B活性自由基聚合.pptx

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1、 实现可控/“活性”自由基聚合的基本思想是：在自由基聚合体系中引入一个可以和增长自由基之间存在偶合解离可逆反应的物种，抑制增长自由基的浓度，减少双基终止和转移反应的发生。增长自由基是指聚合体系中能够进行增长反应的链自由基和引发剂分解产生的初级自由基。第1页/共36页3.13.1 可逆终止自由基聚合1.以硫代氨基甲酸苄酯为引发转移终止剂 1982年由大津隆行（T.Otsu）首先报道。BDCXDCDDC第2页/共36页硫代化合物经光照均裂产生一个活性自由基和一个稳定自由基,活性自由基能与单体加成而增长，稳定自由基不能引发聚合，只能与活性增长链进行可逆终止，从而起到控制反应的作用。第3页/共36页

2、自由基始终处于活化与失活（终止）的快速变化之中，增长自由基或是和单体加成，或是和稳定自由基可逆结合，有效地抑制了双基终止和链转移反应，聚合过程中活性中心的总数不变，使得聚合反应具有可控/“活性”特征。T.Otsu(大津隆行)将这种引发剂称为引发转移 终 止 剂（iniferter），由 initiator、transfer agent、terminator三个词合成。这类引发体系的局限是必须在光照下上述引发剂才会分解产生自由基，而且还可能存在一些副反应，导致聚合物分子量分布加宽。第4页/共36页 三苯甲基偶氮苯也属于这一类引发剂，它在加热时分解产生极为活泼的苯基自由基，苯基自由基可引发单体聚合

3、，而三苯甲基自由基作为稳定自由基不能引发单体聚合，但能与活性自由基可逆终止第5页/共36页2.烷氧基胺体系 1993年由M.K.Georges首先报道。通常由普通自由基和稳定的氧氮游离基(2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧自由基TEMPO)组成。TEMPO是稳定自由基，能与增长链自由基发生偶合形成共价键，而这种共价键在一定温度下又可分解产生自由基，因此，TEMPO捕捉增长链自由基后，不是活性中心的真正死亡，只是暂时失活。第6页/共36页TEMPO价格非常昂贵体系只适用于苯乙烯及其衍生物类单体:局限性大 第7页/共36页3.13.2 可逆加成-断裂转移聚合RAFT 1998年T P.Le率先报道

4、。TEMPO体系是使增长链自由基可逆终止，而RAFT体系是使增长链自由基可逆链转移。RAFT成功实现可控自由基聚合的关键是找到了具有高链转移常数和特定结构的链转移剂-双硫酯（ZCS2R）。与TEMPO体系一样，RAFT过程的活性中心源于传统自由基聚合引发剂(如AIBN)的热分解，增长链自由基向双硫酯分子中的CS键加成，断裂SR键，形成新的活性中心R。第8页/共36页引发剂分解反应双硫酯Z为苯基，R可以是C(CH3)2Ph、CH(CH3)Ph、CH2Ph等链转移反应再引发增长反应链转移反应增长反应第9页/共36页3.13.3 原子转移自由基聚合 1995年美国Carnegie-Mellon大学王

5、锦山和Matyjaszewski日本京都大学泽本广南（Sawamoto）同时提出 原 子 转 移 自 由 基 聚 合（Atom Transfer Radical Polymerization，简称ATRP）是一种“活性”/可控自由基聚合方法。与TEMPO、RAFT方法相比，ATRP适用的单体范围更广、原料易得、实施条件更为温和，因此迅即得到各国科学家的极大关注。第10页/共36页 ATRP是建立在有机化学中过渡金属催化的卤素原子转移自由基加成反应基础上的，其典型的引发催化体系是由带有共轭稳定基团的卤代化合物为引发剂、变价金属化合物为催化剂以及适当配体三部分组成的。过渡金属络合物为卤素原子的载体

6、，通过氧化还原反应在活性中心和休眠物种之间建立快速可逆的动态平衡，实现对聚合反应的控制。聚合产物的平均分子量随单体转化率增大而增大，并与理论计算值接近，分子量分布较窄。第11页/共36页第12页/共36页ATRP机理简示图第13页/共36页 ATRP过程中的可逆转移包括卤素原子从有机卤化物到金属络合物(盐)、又从金属络合物(盐)转移到自由基的反复循环的原子转移过程，所以称之为原子转移聚合；又因为聚合反应中的活性中心具有自由基特征，所以称之为原子转移自由基聚合。由于变价金属的氧化还原平衡反应使得ATRP反应体系建立了自由基活性中心与休眠物种之间的可逆平衡反应，使反应体系中的自由基浓度维持在一个极

