Controllata di polimerizzazione per apertura di anello Photoredox di O- Carboxyanhydrides mediata da complessi di Ni/Zn

Riepilogo

Un protocollo per la polimerizzazione di anello-apertura controllata photoredox di O- carboxyanhydrides mediata da complessi di Ni/Zn è presentato.

Abstract

Qui, descriviamo un protocollo efficace che combina catalisi Ni/Ir photoredox con l'uso di un Zn-alcossido per polimerizzazione di anello-apertura efficiente, consentendo per la sintesi di poli isotattico (α-idrossi acidi) con un peso molecolare previsto (> 140 kDa) e strette distribuzioni del peso molecolare (M_w/M_n < 1.1). Questa polimerizzazione per apertura di anello è mediata da complessi di Ni e Zn in presenza di un iniziatore di alcool e un photoredox catalizzatore Ir, irradiati da un LED blu (400-500 nm). La polimerizzazione avviene a bassa temperatura (-15 ° C) per evitare reazioni collaterali indesiderate. Il consumo di monomero completa può essere raggiunto entro 4-8 ore, fornendo un polimero vicino al peso molecolare previsto con distribuzione di pesi molecolari strette. Il risultato peso molecolare medio numerico Mostra una correlazione lineare con il grado di polimerizzazione fino a 1000. Il homodecoupling ¹H NMR studio conferma che il polimero ottenuto è isotattico senza epimerizzazione. Questa polimerizzazione segnalato qui offre una strategia per il raggiungimento rapido, controllata Opolimerizzazione - carboxyanhydrides per preparare stereoregolari poly (α-idrossi acidi) e suoi copolimeri cuscinetto vari gruppi funzionali di catena laterale.

Introduzione

Poli (α-idrossi acido) (PAHA) è un'importante classe di polimeri biodegradabili e biocompatibili con applicazioni che vanno dai dispositivi biomedicali per materiali di imballaggio. ^{1 , 2} PAHAs anche se può essere preparata direttamente dalla policondensazione di α-idrossi acidi, i pesi molecolari (MWs) del PAHAs risultante sono generalmente bassi. ³ polimerizzazione per apertura di anello (ROP) dei lattoni (ad es., lattide e glicolide) è un approccio sintetico alternativo che fornisce il controllo migliore su MWs e distribuzione del peso molecolare (Đ) di policondensazione. Tuttavia, la mancanza di funzionalità di catena laterale in PAHAs e in lattoni limitare la diversità delle proprietà fisiche e chimiche e le loro applicazioni. ^{4 , 5} dal 2006, 1,3-diossolano-2,4-diones, cosiddetto O- carboxyanhydrides (OCAs), che possono essere preparati con una ricca varietà di funzionalità di catena laterale,^{6,7,8, 9 , 10 , 11 , 12 , 13} sono emersi come una classe alternativa di monomeri altamente attivi per la polimerizzazione di poliestere. ^{14 , 15}

Sistemi catalitici per la ROP di OCAs possono essere classificati in organocatalysts,^8,12,16,17 catalizzatori metallorganici^{12,18,19 ,20,21} e biocatalizzatori. ²² generalmente, ROP di OCAs, promosso da organocatalyst procede in maniera più o meno incontrollata, come epimerizzazione (cioè, la mancanza di stereoregolarità) per OCAs sopportano i gruppi elettron-attrattori,^8,17 MWs imprevedibili, o cinetica di polimerizzazione lenta. ¹³ per risolvere questi problemi, un complesso attivo di Zn-alcossido è stato sviluppato per la ROP di OCAs. ¹² well-controlled ROPs sono stati raggiunti a un basso grado di polimerizzazione (DP) senza epimerizzazione. Tuttavia, questo catalizzatore di Zn-alcossido non può produrre in modo efficiente polimeri con un alto grado di polimerizzazione (DP ≥ 300). ¹³

Recentemente abbiamo segnalato un approccio promettente che migliora notevolmente le possibilità di personalizzazione e l'efficienza della sintesi di PAHA (Figura 1). ¹³ si fondono catalizzatori di Ni/Ir photoredox che promuovono la decarbossilazione OCA con zinco alcossido per mediare la polimerizzazione per apertura di anello di OCAs. L'uso di basse temperature (-15 ° C) e photoredox catalisi Ni/Ir accelera sinergico di anello-apertura e decarbossilazione di OCA per la propagazione della catena, evitando reazioni collaterali indesiderate, ad esempio, la formazione di Ni-carbonilico. ^{23 , 24} su Transmetallazione con Ni complesse l'attivo Zn-alcossido si trova al capolinea della catena per la propagazione della catena. ¹³

