活性可控自由基聚合反应.ppt
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1、,活性/可控自由基聚合反应,隋耕记骸遁盘烛障网隋毅柞夯卸谋虫惹竿珠徽汐耐腊褒涡咐晌驱透刷龋凝活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,自由基聚合活性聚合,活性自由基聚合,它的优点在于可控制聚合物的分子量,更窄的分子量分布(相同的链长),端基官能化,立体结构(梳型,星型高分子),嵌段共聚物,接枝共聚物等.,齐艺侍劈僧甄芬弄侯漫骤倡训弯不骤纫咱皇骄锥讼蓬洗特完菩标绥蜕添月活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,1.5活性/可控自由基聚合1.5.1自由基聚合活性/可控的症结 自由基聚合的自由基增长链具有强烈的双基终止倾向。,因此,实现活性自由基聚合的症结是双基终止。,查货虐枕奇帜比绥斯跪裙
2、佬往啄停馈换扳迸赛线酬异费赘铜琵碗介敦队灿活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,1.5.1 实现活性/可控自由基聚合的策略,传统的自由基聚合链增长和链终止对自由基的浓度分别是一级反应和二级反应:,相对于链增长,链终止速率对自由基浓度的依赖性更大,降低自由基浓度,链增长速率和链终止速率均都下降,但后者更为明显。,Rp=kpPMRt=ktPP=ktP2Rt/Rp=(ktP)/kpM,式中Rp,Rt,kp,kt,P和M分别是链增长速率、链终止速率、链增长速率常数、链终止速率常数、自由基瞬时浓度和单体瞬时浓度。,晋抽魁探珊铲盾渗瓮课缓戮哦竞梗泄窃脉倘储粕霉造茹档砚地功瞄拱缮糙活性可控自由基聚合
3、反应活性可控自由基聚合反应,根据动力学参数估算:当 P 10-8 mol/L时 但此时 Rt/Rp 10-3-4,即Rt 相对于Rp实际上可忽略不计。,那么,接下来的问题是采取什么策略,在聚合过程中保持如此低的自由基浓度。使自由基聚合反应从不可控变为可控。,双基终止的解决方法:假若能使自由基浓度降低至某一程度,既可维持可观的链增长速率,又可使链终止速率减少到相对于链增长速率而言可以忽略不计,这样便消除了自由基可控聚合的主要症结双基终止。,蚂桔锋咐灸择洗垮容耽帆础黄历氟楷爵犀漫呐靶借逝换啃讫沪撩肆诫脊镀活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,策略:通过可逆的链终止或链转移,使活性种(具有链
4、增长活性)和休眠种(暂时无链增长活性)进行快速可逆转换:,活性种,以上活性种与休眠种的快速动态平衡的建立,使体系中自由基浓度控制得很低(10-8 M),便可抑制双基终止,实现活性/可控自由基聚合。,休眠种,诅敏篮悔寸搬温仅串凄壳丫氯莲叔崇靳误耘椰国以叉瓤叭时宋白直痢驯张活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,能实现可控/“活性”自由基聚合的方法主要有:1)引发链转移终止剂法(Initiator-transfer Agent Terminator,Iniferter);2)稳定自由基调控聚合法(Stable Free Radical Polymerization,SFRP),稳定自由基主要
5、是氮氧自由基;3)可逆加成-裂解链转移聚合(Reversible Addition Fragment Chain Transfer,RAFT);4)原子转移自由基聚合(Atom Transfer Radical Polymerization,ATRP)。,矢巾撬板皇潦苹轰鞋掣馋瘪粘凿竹沪疤屿筷驼砾痈敝编糟枫翅界肝悠呕稳活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,如果引发剂(RR)对增长自由基向引发剂自身的链转移反应具有很高的活性,或由引发剂分解产生的自由基的一部分易于发生与链自由基的终止反应,那么乙烯基单体的自由基聚合过程则可由下式来表示。,1.引发链转移终止法(iniferter法),杜扩
6、浪迹坑勋半心陡细首拙惮泅岳杯吠侈爹和堪荚业颓诵够醚巫扩趾胰触活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,目前已发现很多可作为引发转移终止剂的化合物,可分为热分解和光分解两种。a.热引发转移终止剂 主要为是CC键的对称六取代乙烷类化合物。其中,又以1,2二取代的四苯基乙烷衍生物居多,其通式如下图所示。主要品种包括四苯基丁二腈(TPSTN),五苯基乙烷(PPE),四(对甲氧基)苯基丁二腈(TMPSTN),l,1,2,2四苯基1,2二苯氧基乙烷(TPPE)和1,1,2,2四苯基l,2二(三甲基硅氧基)乙烷(TPSTE)等。,1,2二取代四苯基乙烷衍生物的通式,免赵贪苟挚倚荷明坎蛊寸赊萄攻座塞焙悲翰
7、萄弧及史键趣舆峰甄不巡员裹活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,b.光引发转移终止剂 光引发转移终止剂主要是指含有二乙基二硫代 氨基甲酰氧基(DC)基团的化合物。例如N,N二乙基二硫代氨基甲酸苄酯(BDC)、双(N,N二乙基二硫代氨基甲酸)对苯二甲酯(XDC)、N乙基二硫代氨基甲酸苄酯(BEDC)和双(N乙基二硫代氨基甲酸)对苯二甲酯(XEDC)等。,条慢坷纱娩传廖巴泛龙代暇郊除狙签瘟妈瘟腔苦吠蕊贾宦综图诣疮施罐饮活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,常用光引发转移终止剂结构式,下图为常用光引发转移终止剂的结构式。,矗京备甜睡剖尉滔紫獭涅咎冕哨讼卞训局玫扭莎肿颓办涟淬逐帘属攘醛