7、低的水平（一般为10-8-1），大大抑制了自由基的链转移和链终止反应，同时又能维持足够的聚合反应速率，这就是ATRP成为“活性”/可控自由基聚合并得到极大关注的重要原因。第14页/共36页ATRP动力学过程P为活性中心自由基浓度动力学方程 以ln(M0/M)对t作图，直线的斜率为kaapp。若kp已知，就可求得活性中心自由基浓度P第15页/共36页聚合产物的数均分子量 式中Mm为单体的分子量，M0为起始单体浓度，RX0为起始引发剂浓度，C为单体转化率，f为引发效率。ATRP涉及的引发催化体系方便易得，研究报道非常活跃，应用方面主要涉及指定分子量的窄分布聚合物的合成、嵌段和接枝等结构明确的聚合物

8、的合成等。ATRP的不足之处是催化剂用量较高，不易除净。可控自由基聚合还在进一步发展，研究方向主要是开发新的方法、新的引发或催化体系以及应用，缩短工业化进程。第16页/共36页ATRP与高分子的分子设计1、制备窄分子量分布聚合物 许多有机卤化物/CuX(X为Cl,Br)/2.,2-bpy 引发体系均可得到分子量分布为1.11.2 的均聚物.但这类引发体系即使在高温下(100120 C)仍是非均相的,因此聚合物的分子量分布不可能接近于典型的阴、阳离子活性聚合物的分子量分布(阴、阳离子活性聚合物的Mw/Mn 1.1)。2,2-bpy 杂杂环环上上带带上上某某些些油油溶溶性性取取代代基基团团，如如正

9、正丁丁基基、叔叔丁丁基基等等，则则上上述述引引发发体体系系变变为为均均相相体体系系，由由此此得得到到的的聚聚合合物物的的分分子子量量分分布布可可低低到到Mw/Mn.这这是是历历史史上上人人们们用用自自由由基基聚聚合合方方法法得得到到的的最最低低的的分分子子量量分分布布Science,1996,272:866。第17页/共36页2、制备末端官能团聚合物制备末端官能团聚合物 原原子子转转移移自自由由基基聚聚合合的的产产物物末末端端带带有有卤卤原原子子,而而卤卤原原子子本本身身就就是是一一种种官官能能团团，由由此此还还可可以以演演变变成成其其他官能团他官能团，例如例如胺基、羧基、叠氮基、烯丙基胺基、

10、羧基、叠氮基、烯丙基等。等。如如果果用用带带有有另另一一种种官官能能团团Z(如如OH、COOH、CHCH2)的的有有机机卤卤化化物物作作为为引引发发剂剂，则则100%的聚合物末端带上官能团的聚合物末端带上官能团Z。如如用用2氯氯醋醋酸酸乙乙烯烯作作为为引引发发剂剂引引发发苯苯乙乙烯烯聚聚合合，得得到到的的聚聚合合物物末末端端带带有有醋醋酸酸乙乙烯烯单单元元，这这是是一一种种大大分分子子单单体体，可可用用于于制制备备接接枝枝共共聚聚物物。如如果果Z 是是标标记记基基团团的的话话，可可很很方方便便地地制制备备出出各各种种标标记记聚聚合合物物，供物理化学研究使用供物理化学研究使用。第18页/共36页

11、3、制备嵌段共聚物 迄今为止只有活性聚合反应才能合成出不含均聚物、分子量及组成均可控制的嵌段共聚物。用ATRP方法可直接制备二和三嵌段共聚物，有两种方法可以使用。一是用ATRP方法制备第一种单体的均聚物，待第一种单体反应完以后，直接加第二单体，即可得到二嵌段共聚物。二是用ATRP方法制得含有卤原子的大分子，然后用这种大分子再作为引发剂，引发第二种单体聚合，得到二嵌段共聚物。这种方法制备嵌段共聚物是离子型活性聚合反应不具备的。第19页/共36页 如果引发剂是二官能团的，则用上面两种方法均可得到三嵌段共聚物。某些单体不能进行ATRP聚合，但由于将ATRP引发末端引入聚合物链不是一件十分困难的事，因

12、此可先通过一定方法制备ATRP大分子引发剂，再用ATRP 法合成嵌段共聚物，这就是所谓的半ATRP 法。PS-b-P-t-BMA、PS-b-P-t-BMA-b-PS、P-t-BMA-b-PS-b-P-t-BM、PVP-b-P-t-BMA、PVAc-b-PVP、PVAc-b-P-t-BMA、PMA-b-PS、PS-b-PIB-b-PS第20页/共36页4、制备星状聚合物制备星状聚合物 用ATRP 方法制备星状聚合物最简单的是采用多官能度化合物作为引发剂，这种方法称为“先核后臂”法，制得的星状聚合物是一个末端多官能团聚合物，这种聚合物应该会有很多应用。目前人们也在研究用ATRP“先臂后核”法制备多

