Синтез монодисперсных цилиндрических наночастиц с помощью кристаллизации управляемой самосборки биоразлагаемых блоков copolymers

Резюме

Самосборка, управляемая кристаллизацией (CDSA), демонстрирует уникальную способность изготавливать цилиндрические наноструктуры узких распределений длины. Продемонстрирована органокатальизация кольцеоткрывающей полимеризации капролактона и последующие цепные расширения метил-метакрилата и N,N-диметилааааааа. Наметился живой протокол CDSA, который производит монодисперсные цилиндры длиной до 500 нм.

Аннотация

Производство монодисперсных цилиндрических мицелле является серьезной проблемой в полимерной химии. Большинство цилиндрических конструкций, образованных из диблоки copolymers производятся одним из трех методов: тонкой регидратации пленки, переключения растворителя или полимеризации индуцированной самосборки, и производят только гибкие, полидисперсные цилиндры. Кристаллизация управляемой самосборки (CDSA) является методом, который может производить цилиндры с этими свойствами, путем стабилизации структур нижней кривизны из-за формирования кристаллического ядра. Однако живые методы полимеризации, с помощью которых формируются большинство основных блоков, являются нетривиальными процессами, и процесс CDSA может дать неудовлетворительные результаты, если он будет выполнен неправильно. Здесь показан синтез цилиндрических наночастиц из простых реагентов. Описана высыхание и очистка реагентов до открытия кольца в виде капролактона, катализованного с помощью дифенилового фосфата. Этот полимер затем цепь расширена метил-метакрилат (MMA) следуют N, N-диметил акриламид (DMA) с использованием обратимого добавления-фрагментации цепи передачи (RAFT) полимеризации, предоставляя триблок кополимер, который может пройти CDSA в Этанол. Наметился живой процесс CDSA, результаты которого дают цилиндрические наночастицы длиной до 500 нм, а рассеиваемость длины - всего 1,05. Предполагается, что эти протоколы позволят другим производить цилиндрические наноструктуры и поднимать поле CDSA в будущем.

Введение

Одномерные (1D) наноструктуры, такие как цилиндры, волокна и трубки, привлекают все большее внимание в различных областях. Среди них их популярность в полимерной науке обязана их богатым разнообразием свойств. Например, Geng et al. продемонстрировали, что филомиклетов демонстрируют десятикратное увеличение времени пребывания в крови модели грызунов по сравнению с их сферическими аналогами, а Won et al. показали, что полибутадиеновые -b-поли (оксид этилена) волокна дисперсии отображают увеличение модуля хранения на два порядка величины при перекрестном стыковке ядра во время реологических измерений^1,2. Интересно, что многие из этих систем синтезируются через самосборку блок кополимеров, будь то через более традиционные методы переключения растворителя и тонкопленочной регидратации³, или более продвинутые методы, такие как полимеризации индуцированной самосборки и кристаллизации самосборки (CDSA)^4,5. Каждый метод имеет свои преимущества, однако, только CDSA может производить жесткие частицы с равномерной и управляемой распределения длины.

Пионерская работа Гилроя и др. сформировала длинныеполиферофенилсиланын - b-полидиметилсилоксан (PFS-PDMS) цилиндры в гексанах и, при использовании легкой звуковой, очень короткие цилиндры с низкой разослательностью контурной длины (L_n). При добавлении заданной массы диблокируют сяполимерные цепи в общий растворитель, были синтезированы цилиндры различной длины с L_n как низко как 1.03. Дальнейшая работа группы Manners подчеркнул высокую степень контроля возможно с системой PFS, которые могут быть использованы для формирования удивительно сложных и иерархической структуры: блок-ко-мицеллы, шарф формы и гантели микеля, чтобы назвать несколько^{7, 8}. После этих демонстраций, исследователи исследовали другие, более функциональные системы для CDSA в том числе: полукристаллические товарные полимеры (полиэтилен, поли (капролактон), полилактид)^{9,10 ,11,12,13} и проводящих полимеров (поли (3-гексилтиофен), полиселенофен)^14,15. Вооружившись этим инструментарием диблок-кополимерных систем, которые могут быть собраны быстро и эффективно, исследователи провели больше приложений на основе исследований в последние^{годы 16}.  Jin et al. продемонстрировали длину exciton диффузии в сотнях нанометров в политиопротеновых блоках copolymers и наша группа продемонстрировала образование гелей из поли (капролактон) (PCL), содержащего цилиндрические конструкции^{10, 17}.