In questo protocollo, aggiungiamo fresco preparato (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2'-bipiridile, COD = 1,5-cicloottadiene), Zn(HMDS)₂ (HMDS = esametildisilazano),²⁵ alcool benzilico (BnOH) e Ir [dF (CF₃) ppy]₂(dtbbpy) PF₆ ( Ir-1, ppy dF (CF₃) = 2-(2,4-difluorophenyl) -5-(trifluoromethyl) piridina, dtbbpy = 4, 4' - di -tert- butyl-2, 2'-bipyridine) nel monomero l-1 soluzione²⁶ in una scatola di guanto con una trappola a freddo, in presenza di un luce LED blu (400-500 nm) e un ventilatore per mantenere la temperatura (Figura 1). La temperatura è mantenuta a-15 ° C ± 5 ° C durante la polimerizzazione. La conversione di OCA è monitorata da-trasformata di Fourier spettroscopia infrarossa. Il polimero risultante MWs e Đs è caratterizzata da una cromatografia a permeazione di gel (GPC). Il homodecoupling ¹Studio H NMR determina se il polimero ottenuto è isotattico o non. Come la maggior parte delle sostanze chimiche sono altamente sensibili all'umidità, il protocollo dettagliato dei video è destinato per aiutare i nuovi praticanti evitare trabocchetti connessi con il photoredox ROP di OCAs.

Protocollo

Attenzione: Si prega di consultare tutti i materiali pertinenti schede dati di sicurezza (MSDS) prima dell'uso. Molti prodotti chimici utilizzati nella sintesi sono acutamente tossici e cancerogeni. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue la reazione, compreso l'uso di controlli tecnici (cappa e vano portaoggetti) e dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice, pantaloni lunghi, Scarpe chiuse, luce blu blocco di sicurezza occhiali). Seguenti procedure coinvolgono tecniche di movimentazione standard privo di aria in un vano portaoggetti. Tutte le soluzioni vengono trasferite tramite pipetta.

1. preparazione del catalizzatore e iniziatore

Nota: L'intero processo è condotto in un vano portaoggetti con una trappola a freddo. Tutti i prodotti chimici sono secchi o purificati prima di trasferirsi nella casella. ¹³ tutte le fiale e cristalleria sono secchi e riscaldate in forno prima di trasferirsi nella casella.

1. Preparazione della (bpy)Ni(COD) soluzione
   Nota: (bpy)Ni(COD) deve essere preparata in situ. Dovrebbe essere conservato nel congelatore cassetto portaoggetti (-35 ° C) e utilizzato entro una settimana. Tutte le altre soluzioni di iniziatore e catalizzatori possono depositare nel congelatore vano portaoggetti oltre 1 mese.
   1. Pesare Ni(COD)₂ (3,5 mg, 12,7 µmol, 1,0 eq) in un flaconcino di scintillazione di 7 mL.
   2. Pesano 2, 2 '-bipyridine (5,9 mg, 37,8 µmol) in un flaconcino di scintillazione di 7 mL.
   3. Sciogliere il 2, 2 '-bipyridine in 1 mL di anidro tetraidrofurano (THF).
   4. Aggiungere 2 risultante, 2 '-bipyridine soluzione (337 µ l) nel flaconcino contenente Ni(COD)₂.
   5. Stemperate il composto in 1 mL di THF anidro.
   6. Tappo del flaconcino e mettere la miscela di reazione a temperatura ambiente per 2 h.
      Nota: Ni(COD)₂ non è solubile in THF, considerando che (bpy)Ni(COD) è solubile in THF. Non ci dovrebbe essere nessuna precipitazione della soluzione viola dopo 2 h.
   7. Archivio (bpy)Ni(COD) nel congelatore-35 ° C.
2. Preparazione della soluzione di Zn(HMDS)₂
   1. Aggiungere Zn(HMDS)₂ (3,3 mg, 4 µ l, 8,5 µmol) una fiala di scintillazione di 7 mL.
   2. Sciogliere il Zn(HMDS)₂ in 1 mL di THF anidro.
   3. Conservare la soluzione di₂ Zn(HMDS) in freezer-35 ° C.
3. Preparazione della soluzione di BnOH
   1. Aggiungere BnOH (4,0 mg, 4 µ l, 37.0 µmol) una fiala di scintillazione di 7 mL.
   2. Sciogliere il BnOH in 4 mL di THF anidro.
   3. Conservare la soluzione di BnOH nel congelatore-35 ° C.
4. Preparazione della soluzione di Ir-1
   1. Spegnere la luce del cassetto portaoggetti.
      Attenzione: È necessario spegnere la luce del cassetto portaoggetti per evitare la disattivazione di Ir-1 prima della polimerizzazione.
   2. Aggiungere Ir-1 (2,9 mg, 2,6 µmol) una fiala di scintillazione di 7 mL.
   3. Sciogliere il Ir-1 in 3 mL di THF anidro.
   4. Conservare la soluzione di Ir-1 nel congelatore-35 ° C.