13、臂星状聚合物，即先用ATRP 法制备带末端基的均聚物，然后与多官能团化合物进行偶联反应，得到多臂星状聚合物。第21页/共36页5、制备接枝和梳状聚合物制备接枝和梳状聚合物 接枝共聚物可用多种方法合成，但侧链均一的梳状聚合物通常只能用大分子单体技术制得。ATRP 技术可提供两种极方便的途径有效地合成梳状聚合物。第一种途径是大分子单体技术：如采用ATRP 可制得带醋酸乙烯基的聚苯乙烯大分子单体，用这种单体进行自由基聚合，即可得到相应的梳状聚合物；第二种途径是大分子引发剂技术：含有多ATRP 引发侧基的均聚物可作为ATRP 引发剂，按正常的ATRP 即可得到侧基长度基本均一的梳状聚合物，而且这种梳状

14、聚合物含有许多末端官能团，可进一步制备特殊的聚合物。第22页/共36页6、制备高支化聚合物 用ATRP法可进行自缩合乙烯基聚合(self-condensing vinyl polymerization,SCVP)来合成高支化聚合物。用对氯甲基苯乙烯为引发单体(inimer)、Cu/2,2-bpy为催化络合物可制得每一端基均带有氯原子的高支化聚合物。如将这种高支化聚合物作为大分子多官能度引发剂，进一步引发甲基丙烯酸特丁酯聚合，制得以聚对甲基苯乙烯高支化聚合物为核、聚甲基丙烯酸特丁酯为臂，臂数高达27的星状聚合物，以此为基础，通过酸性水解制得了以聚对甲基苯乙烯高支化聚合物为核，聚甲基丙烯酸为臂的两

15、亲性高支化星状聚合物。第23页/共36页第24页/共36页超支化聚合物的应用 超支化聚合物的应用与其分子结构紧密相关。独特的分子内部的纳米微孔可以螯合离子，吸附小分子，或者作为小分子反应的催化活性点；若用超支化聚合物制备成膜，也可用于分离不同的物质。由于具有高度支化的结构，超支化聚合物难以结晶，也无链缠绕，因而溶解性能大大提高；与相同分子量的线性分子相比，熔融态粘度较低；并且分子外围的大量末端基团可以通过端基改性以获得所需的性能。超支化聚合物独特的结构使其在许多领域中均有应用，尤其是在那些传统线性分子无力顾及的范围更可以显示其优良的性能。第25页/共36页1)共聚物 超支化聚合物与线形大分子的

16、共聚物具有良好的综合性能，从而为嵌段共聚物增添了新的内容。Iyer等等1998采采用用亲亲水水性性线线性性分分子子聚聚环环氧氧乙乙烷烷与与憎憎水水性性超超支支化化聚聚(胺胺-酰酰胺胺)共共聚聚合合成成了了一一种种两两段段式式聚聚合合物物,其其玻玻璃璃态态转转变变温温度度由由超超支支化化聚聚合合物物的的末末端端官官能能团团决决定定。加加入入的的线线性性链链段段(分分子子量量分分别别为为2000和和5000的的聚聚环环氧氧乙乙烷烷)改改变变了了嵌嵌段段聚聚合合物物的的性性质质：短短链链聚聚环环氧氧乙乙烷烷共共聚聚物物分分子子的的粘粘度度行行为为和和线线性性分分子子类类似似，而而长长链链聚聚环环氧氧

17、乙乙烷烷共共聚聚物物分分子子则则形形成成了了单单分分子子胶胶束束，这这种种胶胶束束在在水水-空空气气界界面面上上规规则则地地排排列列,憎憎水水超超支支化化部部分分指指向向空空气气，而而聚聚环环氧氧乙乙烷烷链链段段则则溶溶在在水水中中，这这样样的的单单分分子子层层可可以以在固态基材上制备成超薄纳米微孔膜在固态基材上制备成超薄纳米微孔膜。第26页/共36页2)光固涂料 低的熔融粘度和众多可以改性的端基使得超支化聚合物在涂料领域具有广阔的应用前景。Ruanby1999合成的多种可在紫外光照射下快速固化的(甲基)丙烯酸化超支化聚合物。由于其组成的涂料体系粘度低，可以不需或少量加入稀释用多官能团单体；固

