Kontrolleret Photoredox Ring-åbning polymerisering af O- Carboxyanhydrides medieret af Ni/Zn komplekser
Summary
En protokol til kontrolleret photoredox ring-åbning polymerisering af O– carboxyanhydrides medieret af Ni/Zn komplekser er præsenteret.
Abstract
Her beskriver vi en effektiv protokol, der kombinerer photoredox Ni/Ir katalyse ved brug af en Zn-alkoxide for effektiv ring-åbning polymerisering, giver mulighed for syntesen af isotactic poly (α-hydroxy syrer) med forventede Molekylær vægt (> 140 kDa) og smalle molekylvægt distributioner (Mw/Mn < 1.1). Denne ring-åbning polymerisering er medieret af Ni og Zn komplekser alkohol initiator og en photoredox Ir katalysator, bestrålet af en blå LED (400-500 nm). Polymerisering udføres ved lav temperatur (-15 ° C) til at undgå uønskede side reaktioner. Komplet monomer forbrug kan opnås inden for 4-8 timer, giver en polymer tæt på det forventede molekylvægt med smalle molekylvægt distribution. Den resulterede nummer-gennemsnitlig molekylvægt viser en lineær sammenhæng med graden af polymerisering op til 1000. Homodecoupling 1H NMR undersøgelse bekræfter, at den opnåede polymer isotactic uden epimerisering. Denne polymerisering rapporteret heri tilbyder en strategi for at opnå hurtig, kontrolleret O– carboxyanhydrides polymerisering for at forberede stereoregular poly (α-hydroxy syrer) og dens copolymerer forsynet med forskellige funktionelle sidekæde grupper.
Introduction
Poly (α-hydroxy syre) (PAHA) er en vigtig klasse af biologisk nedbrydelige og biokompatible polymerer med applikationer lige fra biomedicinsk enheder til emballagematerialer. 1 , 2 selv om PAHAs kan fremstilles direkte ved polykondensation af α-hydroxy syrer, Molekylær vægte (MWs) af de resulterende PAHAs er generelt lavt. 3 ring-åbning polymerisation (ROP) laktoner (f.eks. lactide og glycolide) er en alternativ syntetiske tilgang, der giver bedre kontrol på MWs og molekylvægt distribution (Đ) end polykondensation. Men manglen på side-chain funktionalitet i PAHAs og i laktoner begrænse mangfoldighed af fysiske og kemiske egenskaber og deres applikationer. 4 , 5 siden 2006, 1,3-dioxolane-2,4-diones, såkaldte O– carboxyanhydrides (OCAs), som kan være forberedt med en rig variation af side-chain funktioner,6,7,8, 9 , 10 , 11 , 12 , 13 er dukket op som en alternativ klasse af meget aktive monomerer for polyester polymerisering. 14 , 15
Katalytisk systemer for ROP OCAs kan inddeles i organocatalysts,8,12,16,17 metalorganiske katalysatorer12,18,19 ,20,21 og biokatalysatorer. 22 generelt, ROP OCAs fremmes af organocatalyst forløber i en mere eller mindre ukontrolleret måde, såsom epimerisering (dvs. manglende stereoregularity) for OCAs forsynet med fratagelse af elektron grupper,8,17 uforudsigelige MWs, eller langsom polymerisering kinetik. 13 for at løse disse problemer, en aktiv Zn-alkoxide-kompleks blev udviklet for ROP OCAs. 12 well-controlled ROPs blev opnået på en lav grad af polymerisation (DP) uden epimerisering. Men denne Zn-alkoxide katalysator kan ikke effektivt producere polymerer med en høj grad af polymerisation (DP ≥ 300). 13
Vi har for nylig rapporteret en lovende tilgang, der i høj grad forbedrer customizability og effektiviteten af PAHA syntese (figur 1). 13 vi flette photoredox Ni/Ir katalysatorer, der fremmer OCA decarboxylation med zink alkoxide at mægle ring-åbning polymerisering af OCAs. Brug af lav temperatur (-15 ° C) og photoredox Ni/Ir katalyse accelererer synergistisk ring-åbning og decarboxylation af OCA kæde formeringsmateriale samtidig undgå uønskede side reaktioner, fx dannelsen af Ni-carbonyl. 23 , 24 ved transmetalation med Ni komplekse den aktive Zn-alkoxide er placeret på kæde endestation for kæde formering. 13
