Design and synthesis of photoswitchable polymerization catalysts

Abstract

Die andauernden Entwicklungen auf dem Gebiet der kontrollierten Polymerisation haben zu zahlreichen neuen Methoden geführt, um klar definierte Polymere zu synthetisieren. Die dabei entstehenden molekularen Strukturen haben einen großen Einfluss auf die makroskopischen Eigenschaften. Hier werden Ansätze beschrieben um Polymerisation in situ zu steuern, was zur besseren Kontrolle von Polymereigenschaften führen soll. Zu diesem Zweck wurden etablierte organometallische Katalysatoren mit Azobenzolen funktionalisiert, um die Geometrie des Katalysators in situ zu ändern. Zuerst wurde ein Salen-Katalysator synthetisiert, der ein Azobenzol in der Nähe des aktiven Zentrums besitzt. Dieser zeigte vielversprechende photochemische Eigenschaften. Es wurde aber festgestellt, dass die Bestrahlung die LMCT Bande des Metalls anregt, was die Bindung des Polymers zum Katalysator beeinträchtigt. Um dieses Problem zu umgehen wurde ein dinuklearer Salen-Katalysator, mit einer besseren Bandentrennung, synthetisiert. Dieser Katalysator zeigte eine trans-cis-Isomerisierung, konnte photochemisch aber nicht zurück geschaltet werden, da die Absorptionsbanden des Azobenzols mit denen des Metalls überlappten. Daher wurde das Absorptionsverhalten des katalytischen Zentrums durch die Einführung eines rigiden durchkonjugierten Salphen Liganden geändert. Drei Systeme wurden synthetisiert, wobei der Katalysator mit einer Ethylenbrücke zwischen dem Azobenzol und dem Metallzentrum die besten Ergebnisse zeigte. Dieser Katalysator konnte reversibel geschaltet werden und zeigte auch einen Aktivitätsunterschied in der Polymerisation von b-Butyrolacton. Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivität des Katalysators um einen Faktor von 2,4 zwischen dem trans-Isomer und dem bestrahlten Reaktionsgesmisch erhöht werden konnte. Das gleiche Ergebnis wurde auch bei in situ Experimenten beobachtet.

Rapid developments in the field of controlled polymerization have led to numerous ways to produce well defined polymeric structures. This influence on the polymeric microstructure allowed a more efficient control over the macroscopic properties as well. Here, approaches are described to in situ control the polymerization outcome, which will eventually lead to a more defined manipulation of polymeric properties. For this purpose well established organometallic catalyst were functionalized with azobenzene moieties to alter the catalysts geometry in situ. First a salen catalyst with an azobenzene in close proximity to the active site was synthesized. The catalyst showed promising photochemical behavior, but irradiation of the catalyst would interfere with the binding of the polymeric chain, due to excitation of the metal’s LMCT band. To overcome this challenge a dinuclear salen catalysts with a better separation of the bands was synthesized that would allow control over cooperative effects. This catalysts showed trans-cis-isomerization but no photochemical back-reaction, due to an overlap of the absorption bands of the cis-azobenzene with the metal moiety. Therefore, the absorption of the catalytically active moiety was altered by introducing a rigid fully conjugated salphen system as the ligand. Three systems were synthesized, of which an ethylene bridged ligand showed the best results. It allowed reversible switching between both states and showed an activity change in the polymerization of b-butyrolactone. The catalyst showed an increased activity by a factor of 2.4 in the trans-isomer compared to the photostationary state and it also allowed for an in-situ switching between both states without affecting the efficiency of the system.