Радикальная полимеризация с обратимой дезактивацией - Reversible-deactivation radical polymerization

ИЮПАК определение для
радикальная полимеризация с обратимой дезактивацией

Цепная полимеризация, размножаются радикалами, которые обратимо деактивируются, переводя их в активный / спящий равновесие из которых может быть более одного.^[1]
Смотрите также полимеризация с обратимой дезактивацией RDP.

Обратимая дезактивация радикальной полимеризации являются членами класса полимеризация с обратимой дезактивацией которые во многом демонстрируют характер живые полимеризации, но их нельзя отнести к таковым, поскольку они не лишены реакций передачи цепи или обрыва цепи.^[2][3] В литературе использовалось несколько разных названий, а именно:

• Живая радикальная полимеризация
• Живая свободнорадикальная полимеризация
• Контролируемая / «живая» радикальная полимеризация
• Контролируемая радикальная полимеризация
• Обратимая дезактивация радикальной полимеризации

Хотя термин «живая» радикальная полимеризация использовался в первые дни, он не одобрялся IUPAC, потому что радикальная полимеризация не может быть действительно живым процессом из-за неизбежных реакций обрыва между двумя радикалами. Допускается обычно используемый термин "контролируемая радикальная полимеризация", но рекомендуется радикальная полимеризация с обратимой деактивацией или радикальная полимеризация с обратимой деактивацией (RDRP).

История и характер

RDRP - иногда ошибочно называемый «свободнорадикальной полимеризацией» - один из наиболее широко используемых процессов полимеризации, поскольку его можно применять

• к большому разнообразию мономеров
• может проводиться в присутствии определенных функциональных групп
• техника довольно проста и удобна в управлении
• условия реакции могут варьироваться от объема над раствором, эмульсии, миниэмульсии до суспензии.
• это относительно недорого по сравнению с конкурентными технологиями

В устойчивое состояние концентрация растущих полимерных цепей составляет 10⁻⁷ M по порядку величины, а среднее время жизни отдельного полимерного радикала до обрыва составляет около 5–10 с. Недостатком традиционной радикальной полимеризации является ограниченный контроль архитектуры цепи, молекулярно-массового распределения и состава. В конце 20 века было замечено, что при добавлении определенных компонентов в системы, полимеризуемые по цепному механизму, они способны обратимо реагировать с (радикальными) переносчиками цепи, временно переводя их в «спящее» состояние.^[4][5] Это привело к увеличению срока службы растущих полимерных цепей (см. Выше) до значений, сравнимых с продолжительностью эксперимента. В любой момент времени большинство радикалов находятся в неактивном (бездействующем) состоянии, однако они не прекращаются необратимо («мертвы»). Лишь небольшая часть из них являются активными (растущими), но при высокой скорости взаимного превращения активных и бездействующих форм, превышающей скорость роста, одинаковая вероятность роста обеспечивается для всех цепочек, т. Е. В среднем все цепочки являются растет с той же скоростью. Следовательно, вместо наиболее вероятного распределения молекулярные массы (степени полимеризации) предполагают гораздо более узкую распределение Пуассона, и более низкий дисперсность преобладает.

ИЮПАК также признает альтернативное название «контролируемая радикальная полимеризация с обратимой дезактивацией» как приемлемое, «при условии, что указан контролируемый контекст, который в данном случае включает молекулярную массу и молекулярно-массовое распределение». Эти типы радикальной полимеризации не обязательно являются «живой» полимеризацией, поскольку не исключены реакции обрыва цепи ».^[1][2][3]