2. Photoredox polimerizzazione per apertura di anello di l-1

Nota: L'intero processo è condotto in un vano portaoggetti con una trappola a freddo. Tutti i monomeri OCA sono ricristallizzati in glove box prima dell'uso. ¹³ qui diamo l'esempio della polimerizzazione a DP = 500 ([l -1] /[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)₂] / [BnOH] / [Ir-1] = 500/1/1/1/0.1). Polimeri al DPs differenti possono essere preparati anche regolando il monomero massa di conseguenza.

1. Preparazione della soluzione l-1 per la polimerizzazione
   1. Aggiungere l-1 (72,2 mg, 375.7 µmol) una fiala di scintillazione di 7 mL.
   2. Sciogliere la l-1 in µ l 722 di THF anidro.
   3. Aggiungere 200 µ l di soluzione di l-1 in un altro flaconcino di scintillazione 7-mL dotato di una barra per l'agitazione.
   4. Aggiungere 100 µ l di THF anidro nel flaconcino da 7 mL scintillazione.
   5. Tappo del flaconcino e mettere la soluzione di l-1 nella trappola fredda.
   6. Spegnere la luce del cassetto portaoggetti.
      Attenzione: È necessario spegnere la luce del cassetto portaoggetti per evitare la disattivazione di Ir-1 prima della polimerizzazione.
2. Raffreddando la trappola a freddo
   1. All'interno della scatola, mettere un termometro nella trappola fredda.
   2. All'esterno della casella, aggiungere ca. 500 mL di etanolo nel pallone dewar.
   3. Aggiungere azoto liquido nel pallone dewar.
   4. Caricare il pallone dewar KGW alla trappola fredda.
   5. Raffreddare la trappola a freddo a-50 ° C.
   6. Mettere scalpore piastra sotto il freddo trappola (Vedi Figura 1).
3. Eseguire la polimerizzazione di anello-apertura photoredox
   Nota: Prima di iniziare la polimerizzazione, occhiali protettivi posto quella luce di blocco blu a portata di mano. Tutte le soluzioni di sistema catalizzatore sono immediatamente prese dal congelatore e aggiunto successivamente nel flaconcino scintillazione 7-mL contenente 20 mg di l-1 senza pause o interruzioni oltre 30 s.
   1. Aggiungere (bpy)Ni(COD) soluzione (16,4 µ l, 0,208 µmol) nel flaconcino da 7 mL scintillazione contenente l-1 (preparato al punto 2.1).
   2. Aggiungere la soluzione di₂ Zn(HMDS) (24,4 µ l, 0,208 µmol) nel flaconcino.
   3. Aggiungere la soluzione di BnOH (µ l 22,5, 0,208 µmol) nel flaconcino.
   4. Aggiungere la soluzione Ir-1 (24,2 µ l, 0.0208 µmol) nel flaconcino e tappo del flaconcino.
   5. Indossare occhiali di sicurezza blocco luce LED blu.
      Attenzione: Come LED blu luce ad alta intensità relativa è utilizzata, indossare occhiali di sicurezza durante l'intero processo.
   6. Accendere la luce LED blu (34 W) e la ventola per dissipare il calore generato dal LED luce. La luce diretta verso il flaconcino nella trappola fredda. (Figura 1)
   7. Accendere l'agitatore.
   8. Coprire la trappola a freddo con carta stagnola.
   9. Mantenere la temperatura di reazione-15 ± 5 ° C e aggiungere azoto liquido ogni 15-20 minuti.
      Nota: Il mantenimento della temperatura di reazione è importante per la polimerizzazione e controllo MW.

