; Monomeren, die in diesen Lösungsmitteln löslich sind, sind ideal. Wie oben diskutiert, wenn das Vernetzungsmittel schlecht löslich in diesen Lösungsmitteln empfehlen wir indem es als ein Feststoff und nicht das Hinzufügen von zusätzlichen Lösungsmittel. Solange die MM löslich, so finden wir, daß die Vernetzung bringt den Vernetzer vollständig in Lösung innerhalb von Minuten. Viertens, wenn die Polymerisation nicht inerten Bedingungen erfordern, empfehlen wir Lagerung des Katalysators unter inerten Atmosphäre auf ihre Lebensdauer zu erhöhen. Wichtig ist, dass der Katalysator in Lösung im Laufe der Zeit zersetzen, die Katalysatorlösung sollte frisch aus dem Grubbs dritten Generation ca. vorbereitet werdentalyst jedes Mal eine Reihe von ROMP-Reaktionen durchgeführt. Schließlich wird die Menge an Vernetzungsmittel für die gleichmäßige BASPs erforderlich weithin mit Vernetzer und MM Struktur variieren. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist 10 Äquiv Vernetzer C nicht ausreichend, um eine vollständige BI Umwandlungen liefern. In anderen Fällen finden wir, dass die Zugabe von 1 Äquivalent der Vernetzer, und sogar bis zu 40 Äquiv, liefert gute Ergebnisse. Immer wenn eine neue Vernetzer eingesetzt werden soll, empfehlen wir laufen eine Reihe von kleinen Reaktionen mit verschiedenen N-Werte, um eine optimale Vernetzungs Beträge zu identifizieren.

Als abschließende Bemerkung, ist es wichtig zu erkennen, dass viele alternative Methoden für die Herstellung von sternförmigen Polymeren (Kern-ersten-, Arm-first, etc.) 25, 26 existieren. Jedes Verfahren hat Vor-und Nachteile, wie beispielsweise Grenzen von der Größe, Reinigungsanforderungen und Kompatibilität mit funktionellen Gruppen. Wir argumentieren, dass die breite Verträglichkeit mit funktionellen Gruppen der ROMP,die Leichtigkeit der Synthese der Basis von Norbornen-funktionellen Monomeren, und die Fähigkeit, ROMP am Prüfplatz schnell durchzuführen, parallel dazu, und bei Raumtemperatur bilden die Bürsten ersten ROMP Ansatz Überlegung wert für eine Vielzahl von Anwendungen. In der Zukunft werden wir weiterhin diese Methode zu entwickeln und BASP Nanoarchitekturen für verschiedene Anwendungen, darunter Drogen-und Gen-Lieferung, zelluläre Bildgebung und Selbstmontage. Das volle Potenzial dieser neuen Teilchen und ihre Kapazitäten für kombinatorische Synthese, muss noch erforscht werden.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgements

Wir danken dem MIT-Institut für Chemie und MIT Lincoln Labs Advanced Concepts Komitee für die Unterstützung dieser Arbeit.

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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