Прилагательное «контролируемый» указывает на то, что контролируется определенная кинетическая характеристика полимеризации или структурный аспект образующихся молекул полимера (или и то, и другое). Выражение «контролируемая полимеризация» иногда используется для описания радикальный или же ионная полимеризация в котором обратимая деактивация цепные перевозчики является важным компонентом механизма и прерывает распространение, что обеспечивает контроль одной или нескольких кинетических характеристик полимеризация или один или несколько структурных аспектов макромолекулы сформированы, или оба. Выражение «контролируемая радикальная полимеризация» иногда используется для описания радикальной полимеризации, которая проводится в присутствии агентов, которые приводят, например, к радикальная полимеризация с переносом атома (ATRP), полимеризация, опосредованная нитроксидом (амиоксилом) (NMP), или полимеризация с обратимым присоединением-фрагментацией цепи (RAFT). Все эти и последующие контролируемые полимеризации включены в класс радикальных полимеризаций с обратимой дезактивацией. Всякий раз, когда прилагательное «контролируемый» используется в этом контексте, необходимо указать конкретные кинетические или структурные особенности, которые контролируются.

Полимеризация с обратимой дезактивацией

Существует режим полимеризации, называемый полимеризация с обратимой дезактивацией которая отличается от живой полимеризации, несмотря на некоторые общие черты. Для живой полимеризации требуется полное отсутствие 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 аспекты этого сравниваются в таблице:

Сравнение процессов радикальной полимеризации

Свойство	Стандартная радикальная полимеризация	Живая полимеризация	Полимеризация с обратимой дезактивацией
Concn. инициирующих видов	Отваливается медленно	Отваливается очень быстро	Отваливается очень быстро
Concn. цепных перевозчиков (Количество растущих цепочек)	Мгновенное установившееся состояние (Приближение Боденштейна применяется) уменьшается на протяжении всей реакции	Постоянная на протяжении всей реакции	Постоянная на протяжении всей реакции
Срок службы растущих цепей	~ 10^−3 s	То же, что и продолжительность реакции	То же, что и продолжительность реакции
Основная форма прекращение	Радикальное сочетание или радикальное диспропорционирование	Завершающие реакции исключены	Прекращающие реакции нет исключено
Распределение молярной массы	Широкий ассортимент (Ð> = 1,5), Распределение Шульца-Зимма	Узкий диапазон (Р <1,5), распределение Пуассона	Узкий диапазон (Р <1,5), распределение Пуассона
Спящие состояния	Никто	Редкий	Преобладающий

Общие черты

Как следует из названия, предварительным условием успешного RDRP является быстрая и обратимая активация / деактивация распространяющихся цепочек. Существует три типа RDRP; а именно дезактивация катализированной обратимой связью, дезактивация спонтанной обратимой связью и дезактивация дегенеративным переносом (DT). Возможно сочетание различных механизмов; например RDRP, опосредованный переходным металлом, 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_п добавлением нескольких мономерных звеньев до того, как произойдет реакция дезактивации, чтобы регенерировать спящие виды. Одновременно два радикала могут реагировать друг с другом с образованием мертвых цепей со скоростным коэффициентом k_т. На скорость распространения и обрыва 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 радикалов роста с растворителем, мономером, полимером, катализатором, добавками и т. Д., Могут привести к дополнительной потере функциональности конца цепи (CEF).^[7] Общий коэффициент скорости реакций обрыва цепи, помимо прямого обрыва между двумя радикалами, представлен как k_tx.

Во всех методах RDRP теоретическая среднечисленная молекулярная масса полученных полимеров, M_п, может быть определена следующим уравнением:

${\displaystyle M_{\text{n}}=M_{\text{m}}\times {\frac {[{\text{M}}]_{0}-[{\text{M}}]_{t}}{[{\text{R-X}}]_{0}}}}$

куда M_м - молекулярная масса мономера; [M]₀ И м]_т - концентрации мономера в момент времени 0 и времени т; [R-X]₀ - начальная концентрация инициатора.

Помимо расчетной молекулярной массы, хорошо контролируемый RDRP должен давать полимеры с узким молекулярным распределением, которое можно количественно определить с помощью M_ш/M_п ценности и хорошо сохранившиеся функции конца цепочки.

