Радикальная полимеризация с обратимой дезактивацией
Полимерная наука |
---|
![]() |
Цепная полимеризация , размножающаяся радикалами, которые обратимо дезактивируются, приводя их в активное/спящее равновесие , которых может быть более одного. [ 1 ]
См. также RDP полимеризации с обратимой дезактивацией .
В полимеров химии радикальная полимеризация с обратимой дезактивацией ( RDRP ) является членом класса полимеризаций с обратимой дезактивацией , которые во многом проявляют характер живых полимеризаций , но не могут быть отнесены к категории таковых, поскольку они не имеют передачи цепи или обрыва цепи. реакций . [ 2 ] [ 3 ] В литературе использовалось несколько разных названий:
- Живая радикальная полимеризация
- Живая свободнорадикальная полимеризация
- Контролируемая/ «живая» радикальная полимеризация.
- Контролируемая радикальная полимеризация
- Обратимая дезактивация, радикальная полимеризация
Хотя термин «живая» радикальная полимеризация использовался вначале, ИЮПАК не одобрял его , поскольку радикальная полимеризация не может быть по-настоящему живым процессом из-за неизбежных реакций обрыва между двумя радикалами. Обычно используемый термин «контролируемая радикальная полимеризация» разрешен, но рекомендуется радикальная полимеризация с обратимой дезактивацией или радикальная полимеризация с контролируемой обратимой дезактивацией (RDRP).
История и характер
[ редактировать ]RDRP, который иногда ошибочно называют «свободно-радикальной полимеризацией», является одним из наиболее широко используемых процессов полимеризации, поскольку его можно применять
- к большому разнообразию мономеров
- его можно осуществлять при наличии определенных функциональных групп
- техника довольно проста и легка в управлении
- условия реакции могут варьироваться от объемного раствора, эмульсии, миниэмульсии до суспензии.
- это относительно недорого по сравнению с конкурентными технологиями
Стационарная концентрация растущих полимерных цепей составляет 10 −7 M на порядок, а среднее время жизни отдельного полимерного радикала до обрыва составляет около 5–10 с. Недостатком традиционной радикальной полимеризации является ограниченный контроль над архитектурой цепи, распределением молекулярной массы и составом. В конце 20 века было замечено, что когда определенные компоненты добавлялись в системы, полимеризующиеся по цепному механизму, они способны обратимо реагировать с (радикальными) носителями цепи, временно переводя их в «спящее» состояние. [ 4 ] [ 5 ] Это привело к увеличению времени жизни растущих полимерных цепей (см. выше) до значений, сравнимых с длительностью эксперимента. В любой момент времени большинство радикалов находятся в неактивном (спящем) состоянии, однако они не являются необратимо терминированными («мертвыми»). Лишь небольшая часть из них активна (растет), однако при быстрой скорости взаимопревращения активных и покоящихся форм, превышающей скорость роста, обеспечивается одинаковая вероятность роста для всех цепей, т. е. в среднем все цепи растет такими же темпами. Следовательно, вместо наиболее вероятного распределения молекулярные массы (степени полимеризации) предполагают гораздо более узкое распределение Пуассона , и преобладает более низкая дисперсность .
ИЮПАК также признает альтернативное название «радикальная полимеризация с контролируемой обратимой дезактивацией» приемлемым, «при условии, что указан контролируемый контекст, который в данном случае включает молекулярную массу и молекулярно-массовое распределение». Эти типы радикальной полимеризации не обязательно являются «живыми» полимеризациями, поскольку не исключаются реакции обрыва цепи». [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
Прилагательное «контролируемый» указывает на то, что определенная кинетическая особенность полимеризации или структурный аспект образующихся полимерных молекул контролируется (или и то, и другое). Выражение «контролируемая полимеризация» иногда используется для описания радикальной или ионной полимеризации , при которой обратимая дезактивация носителей цепи является важным компонентом механизма и прерывает распространение, которое обеспечивает контроль одной или нескольких кинетических особенностей полимеризации или одной или более структурных аспектов образующихся макромолекул , или и то, и другое. Выражение «контролируемая радикальная полимеризация» иногда используется для описания радикальной полимеризации, которая проводится в присутствии агентов, которые приводят, например, к радикальной полимеризации с переносом атома (ATRP), полимеризации, опосредованной нитроксидом (аминоксилом) (NMP) или обратимой полимеризации. Полимеризация с переносом цепи присоединения-фрагментации (RAFT). Все эти и другие контролируемые полимеризации относятся к классу радикальных полимеризаций с обратимой дезактивацией. Всякий раз, когда в этом контексте используется прилагательное «контролируемый», необходимо указать конкретные кинетические или структурные особенности, которые контролируются.
