Summary

镍/锌配合物介导的O-Carboxyanhydrides 的控制 Photoredox 环开聚合

Published: November 21, 2017
doi:

Summary

介绍了由 Ni/锌配合物介导的受控 photoredox 环开放聚合的O-carboxyanhydrides 的协议。

Abstract

在这里, 我们描述一个有效的协议, 结合 photoredox 镍/Ir 催化与使用锌醇的有效开环聚合, 允许合成的规聚 (α-羟基酸) 与预期的分子量 (> 140kDa) 和窄分子量分布 (Mw/mn < 1.1)。这种环开聚合由 Ni 和锌配合物在乙醇引发剂和 photoredox 红外催化剂的存在下进行介导, 由蓝色 LED (400-500 nm) 照射。在低温 (-15 ° c) 下进行聚合以避免不受欢迎的副反应。完整的单体消耗可以在 4-8 小时内完成, 为聚合物提供接近分子量的分子量分布。结果数字平均分子量显示一个线性相关与聚合程度1000。homodecoupling 的1H 核磁共振研究证实, 所获得的聚合物是规没有异构化。本文所报告的聚合提供了一种实现快速、受控的O-carboxyanhydrides 聚合的策略, 以制备 stereoregular 聚 (α-羟基酸) 及其承载各种功能侧链基团的共聚物。

Introduction

聚 (α-羟基酸) (PAHA) 是一类重要的生物降解和生物相容性高分子材料, 其应用范围广泛, 从医用设备到包装原料。1,2虽然 PAHAs 可以通过α-羟基酸的缩聚直接制备, 但产生的 PAHAs 的分子量 (MWs) 普遍较低。3酯 (如丙交酯和乙) 的开环聚合 (ROP) 是一种替代合成方法, 可以更好地控制 MWs 和分子量分布 (Đ), 而不是缩聚。然而, PAHAs 和酯的侧链功能的缺乏限制了物理和化学性质及其应用的多样性。4,5自2006年以来, 13–1,3–24-diones, so-called O-carboxyanhydrides (oca), 可以用丰富多样的侧链功能编写,6,7,8,9,10,11,12,13已成为聚酯聚合中一种高活性单体的替代类。14,15

oca 的催化系统可分为有机、8121617有机金属催化剂121819 ,20,21和催化剂。22一般情况下, 由有机促进的 oca 的 ROP 以或多或少不受控制的方式进行, 例如异构化 (即缺少 stereoregularity), 用于 oca 轴承电子提取组,8,17不可预知的 MWs, 或慢聚合动力学。13为了解决这些问题, 研制了一种活性锌-醇络合物, 用于 oca 的 ROP。12井控保护在低聚合 (DP) 的情况下, 没有异构化。然而, 这种锌-醇催化剂不能有效地产生高聚合度的聚合物 (DP ≥ 300)。13

我们最近报告了一种有希望的方法, 大大提高了 PAHA 合成的可和效率 (图 1)。13将 photoredox 镍/Ir 催化剂与锌醇脱, 以调节环开聚合 oca。低温 (-15 ° c) 和 photoredox 镍/Ir 催化的使用, 协同加速了脱链的传播, 同时避免了不受欢迎的副反应, 如镍羰基的形成。23,24在转移与 Ni 复合体的活性锌-醇位于链终点链传播。13

在本协议中, 我们添加新鲜准备 (bpy) Ni (COD) (bpy = 22 ‘-吡啶, COD = 15-1,5-), Zn (HMDS)2 (HMDS = 烷),25苄醇 (BnOH) 和 Ir [dF (CF3) 吡]2(dtbbpy) PF6 (Ir-1, dF (CF3) 吡 = 2-(24-氟)-5-三氟甲基吡啶, dtbbpy = 44 “-di--butyl-2,2′-bipyridine) 到单体 l-1解决方案26在一个带有冷陷阱的手套箱中, 在一个蓝色 LED 灯 (400-500 nm) 和风扇以保持温度 (图 1)。在聚合过程中, 温度保持在-15 ° c ±5° c。采用傅里叶变换红外光谱法对亚奥氏转化率进行了监测。由此产生的聚合物 MWs 和Đs 的特点是凝胶渗透色谱 (GPC)。homodecoupling 的1H 核磁共振研究确定所得到的聚合物是否是规的。由于大多数化学品对湿气高度敏感, 详细的视频协议旨在帮助新的从业者避免与 oca photoredox ROP 相关的陷阱。