Хорошо управляемый процесс RDRP требует: 1) обратимый процесс деактивации должен быть достаточно быстрым; 2) реакции разрыва цепи, которые вызывают потерю функциональных возможностей концов цепи, должны быть ограничены; 3) правильно поддерживаемая концентрация радикалов; 4) инициатор должен иметь надлежащую активность.

Примеры

Радикальная полимеризация с переносом атома (ATRP)

Основная статья: Радикальная полимеризация с переносом атома

Инициатором полимеризации обычно является галогенидорганический агент, а состояние покоя достигается в металлическом комплексе переходного металла («радикальный буфер»). Этот метод очень универсален, но требует нетрадиционных систем инициаторов, которые иногда плохо совместимы с полимеризационной средой.

Нитроксид-опосредованная полимеризация (NMP)

Основная статья: Нитроксид-опосредованная радикальная полимеризация

При определенных условиях может происходить гомолитическое расщепление связи C-O в алкоксиламинах, и может быть образован стабильный 2-центральный 3-электронный радикал N-O, способный инициировать реакцию полимеризации. Предварительными условиями для алкоксиламина, подходящего для инициирования полимеризации, являются объемные, стерически препятствующие заместители у вторичного амина, и заместитель у кислорода должен быть способен образовывать стабильный радикал, например бензил.

Пример обратимой реакции дезактивации

Обратимая передача цепочки сложения-фрагментации (RAFT)

Основная статья: Обратимая аддитивно-фрагментарная полимеризация с переносом цепи

RAFT - один из самых универсальных и удобных методов в этом контексте. Наиболее распространенные процессы RAFT осуществляются в присутствии тиокарбонилтиосоединений, которые действуют как радикальные буферы. В то время как в ATRP и NMP происходит обратимая дезактивация распространяющихся радикально-радикальных реакций, а неактивные структуры представляют собой галогенсодержащее соединение в ATRP и алкоксиамине. в NMP, оба являются стоком для радикалов и источником одновременно и описываются соответствующими равновесиями. RAFT, напротив, контролируется реакциями передачи цепи, которые находятся в равновесии дезактивация-активация. Поскольку радикалы не образуются и не разрушаются, для инициирования и поддержания реакции распространения необходим внешний источник радикалов.

Стадия инициации ОПЦ-полимеризации

${\displaystyle {\ce {I->I^{.}->[{\ce {M}}]->[{\ce {M}}]P_{\mathit {n}}^{.}}}}$

Обратимая цепная передача

Шаг повторной инициации

${\displaystyle {\ce {R^{.}->[{\ce {M}}]RM^{.}->[{\ce {M}}]->[{\ce {M}}]P_{\mathit {m}}^{.}}}}$

Шаг уравновешивания цепи

Шаг прекращения

${\displaystyle {\ce {{P_{\mathit {m}}^{.}}+P_{\mathit {n}}^{.}->P_{\mathit {m}}P_{\mathit {n}}}}}$

Каталитическая передача цепи и радикальная полимеризация с участием кобальта

Основные статьи: Каталитическая передача цепи и Радикальная полимеризация, опосредованная кобальтом

Хотя и не строго живая форма полимеризации каталитическая полимеризация с переносом цепи Следует упомянуть, поскольку он играет важную роль в развитии более поздних форм живой свободнорадикальной полимеризации. Обнаруженный в конце 1970-х годов в СССР, было обнаружено, что кобальт порфирины смогли сократить молекулярный вес в течение полимеризация из метакрилаты Более поздние исследования показали, что кобальт глиоксим комплексы были столь же эффективны, как и порфириновые катализаторы, а также менее чувствительны к кислороду. Из-за их более низкой чувствительности к кислороду эти катализаторы были исследованы гораздо более тщательно, чем порфириновые катализаторы.

