ея2-бутилтритиокарбоната
Управляемый синтез полимеров с помощью нетрадиционных методов радикальной полимеризации уже давно привлекает внимание многих исследовательских групп. Это связано с тем, что в классических радикальных процессах, которые активно используются для получения многих современных синтетических материалов, возможности макромолекулярного дизайна существенно ограничены протеканием неконтролируемых реакций квадратичного обрыва макрорадикалов. Следствием этих реакций является короткое время жизни полимерной цепи по сравнению с продолжительностью самого процесса полимеризации. При этом цепи, возникающие на разных конверсиях, растут в неодинаковых условиях, поскольку по ходу процесса заметным образом меняются концентрация мономера и инициатора, а также вязкость реакционной смеси. В результате образуется продукт, характеризующийся широким ММР и который невозможно использовать для синтеза блокили привитых сополимеров. В случае радикальной сополимеризации возникает дополнительная сложность — при использовании мономеров, имеющих разную реакционную способность, на глубоких конверсиях в общем случае образуется широкодисперсный композиционно-неоднородный сополимер. В принципе существует два способа решения этой проблемы. Первый из них заключается в полном подавлении реакции квадратичного обрыва радикалов роста [1−5]. Второй — в ее замене другими реакциями, в которых макрорадикалы обратимо взаимодействуют со специально введенными добавками (агентами обрыва или передачи цепи) — при этом радикалы роста на время переходят в неактивное («спящее») состояние, а затем вновь «оживают» и участвуют в реакции роста цепи до следующего акта временного ограничения цепи [6]. Рассмотрим их подробнее.
Истинную безобрывную радикальную полимеризацию удается провести в условиях твердофазной пост-полимеризации [4]. Крайне низкая трансляционная и ориентационная подвижность активных центров полимеризации (радикалов и ионов) в твердой фазе при пониженных температурах позволяет, в отличие от жидкой фазы, разделить по времени стадии инициирования и роста полимерных цепей. В этих процессах зачастую используют радиационное инициирование при низких температурах (до 77 К [7]), когда мономер представляет собой застеклованную жидкость и в нем отсутствуют реакции роста и обрыва полимерных цепей. Твердофазную пост-полимеризацию наблюдали при последующем разогреве мономера при более высоких температурах. При этом существуют две стадии полимеризации. Вначале протекает нестационарный процесс, сопровождающийся гибелью части активных центровна второй стадии безобрывной твердофазной полимеризации, протекающей практически при постоянной концентрации активных центров, образуется основная часть полимера. В ряде случаев для ограничения подвижности макрорадикалов в полимеризационные системы вводили комплексообразователи (ZnCb, Н3РО4 и др.), способствующие стабилизации флуктуационной сетки зацеплений [2,3,5,8,9]. Такой структурно-физический подход позволяет осуществить синтез привитых и блок-сополимеров с контролируемой длиной блоков [8,9], однако его практическое исполнение сопряжено с заметными экспериментальными трудностями, и преимуществ перед живой анионной полимеризацией, хорошо зарекомендовавшей себя для целей макромолекулярного дизайна, он не имеет.
Интенсивные исследования, проводившиеся во всем мире, начиная с 1980;х годов, показали, что многие задачи контролируемого синтеза полимеров могут быть решены с помощью радикальных процессов, объединенных общим названием «псевдоживой радикальной полимеризации» [6]. В этих процессах, как уже упоминалось выше, макрорадикалы обратимо взаимодействуют со стабильными радикалами или специальными добавками — агентами обратимой передачи цепипри этом реакции квадратичного обрыва заметной роли не играют. К моменту постановки настоящей работы были подробно изучены и установлены основные закономерности четырех основных типов псевдоживых радикальных процессов: полимеризации в присутствии инифертеров (органических соединений, способных инициировать полимеризацию и участвовать в реакции обрыва и передачи цепиот англ. iniferter — ш/tiator/trans/er agent/terminator) [10−17], полимеризации по механизму обратимого ингибирования (в присутствии нитроксильных радикалов, нитрозосоединений и соединений переходных металлов) [18−26], полимеризации с вырожденной передачей цепи в присутствии алкилили арилгалогенидов [27,28] и полимеризации с переносом атома (atom transfer radical polymerization, ATRP) [2933]. Все эти процессы объединяются общей идеей — заменой необратимого квадратичного обрыва радикалов роста их обратимой реакцией со специальными добавками, в результате чего на полимерной цепи появляется лабильная концевая группа, способная или к распаду, или взаимодействию с другой частицей с регенерацией макрорадикала, участвующего в реакции роста цепи. Таким образом, рост макромолекулы происходит ступенчато посредством чередования ее периодов «сна» и «жизни». При достаточно большом числе таких периодов псевдоживая радикальная полимеризация по своим закономерностям приближается к «живой» анионной полимеризациипри этом образуются узкодисперсные полимеры с контролируемой ММ. Существенно, что полимеры, выделенные в ходе такого процесса, добавленные к свежей порции чужого мономера и — при необходимостиинициатора, способны к реинициированию псевдоживого процесса, что приводит к синтезу блоки привитых сополимеров. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки, которые были подробно проанализированы в литературе [6,34].