Хотя это мощный метод, CDSA имеет свои ограничения. Кополимеры блока должны иметь полукристаллический компонент, а также низкие значения дисперсии и точность высокой группы; загрязнители блока более низкого порядка могут вызвать агрегацию частиц или вызвать изменения морфологии^18,19. Из-за этих ограничений используются живые полимеризации. Тем не менее, для достижения полимеров с вышеупомянутыми свойствами необходимы значительные меры очистки реагентов, процедуры сушки и свободные от воды/кислорода среды. Были предприняты попытки разработать системы, которые преодолевают это. Например, PFS блок кополимеров были сформированы с помощью нажмите химии для объединения полимерных цепей вместе²⁰. Хотя в результате цилиндрические наночастицы продемонстрировали образцовые свойства, блок copolymers, как правило, очищены от preparative размер исключения хроматографии и синтез ПФС по-прежнему требует использования живых анионических полимеризации. Наша группа недавно понял, живые CDSA PCL, успех которого вращался вокруг использования как живых органобаза-катализированные кольца открытия полимеризации (ROP) и обратимой добавления фрагментации цепи передачи (RAFT) полимеризации¹⁰. Хотя этот метод проще, живые полимеризации по-прежнему требуется.

По мере того как поле двигает к больше применению-управляемому исследованию, и из-за проблем связанных с living полимеризациями, поверено что план полимерного синтеза и протоколов собственн-сборки будет выгодн к будущей научной работе. Таким образом, в этой рукописи изложен полный синтез и самосборка PCL-b-PMMA-b-PDMA copolymer. Методы сушки будут выделены в контексте органокатзальной РОП капролактона и последующего полимеризации RAFT ММА и ДМА. Наконец, будет представлен живой протокол CDSA для этого полимера в этаноле, и будут критиковать распространенные ошибки в данных о характеристиках из-за плохой экспериментальной техники.

протокол

1. Сушка толуола

ПРИМЕЧАНИЕ: Если у вас есть доступ к сухим башням растворителя, соберите толуол и дегазоизм пять циклов замораживания насоса-оттепели.

1. Сухие 3 й молекулярное сито в 250 мл болота Schlenk при 250-300 градусов по Цельсию под вакуумом в течение 48 ч и передать в бардачок.
2. Высушите два ампулы в духовке при температуре 150 градусов по Цельсию на ночь и перенесите их в перчаточный ящик.
3. Перенесите активированное молекулярное сито в два ампулы и снимите с перчаточного ящика.
4. Высушите двухрезную кругло-нижнюю колбу (RBF) и добавьте 100 мл толуола, объем которого равен, в лучшем случае, половине объема ампулы. Добавьте 1,0 г CaH₂ в толуол и перемешайте.
   ВНИМАНИЕ: Будьте осторожны с H₂ релиз в этой точке. Всегда добавляйте CaH₂ под устойчивым потоком азота, чтобы удалить любой H₂ создать в колбе.
5. Перенесите толуол в один из ампул, содержащих молекулярное сито с фильтром канюли и отдохнуть на ночь.
6. Перенесите толуол в последний ампулу, содержащую сито с фильтром канюли. Заморозить-насос-оттепель (5 циклов) толуол и передать в бардачок.

2. Сушка CTA-инициатора/DPP

1. Добавьте агент/инициатор акцептивов к флакону, закрепив с помощью бумажной бумаги.
2. Добавьте 10 г P₂O₅ в обезволожитель. Поместите флакон над порошком.
3. Поместите обезопажитель под динамический вакуум на 8 ч и статический вакуум на ночь.
4. Откройте дезикатор, чтобы агитировать P₂O₅. Возобновить вакуумные циклы в течение 5 дней.
   ПРИМЕЧАНИЕ: P₂O₅ может обесцвечивать или стать неуклюжим, если избыток растворителя / воды присутствует. Замените P₂O_5, если это соблюдается.
5. Заполните осикатор азотом и перенесите в перчаточный ящик.

3. Сушка/очистка капролактона

ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого раздела, все стеклянные изделия и мешалка баров должны быть высушены в духовке 150 градусов по Цельсию на ночь до использования. Это позволит удалить всю воду с поверхностей стекла.

