Contrôlé Photoredox polymérisation par ouverture de O- Carboxyanhydrides médiées par les Complexes de Ni/Zn

Résumé

Un protocole pour la polymérisation d’anneau-ouverture contrôlée photoredox d’O- carboxyanhydrides médiées par les complexes de Ni/Zn est présenté.

Résumé

Nous décrivons ici un protocole efficace qui combine catalyse Ni/Ir photoredox avec l’utilisation d’un alcoolate de Zn pour polymérisation par ouverture efficace, permettant la synthèse du poly isotactique (α-hydroxy-acides) avec des poids moléculaire prévus (> 140 kDa) et réduire les distributions des poids moléculaires (M_w/M_n < 1.1). Cette polymérisation par ouverture est médiée par des complexes Ni et Zn en présence d’un initiateur de l’alcool et un photoredox catalyseur Ir, irradié par une LED bleue (400-500 nm). La polymérisation s’effectue à basse température (-15 ° C) pour éviter les réactions secondaires indésirables. La consommation complète monomère peut être réalisée dans les 4 à 8 heures, fournissant un polymère près le poids moléculaire prévu avec répartition du poids moléculaire étroit. Poids moléculaire moyen en nombre a entraîné montre une corrélation linéaire avec le degré de polymérisation jusqu'à 1000. Le homodécouplage ¹étude RMN H confirme que le polymère obtenu est isotactique sans épimérisation. Cette polymérisation rapportée ici vous propose une stratégie pour la réalisation rapide et contrôlée Ocarboxyanhydrides - polymérisation pour préparer stéréorégulier poly (α-hydroxy-acides) et ses copolymères portant divers groupes fonctionnels de chaîne latérale.

Introduction

Poly (acide α-hydroxy) (PAHA) est une importante classe de polymères biodégradables et biocompatibles avec des applications allant des dispositifs biomédicaux aux matériaux d’emballage. ^{1 , 2} bien que PAHAs peuvent être préparés directement par polycondensation d’acides α-hydroxylés, les poids moléculaires (MWs) des PAHAs qui en résultent sont généralement faibles. ³ polymérisation par ouverture (ROP) de lactones (p. ex., lactide et glycolide) est une autre approche synthétique qui offre le meilleur contrôle sur MWs et distribution de poids moléculaire (Đ) que la polycondensation. Toutefois, le manque de fonctionnalité de la chaîne latérale en PAHAs et en lactones limite la diversité des propriétés physiques et chimiques et de leurs applications. ^{4 , 5} . depuis 2006, 1, 3-dioxolane-2, 4-diones, ce que l'on appelle O- carboxyanhydrides (LCP), qui peut être préparé avec une variété riche de fonctionnalités de la chaîne latérale,^{6,7,8, 9 , 10 , 11 , 12 , 13} sont apparus comme une autre classe de monomères très actifs pour la polymérisation de polyester. ^{14 , 15}

Systèmes catalytiques pour le ROP d’OCAs peuvent être classés en organocatalysts,^8,12,16,17 catalyseurs organométalliques^{12,18,19 ,20,21} et biocatalyseurs. ²² en règle générale, le ROP d’OCAs, promue par organocatalyst procède de manière plus ou moins incontrôlée, tels que l’épimérisation (c.-à-d., le manque de stereoregularity) pour OCAs portant des groupes électroattracteurs,^8,17 MWs imprévisibles ou cinétique lente de la polymérisation. ¹³ pour résoudre ces problèmes, un complexe de Zn-alcoolate actif a été développé pour le ROP d’OCAs. ¹² well-controlled ROPs ont été atteints à un faible degré de polymérisation (DP) sans épimérisation. Cependant, ce catalyseur de Zn-alcoolate ne peuvent pas produire efficacement les polymères avec un haut degré de polymérisation (DP ≥ 300). ¹³

Nous avons récemment rapporté une approche prometteuse qui améliore grandement la personnalisation et l’efficacité de la synthèse PAHA (Figure 1). ¹³ nous fusionnons catalyseurs de Ni/Ir photoredox qui favorisent la décarboxylation de la OCA avec zinc alcoolate de médiation polymérisation par ouverture d’OCAs. L’utilisation de basse température (-15 ° C) et photoredox catalyse Ni/Ir en synergie accélère l’ouverture et la décarboxylation d’OCA pour la propagation de la chaîne tout en évitant des réactions secondaires indésirables, par exemple, la formation de Ni-carbonyle. ^{23 , 24} sur transmétallation avec Ni complexe du Zn-alcoolate actif est situé au terminus de la chaîne pour la propagation de la chaîne. ¹³

