Gecontroleerd Photoredox Ring-Opening polymerisatie van O- Carboxyanhydrides gemedieerd door Ni/Zn complexen
Summary
Een protocol voor de gecontroleerde photoredox ring-opening polymerisatie van O– carboxyanhydrides gemedieerd door Ni/Zn complexen wordt gepresenteerd.
Abstract
Hier beschrijven we een effectieve protocol dat photoredox Ni/Ir katalyse met het gebruik van een Zn-alkoxide voor efficiënte ring-opening polymerisatie, waardoor voor de synthese van isotactic poly (α-hydroxy zuren) combineert met verwachte molecuulgewicht (> 140 kDa) en smalle molecuulgewicht distributies (Mw/Mn < 1.1). De polymerisatie van deze ring-opening is bemiddeld door Ni en Zn complexen in aanwezigheid van een alcohol-initiator en een photoredox Ir katalysator, bestraald door een blauwe LED (400-500 nm). De polymerisatie gebeurt op een lage temperatuur (-15 ° C) om te voorkomen dat ongewenste kant reacties. De volledige monomeer consumptie kan worden bereikt binnen 4-8 uur, een polymeer dicht bij de verwachte molecuulgewicht voorzien van smalle molecuulgewichtsverdeling. Het resulteerde aantalgemiddeld molecuulgewicht toont een lineaire correlatie met de mate van polymerisatie tot 1000. De homodecoupling 1H NMR studie bevestigt dat het verkregen polymeer isotactic zonder epimerization. Deze polymerisatie gemeld hierin biedt een strategie voor de verwezenlijking van snelle, gecontroleerde O– carboxyanhydrides polymerisatie ter voorbereiding stereoregular poly (α-hydroxy zuren) en zijn voorzien van verschillende functionele groepen van de zijketen copolymeren.
Introduction
Poly (α-hydroxy zuur) (PAHA) is een belangrijke klasse van biologisch afbreekbaar en biocompatibel polymeren met toepassingen variërend van biomedische apparaten voor verpakkingsmateriaal. 1 , 2 hoewel PAHAs kan worden bereid rechtstreeks door polycondensatie van α-hydroxy zuren, het molecuulgewicht (MWs) van de resulterende PAHAs zijn over het algemeen laag. 3 ring-opening polymerisatie (ROP) van lactonen (b.v., lactide en glycolide) is een alternatieve synthetische benadering waarmee de betere controle op MWs en molecuulgewichtsverdeling (Đ) dan polycondensatie. Echter het gebrek aan zijketen functionaliteit in PAHAs en lactonen beperken de diversiteit van de fysische en chemische eigenschappen en hun toepassingen. 4 , 5 sinds 2006, 1,3-dioxolane-2,4-diones, zogenaamde O– carboxyanhydrides (OCAs), dat kan worden voorbereid met een rijke verscheidenheid aan zijketen functionaliteiten,6,7,8, 9 , 10 , 11 , 12 , 13 opgedoken als een alternatief klasse voor zeer actieve monomeren voor polyester polymerisatie. 14 , 15
Katalytische systemen voor de ROP van OCAs kunnen worden onderverdeeld in zijn,8,12,16,17 anorganische katalysatoren12,18,19 ,20,21 en biokatalysatoren. 22 in het algemeen de ROP van OCAs bevorderd door organocatalyst overgaat in een min of meer ongecontroleerde wijze, zoals epimerization (dat wil zeggen, gebrek aan stereoregularity) voor OCAs rekening houdend met elektron-intrekking groepen,8,17 onvoorspelbare MWs of langzame polymerisatie kinetiek. 13 om aan deze problemen, een actieve Zn-alkoxide complex werd ontwikkeld voor de ROP van OCAs. 12 well-controlled ROPs werden bereikt bij een lage graad van polymerisatie (DP) zonder epimerization. Echter kan niet, deze Zn-alkoxide katalysator efficiënt geproduceerd polymeren met een hoog beschermingsniveau van de polymerisatie (DP ≥ 300). 13
Onlangs hebben we een veelbelovende aanpak die sterk aanpassingsmogelijkheden en de efficiëntie van PAHA synthese (Figuur 1 verbetert) gemeld. 13 we samenvoegen photoredox Ni/Ir katalysatoren die OCA decarboxylering met zink alkoxide te bemiddelen ring-opening polymerisatie van OCAs bevorderen. Het gebruik van lage temperatuur (-15 ° C) en photoredox Ni/Ir katalyse versnelt synergetisch ring-opening en decarboxylatie van OCA voor propagatie terwijl het vermijden van ongewenste kant reacties, bijvoorbeeld de vorming van Ni-carbonyl. 23 , 24 de actieve Zn-alkoxide is op transmetalering met Ni complex gelegen aan keten eindpunt voor propagatie. 13
In dit protocol, voegen we vers bereid (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2′-bipyridyl, COD = 1,5-cyclooctadieen), Zn(HMDS)2 (HMDS = hexamethyldisilazane),25 benzylalcohol (BnOH) en Ir [dF (CF3) ppy]2(dtbbpy) PF6 () Ir-1, dF (CF3) ppy = 2-(2,4-difluorophenyl) -5-(Trifluormethyl) pyridine, dtbbpy = 4, 4′ – di –tert– butyl-2, 2′-bipyridine) in het monomeer l-1 oplossing26 in een doos van de handschoen met een koude val, in de aanwezigheid van een blauw LED-licht (400-500 nm) en een ventilator om temperatuur (Figuur 1) te houden. De temperatuur op-15 ° C ± 5 ° C gedurende de polymerisatie. De conversie van OCA wordt gecontroleerd door Fourier-transform infrarood spectroscopie. Het resulterende polymeer MWs en Đs wordt gekenmerkt door een gelpermeatiechromatografie (GPC). De homodecoupling 1H NMR onderzoek bepaalt of de verkregen polymeer isotactic of niet is. Zoals de meeste chemicaliën zijn zeer gevoelig voor vocht, is de gedetailleerde video protocol bedoeld om te helpen nieuwe beoefenaars die zijn gekoppeld aan de photoredox ROP van OCAs valkuilen te vermijden.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritieke stap in het protocol is de maximumtemperatuur reactie bij-15 ± 5 ° C. Alle oplossingen van katalysatoren en OCA monomeren moeten worden opgeslagen in een vriezer handschoenenkastje bij-35 ° C voordat de polymerisatie. De reactie flesjes moeten vooraf gekoeld in de koude val. Tijdens de reactie, omdat de LED-licht verdrijft de warmte, is het noodzakelijk om te controleren de reactie om de 15-20 minuten. Zodra de temperatuur wordt verhoogd van tot-10 ° C, vloeibare stikstof moet worden toegevoegd in de dewa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de start-up financiering uit Virginia Polytechnic Institute and State University. Q.F. erkent steun uit nationale Natural Science Foundation van China (21504047), Natural Science Foundation van de oostelijke provincie Jiangsu (BK20150834), Nanjing universiteit van posterijen en telecommunicatie wetenschappelijke Stichting 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).