1. Добавьте 100 мл капролактона в двухшеелое 250 мл RBF, оснащенный баром с мешалкой и нажмите на небольшую шею.
2. Добавьте 1,0 г гидрида кальция в RBF, под устойчивым потоком азота. Пригонка с стеклянной пробкой и перемешать на ночь при комнатной температуре под азотной атмосферой.
3. Сухие вакуумное оборудование дистилляции.
4. Прикрепите двухшееобразную колбу к линии Schlenk и продувайте, эвакуируя и заполнив азотом три раза. После очистки откройте линию к устойчивому потоку азота.
5. Соберите вакуумное оборудование дистилляции из a-caprolactone RBF, поддерживая устойчивый поток азота, чтобы предотвратить попадание воды в систему. Прикрепите термометр и запечатайте на месте.
6. Прикрепите адаптер к линии Schlenk. Удалите поток азота и поместите систему под вакуум под этим новым соединением.
7. Нагрейте капролактон при температуре 60-80 градусов по Цельсию, собирая первые 5,0 мл в небольших RBFs, а остальные в двухшеем RBF. Поместите колбы в жидкий азот, чтобы конденсировать капролактон эффективно. Оберните оборудование дистилляции в вату и фольгу, чтобы ускорить процесс.
8. Прикрепите линию Schlenk к коллекционной колбе и трижды очистите линию. Поверните линию к азоту и откройте кран. Добавить 1,0 г гидрида кальция в колбу, и пробку, а затем оставить под азотной атмосфере помешивая на ночь.
9. Между тем, распоряжаться избытком гидрида кальция путем dropwise добавить изопропанола, а затем 5,0 мл метанола, а затем избыток воды, как только восходящей прекращается. Промыть стеклянную посуду ацетоном и поставить в духовку на ночь.
10. Повторите вакуумной дистилляции снова, не добавляя CaH₂ к мономеру после завершения. Вместо этого, передача капролактона через канюль в ампулу и передачи в бардачок.

4. Кольцо открытия полимеризации капролактон

1. Подготовьте биржевые решения инициатора, катализатора и мономера. Взвесить 0,10 г фосфата дифенила, 0,011 г CTA-OH и 0,25 г капролактона в три отдельных флакона. Добавьте 0,5 мл толуола к каждому из инициаторов и катализатора флаконы и осторожно агитировать, пока реагенты не растворяются.
2. Смешайте инициатора и дифенил фосфатных стоковых растворов в один флакон и добавить перемешать бар.
3. При умеренном помешивании добавьте мономер в флакон инициатора/катализатора. Приготовь флакон с крышкой и перемешайте в течение 8 ч при комнатной температуре.
4. После 8 ч, удалить флакон из перчаточного ящика и сразу же осаждается в избыток холодного диэтил эфира dropwise.
5. Фильтр белый твердый, сухой и растворить в 1 мл тетрагидрофурана (THF). Осадок в два раза больше и высушить тщательно.

5. РАФТ полимеризация метил-метакрилата и N,N-диметилакриламидида

1. Для удаления стабилизаторов из диоксана и ММА, подготовить несколько основных глиноземных разъемов в пастерных пифеток и фильтровать жидкости в отдельные флаконы.
2. Взвесить 0,5 г PCL, синтезированных ранее, 0,424 г метил-метакрилата и измерить 2 мл диоксана во флакон и дать раствориться.
3. Приготовьте запасной раствор из чистого азобизизобутиронитрила (AIBN, 10 мг в 1,0 мл) и пипетки в 139 л в реакционную смесь. Перенесите в ампулу, оснащенную баром и уплотнением.
4. Заморозить-насос-оттепель раствор три раза. Заполните азотом и поместите ампулу в разогретую масляную ванну при 65 градусах по Цельсию в течение 4 ч.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Не нагревайте контейнер с чем-либо более чем на 30 градусов по Цельсию, прежде чем циклы замораживания насоса-оттепели завершены, так как это может привести к разложению инициатора.
5. Чтобы контролировать конверсию, удалите ампулу из масляной ванны. Переключите крышку для субынь под потоком азота, удалите две капли и смешайте с дейтерированным хлороформом. Запуск протонного спектра на инструменте NMR.
6. Поместите ампулу в жидкий азот до замороженного и откройте ампулу в воздух, чтобы утолить полимеризацию.
7. Осажте смесь dropwise в огромное избыток холодного диэтилового эфира. Изолировать от фильтрации Бухнера и сухой.
8. Возьмите полимер в THF и осаждается в два раза больше. Тщательно высушите полимер и проанализируйте с помощью ¹HMR спектроскопии и гель-пермяки хроматографии (ГПК).
9. Следуйте этой процедуре еще раз, но с 0,5 г PCL-PMMA, 1,406 г DMA, 2,0 мл диоксана и 111 Л 10 mg.mL^-1 AIBN в диоксане. Нагрейте полимеризацию при температуре 70 градусов по Цельсию в течение 1 ч и трижды осаждает реакционную смесь в холодный диэтил-эфир.