Dans ce protocole, nous ajoutons frais préparé (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2'-bipyridyle, COD = 1, 5-cyclooctadiène), Zn(HMDS)₂ (HMDS = hexaméthyldisilazane),²⁵ (BnOH) l’alcool benzylique et Ir [ppy dF (CF₃)]₂(dtbbpy) (₆ ) PF 1-Ir, ppy dF (CF₃) = 2-(2, 4-difluorophényl) -5-(trifluorométhyl) pyridine, dtbbpy = 4, 4' - di -tert- butyl-2, 2'-bipyridine) dans le monomère l-1 solution²⁶ dans une boîte à gants avec un piège à froid, en présence d’un lumière LED bleue (400-500 nm) et un ventilateur pour maintenir la température (Figure 1). La température est maintenue à-15 ° C ± 5 ° C au cours de la polymérisation. La conversion de l’OCA est surveillée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. Le polymère résultant MWs et Đs se caractérise par une chromatographie de perméation de gel (GPC). Le homodécouplage ¹étude RMN H détermine si le polymère obtenu est isotactique ou non. Comme la plupart des produits chimiques sont très sensibles à l’humidité, le protocole détaillé de vidéo est destiné à aider les nouveaux praticiens à éviter les pièges liés à la photoredox ROP d’OCAs.

Protocole

ATTENTION : Veuillez consulter tous les documents pertinents fiches signalétiques (FS) avant utilisation. Beaucoup de produits chimiques utilisés dans la synthèse est extrêmement toxiques et cancérigènes. Copiez toutes les pratiques de sécurité qui s’imposent lors de l’exécution de réaction, y compris l’utilisation des contrôles d’ingénierie (hotte aspirante et boîte à gants) et des équipements de protection individuelle (lunettes, gants, blouse, pantalons longs, chaussures fermées-toe, bleu-clair blocage de sécurité des lunettes). Conformément aux procédures impliquent des techniques de manipulation de sans air standard dans une boîte à gants. Toutes les solutions sont transférées à l’aide de la pipette.

1. préparation des catalyseurs et initiateur

NOTE : L’ensemble du processus est effectué dans une boîte à gants avec un piège à froid. Tous les produits chimiques sont séchés ou purifiées avant de passer à la boîte. ¹³ tous les flacons et la verrerie sont séchées et chauffés dans le four avant de passer à la boîte.

1. Préparation de (solution de bpy)Ni(COD)
   NOTE : (bpy)Ni(COD) doit être fraîchement préparé in situ. Il doit être stocké dans la boîte à gants du congélateur (-35 ° C) et utilisé dans la semaine. Toutes les autres solutions d’initiateur et catalyseurs peuvent être stockées dans le congélateur de la boîte à gants plus de 1 mois.
   1. Peser Ni(COD)₂ (3,5 mg, 12,7 µmol, 1,0 eq) dans un flacon à scintillation de 7 mL.
   2. Peser 2, 2′-bipyridine (5,9 mg, 37,8 µmol) dans un flacon de 7 mL à scintillation.
   3. Dissoudre le 2, 2′-bipyridine dans 1 mL de tétrahydrofurane anhydre (THF).
   4. Ajouter résultante 2, 2′-bipyridine solution (337 µL) dans le flacon contenant le Ni(COD)₂.
   5. Diluer le mélange dans 1 mL de THF anhydre.
   6. Boucher le flacon et placer le mélange réactionnel à la température ambiante pendant 2 h.
      Remarque : Ni(COD)₂ n’est pas soluble dans le THF, considérant que (la bpy)Ni(COD) est soluble dans le THF. Il ne devrait y avoir aucune précipitation dans la solution de pourpre après 2 h.
   7. Stocker le (bpy)Ni(COD) dans le congélateur à-35 ° C.
2. Préparation de la solution₂ Zn(HMDS)
   1. Zn(HMDS)₂ (3,3 mg, 4 µL, 8,5 µmol) s’ajoute un flacon à scintillation de 7 mL.
   2. Dissoudre la Zn(HMDS)₂ dans 1 mL de THF anhydre.
   3. Conserver Zn(HMDS)₂ solution dans le congélateur à-35 ° C.
3. Préparation de la solution BnOH
   1. BnOH (4,0 mg, 4 µL, 37,0 µmol) s’ajoute un flacon à scintillation de 7 mL.
   2. Dissoudre le BnOH dans 4 mL de THF anhydre.
   3. Stocker la solution de BnOH dans le congélateur à-35 ° C.
4. Préparation de la solution 1-Ir
   1. Éteindre la lumière de la boîte à gants.
      ATTENTION : Il faut éteindre la lumière de la boîte à gants afin d’éviter la désactivation de l’Ir-1 avant la polymérisation.
   2. Ir-1 (2,9 mg, 2,6 µmol) s’ajoute un flacon à scintillation de 7 mL.
   3. Dissoudre la Ir-1 à 3 mL de THF anhydre.
   4. Conserver la solution 1-Ir dans le congélateur à-35 ° C.

