Photoredox yüzük-açılış polimerizasyon O- Carboxyanhydrides Ni/Zn kompleksleri tarafından aracılı ile kontrol

O- carboxyanhydrides Ni/Zn kompleksleri tarafından aracılı kontrollü photoredox yüzük-açılış polimerizasyon için bir protokol sunulmuştur.

Burada, photoredox Ni/IR kataliz Zn alkoxide kullanım için isotactic Poli (α-hidroksi asitler) sentezi için izin verimli yüzük-açılış polimerizasyonu ile beklenen moleküler ağırlıkları ile birleştiren etkili bir iletişim kuralı tanımlamak (> 140 kDa) ve dar moleküler ağırlık Dağılımları (M_w/M_n < 1.1). Bu yüzük-açılış polimerizasyon Ni ve Zn kompleksleri varlığında alkol başlatıcı ve mavi LED (400-500 nm) ile ışınlanmış bir photoredox IR katalizör, aracılık ettiği. Polimerizasyon istenmeyen yan reaksiyonları önlemek için bir düşük sıcaklıkta (-15 ° C) gerçekleştirilir. Tam monomer tüketimi 4-8 saat içinde beklenen molekül ağırlığı yakın bir polimer ile dar moleküler Ağırlık dağılımı sağlayarak elde edilebilir. Neden sayı ortalama molekül ağırlığı kadar 1000 polimerizasyon derecesine ile doğrusal bir ilişki gösterir. Homodecoupling ¹H NMR çalışmada elde edilen polimer isotactic epimerization olmadan olduğunu onaylar. Burada bildirilen bu polimerizasyon stereoregular Poli (α-hidroksi asitler) ve çeşitli işlevsel yan zinciri grupları taşıyan onun kopolimerler hazırlamak için hızlı, kontrollü O- carboxyanhydrides polimerizasyon elde etmek için bir strateji sunmaktadır.

Poli (α-hidroksi asit) (PAHA) biyolojik olarak parçalanabilen ve Biyouyumlu polimerler Biyomedikal cihazlar için ambalaj malzemeleri arasında değişen uygulamalar ile önemli bir sınıf ediyor. ^{1 , 2} her ne kadar PAHAs doğrudan α-hidroksi asitler polikondenzasyon tarafından hazırlanmış olabilir, sonuçta elde edilen PAHAs moleküler ağırlıkları (MWs) genellikle düşüktür. ³ halka açılış polimerizasyon (ROP) lactones (örneğin, lactide ve glycolide), ma ve moleküler Ağırlık dağılımı (Đ) üzerinde daha iyi kontrol polikondenzasyon daha sağlayan alternatif sentetik yaklaşımıdır. Ancak, yan zinciri işlevselliği PAHAs ve lactones eksikliği fiziksel ve kimyasal özellikleri ve uygulamaları çeşitliliği sınırı. ^{4 , 5} 2006 yılından bu yana 1,3-dioxolane-2,4-date, sözde O- yan zinciri işlevleri, zengin çeşitli^6,7,8, ile hazırlanan carboxyanhydrides (OCAs), ^{9 , 10 , 11 , 12 , 13} son derece etkin monomerleri polyester polimerizasyon için alternatif bir sınıf olarak ortaya çıktı. ^{14 , 15}

OCAs ROP için katalitik sistemleri organocatalysts,^8,12,16,17 Organometalik katalizörler^{12,18,19 sınıflandırılabilir ,20,21} ve Biyokatalizörler. ²² genellikle, tarafından organocatalyst terfi OCAs ROP için elektron çekilmesi grupları,^8,17 taşıyan OCAs epimerization (yani, stereoregularity eksikliği) gibi az ya da kontrolsüz bir şekilde devam eder öngörülemeyen MWs, ya da yavaş polimerizasyon Kinetik. ¹³ bu sorunları gidermek için etkin bir Zn-alkoxide kompleksi OCAs ROP için geliştirilmiştir. ¹² well-controlled ROPs polimerizasyon (DP) epimerization olmadan düşük bir derece elde edildi. Ancak, bu Zn-alkoxide katalizör polimerler ile polimerizasyon (DP ≥ 300) yüksek derecede verimli bir şekilde üretemez. ¹³