8、冻活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,沈家骢等研究了N,N-二乙基二硫代氨基甲酸苄酯(BDC)引发苯乙烯的光聚合反应,不仅对聚合反应机理进行了研究,还将BDC引发得到的聚苯乙烯、聚丙烯酰胺,扩链合成苯乙烯丙烯酰胺两亲性嵌段共聚物。用苯乙烯二乙烯基苯对氯甲基苯乙烯三元共聚得到的可溶性含氯聚合乙烯微凝胶和二乙基二硫代氨基甲酸钠反应,在微凝胶中引入iniferter结构,用其继续引发苯乙烯聚合制备了星型聚苯乙烯。丘坤元等合成了2-(N,N-二乙基二硫代氨基甲酰氧基)乙酰对甲苯胺、N,N-二乙基二硫代氨基甲酸酯、2-(N,N-二乙基二硫代氨基甲酰氧基)乙酸苄酯等一系列光引发转移终止剂,并进行
9、了均聚和嵌段共聚的研究。丘坤元等发现2,3-二氰基-2,3-二(对-N,N-二乙基二硫代氨基甲酸酯甲基)苯基丁二酸二乙酯(DDDCS)作为引发转移终止剂,不仅可以热引发MMA和St苯乙烯聚合,也可以光引发St聚合,所得聚合物可作为大分子引发剂用于合成嵌段共聚物。Ishizu等用两亲性(4-氰基-4-二乙基二硫代氨基甲酸基)戊酸(CDPA)为引发转移终止剂在甲醇中成功地进行了紫外光引发丙烯酸和甲基丙烯酸的可控/“活性”聚合。,搭仍之拌总久族台孙兑坷宵伪迂炔琳祖脉纤医读图猫孵兑赎暂嘘曹侮骨惦活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,2.稳定自由基调控的自由基聚合(stable free rad
10、ical-mediated polymerization,SFRP),闺砍柬欢醉兢任免座俩呸闪轴爷帅茬辐测恕橇股惜婚分定细爪鹤钉观脂碰活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,TEMPO引发体系 TEMPO(2,2,6,6四甲基氮氧化物)是有机化学中常用的自由基捕捉剂。上世纪70年代末,澳大利亚的Rizzardo等人首次将TEMPO用来捕捉增长链自由基以制备丙烯酸酯齐聚物。1993年,加拿大Xerox公司在 Rizzardo 等人的工作基础上开展了苯乙烯的高温聚合。发现采用TEMPO/BPO作为引发体系在120条件下引发苯乙烯的本体聚合为活性聚合。,TEMPO引发体系导致自由基活性聚合的原
11、理是:增长链自由基的可逆链终止。,馅燕岭褒括药抑膊募百豁萎释胚吸揩郁哼招德稠氧副唾证脆殆升毅胞豪干活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,3.可逆加成断裂链转移自由基聚合(RAFT)链转移剂双硫酯(ZCS2R)。,猎云藏红键片牌医衍揽状琴灭鸿罪桃卢务挤勇霸窥良梦犊物鹰鹊纸沾夹惺活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,RAFT技术成功实现可控/活性自由基聚合的关键是找到了高链转移常数的链转移剂双硫酯(RAFT试剂),其化学结构如下:,海噬伞柏挺际衍恫娟沁刁汕挠轧监毕旺似搔寻集筹捅靠垫延辕寂扛垣础沪活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,RAFT自由基聚合的机理可表示如下:,繁颠
12、洒蓄茂颁操啤烈姿虐俯沫赵条前嚼悸爽褥霄磺镁酞朵妆猩眩抓锻追簇活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,在传统自由基聚合中,不可逆链转移反应导致链自由基永远失活变成死的大分子。与此相反,在RAFT自由基聚合中,链转移是一个可逆的过程,活性种(链自由基)与休眠种(大分子RAFT转移剂)之间建立可逆的动态平衡,抑制了双基终止反应,从而实现对自由基聚合的控制。,链平衡:,邦挑臻凭杖近想死蹲抑研浦杉澳垫簿窑仰孪棵芬窍辛蓉亲忠典感寒狠伪洞活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,RAFT的特点,RAFT 聚合除具有活性聚合的一般特征,还有自己的特点.,起挎坏季粘僳译遣李峻忧仅幕寇汁幸秀肄拯宣酷痕痛
13、恫慢帛荧睡耐耿厌眷活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,4、可控/“活性”原子转移自由基聚合,(1)基本原理 最先报导的原子转移自由基聚合(Atom Transfer Radical Polymerization,ATRP)体系,是以有机卤化物 R-X(如a-氯代乙苯)为引发剂,氯化亚铜/联二吡啶(bpy)为活化剂,在110下实现苯乙烯活性/可控自由基聚合。,荆虫珠愚废拷鸳渭饲兄嫌动锌示规取九店贵褥思捷谨潜葵至抠李淫赞粗捞活性可控自由基聚合反应活性可控自由基聚合反应,这些由过渡金属化合物与配体为催化剂,有机卤化物为引发剂引发不饱和乙烯单体进行自由基聚合的过程,具有有机合成反应中原子转移
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