Основными продуктами каталитической полимеризации с переносом цепи являются: винил -концевые полимерные цепи. Одним из основных недостатков процесса является то, что каталитическая полимеризация с переносом цепи не дает макромономеры но вместо этого производит добавление агентов фрагментации. Когда растущая полимерная цепь реагирует с агентом аддитивной фрагментации, радикал конечная группа атакует виниловую связь и образует связь. Однако полученный продукт так затрудненный что вид подвергается фрагментации, что в конечном итоге приводит к телехелические виды.

Эти агенты передачи цепи фрагментации присоединения действительно образуют привитые сополимеры с стирольный и акрилат видов, однако они делают это, сначала формируя блок-сополимеры и затем включение этих блок-сополимеров в основную цепь полимера.

Пока высокий дает макромономеров возможны с метакрилатом мономеры, низкие выходы получаются при использовании каталитических агентов передачи цепи во время полимеризации акрилатных и стриеновых мономеров. Было замечено, что это происходит из-за взаимодействия радикального центра с катализатором во время этих реакций полимеризации.

В обратимая реакция кобальта макроцикл с растущим радикалом известен как кобальт-углеродная связка и в некоторых случаях приводит к живым реакциям полимеризации.

Инифертерная полимеризация

An iniferter это химическое соединение который одновременно действует как инициатор, агент переноса и терминатор (отсюда и название ini-fer-ter) в контролируемой полимеризации инициатора свободных радикалов, наиболее распространенным является дитиокарбамат тип.^[8][9]

Полимеризация с переносом йода (ИТП)

Полимеризация с переносом йода (ИТП, также называемый ITRP), разработанный Татемото и его коллегами в 1970-х годах.^[10] дает относительно низкие полидисперсности для фторолефин полимеры. Несмотря на то, что ей уделялось относительно мало академического внимания, эта химия послужила основой для нескольких промышленных патентов и продуктов и может быть наиболее коммерчески успешной формой свободной радикальной полимеризации.^[11] Он в основном использовался для включения йод вылечить сайты в фторэластомеры.

Механизм ИТП включает термическое разложение радикального инициатора (обычно персульфат ), порождающий инициирующий радикал In •. Этот радикал присоединяется к мономеру M с образованием частиц P₁•, который может распространяться на P_м•. Путем обмена йода с агента переноса R-I на радикал роста P_м• образуется новый радикал R • и P_м• становится неактивным. Этот вид может размножаться с мономером M на P_п•. Во время полимеризации происходит обмен между различными полимерными цепями и агентом переноса, что типично для процесса дегенеративного переноса.

Как правило, полимеризация с переносом йода использует моно- или дииодопер.фторалкан как начальный цепная передача агент. 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] Следовательно, йод легко удаляется в присутствии свободных радикалов. При встрече с иодоперфторалканом растущая поли (фторолефиновая) цепь отрывает йод и обрывается, оставляя теперь созданный перфторалкильный радикал для добавления дополнительного мономера. Но поли (фторолефин) с концевыми йодными группами сам по себе действует как агент передачи цепи. Как и в процессах RAFT, до тех пор, пока скорость инициирования остается низкой, конечным результатом является формирование монодисперсного молекулярно-массового распределения.

Было описано использование обычных углеводородных мономеров с иодоперфторалкановыми агентами передачи цепи.^[13] Полученные в результате молекулярно-массовые распределения не были узкими, поскольку энергетика связи йод-углеводород значительно отличается от энергетической связи йод-фторуглеродной связи, и отрыв йода от полимера с концевыми группами затруднен. Использование углеводород йодиды также был описан, но снова полученные распределения молекулярной массы не были узкими.^[14]

Получение блок-сополимеров с помощью полимеризации с переносом йода было также описано Татемото и соавторами в 1970-х годах.^[15]

Хотя использование живых свободнорадикальных процессов в эмульсионной полимеризации было охарактеризовано как трудное,^[16] все примеры полимеризации с переносом йода включают эмульсионную полимеризацию. Заявлены очень высокие молекулярные массы.^[17]

Ниже перечислены некоторые другие, менее описанные, но в некоторой степени все более важные методы живой радикальной полимеризации.