Полимеризация с обратимой дезактивацией
[ редактировать ]Существует способ полимеризации, называемый полимеризацией с обратимой дезактивацией , который отличается от живой полимеризации, несмотря на некоторые общие черты. Живая полимеризация требует полного отсутствия реакций обрыва, тогда как полимеризация с обратимой дезактивацией может содержать такую же долю обрыва, что и обычная полимеризация, с той же концентрацией активных частиц. [ 1 ] Некоторые важные их аспекты сравниваются в таблице:
Свойство | Стандартная радикальная полимеризация | Живая полимеризация | Полимеризация с обратимой дезактивацией |
---|---|---|---|
Конн. инициирующих видов | Падает только медленно | Очень быстро отваливается | Очень быстро отваливается |
Конн. цепных перевозчиков (Количество растущих цепей) |
Мгновенное устойчивое состояние ( Применяется приближение Боденштейна ) уменьшается на протяжении всей реакции |
Постоянно на протяжении всей реакции | Постоянно на протяжении всей реакции |
Срок службы растущих цепей | ~ 10 −3 с | То же, что и продолжительность реакции | То же, что и продолжительность реакции |
Основная форма расторжения | Радикальное сочетание или радикальная диспропорция |
Реакция прекращения исключена. | Реакция прекращения не исключена. |
Распределение молярной массы | Широкий диапазон (Р >=1,5), Распределение Шульца-Цимма |
Узкий диапазон (Ð <1,5), Распределение Пуассона |
Узкий диапазон (Ð <1,5), Распределение Пуассона |
Спящие состояния | Никто | Редкий | Преобладающий |
Общие особенности
[ редактировать ]Как следует из названия, предпосылкой успешного RDRP является быстрая и обратимая активация/деактивация распространяющихся цепочек. Существует три типа RDRP; а именно дезактивация путем катализируемого обратимого связывания, дезактивация путем спонтанного обратимого сочетания и дезактивация путем дегенеративного переноса (DT). Возможно сочетание различных механизмов; например, RDRP, опосредованный переходными металлами, может переключаться между механизмами ATRP, OMRP и DT в зависимости от условий реакции и используемых реагентов.
В любых процессах RDRP радикалы могут распространяться со скоростью k p за счет добавления нескольких мономерных единиц до того, как произойдет реакция дезактивации, приводящая к регенерации спящих видов. Одновременно два радикала могут реагировать друг с другом с образованием мертвых цепей с коэффициентом скорости k t . На скорость распространения и разрыва между двумя радикалами не влияет механизм дезактивации или катализатор, используемый в системе. Таким образом, можно оценить, насколько быстро можно провести RDRP с сохранением функциональности конца цепочки? [ 6 ]
Кроме того, другие реакции разрыва цепи, такие как необратимые реакции передачи/обрыва цепи распространяющихся радикалов с растворителем, мономером, полимером, катализатором, добавками и т. д., могут привести к дополнительной потере функциональности концов цепи (CEF). [ 7 ] Общий коэффициент скорости реакций разрыва цепи, не считая прямого разрыва между двумя радикалами, представлен как k tx .
Во всех методах RDRP теоретическая среднечисленная молекулярная масса полученных полимеров M n может быть определена следующим уравнением:
где М м – молекулярная масса мономера; [M] 0 и [M] t — концентрации мономера в момент времени 0 и момент времени t ; [RX] 0 — начальная концентрация инициатора.