В 1998 г. появились первые сообщения австралийских ученых об использовании для контролируемого синтеза полимеров серосодержащих соединений общей формулы Z-C (=S)-S-R [35]- этот процесс получил в англоязычной литературе название RAFT — reversible addition-fragmentation chain transfer. В русскоязычной литературе мы ввели термин «псевдоживая радикальная полимеризация с обратимой передачей цепи (ОПЦ) по механизму присоединения-фрагментации», полностью отражающий суть этого процесса.
История открытия этого процесса достаточно интересна. В 1988 г. был предложен новый эффективный агент передачи цепи — а-бензилокситирол [36]. Оказалось, что при его введении в полимеризацию (инициированную ДАК) ММА или стирола молекулярная масса полимеров понижается более чем на порядок, а образующиеся макромолекулы содержат концевые бензильную и бензоилметиленовую группы. Для объяснения этих результатов авторы предложили следующий механизм процесса, который именно тогда впервые получил название RAFT:
Рп* + №СЧ о-стъ-од Рц-сн^ о-снгОй —- Рп-снх, 0 +"С№-СбН5 NC С С.
I I I с^ QH5 с6н5-сн2* + пМ— Рп*.
Следствием такого процесса должно быть увеличение молекулярной массы полимера с ростом конверсии, что и было подтверждено позже на примере полимеризации разных мономеров в присутствии подобных агентов обратимой передачи цепи (макромономеров, аллилсульфидов, аллилпероксидов и др.) [37−41].
Спустя десятилетие те же авторы предложили использовать в качестве ОПЦ-агентов соединения, содержащие тиокарбонильную группу (С (=8)-8) (эфиры дитиокарбоновых кислот, ксантаты, дитиокарбаматы, тритиокарбонаты) [35]. Этот процесс сразу показался привлекательным для многих исследователей, т.к. в достаточно мягких условиях его можно было использовать практически для всех мономеров, полимеризующихся по радикальному механизму.
Механизм ОПЦ-полимеризации наряду с обычными для радикальной полимеризации элементарными реакциями инициирования и роста цепи включает две специфические для ОПЦ-процесса обратимые реакции передачи цепи [42−44]:
• кас1. кв, 16 .
Рп + З^С-Б-Я < «Рп-в-С-З-Я «М «Рп-8-С=8 +Я (I) ъ к 1а ^ к. р ^.
ОПЦ-агент 1п11 полиОПЦ-агент к’а<1 к’р
Рш + в^С-Б-Рп < «Рт-8-С-8-Рп^=?: Р*п + 8=С-8-Рп (П) ка<1 1 кр ^.
Ш2.
При наличии в системе заметной концентрации свободного ОПЦ-агента макрорадикал Р&bdquo-* присоединяется к нему с образованием радикального интермедиата 1п1−1, который затем фрагментирует на радикал И* и полимерный ОПЦ-агент (реакция I). Если ОПЦ-агент является достаточно активным в реакции передачи цепи, то уже на ранних конверсиях происходит его полное превращение в полиОПЦ-агентпоследний также участвует в аналогичной последовательности обратимых реакций присоединения и фрагментации (реакция II), образуя в качестве промежуточного продукта радикальный интермедиат М2. При его фрагментации наблюдается «оживление» макрорадикалов, которые будут участвовать в реакции роста цепи до следующего акта присоединения к исходному (если он еще остался) или к полимерному ОПЦ-агенту. В результате этого ММ полимера по ходу реакции линейно повышается с конверсией, а за счет многократного повторения актов передачи цепи длина цепей макрорадикалов усредняется, и ММР получаемого полимера сужается. Выделенный из реакционной смеси полимер содержит активную группу 2-С (=8)-8-, и после введения в новую порцию мономера (того же или другого) способен продолжать процесс, сохраняя все черты, присущие псевдоживой полимеризации.