6. Самонукляция, генерация семян и живая самосборка, управляемая кристаллизуемыми

1. Поместите 5,0 мг триблока кополимера в флакон и добавьте 1,0 мл этанола. Печать флакон с крышкой и парафильм и тепла при температуре 70 градусов по Цельсию в течение 3 ч.
2. Оставьте флакон медленно остыть до комнатной температуры. Оставьте раствор на возраст при комнатной температуре в течение двух недель. Решение станет облачным и образует отдельный слой внизу, когда полностью собрано.
3. Разбавить 5,0 mg.mL^-1 дисперсии до 1,0 mg.mL^-1.
4. Поместите дисперсию в тонизацию доказательство трубки и поместите в ледяную ванну.
5. Вставьте кончик звукового зонда в среднюю область дисперсии.
6. Сонйте раствор в течение пятнадцати циклов по 2 мин при наименьшей интенсивности, что позволяет остыть в течение 15 минут до следующего цикла.
7. Возьмите аликвот 1,0 mg.mL^-1 рассеивание семян и разбавьте до 0,18 mg.mL^-1.
8. Подготовьте раствор unimer в THF на 25 mg.mL^-1. Добавьте 32,8 л в рассеивание семян и аккуратно встряхните, чтобы обеспечить полное растворение.
9. Оставьте дисперсию в возрасте в течение трех дней с крышкой слегка приоткрытой, чтобы THF может испаряться. Это будет производить цилиндры 500 нм в длину, если стартовые семена были 90 нм в длину.

Результаты

PCL был проанализирован ¹HMR спектроскопии и гель проницательности хроматографии (GPC). ^{Спектр 1}H NMR дал степень полимеризации (ДП) 50, по сравнению с резонансами на 3,36 пром/ и 4,08 пром, которые соответствуют конечным групповым этиловым протонам и в цепочке эфира- пр?...

Обсуждение

Синтез и живой CDSA триблока кополимера PCL₅₀-PMMA₁₀-PDMA₂₀₀ был изложен. Хотя строгие условия необходимы, кольцо открытия полимеризации капролактон дал полимеров с отличными свойствами, что позволило успешно расширения цепи ММА и DMA. Эти полимеры были успешны в их самостоятельн...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
2,2'-azobisisobutyrnitrile	Sigma Aldrich
250 mL ampoule
250 mL two neck RBF
Ampoule (25 mL)
B19 tap
B24 stopper
Basic Alumina	Fluka
Buchner Flask
Buchner Funnel
Caclium Hydride
Cannulae
caprolactone	Arcos Organics
Chain Transfer Agent	Made in House
Conical Flask (multiple sizes)
Dessicator
Diethyl Ether	Merck
Dioxane	Fisher
diphenylphosphate	Sigma Aldrich
Distillation Condenser
Ethanol	Fisher
Filter Paper (multiple sizes)
Gel Permeation Chrmoatography Instrument	Agilent Technologies Infinity 1260 II		Running DMF at 50 °C
Glovebox	Mbraun, Unilab
Hotplate	IKA, RCT basic
Mercury Thermometer
Methyl Methacrylate	Sigma Aldrich
Molecular seives	Fisher	MS/1030/53
N,N-dimethyl acrylamide	Sigma Aldrich
NMR spectrometer	Bruker 400 MHz
Phosphorus pentoxide	Sigma Aldrich
RBF (multiple sizes)
Schlenk Cap (B24)
Schlenk Flask (250 mL)
Schlenk Line
Sonication Probe	Bandelin Sonoplus
Suba Seal (multiple sizes)
TEM grids	EmResolutions, Formvar/carbon film 300 mesh copper
THF	Merck
three neck adaptor
Toluene	Fisher
Transmission Electron Microscope	Jeol 2100