18、化膜机械性能优异，是一种环保绿色材料。Jansen1998报道的聚丙撑亚胺超支化聚合物与二苯甲酮或异丙基硫杂蒽酮一起作为光引发体系，在氮气保护下光照苯氧乙基丙烯酸酯可以快速固化和获得较高的反应程度。第27页/共36页3)药物缓释剂 超支化聚合物作为药物载体的研究较多,可望用于农业、化妆品工业和医药工业。Liu等Polymer Preprint J,1997,38(2):582合成的超支化聚合物的“核”分子1,1,1-三羟基苯基乙烷高度憎水，可以较好地与憎水药物相容；分子枝外部的聚乙二醇长链亲水性较好，增加了憎水药物在极性介质中的溶解性。控制超支化分子的尺寸和外形，从而可以控制缓释放药物在体内的

19、分布。若设计可与缓释放药物物理交联(例如氢键)的超支化大分子，水解后能够产生具有生物相容性的小分子药物。第28页/共36页4)导电聚合物和电发光 Miller等1997将合成的超支化聚(胺2酰胺)用阳离子萘二酰亚胺修饰后，在水溶液中或甲酰胺中用硫代硫酸钠还原为阴离子，在氩气保护下使水份挥发，即生成导电的超支化聚合物粉末。以甲酰胺为溶剂，将改性后的第三代超支化聚(胺-酰胺)制备成膜，完全还原的膜在中性环境下电导率为10-3 S/cm,半还原的膜电导率为10-2 S/cm。聚合物的电导率随湿度增加而增加，当相对湿度达到90%时,电导率为18S/cm。第29页/共36页 TaoeV，eV，电子亲和力

20、分别为3.4和2.4，表明这两种聚合物能够作为电子传导层和空穴传导层。通过旋涂可以制备高质量膜，使用这些新颖的电子发射体材料能够成功制造光发射二极管。第30页/共36页5)其它方面 Zhao等1998JACS 利用超支化聚(胺-酰胺)作为制备纳米材料的“纳米反应池”，如通过超支化分子内部的空隙还原Cu2+为Cu粒子，也就是使在超支化分子内部的Cu2+被化学法还原成粒径为464 nm 的团簇。改变超支化分子的结构和尺寸，可以控制生成不同大小的纳米粒子，这种方法有望用于制备过渡金属纳米材料.Kuhne等1996制备了可交联的聚甲基丙烯酸酯和超支化聚酯的混合物，用于作为稳定的非线性光学材料。第31页

21、/共36页 Sorensen等1997由聚丙烯、马来酸酯聚丙烯和由乙氧化的季戊四醇、2,2-二甲基丙酸合成的超支化聚酯与尼龙6共混制备具有优良相容性和粘结性能的热塑型混合物。Hong等2000使用超支化聚合物作为线型低密度聚乙烯的加工助剂,发现混合物的粘度下降，在固定挤出速度下流动加快，因而挤出所需的能量明显降低，同时 消除了以前加工过程中经常发生的鲨鱼皮现象。Jannerfeldt等1999将超支化聚合物接枝到聚丙烯上,大大降低了聚丙烯和尼龙6之间的界面张力,使两者能够较好地相容。第32页/共36页ATRP 学术研究和工业开发的展望 ATRP技术的出现开辟了活性聚合的新领域。ATRP技术集自

22、由基聚合与活性聚合的优点于一体，既可像自由基聚合那样进行本体、溶液、悬浮和乳液聚合，又可合成具有指定结构的聚合物，而且单体适用面十分广泛，几乎包括了所有适用于其他活性聚合体系的单体和一些目前无法进行活性聚合的单体。此外，ATRP还有一个非常有用的特点，即不需要经过复杂的合成路线，因此具有十分广阔的应用前景。第33页/共36页 由由于于ATRP 在在新新材材料料合合成成方方面面的的巨巨大大潜潜力力，不不仅仅引引起起了了学学术术界界的的关关注注，也也引引起起了工业界的极大兴趣了工业界的极大兴趣。ATRP 技技术术一一经经问问世世，Bayer、Geon、Rohm&Hass 等等十十二二家家大大公公司

23、司即即联联手手资资助助Carnegie-mellon 大大学学的的ATRP 研研究究。与与此此同同时时，DuPont、Dow、BASF、ICI、3M、IBM、Kodak 等等各各化化工工产产品品生生产产和和应应用用企企业业也也都都集集中中力力量量，利利用用该该技技术术开开发感兴趣的聚合物新材料发感兴趣的聚合物新材料。第34页/共36页 但是，ATRP的工业化还有很长的路要走，存在的主要的问题是催化体系活性不太高、用量较大、金属盐作催化剂对环境保护不利。因此，发展高活性催化剂或发展经济实用的催化体系回收技术是ATRP 工业化的关键。此外，ATRP工业化还要取决于能否用此方法合成具有商业价值的产品，因此研究和开发ATRP新产品也将会是今后ATRP 研究的一个重要方面。第35页/共36页感谢您的观看！第36页/共36页