Son zamanlarda büyük customizability ve PAHA sentezi (şekil 1) verimliliğini geliştirir umut verici bir yaklaşım bildirdin. ¹³ OCA decarboxylation yüzük-açılış polimerizasyon OCAs, arabuluculuk çinko alkoxide ile teşvik photoredox Ni/IR katalizörler birleştirme. Düşük sıcaklık (-15 ° C) ve photoredox Ni/IR kalıtımda kullanımı sinerjik yüzük-açılış ve OCA decarboxylation istenmeyen yan reaksiyonlar, kaçınırken zinciri yayma Örneğin, Ni-karbonil oluşumu için hızlandırır. ^{23 , 24} transmetalation Ni karmaşık ile üzerine etkin Zn alkoxide zinciri terminus zinciri yayma için yer alır. ¹³

Bu protokol için biz taze hazırlanan eklemek (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2'-bipyridyl, COD = 1,5-cyclooctadiene), Zn(HMDS)₂ (HMDS hexamethyldisilazane =),²⁵ Benzil alkol (BnOH) ve IR [dF (CF₃) ppy]₂(dtbbpy) PF₆ () IR-1, dF (CF₃) ppy 2-(2,4-difluorophenyl) -5 =-(trifluoromethyl) pyridine, dtbbpy = 4, 4' - di -tert- butil-2, 2'-bipyridine) soğuk bir tuzakta varlığı ile bir eldiven kutusunda monomer l-1 çözüm²⁶ içine bir mavi LED ışık (400-500 nm) ve sıcaklık (şekil 1) korumak için bir fan. Sıcaklık 5 ° C-15 ° C ± polimerizasyon sırasında tutulur. OCA dönüşüm Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopi tarafından izlenir. Elde edilen polimer ma ve Đs bir jel Permeasyon Kromatografi (GPC) ile karakterizedir. Homodecoupling ¹H NMR çalışmada elde edilen polimer isotactic olup olmadığını belirler. Çoğu kimyasal neme çok hassas olduğundan, detaylı video protokolü yeni uygulayıcıları OCAs ROP photoredox ile ilişkili tuzaklardan kaçınmak yardımcı olmak içindir.

Dikkat: Tüm malzeme güvenlik bilgi formları (MSDS) kullanmadan önce lütfen danışın. Sentezinde kullanılan birçok akut toksik ve kanserojen kimyasallardır. Lütfen tüm uygun güvenlik uygulamaları (duman hood ve torpido) mühendislik kontrolleri ve kişisel koruyucu ekipman (koruyucu gözlük, eldiven, önlük, tam uzunlukta pantolon, kapalı-toe ayakkabı, mavi ışık kullanımı dahil tepki yerine getirirken kullanın Emanet engelleme gözlükler). Aşağıdaki yordamlar bir eldiven kutusunda Standart serbest yayını işleme teknikleri içerir. Tüm çözümler pipet kullanarak transfer edilir.

1. hazırlanması katalizör ve başlatıcı

Not: Tüm süreç ile soğuk bir tuzak bir torpido gözünde yapılır. Tüm kimyasallar kurutulmuş veya kutuya geçmeden önce saf. ¹³ tüm şişeleri ve Züccaciye Mağazaları kuru ve kutuya geçmeden önce fırında ısıtılmış.

1. (Bpy)Ni(COD) çözelti hazırlanması
   Not: (bpy)Ni(COD) taze hazırlanmış situ içinde. Torpido dondurucu (-35 ° C) depolanan ve bir hafta içinde kullanılan gerekir. Tüm diğer katalizörler ve başlatıcı çözümleri torpido buzlukta 1 ay depolanabilir.
   1. Ni(COD)₂ (3.5 mg, 12,7 µmol, 1.0 eq) 7-mL mercek şişe tartın.
   2. 2, 2 '-bipyridine (5.9 mg, 37.8 µmol) 7-mL mercek şişe içine tartın.
   3. 2, 2 '-bipyridine susuz tetrahydrofuran (THF) 1 ml geçiyoruz.
   4. Elde edilen 2, 2'bipyridine çözüm (337 µL) içeren Ni(COD)₂şişe içine ekleyin.
   5. Susuz THF 1 mL karışımı sulandırmak.
   6. Şişeyi kap ve 2 h için oda sıcaklığında tepki karışımı yerleştirin.
      Not: Ni(COD)₂ THF içinde çözünür değildir Oysa (bpy)Ni(COD) THF içinde çözünür. Mor çözüm yok yağış 2 h sonra olmalıdır.
   7. Mağaza (bpy)Ni(COD)-35 ° C dondurucu.
2. Zn(HMDS)₂ çözüm hazırlanması
   1. Zn(HMDS)₂ (3.3 mg, 4 µL, 8,5 µmol) 7-mL mercek şişe ekleyin.
   2. Susuz THF 1 ml Zn(HMDS)₂ geçiyoruz.
   3. Zn(HMDS)₂ çözüm-35 ° C dondurucuda saklayın.
3. BnOH çözüm hazırlanması
   1. BnOH (4,0 mg, 4 µL, 37,0 µmol) 7-mL mercek şişe ekleyin.
   2. Susuz THF 4 ml BnOH geçiyoruz.
   3. BnOH çözüm-35 ° C dondurucuda saklayın.
4. IR-1 çözüm hazırlanması
   1. Torpido Işığı söndür.
      Dikkat: Daha önce polimerizasyon IR-1 , etkinliğini önlemek için torpido ışığı kapatmak gereklidir.
   2. IR-1 (2.9 mg, 2.6 µmol) 7-mL mercek şişe ekleyin.
   3. Susuz THF 3 ml IR-1 geçiyoruz.
   4. IR-1 çözüm-35 ° C dondurucuda saklayın.