2. Photoredox polymérisation par ouverture de l-1

NOTE : L’ensemble du processus est effectué dans une boîte à gants avec un piège à froid. Tous les monomères de l’OCA sont recristallisées dans la boîte à gants avant utilisation. ¹³ nous donnons ici l’exemple de la polymérisation à DP = 500 ([l -1] /[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)₂] / [BnOH] / [Ir-1] = 500/1/1/1/0.1). Polymères à DPs différentes peuvent également être préparés en ajustant le monomère de masse en conséquence.

1. Préparation de la solution l-1 pour la polymérisation
   1. L-1 (72,2 mg, 375,7 µmol) s’ajoute un flacon à scintillation de 7 mL.
   2. Dissoudre le l-1 en 722 µL de THF anhydre.
   3. Ajouter 200 µL de solution de l-1 dans un autre flacon de 7 mL à scintillation, équipé d’un bar de remuer.
   4. Ajouter 100 µL de THF anhydre dans le flacon de 7 mL à scintillation.
   5. Boucher le flacon et placer la solution de l-1 dans le piège froid.
   6. Éteindre la lumière de la boîte à gants.
      ATTENTION : Il faut éteindre la lumière de la boîte à gants afin d’éviter la désactivation de l’Ir-1 avant la polymérisation.
2. Refroidir le piège froid
   1. À l’intérieur de la boîte, placez un thermomètre dans le piège froid.
   2. À l’extérieur de la boîte, ajouter env. 500 mL d’éthanol dans la fiole de dewar.
   3. Ajouter l’azote liquide dans la fiole de dewar.
   4. Charger la fiole de dewar KGW le piège froid.
   5. Cool le piège cryogénique à-50 ° C.
   6. Mettez un émoi plaque sous le froid piéger (voir Figure 1).
3. Effectuer la polymérisation par ouverture photoredox
   Remarque : Avant de commencer la polymérisation, placer des lunettes de sécurité ce bloc bleu lumineux à portée de main. Toutes les solutions de système de catalyseur sont immédiatement sorties du congélateur et ajoutées successivement dans le flacon de scintillation de 7 mL contenant 20 mg de l-1 , sans pause ni perturbation des plus de 30 s.
   1. Ajouter (solution de bpy)Ni(COD) (16,4 µL, 0,208 µmol) dans le flacon de 7 mL à scintillation contenant l-1 (préparé en 2.1).
   2. Ajouter Zn(HMDS)₂ solution (24,4 µL, 0,208 µmol) dans le flacon.
   3. Ajouter la solution de BnOH (22,5 µL, 0,208 µmol) dans le flacon.
   4. Ajouter une solution 1-Ir (24,2 µL, 0.0208 µmol) dans le flacon et boucher le flacon.
   5. Porter des lunettes de sécurité bloquant la lumière LED bleue.
      ATTENTION : Comme bleu LED lumière avec une intensité élevée relative sert, porter des lunettes pendant tout le processus.
   6. Allumez la lumière LED bleue (34 W) et le ventilateur pour dissiper la chaleur générée par la LED lumineuse. Diriger la lumière vers le flacon dans le piège froid. (Figure 1)
   7. Tourner sur l’agitateur.
   8. Couvrir le piège froid avec du papier aluminium.
   9. Maintenir la température de réaction à-15 ± 5 ° C et ajouter de l’azote liquide toutes les 15-20 minutes.
      Remarque : Le maintien de la température de réaction est important pour la polymérisation et contrôle MW.