I denne protokol, vi tilføje frisk tilberedt (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2′-bipyridyl, COD = 1,5-cyklooktadien), Zn(HMDS)2 (HMDS = hexamethyldisilazane),25 benzylalkohol (BnOH) og6 (Ir [dF (CF3) ppy] PF)2(dtbbpy) Ir-1, dF (CF3) ppy = 2-(2,4-difluorophenyl) -5-(trifluoromethyl) pyridin, dtbbpy = 4, 4′ – di –tert– butyl-2, 2′-bipyridine) i monomer l-1 løsning26 i et handskerum med en kold fælde, i tilstedeværelse af en blå LED lys (400-500 nm) og en fan til at opretholde temperatur (figur 1). Temperaturen holdes på-15 ° C ± 5 ° C under polymerisering. Konvertering af OCA overvåges af Fouriertransformation infrarød spektroskopi. Den resulterende polymer MWs og Đs er kendetegnet ved en gel gennemtrængning kromatografi (GPC). Homodecoupling 1H NMR undersøgelse bestemmer, om den opnåede polymer er isotactic eller ej. Som de fleste kemikalier er meget følsom over for fugt, er den detaljerede video protokollen beregnet til at hjælpe nye udøvere undgå faldgruber forbundet med photoredox ROP af OCAs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den kritiske trin i protokollen er at bevare reaktion temperaturen på-15 ± 5 ° C. Alle katalysatorer løsninger og OCA monomerer skal opbevares i en handskerummet fryser ved-35 ° C før polymerisering. Reaktion hætteglassene skal pre afkølet i en kold fælde. Under reaktionen, da LED lys afleder varmen, er det nødvendigt at overvåge reaktionen hver 15-20 minutter. Når temperaturen hæves op til-10 ° C, lægges flydende kvælstof i dewar at køle fælden. Den lave temperatur skyldes dannelsen af Ni(CO) kompleks …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af start-up finansiering fra Virginia Polytechnic Institute og State University. Q.F. anerkender støtte fra National Natural Science Foundation of China (21504047), Natural Science Foundation i Jiangsu-provinsen (BK20150834), Nanjing Universitet af indlæg og telekommunikation videnskabelige fundament NUPTSF (NY214179).
Materials
| 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 |
References
- Rezwan, K., Chen, Q. Z., Blaker, J. J., Boccaccini, A. R. Biodegradable and bioactive porous polymer/inorganic composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials. 27, 3413-3431 (2006).
- Kataoka, K., Harada, A., Nagasaki, Y. Block copolymer micelles for drug delivery: design, characterization and biological significance. Adv. Drug Deliv. Rev. 47, 113-131 (2001).
- Nagahata, R., Sano, D., Suzuki, H., Takeuchi, K. Microwave-assisted single-step synthesis of poly (lactic acid) by direct polycondensation of lactic acid. Macromol. Rapid Commun. 28, 437-442 (2007).
- Albertsson, A. -. C., Varma, I. K. Recent developments in ring opening polymerization of lactones for biomedical applications. Biomacromolecules. 4, 1466-1486 (2003).
- Vert, M. Aliphatic polyesters: great degradable polymers that cannot do everything. Biomacromolecules. 6, 538-546 (2005).
- Thillayedu Boullay, O., Marchal, E., Martin-Vaca, B., Cossío, F. P., Bourissou, D. An activated equivalent of lactide toward organocatalytic ring-opening polymerization. J. Am. Chem. Soc. 128, 16442-16443 (2006).
- Thillayedu Boullay, O., Bonduelle, C., Martin-Vaca, B., Bourissou, D. Functionalized polyesters from organocatalyzed ROP of gluOCA, the O-carboxyanhydride derived from glutamic acid. Chem. Commun. , 1786-1788 (2008).