Селенцентрированная радикально-опосредованная полимеризация

Дифенилдиселенид и несколько бензильных селенидов были исследованы Квоном. и другие. как фотоинифертеры при полимеризации стирола и метилметакрилата. Предполагается, что их механизм контроля над полимеризацией аналогичен иницифертерам дисульфида дитиурама. 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)

Теллурид-опосредованная полимеризация или TERP, как впервые оказалось, 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 Z-X-R, где Z = метил и R = хорошо удаляемая свободнорадикальная группа, дают лучший контроль для широкого диапазона мономеров, фенилтеллуриды (Z = фенил) дают плохой контроль. Полимеризация метилметакрилатов контролируется только дителлуридами. Важность X для передачи цепи возрастает в ряду O

Стибин-опосредованная полимеризация

Совсем недавно Ямаго и другие. сообщили о полимеризации, опосредованной стибином, с использованием агента переноса органостибина с общей структурой Z (Z ') - Sb-R (где Z = активирующая группа и R = свободнорадикальная уходящая группа). Можно контролировать широкий спектр мономеров (стирола, (мет) акрила и винилов), что дает узкие молекулярно-массовые распределения и предсказуемые молекулярные массы в термически инициированных условиях.^[20][21] Ямаго также опубликовал патент, в котором указывается, что алкилы висмута могут также контролировать радикальную полимеризацию с помощью аналогичного механизма.

Медная полимеризация

Основная статья: Опосредованная медью (0) радикальная полимеризация с обратимой дезактивацией

Известно, что более радикальная полимеризация с обратимой дезактивацией катализируется медь.