Первая волна публикаций с 1998 по 2005 г. г. была посвящена синтезу новых ОПЦ-агентов и возможности их использования для контролируемой полимеризации различных мономеров [45−86]. Параллельно начались исследования общих закономерностей этого процессапри этом появилось достаточно большое количество работ, в которых описывались специфические особенности ОПЦ-полимеризации, связанные с влиянием ОПЦ-агента на кинетику процесса [87−109]. При этом в литературе сразу же развернулась активная дискуссия по поводу механизма отдельных элементарных стадий и их роли в кинетике процесса [95−101? 104]. Единственное, что не подвергалось сомнению — это образование радикальных интермедиатов, существование которых в ряде систем было подтверждено методом ЭПР-спектроскопии [87, 92−94, 99].
При обычной радикальной полимеризации в процессе участвуют только два вида активных частиц: радикалы роста и инициатора. При ОПЦ-полимеризации ситуация заметно осложняется, так как в реакционной системе дополнительно появляются радикалы К* уходящих групп и радикальные интермедиаты М1 и 1Щ2, образующиеся по реакциям I и И. В зависимости от природы компонентов реакционной смеси и условий проведения процесса эти реакции могут перекрываться, и значительную часть времени все радикалы могут присутствовать в реакционной среде одновременно. Их химическая активность зависит от природы мономера и ОПЦ-агента, поэтому кинетическое поведение разных полимеризационных систем может достаточно сильно различаться.
В отдельных случаях ОПЦ-агент кинетически ведет себя как идеальный передатчик цепи, т. е. понижает ММ полимера, но практически не влияет на скорость полимеризации [105]. Однако чаще всего при введении ОПЦ-агента общая скорость полимеризации заметно уменьшается, при этом сохраняются основные черты псевдоживой полимеризации — линейный рост ММ с конверсией и достаточно узкое ММР образующегося полимера.
Причина влияния ОПЦ-агента на скорость процесса и явилась предметом длительных дискуссий [110]. В настоящее время наиболее серьезное внимание заслуживают две гипотезы. Первая, выдвинутая К. Барнером-Коволликом, связывает замедление ОПЦ-полимеризации с медленной фрагментацией радикальных интермедиатов [95, 96]. Вторая, впервые предложенная М. Монтейро [97] и подробно рассмотренная в работах Т. Фукуды [99, 104], для объяснения этого явления предполагает наличие новых реакций — реакции перекрестного (III) и квадратичного (IV) обрыва:
I" pn—S4^/S-Pm + Р’к — >¦ Pn—S—<�р—S—Рк (III) i z 7.
Pn—sd/s~Pm + pk—s ./s-pP kt" > pn-s-c-s-pra (IV) l t Pk-s-f-s-pp z.
Авторы кинетических исследований обычно придерживаются только одной из этих гипотез и не учитывают возможности влияния обоих факторовстабильности интермедиата и его участия в реакции обрыва — на кинетику процесса [111]. Существенным моментом является и то, что продукты обрыва интермедиатов до сих пор не были обнаружены среди продуктов реакции [91]. Кроме того, значения констант скоростей фрагментации и констант равновесия, полученные путем кинетического моделирования, часто противоречили экспериментальным данным [100].
Можно упомянуть еще две гипотезы, не получившие, впрочем, заметной поддержки в литературе. Одна из них, предложенная Ф. Калитцем, — гипотеза «селективности» (или «инициализационного периода») [89, 90, 92], согласно которой замедление будет наблюдаться в том случае, если константа скорости реакции присоединения радикала R* к мономеру существенно ниже константы скорости роста. Однако недавние квантово-механические расчеты, проведенные М. Кут [102,.