- Pounder, R. J., Fox, D. J., Barker, I. A., Bennison, M. J., Dove, A. P. Ring-opening polymerization of an O-carboxyanhydride monomer derived from L-malic acid. Polym. Chem. 2, 2204-2212 (2011).
- Zhang, Z., et al. Facile functionalization of polyesters through thiol-yne chemistry for the design of degradable, cell-penetrating and gene delivery dual-functional agents. Biomacromolecules. 13, 3456-3462 (2012).
- Lu, Y., et al. Synthesis of water-soluble poly(α-hydroxy acids) from living ring-opening polymerization of O-benzyl-l-serine carboxyanhydrides. ACS Macro Lett. 1, 441-444 (2012).
- Chen, X., et al. New bio-renewable polyester with rich side amino groups from L-lysine via controlled ring-opening polymerization. Polym. Chem. 5, 6495-6502 (2014).
- Wang, R., et al. Controlled ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides Using a β-Diiminate Zinc Catalyst. Angew. Chem. Int. Ed. , 13010-13014 (2016).
- Feng, Q., Tong, R. Controlled photoredox ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides. J. Am. Chem. Soc. 139, 6177-6182 (2017).
- Martin Vaca, B., Bourissou, D. O-Carboxyanhydrides: useful tools for the preparation of Well-defined functionalized polyesters. ACS Macro Lett. 4, 792-798 (2015).
- Yin, Q., Yin, L., Wang, H., Cheng, J. Synthesis and biomedical applications of functional poly(alpha-hydroxy acids) via ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides. Acc. Chem. Res. 48, 1777-1787 (2015).
- Xia, H., et al. N-heterocyclic carbenes as organocatalysts in controlled/living ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides derived from l-lactic acid and l-mandelic acid. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 52, 2306-2315 (2014).
- Buchard, A., et al. Preparation of stereoregular isotactic poly(mandelic acid) through organocatalytic ring-opening polymerization of a cyclic O-carboxyanhydride. Angew. Chem. Int. Ed. 53, 13858-13861 (2014).
- Zhuang, X. -. l., et al. Polymerization of lactic O-carboxylic anhydride using organometallic catalysts. Chin. J. Polym. Sci. 29, 197-202 (2010).
- He, Z., Jiang, L., Chuan, Y., Li, H., Yuan, M. Ring-opening polymerization of L-lactic acid O-carboxyanhydrides initiated by alkoxy rare earth compounds. Molecules. 18, 12768-12776 (2013).
- Jia, F., et al. One-pot atom-efficient synthesis of bio-renewable polyesters and cyclic carbonates through tandem catalysis. Chem. Commun. 51, 8504-8507 (2015).
- Tong, R., Cheng, J. Drug-initiated, controlled ring-opening polymerization for the synthesis of polymer-drug conjugates. Macromolecules. 45, 2225-2232 (2012).
- Bonduelle, C., Martin-Vaca, B., Bourissou, D. Lipase-catalyzed ring-opening polymerization of the O-carboxylic anhydride derived from lactic acid. Biomacromolecules. 10, 3069-3073 (2009).
- Yamamoto, T., Igarashi, K., Komiya, S., Yamamoto, A. Preparation and properties of phosphine complexes of nickel-containing cyclic amides and esters [(PR3)nNiCH2CH(R1)COZ (Z = NR2, O)]. J. Am. Chem. Soc. 102, 7448-7456 (1980).
- Deming, T. J. Amino acid derived nickelacycles: intermediates in nickel-mediated polypeptide synthesis. J. Am. Chem. Soc. 120, 4240-4241 (1998).
- Lee, D. -. Y., Hartwig, J. F. Zinc trimethylsilylamide as a mild ammonia equivalent and base for the amination of aryl halides and triflates. Org. Lett. 7, 1169-1172 (2005).
- Yin, Q., et al. Drug-initiated ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides for the preparation of anticancer drug-poly(O-carboxyanhydride) nanoconjugates. Biomacromolecules. 14, 920-929 (2013).