Рекомендации

1. Дженкинс А.Д., Джонс Р.Г., Моад Г. (2009). «Терминология для радикальной полимеризации с обратимой дезактивацией, ранее называемая« контролируемой »радикальной или« живой »радикальной полимеризацией (Рекомендации IUPAC 2010)». Чистая и прикладная химия. 82 (2): 483–491. Дои:10.1351 / PAC-REP-08-04-03. ISSN  1365-3075.
2. Шварц, М. (1956). "'Живые «полимеры». Природа. 178 (1): 1168–1169. Bibcode:1956Натура.178.1168S. Дои:10.1038 / 1781168a0.
3. Шварц М. (2000). «Комментарии к« Живая полимеризация: обоснование единой терминологии »Дарлинга и др.». J. Polym. Sci. А. 38 (10): 1710.
4. Патент США 4581429, Д. Х. Соломон, Э. Риццардо, П. Качоли, "титул" 
5. Г. Моад; Э. Риццардо (1995). «Алкоксиамин-инициированная живая радикальная полимеризация: факторы, влияющие на скорость гомолиза алкоксиамина». Макромолекулы. 28 (26): 8722–8728. Bibcode:1995MaMol..28.8722M. Дои:10.1021 / MA00130A003.
6. Чжун, М; Матяшевский, К (2011). «Как быстро можно провести CRP с сохранением функциональности конца цепочки?». Макромолекулы. 44 (8): 2668–2677. Bibcode:2011MaMol..44.2668Z. Дои:10.1021 / ma102834s.
7. Ван, Y; Soerensen, N; Чжун, М; Schroeder, H; Бубак, М; Матяшевский, К (2013). «Повышение« живучести »ATRP за счет снижения концентрации медного катализатора». Макромолекулы. 46 (3): 683–691. Bibcode:2013MaMol..46..683W. Дои:10.1021 / ma3024393.
8. Оцу, Такаяки (1982). «Роль инициатора-переносчика-терминатора (инициатора) в радикальной полимеризации: Дизайн полимера с использованием органических дисульфидов как инициаторов». Die Makromolekulare Chemie, Rapid Communications. 3: 127–132. Дои:10.1002 / marc.1982.030030208.
9. Оцу, Такаяки (1982). «Модель живой радикальной полимеризации». Die Makromolekulare Chemie, Rapid Communications. 3: 133–140. Дои:10.1002 / marc.1982.030030209.
10. Татемото, Масаёши; Сузуки, Такеши; Томода, Масаясу; Фурукава, Ясуёси и Уэта, Ютака (1981-01-06) "Сшиваемый фторсодержащий полимер и его производство" Патент США 4243770 .
11. Амедури, B; Бутевин, Б (1999). «Использование телехелатных фторированных дииодидов для получения четко определенных фторполимеров». J. Fluorine Chem. 100: 97–116. Дои:10.1016 / с0022-1139 (99) 00220-1.
12. Карлсон, Дана П. (1991-08-06) "Стойкие к основанию фторэластомеры с улучшенной технологичностью и отверждаемостью". Патент США 5,037,921 .
13. Арчелла, Винченцо; Бринати, Джулио; Альбано, Маргерита и Тортелли, Вито (1996-12-17) "Фторэластомеры, содержащие мономерные звенья, полученные из бис-олефина". Патент США 5,585,449 .
14. Banus, J .; Emeleus, H.J .; Haszeldine, Р. Н. (1951). «12. Гетеролитическое расщепление углерод-йодной связи в трифториодметане». J. Chem. Soc.: 60. Дои:10.1039 / младший 9510000060.
15. Lansalot, M .; Farcet, C .; Шарле, Б.; Вайрон, Ж.-П. (1999). "Контролируемая свободнорадикальная миниэмульсионная полимеризация стирола с использованием дегенеративного переноса". Макромолекулы. 32 (22): 7354–7360. Bibcode:1999MaMol..32.7354L. Дои:10.1021 / ma990447w.
16. Matyjaszewski, K .; Gaynor, S .; Ван, Ж.-С. (1995). «Контролируемая радикальная полимеризация: использование алкилйодидов в дегенеративном переносе». Макромолекулы. 28 (6): 2093–2095. Bibcode:1995MaMol..28.2093M. Дои:10.1021 / ma00110a050.
17. Циглер, К. (1936). "Die Bedeutung der alkalimetallorganischen Verbindungen für die Synthese". Энгью. Chem. 49 (30): 499–502. Дои:10.1002 / ange.19360493003.
18. Квон, Тэ Сок; Кумадзава, Саданори; Ёкои, Тэцуя; Кондо, Сюдзи; Кунисада, Хидео; Юки, Ясуо (1997). «Живая радикальная полимеризация стирола с дифенилдиселенидом в качестве фотоинифертера. Синтез полистирола с двойными связями углерод-углерод на обоих концах цепи». Журнал макромолекулярной науки, часть A. 34 (9): 1553–1567. Дои:10.1080/10601329708010026.
19. Гото А, Квак Й, Фукуда Т., Ямаго С., Иида К., Накадзима М., Йошида Дж. (2003). «Изобретение на основе механизма высокоскоростной живой радикальной полимеризации с использованием целлюлозоорганических соединений и азоинициаторов». Варенье. Chem. Soc. 125 (29): 8720–1. Дои:10.1021 / ja035464m. PMID  12862455.
20. Ямаго С., Рэй Б., Иида К., Йошида Дж., Тада Т., Йошизава К., Квак И., Гото А., Фукуда Т. (2004). «Универсальные органостибиновые медиаторы для живой радикальной полимеризации». Варенье. Chem. Soc. 126 (43): 13908–9. Дои:10.1021 / ja044787v. PMID  15506736.
21. Ямаго С., Кайахара Е., Котани М., Рэй Б., Квак И., Гото А., Фукуда Т. (2007). «Высоко контролируемая радикальная полимеризация живых организмов посредством двойной активации висмутиноворганических соединений». Энгью. Chem. Int. Эд. Англ.. 46 (8): 1304–6. Дои:10.1002 / anie.200604473. PMID  17205592.