Помимо заданной молекулярной массы, хорошо контролируемый RDRP должен давать полимеры с узким молекулярным распределением, которое можно количественно определить по значениям M w / M n , и хорошо сохраняющими функциональными группами концов цепи.
Хорошо контролируемый процесс RDRP требует: 1) процесс обратимой деактивации должен быть достаточно быстрым; 2) реакции разрыва цепи, вызывающие потерю функциональных возможностей концов цепи, должны быть ограничены; 3) правильно поддерживаемая концентрация радикалов; 4) инициатор должен иметь соответствующую активность.
Примеры
[ редактировать ]Радикальная полимеризация с переносом атома (ATRP)
[ редактировать ]Инициатором полимеризации обычно является галогенид, а спящее состояние достигается в металлокомплексе переходного металла («радикальный буфер»). Этот метод очень универсален, но требует нетрадиционных систем инициаторов, которые иногда плохо совместимы со средами полимеризации.
Полимеризация, опосредованная нитроксидом (NMP)
[ редактировать ]При определенных условиях может происходить гомолитическое расщепление связи CO в алкоксиламинах и образовываться стабильный 2-центровый трехэлектронный радикал NO, способный инициировать реакцию полимеризации. Предпосылками для алкоксиламина, подходящего для инициирования полимеризации, являются объемистые, стерически препятствующие заместители вторичного амина, а заместитель кислорода должен быть способен образовывать стабильный радикал, например бензил.

Обратимая передача цепи присоединения-фрагментации (RAFT)
[ редактировать ]RAFT – один из самых универсальных и удобных методов в этом контексте. Наиболее распространенные RAFT-процессы осуществляются в присутствии тиокарбонилтиосоединений, которые действуют как радикальные буферы. В то время как в ATRP и NMP происходит обратимая дезактивация распространяющихся радикально-радикальных реакций и спящими структурами являются галоген-соединение в ATRP и алкоксиамин в NMP, которые одновременно являются стоком радикалов и источником и описываются соответствующими равновесиями. . RAFT, напротив, контролируется реакциями передачи цепи, находящимися в равновесии дезактивация-активация. Поскольку радикалы не образуются и не разрушаются, для инициирования и поддержания реакции распространения необходим внешний источник радикалов.
- Стадия инициирования RAFT-полимеризации
- Реверсивная цепная передача
- Шаг повторной инициации
- Этап уравновешивания цепи
- Шаг завершения
Каталитический перенос цепи и радикальная полимеризация, опосредованная кобальтом
[ редактировать ]Хотя это и не является строго живой формой полимеризации, следует упомянуть каталитическую полимеризацию с переносом цепи , поскольку она играет важную роль в развитии более поздних форм живой свободнорадикальной полимеризации. СССР установлено, что кобальта порфирины способны снижать молекулярную массу при полимеризации метакрилатов Обнаруженные в конце 1970-х годов в . кобальта Более поздние исследования показали, что комплексы глиоксима столь же эффективны, как и порфириновые катализаторы, но менее чувствительны к кислороду. Из-за более низкой чувствительности к кислороду эти катализаторы исследованы гораздо тщательнее, чем порфириновые катализаторы.
Основными продуктами каталитической полимеризации с переносом цепи являются винильными полимерные цепи с концевыми группами. Одним из основных недостатков этого процесса является то, что каталитическая полимеризация с переносом цепи не приводит к образованию макромономеров , а вместо этого производит агенты аддитивной фрагментации. Когда растущая полимерная цепь реагирует с агентом присоединения, концевая радикальная группа атакует винильную связь и образует связь. Однако получение продукта настолько затруднено , что вид подвергается фрагментации, что в конечном итоге приводит к образованию телехелических видов .
Эти агенты переноса цепи присоединения и фрагментации действительно образуют привитые сополимеры со стирольными и акрилатными соединениями, однако они делают это путем сначала образования блок-сополимеров , а затем включения этих блок-сополимеров в основную цепь полимера.