2. Photoredox yüzük-açılış polimerizasyon l-1

Not: Tüm süreç ile soğuk bir tuzak bir torpido gözünde yapılır. Tüm OCA monomerleri kullanmadan önce torpido gözünde recrystallized. ¹³ burada polimerizasyon örneği DP vermek = 500 ([l -1] /[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)₂] / [BnOH] / [IR-1] 500/1/1/1/0.1 =). Polimerler, farklı DPs monomer kitle buna göre ayarlayarak da hazırlanabilir.

1. Polimerizasyon için l-1 çözüm hazırlanması
   1. L-1 (72.2 mg, 375.7 µmol) 7-mL mercek şişe ekleyin.
   2. 722 µL susuz THF içinde l-1 geçiyoruz.
   3. L-1 çözüm 200 µL olan heyecan çubuk donatılmış başka bir 7-mL mercek şişe içine ekleyin.
   4. Susuz THF 100 µL 7-mL mercek şişe ekleyin.
   5. Şişeyi kap ve l-1 çözüm soğuk köşeye yerleştirin.
   6. Torpido Işığı söndür.
      Dikkat: Daha önce polimerizasyon IR-1 , etkinliğini önlemek için torpido ışığı kapatmak gereklidir.
2. Soğuk tuzak soğutma
   1. Kutunun içine bir termometre soğuk tuzağın içine koymak.
   2. Ve kutunun dışında ca. 500 mL etanol dewar şişesi ekleyin.
   3. Sıvı azot dewar şişesi ekleyin.
   4. KGW dewar flask soğuk tuzak için yükleyin.
   5. -50 ° c soğuk tuzak serin
   6. Yerine bir heyecan plaka underneath soğuk tuzak (bkz. şekil 1).
3. Photoredox yüzük-açılış polimerizasyon gerçekleştirmek
   Not: polimerizasyon başlamadan önce koruyucu gözlük blok mavi ışığı ulaşmak içinde yerleştirin. Tüm catalyst sistem çözümleri hemen dondurucudan çıkarılan ve art arda 20 mg l-1 Duraklat veya kesintileri olmadan 30 'un üzerinde içeren 7-mL mercek şişeyi eklendi s.
   1. Ekle (bpy)Ni(COD) çözüm (16,4 µL, 0,208 µmol) l-1 (2.1 hazır) içeren 7-mL mercek şişe içine.
   2. Zn(HMDS)₂ çözüm (24,4 µL, 0,208 µmol) şişe ekleyin.
   3. BnOH çözüm (22.5 µL, 0,208 µmol) şişe ekleyin.
   4. IR-1 çözüm (24,2 µL, 0.0208 µmol) şişe ekleyin ve şişeyi kap.
   5. Mavi LED ışık engelleme koruyucu gözlük takıyorum.
      Dikkat: mavi LED ışık göreli yüksek yoğunluğu ile kullanılır, koruyucu gözlük tüm işlemi sırasında giymek.
   6. Mavi LED ışık (34 W) ve LED tarafından üretilen ısı dağılımı için fan hafif açın. Işık soğuk tuzak şişede doğru yönlendirin. (Şekil 1)
   7. Karıştırıcı üzerinde açın.
   8. Alüminyum folyo ile soğuk tuzak kapağı.
   9. Reaksiyon sıcaklığı tutmak-15 ± 5 ° C ve sıvı azot her 15-20 dakika ekleyin.
      Not: Tepki sıcaklık bakımından polimerizasyon ve MW kontrolü için önemlidir.