3. surveiller la conversion de monomère par transformée de Fourier spectres infrarouges

Remarque : Les spectres infrarouges-transformée de Fourier (FTIR) sont enregistrés sur un spectromètre FT-IR avec accessoire d’échantillonnage ATR de diamant et de la Transmission.

1. À des moments précis, ajouter une petite aliquote de la solution de polymère (20 µL) dans un flacon de 7 mL à scintillation et plafonnés.
2. Retirer la cuvette hors de la boîte à gants.
3. Immédiatement, laisser tomber la solution (3 µL) sur le sampler de diamant FTIR-ATR. La solution forme un film dans les 10 s pour la mesure du spectre.
4. Mesurer le spectre FTIR de l’échantillon.
   Remarque : La conversion de monomère a été déterminée par le rapport d’intensité entre 1760 cm^-1 et 1805s cm^-1: conversion % j’ai =₁₇₆₀/ (j’ai₁₇₆₀ + I₁₈₀₅) (représentant les résultats dans la Figure 2). Généralement, la polymérisation prend environ 1 à 8 h pour DP allant de 200 à 1000 (cinétique détaillée sont décrites dans référence ¹³).

4. la mesure de la masse moléculaire du polymère par chromatographie de perméation de gel

Remarque : Gel-perméation chromatographie (GPC) expériences réalisées sur un système équipé d’une pompe isocratique avec dégazeur, détecteur de diffusion de la lumière (MALS) multi-angles laser (laser de GaAs 30 mW à λ = 690 nm) et détecteur de l’indice de réfraction différentielle (DRI) avec une source lumineuse de 690 nm. Séparations sont effectuées à l’aide de colonnes d’exclusion de taille connectés en série (100 500 Å, 10 ų Å et 10 colonnes⁴ Å, 5µm, 300 × 4,6 mm) à 35 ° C à l’aide de THF comme phase mobile à un débit de 0,35 mL/min. La masse moléculaire de polymères (MW) et de la distribution de poids moléculaire (Ð) sont déterminés à l’aide du modèle de Zimm l’ajustement des données MALS-DRI. La présence de métal complexe dans le polymère n’affecte pas les résultats de mesure de GPC.

1. Supprimer une petite aliquote de la solution de polymère (50 µL) hors de la boîte à gants.
2. Ajouter 100 µL de THF dans le flacon.
3. Injecter l’échantillon dans l’échantillonneur GPC.
4. Analyser le résultat une fois terminée l’exécution GPC.
   Remarque : Le polymère doit être monodisperses avec étroites Đ (représentant les résultats à la Figure 3). Le polymère (20 mg) peut être séché et lavé par 1 mL d’éther diéthylique contenant 1 % HOAc avec 1 mL du méthanol, qui peut enlever 87 % de nickel et de 50 % des complexes Zn, déterminées par spectrométrie de masse à plasma inductif (ICP-MS).

Résultats

La conversion de l’OCA est surveillée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, comme illustré à la Figure 2. Le pic à 1805 cm^-1 est assigné comme le tronçon de liaison anhydride dans OCA ; le pic à 1760 cm^-1 correspond à la formation de la liaison ester dans le polymère. Une fois que le pic de monomère à 1805 cm^-1 disparaît complètement, la polymérisation est terminée.

Discussion

L’étape critique au sein du protocole maintient la température de réaction-15 ± 5 ° C. Toutes les solutions de catalyseurs et des monomères OCA doivent être stockés dans un congélateur de boîte à gants à-35 ° C avant la polymérisation. Les flacons à réaction doivent être refroidis dans le piège froid. Au cours de la réaction, parce que la lumière LED dissipe la chaleur, il est nécessaire de surveiller la réaction chaque 15-20 minutes. Une fois que la température s’élève jusqu'à-10 ° C, azot...

matériels

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