Хотя высокие выходы макромономеров возможны при использовании метакрилатных мономеров , низкие выходы достигаются при использовании каталитических агентов передачи цепи во время полимеризации акрилатов и стриеновых мономеров. Было замечено, что это происходит из-за взаимодействия радикального центра с катализатором во время реакций полимеризации.
Обратимая реакция кобальта макроцикла с растущим радикалом известна как углеродная связь кобальта и в некоторых случаях приводит к живым реакциям полимеризации.
Инифертерная полимеризация
[ редактировать ]Инифертер дитиокарбаматный — это химическое соединение , которое одновременно действует как инициатор , агент переноса и терминатор (отсюда и название инифертер) в контролируемых свободнорадикальных инифертерных полимеризациях, наиболее распространенным из которых является тип . [ 8 ] [ 9 ]
Полимеризация с переносом йода (ИТП)
[ редактировать ]Полимеризация с переносом йода (ITP , также называемая ITRP ), разработанная Татемото и его коллегами в 1970-х годах. [ 10 ] дает относительно низкую полидисперсность фторолефиновых полимеров. Хотя эта химия получила относительно мало академического внимания, она послужила основой для нескольких промышленных патентов и продуктов и может быть наиболее коммерчески успешной формой живой свободнорадикальной полимеризации. [ 11 ] В основном его использовали для включения йода участков отверждения во фторэластомеры .
Механизм ИТП включает термическое разложение радикального инициатора (обычно персульфата ) с образованием инициирующего радикала In•. Этот радикал присоединяется к мономеру M с образованием разновидности P 1 •, которая может размножаться до P m •. При обмене йода от переносчика RI на распространяющийся радикал P m • образуется новый радикал R • и P m • переходит в состояние покоя. Этот вид может размножаться с помощью мономера от M до P n •. Во время полимеризации происходит обмен между различными полимерными цепями и агентом переноса, что типично для дегенеративного процесса переноса.
используется моно- или дииодперфторалкан Обычно при полимеризации с переносом йода в качестве исходного агента переноса цепи . Этот фторалкан может быть частично замещен водородом или хлором. Энергия связи йод-перфторалкан мала и, в отличие от связей йод-углеводород, ее поляризация мала. [ 12 ] Поэтому йод легко абстрагируется в присутствии свободных радикалов. При встрече с йодперфторалканом растущая поли(фторолефиновая) цепь отрывает йод и обрывается, оставляя образовавшийся перфторалкильный радикал для присоединения дополнительного мономера. Но поли(фторолефин) с концевыми йодными группами сам по себе действует как агент переноса цепи. Как и в процессах RAFT, пока скорость инициирования поддерживается низкой, конечным результатом является формирование монодисперсного молекулярно-массового распределения.
Описано использование обычных углеводородных мономеров с иодперфторалкановыми переносчиками цепи. [ 13 ] Полученные молекулярно-массовые распределения не были узкими, поскольку энергетика связи йод-углеводород значительно отличается от энергии связи йод- фторуглерод , а отрыв йода от концевого полимера затруднен. использование углеводородов , но опять же полученные молекулярно-массовые распределения не были узкими. йодидов Также было описано [ 14 ]
Получение блок-сополимеров полимеризацией с переносом йода было также описано Татемото и его коллегами в 1970-х годах. [ 15 ]
Хотя использование живых свободнорадикальных процессов при эмульсионной полимеризации было охарактеризовано как сложное, [ 16 ] все примеры полимеризации с переносом йода включали эмульсионную полимеризацию. Заявлены чрезвычайно высокие молекулярные массы. [ 17 ]
Ниже перечислены некоторые другие менее описанные, но в некоторой степени все более важные методы живой радикальной полимеризации.