3. monitör Fourier dönüşümü kızılötesi spectra monomer dönüştürme

Not: Fourier dönüşümü kızılötesi spectra (FTIR) elmas ATR ve iletim örnekleme aksesuar ile donatılmış bir FT-IR Spektrometre kaydedilirler.

1. Zaman belirli noktalarda, polimer çözüm (20 µL) küçük bir aliquot 7-mL mercek şişe ekleyin ve şapkalı.
2. Şişeyi torpido dışarı çıkarın.
3. Hemen çözüm (3 µL) FTIR-ATR elmas örnekleyici üzerine bırakın. Bir film 10 içinde çözüm formları s spektrum ölçümü için.
4. Örnek FTIR spektrum ölçmek.
   Not: 1760 cm^-1 ve 1805s cm^-1arasında yoğunluk oranı monomer dönüşüm kararlıydı: dönüşüm % =₁₇₆₀/ (Ben₁₇₆₀ +₁₈₀₅) (temsilcisi sonuçları Şekil 2' de). Genel olarak, polimerizasyon 200 den 1000'e kadar DP için yaklaşık 1-8 h alır (detaylı Kinetik başvuru ¹³' te ele alınmıştır).

4. polimer'ın molekül ağırlığı jel-Permeasyon Kromatografi tarafından ölçümü

Not: Bir isocratic pompa ile degasser, multiangle lazer ışık saçılma (MALS) dedektörü ile donatılmış bir sistemde jel-Permeasyon Kromatografi (GPC) deneyler yapılmaktadır (GaAs 30 mW lazer λ = 690 nm) ve fark Kırılma indisi (DRI) dedektörü 690 nm ışık kaynağı ile. Renk ayrımlarını seri olarak bağlı boyut dışlama sütunları kullanarak gerçekleştirilir (100 Å, 500 Å, 10³ Å ve 10⁴ Å sütunlar, 5 mikron, 300 × 4.6 mm) 35 ° c THF 0,35 mL/dk a akış hızında mobil faz olarak kullanarak. Polimer molekül ağırlığı (MW) ve moleküler Ağırlık dağılımı (Ð) Zimm modelini kullanarak uygun MALS-DRI veri türlerini belirler. Metal polimer içinde karmaşık varlığı GPC ölçüm sonuçları etkilemez.

1. Küçük bir aliquot polimer çözüm (50 µL) eldiven kutusundan kaldırın.
2. THF 100 µL şişe içine ekleyin.
3. Örnek GPC örnekleyici enjekte.
4. GPC çalışma tamamlandıktan sonra sonuç analiz.
   Not: Monodispersed dar Đ ile polimer olmalıdır (temsilcisi sonuçları şekil 3' te). Polimer (20 mg) kurutulmuş ve 1 mL Dietil eter kaldırmak için % 87'ni ve Zn kompleksleri, İndüktif eşleşmiş plazma kütle spektrometresi (ICP-MS) tarafından belirlenen % 50'si % 1 HOAc ve 1 mL metanol, içeren tarafından yıkanmış.

OCA çevrimi Şekil 2' de gösterildiği gibi Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopi tarafından izlenir. 1805 cm^-1 zirve anhidrit bond streç Oca'da olarak atanır; 1760 cm^-1 zirve polimer ester bağı oluşumu karşılık gelir. Bir kez 1805 cm^-1 monomer'ın zirvesinde tamamen kaybolur, polimerizasyon sona erdi.

MW ve Đ elde edilen polimer tarafından bir jel Permeasyon Kromatografi ile karakterizedir. Şekil 3 kontrollü photoredox yüzük-açılış polimerizasyon OCAs 200 den 1000'e kadar DP ile gösterir. Monomer artan oranı ([l-1] /[Zn(HMDS)₂] oranı) müşteri adayları bir artan ve beklenen M_n elde edilen polimer için yem. Ayrıca, M_n polimerlerin artırır doğrusal olarak ilk [l -1] / [Ni] / [Zn] / [IR-1] oranı kadar 1000/1/1/0.1 ve tüm Đ değerleri < 1.1.