Protocol

警告: 使用前请查阅所有相关材料安全数据表 (MSDS)。合成中使用的许多化学物质具有剧毒和致癌性。在执行反应时, 请使用所有适当的安全做法, 包括使用工程控制 (油烟罩和手套) 和个人防护用品 (安全眼镜、手套、实验室大衣、全长长裤、闭脚趾鞋、蓝光屏蔽安全护目镜)。以下程序涉及在手套箱中的标准无处理技术。所有的解决方案都是用吸管转移的。 1. 催化剂和引发剂的?…

Representative Results

通过傅里叶变换红外光谱对亚奥的转换进行监测, 如图 2所示。在 1805 cm-1的峰值被分配为在亚奥理事会中的酸酐粘结拉伸;峰值在 1760 cm-1对应于聚合物中酯键的形成。一旦单体的峰值在1805厘米-1完全消失, 聚合完成。 所产生的聚合物的兆瓦和Đ以凝胶渗透色谱为特征。<strong c…

Discussion

协议中的关键步骤是保持反应温度在-15 ±5° c。在聚合之前, 所有的催化剂溶液和亚奥基单体都必须在-35 ° c 的手套箱冷冻库中储存。在寒冷的陷阱中, 反应瓶必须预。在反应过程中, 由于 LED 灯散热, 必须每 15-20 分钟监测反应。一旦温度上升到-10 ° c, 液态氮应加入到杜瓦瓶冷却陷阱。低温的原因是室温下镍 (CO) 络合物的形成, 这对受控的 photoredox 聚合是不利的, 并影响到兆瓦和Đ。<sup class="xr…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到了弗吉尼亚理工学院和州立大学开办资金的支持。Q.F. 承认中国国家自然科学基金 (21504047)、江苏省自然科学基金 (BK20150834)、南京邮电大学科学基金 NUPTSF (NY214179) 的支持。

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Albertsson, A. -. C., Varma, I. K. Recent developments in ring opening polymerization of lactones for biomedical applications. Biomacromolecules. 4, 1466-1486 (2003).
  5. Vert, M. Aliphatic polyesters: great degradable polymers that cannot do everything. Biomacromolecules. 6, 538-546 (2005).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Wang, R., et al. Controlled ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides Using a β-Diiminate Zinc Catalyst. Angew. Chem. Int. Ed. , 13010-13014 (2016).
  13. Feng, Q., Tong, R. Controlled photoredox ring-opening polymerization of O-carboxyanhydrides. J. Am. Chem. Soc. 139, 6177-6182 (2017).
  14. Martin Vaca, B., Bourissou, D. O-Carboxyanhydrides: useful tools for the preparation of Well-defined functionalized polyesters. ACS Macro Lett. 4, 792-798 (2015).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Zhuang, X. -. l., et al. Polymerization of lactic O-carboxylic anhydride using organometallic catalysts. Chin. J. Polym. Sci. 29, 197-202 (2010).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Tong, R., Cheng, J. Drug-initiated, controlled ring-opening polymerization for the synthesis of polymer-drug conjugates. Macromolecules. 45, 2225-2232 (2012).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Deming, T. J. Amino acid derived nickelacycles: intermediates in nickel-mediated polypeptide synthesis. J. Am. Chem. Soc. 120, 4240-4241 (1998).
  25. 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).
  26. 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).
check_url/kr/56654?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Feng, Q., Tong, R. Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes. J. Vis. Exp. (129), e56654, doi:10.3791/56654 (2017).

View Video