Селенцентрированная радикальная полимеризация
[ редактировать ]Дифенилдиселенид и несколько бензилселенидов были исследованы Kwon et al. в качестве фотоинифертеров при полимеризации стирола и метилметакрилата. Предполагается, что их механизм контроля над полимеризацией аналогичен механизму инифертеров дитиурамдисульфида. Однако их низкие константы переноса позволяют использовать их для синтеза блок-сополимеров, но дают ограниченный контроль над молекулярно-массовым распределением. [ 18 ]
Теллурид-опосредованная полимеризация (TERP)
[ редактировать ]Впервые оказалось, что полимеризация, опосредованная теллуридом , или TERP, в основном действует по механизму обратимой передачи цепи путем гомолитического замещения при термическом инициировании. Однако в кинетическом исследовании было обнаружено, что TERP преимущественно протекает путем дегенеративного переноса, а не «комбинации диссоциации». [ 19 ]
Алкилтеллуриды структуры ZXR, Z = метил и R = хорошая уходящая группа свободного радикала, обеспечивают лучший контроль для широкого спектра мономеров, фенилтеллуриды (Z = фенил) дают плохой контроль. Полимеризацию метилметакрилатов контролируют только дителлуриды. Важность X для переноса цепи возрастает в ряду O<S<Se<Te, что делает алкилтеллуриды эффективными в обеспечении контроля в термически инициируемых условиях, а алкилселениды и сульфиды эффективны только при фотоинициируемой полимеризации.
Полимеризация, опосредованная стибином
[ редактировать ]Совсем недавно Ямаго и др. сообщили о полимеризации, опосредованной стибином, с использованием органостибинового агента переноса с общей структурой Z(Z')-Sb-R (где Z = активирующая группа и R = уходящая группа свободного радикала). Можно контролировать широкий спектр мономеров (стиролы, (мет)акриловые и виниловые смолы, обеспечивая узкие молекулярно-массовые распределения и предсказуемые молекулярные массы в термически инициируемых условиях. [ 20 ] [ 21 ] Ямаго также опубликовал патент, указывающий, что алкилы висмута также могут контролировать радикальную полимеризацию по аналогичному механизму.
Медь-опосредованная полимеризация
[ редактировать ]Известно, что радикальная полимеризация с более обратимой дезактивацией катализируется медью .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Дженкинс А.Д., Джонс Р.Г., Моад Дж. (2009). «Терминология радикальной полимеризации с обратимой дезактивацией, ранее называвшаяся «контролируемой» радикальной или «живой» радикальной полимеризацией (Рекомендации ИЮПАК 2010 г.)» . Чистая и прикладная химия . 82 (2): 483–491. doi : 10.1351/PAC-REP-08-04-03 . ISSN 1365-3075 .
- ^ Перейти обратно: а б Шварц, М. (1956). « Живые полимеры». Природа . 178 (1): 1168–1169. Бибкод : 1956Natur.178.1168S . дои : 10.1038/1781168a0 .
- ^ Перейти обратно: а б Шварц, М. (2000). «Комментарии Дарлинга и др. к книге «Живая полимеризация: обоснование единой терминологии». Дж. Полим. наук. А. 38 (10): 1710.
- ^ Патент США 4581429 , Д.Х. Соломон, Э. Риццардо, П. Качиоли, «титул».
- ^ Г. Моад; Э. Рицзардо (1995). «Живая радикальная полимеризация, инициированная алкоксиамином: факторы, влияющие на скорость гомолиза алкоксиамина». Макромолекулы . 28 (26): 8722–8728. Бибкод : 1995МаМол..28.8722М . дои : 10.1021/MA00130A003 .
- ^ Чжун, М; Матияшевский, К (2011). «Насколько быстро можно провести CRP с сохраненной функциональностью конца цепи?». Макромолекулы . 44 (8): 2668–2677. Бибкод : 2011МаМол..44.2668Z . дои : 10.1021/ma102834s .
- ^ Ван, Ю; Соренсен, Н; Чжун, М; Шредер, Х; Бубак, М; Матияшевский, К (2013). «Повышение «жизнеспособности» ATRP за счет снижения концентрации Cu-катализатора». Макромолекулы . 46 (3): 683–691. Бибкод : 2013МаМол..46..683Вт . дои : 10.1021/ma3024393 .
- ^ Оцу, Такаюки (1982). «Роль инициатора-переносчика-терминатора (инифертера) в радикальной полимеризации: дизайн полимеров с использованием органических дисульфидов в качестве инифертеров». Die Makromoleculare Chemie, Rapid Communications . 3 : 127–132. дои : 10.1002/marc.1982.030030208 .