3. monitorare la conversione del monomero di spettri infrarossi-trasformata di Fourier

Nota: Spettri infrarossi-trasformata di Fourier (FTIR) vengono registrati su uno spettrometro FT-IR dotato di accessorio di campionamento Diamond ATR e trasmissione.

1. Intervalli di tempo specifici, aggiungere una piccola aliquota di soluzione polimerica (20 µ l) in un flaconcino da 7 mL scintillazione e innevate.
2. Rimuovere il flacone, fuori dalla scatola di guanto.
3. Eliminare immediatamente la soluzione (3 µ l) sul campionatore di diamante FTIR-ATR. La soluzione forma una pellicola entro 10 s per la misura di spettro.
4. Misurare lo spettro FTIR del campione.
   Nota: La conversione del monomero è stata determinata mediante il rapporto di intensità fra 1760 cm^-1 e 1805s cm^-1: conversione % I =₁₇₆₀/ (ho₁₇₆₀ + I₁₈₀₅) (rappresentante dei risultati nella Figura 2). In genere, la polimerizzazione richiede circa 1-8 h per DP che vanno da 200 a 1000 (cinetica dettagliata sono discussi in riferimento ¹³).

4. la misurazione del peso molecolare del polimero da cromatografia a permeazione di gel

Nota: Gli esperimenti di Gel permeazione Cromatografia (GPC) vengono eseguiti su un sistema equipaggiato con una pompa isocratica con degasatore, rilevatore di dispersione della luce (MALS) multiangle laser (laser di GaAs 30 mW a λ = 690 nm) e rivelatore di indice di rifrazione differenziale (DRI) con una sorgente di luce di 690 nm. Le separazioni vengono eseguite utilizzando le colonne di esclusione di dimensione in serie collegati (100 Å, 500 Å, 10³ Å e 10 colonne⁴ Å, 5 µm, 300 × 4,6 mm) a 35 ° C con THF come fase mobile ad un flusso di 0,35 mL/min. Il peso molecolare del polimero (MW) e la distribuzione del peso molecolare (Ð) sono determinati utilizzando il modello di Zimm in forma di dati di Malles Venosta-DRI. La presenza di metallo complesso nel polimero non influisce i risultati della misurazione di GPC.

1. Rimuovere una piccola aliquota di soluzione polimerica (50 µ l) fuori dalla scatola di guanto.
2. Aggiungere 100 µ l di THF nel flaconcino.
3. Iniettare il campione nel campionatore GPC.
4. Analizzare il risultato una volta completata l'esecuzione GPC.
   Nota: Il polimero deve essere monodispersed con strette Đ (rappresentante dei risultati nella Figura 3). Il polimero (20 mg) può essere asciugato e lavato da 1 mL di etere etilico contenente metanolo HOAc e 1 mL 1%, che può rimuovere 87% di Ni e 50% di complessi di Zn, determinate tramite spettrometria di massa di plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS).

Risultati

La conversione di OCA è monitorata da-trasformata di Fourier spettroscopia infrarossa, come mostrato nella Figura 2. Il picco a 1805 cm^-1 viene assegnato come il tratto di bond di anidride acetica a OCA; il picco a 1760 cm^-1 corrisponde alla formazione del legame estere nel polimero. Una volta che il picco di monomero a 1805 cm^-1 scomparirà completamente, la polimerizzazione è finita.

Discussione

Il passaggio fondamentale all'interno del protocollo è mantenere la temperatura di reazione a-15 ± 5 ° C. Tutte le soluzioni di catalizzatori e OCA monomeri devono essere conservati in un congelatore cassetto portaoggetti a-35 ° C prima della polimerizzazione. Le fiale di reazione devono essere pre-raffreddata nella trappola fredda. Durante la reazione, perché la luce del LED dissipa il calore, è necessario monitorare la reazione ogni 15-20 minuti. Una volta che la temperatura è aumentata fino a-10 ° C, azoto liq...

Materiali

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