NMR çalışmalar elde edilen polimer stereokimya ölçmek. Tarafından organocatalyst dimethylaminopyridine gibi aracılı OCAs ROP epimerization α-methine Tarih grupları elektron çekilmesi yönünde OCAs tetikleyebilir. ^{8 , 17} homodecoupling ¹H NMR bu polimerlerin polimerizasyon stereoregularity kaybı gösteren α-methine bölge, birden çok Peaks'e sergiledi. Bizim yöntemini kullanarak, homodecoupling ¹H NMR çalışmada elde edilen polimer isotactic epimerization (şekil 4) olmadan olduğunu belirten α-methine bölge (5.0-5,3 ppm), tek zirve gösterir.

Şekil 1. Ni/Zn-aracılı photoredox l -1ROP şeması. Photoredox polimerizasyon bir eldiven kutusunda LED ışık ile ısısını korumak için bir soğutma fanı ile ışınlanmış soğuk tuzak ile yapılır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 2. FTIR spectra (a) l -1 ve (b) photoredox polimerizasyon sırasında reaksiyon karışımı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 3. (a) M_n ve moleküler Ağırlık dağılımı ve araziler (M_w/M_n), Poli (l-1) karşı [l-1] /[Zn(HMDS)₂] oranı ([(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)₂] / [BnOH] / [ IR-1] = 1/1/1/0.1). (b) temsilcisi jel-Permeasyon Kromatografi (GPC) photoredox polimerizasyon reaksiyonu (a) panelinde izleri. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 4. Poli (l -1) NMR spectra. (a) ¹H NMR spektrumu; (b) ¹H homodecoupling NMR spektrumu. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

İletişim kuralına kritik adım-15 ± tepki sıcaklığında bakımı 5 ° C. Tüm katalizörler çözümleri ve OCA monomerleri bir torpido dondurucu-35 ° c polimerizasyon önce depolanması var. Reaksiyon şişeleri soğuk tuzakta önceden soğutulmuş olmak zorunda. Isı, LED ışık kalır çünkü reaksiyonu sırasında bu tepki her 15-20 dakika izlemek gereklidir. Sıcaklık oluşturulur bir kez yukarı-10 ° C ile sıvı azot tuzak soğumasını dewar eklenmelidir. Düşük sıcaklık Ni(CO) oda sıcaklığında, kontrollü photoredox polimerizasyon için zararlı ve MW ve Đetkiler karmaşık oluşumu nedeni. ¹³

O- carboxyanhydrides organocatalysts tarafından pendent fonksiyonel gruplarla saldırılara sentez stereoregular yüksek-MW polimerler hazırlanması engellemektedir epimerization de dahil olmak üzere kontrolsüz polimerizasyon tarafından rahatsız olması. Bu kontrol photoredox ROP polimerizasyon başarıyla stereoregular yüksek-MW polimerler DP ile başvuru ¹³' te belgelenen çeşitli OCA monomer için 1000 ulaşan hazırlayabilirsiniz. Farklı OCA monomerleri sıralı ek tarafından kopolimerizasyona da bizim yöntemleri kullanarak basit. Ancak, _L- mandelic OCA monomer için MW denetim yüksek DPs elde edilmiş değil. Şu anda bu metodoloji soruşturma ve polimerizasyon için yeni bir katalizör strateji geliştirmek için çalışıyor.

Sonuç olarak, bizim Ni/Zn-aracılı photoredox polimerizasyon Protokolü stereoregular Poli (α-hidroksi asitler) ve çeşitli işlevsel yan zinciri grupları taşıyan onların kopolimerler hazırlamak için hızlı, kontrollü OCA polimerizasyon elde etmek için bir strateji sunmaktadır. Beklediğimiz yeni stratejimiz sertliği, esnekliği ve biodegradability gibi arzu makroskopik özellikler ile yeni polyesterler nesil için izin verir. Bu yöntem aynı zamanda ışık tedavi nanoimprinting litografi gibi yeni üretim teknikleri için yararlı olabilir.

Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarlarının bildirin. Geçici bir patent (ABD Patent uygulama No: 62/414,016) ve sonuçları bu raporda sunulan ilgili dava açtı.

Bu eser Virginia Politeknik Enstitüsü ve Eyalet Üniversitesi açılış fon tarafından desteklenmiştir. Q.F. destek Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Çin (21504047), Jiangsu Province, Doğa Bilimleri Vakfı (BK20150834), Nanjing Üniversitesi Mesajını ve telekomünikasyon bilimsel Vakfı NUPTSF (NY214179) kabul eder.