- ^ Оцу, Такаюки (1982). «Модель живой радикальной полимеризации». Die Makromoleculare Chemie, Rapid Communications . 3 : 133–140. дои : 10.1002/marc.1982.030030209 .
- ^ Татемото, Масаёши; Сузуки, Такеши; Фурукава, Ясуёси и Уэта, Ютака (1981-01-06) «Сшиваемый фторсодержащий полимер и его производство» патент США 4,243,770 .
- ^ Амедури, Б; Бутевен, Б. (1999). «Использование телехелатных фтордииодидов для получения четко определенных фторполимеров». J. Фтор Химия . 100 : 97–116. дои : 10.1016/s0022-1139(99)00220-1 .
- ^ Карлсон, Дана П. (1991-08-06) «Фторэластомеры, устойчивые к основаниям, с улучшенной технологичностью и отверждаемостью». Патент США 5037921 .
- ^ Арчелла, Винченцо; Бринати, Джулио; Альбано, Маргерита и Тортелли, Вито (17 декабря 1996 г.) «Фторэластомеры, содержащие мономерные звенья, полученные из бис-олефина». Патент США 5 585 449 .
- ^ Банус, Дж.; Эмелеус, HJ; Хазелдин, Р.Н. (1951). «12. Гетеролитическое деление связи углерод-йод в трифториодметане». Дж. Хим. Соц. : 60. дои : 10.1039/jr9510000060 .
- ^ Лансалот, М.; Фарсет, К.; Шарлё, Б. ; Вайрон, Ж.-П. (1999). «Контролируемая свободнорадикальная миниэмульсионная полимеризация стирола с использованием дегенеративного переноса». Макромолекулы . 32 (22): 7354–7360. Бибкод : 1999МаМол..32.7354L . дои : 10.1021/ma990447w .
- ^ Матияшевский, К.; Гейнор, С.; Ван, Ж.-С. (1995). «Контролируемая радикальная полимеризация: использование алкилйодидов при дегенеративном переносе». Макромолекулы . 28 (6): 2093–2095. Бибкод : 1995МаМол..28.2093М . дои : 10.1021/ma00110a050 .
- ^ Зиглер, К. (1936). «Значение органосоединений щелочных металлов для синтеза». Энджью. Хим . 49 (30): 499–502. дои : 10.1002/anie.19360493003 .
- ^ Квон, Тэ Сок; Кумадзава, Саданори; Ёкои, Тецуя; Кондо, Сюдзи; Кунисада, Хидео; Юки, Ясуо (1997). «Живая радикальная полимеризация стирола с дифенилдиселенидом как фотоинифертер. Синтез полистирола с двойными углерод-углеродными связями на обоих концах цепи». Журнал макромолекулярной науки, часть A. 34 (9): 1553–1567. дои : 10.1080/10601329708010026 .
- ^ Гото А., Квак Ю., Фукуда Т., Ямаго С., Иида К., Накадзима М., Ёсида Дж. (2003). «Изобретение механизма высокоскоростной живой радикальной полимеризации с использованием теллурорганических соединений и азоинициаторов». Дж. Ам. хим. Соц . 125 (29): 8720–1. дои : 10.1021/ja035464m . ПМИД 12862455 .
- ^ Ямаго С., Рэй Б., Иида К., Ёсида Дж., Тада Т., Ёсидзава К., Квак Ю., Гото А., Фукуда Т. (2004). «Высокоуниверсальные органостибиновые медиаторы для живой радикальной полимеризации». Дж. Ам. хим. Соц . 126 (43): 13908–9. дои : 10.1021/ja044787v . PMID 15506736 .
- ^ Ямаго С., Каяхара Э., Котани М., Рэй Б., Квак Ю., Гото А., Фукуда Т. (2007). «Тщательно контролируемая живая радикальная полимеризация посредством двойной активации висмутинов». Энджью. хим. Межд. Эд. англ . 46 (8): 1304–6. дои : 10.1002/anie.200604473 . ПМИД 17205592 .