103, 113], показали, что при степени полимеризации Рп = 1−5 значения констант фрагментации и констант равновесия существенно выше, чем для полимерных заместителей с более высокой степенью полимеризации. Таким образом, так называемый «инициализационный период», т. е. фактически медленное установление стационарной скорости процесса, может быть обусловлен резкой зависимостью констант скоростей элементарных стадий ОПЦ-процесса от длины цепи. В другой гипотезе, предложенной М. Бубаком [114], вводятся альтернативные реакции обрыва:
Рп—8 8-Рт С.
Г> * Рщ ~~^ Рп. Рщ+ Рк-Рк с.
Рп—Б.
Рк.
Рп—в^Б-Рщ-Рп Рщ +Рк С Рк-Н.
Зк.
Однако экспериментального подтверждения эта гипотеза не нашла. * *.
Таким образом, несмотря на активное применение ОПЦ-полимеризации для задач макромолекулярного дизайна, до сих пор не существует единой кинетической схемы для описания закономерностей ОПЦ-гомополимеризации, что связано с недостатком экспериментальных данных о кинетике процесса различных мономеров в присутствии как низкомолекулярного, так и полимерного ОПЦ-агентов. Закономерности ОПЦ-сополимеризации практически вообще не изучены. Между тем, при переходе к ОПЦ-сополимеризации возникает ряд дополнительных проблем, например, вопрос о выборе эффективного ОПЦ-агента.
Поэтому в качестве основной цели настоящей работы мы выбрали выявление общих кинетических закономерностей и установление механизма псевдоживой радикальной гомои сополимеризации в присутствии агентов обратимой передачи цепи, как наиболее перспективного, с нашей точки зрения, направления псевдоживой радикальной полимеризации. При этом было необходимо разработать подходы для определения основных количественных параметров этого процесса, выявить взаимосвязь между реакционной способностью радикальных интермедиатов, образующихся по ходу процесса, и кинетическими особенностями процесса. Одной из важнейших задач работы также явилось применение разработанных подходов для обоснованного выбора оптимальных условий управляемого ОПЦ-синтеза различных линейных и гребнеобразных гомои сополимеров (статических, блочных и градиентных).
Для решения поставленных задач была использована методология, разработанная в нашей лаборатории и успешно примененная к исследованию инифертерной полимеризации и полимеризации в условиях обратимого ингибирования [11−15,22,23,25,26].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
Мономеры — стирол, ММА, н-бутилакрилат (НБА), терет-бутилакрилат (ТБА), винилацетат, Т^-винилпирролидон, 4-винилпиридин очищали при необходимости от ингибитора и перед использованием перегоняли в вакууме. И-Винилсукцинимид (ВСИ) синтезирован в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте по методике [115] и трижды перекристаллизован из раствора в изопропиловом спиртепара-(6-акрилоилоксикапроилоксифенил)-пара-метоксибензоат (АА) и холестерил-11-акрилоилундеканоат (ХА), были синтезированы по методикам [116] и [117] соответственно в лаборатории химических превращений кафедры ВМС химического факультета МГУ имени М.ВЛомоносова.
Инициаторы — динитрил-азо-бис-изомасляной кислоты (ДАК), перекись лауроила (ПЛ) перекристаллизовывали и сушили в вакууме, хранили в темноте в холодильнике.
Низкомолекулярные ОПЦ-агенты — бензилдитиобензоат (ББ), трет-бутилдитиобензоат (ТБ), циан-изопропилдитиобензоат (ЦИБ), 4−8-дитиобензоат 4-цианопентановой кислоты (ЦКБ), дибензилтритиокарбонат (БК), ди-трет-бутилтритиокарбонат (ТК), 8,8'-бмс (метил-2-изобутират)тритиокарбонат (МИК) синтезировали по известным методикам [118−120] и охарактеризовывали масс-спектрометрически и методом ЯМР. Коммерчески доступный ОПЦ-агент — Б-тиобензоил-8-тиогликолевую кислоту фирмы «АМпсЬ» (99%) использовали без дополнительной очистки.
Полимерные ОПЦ-агенты — полистиролдитиобензоат (ПСБ), поли (н-бутилакрилат)дитиобензоат (ПБАБ), полиметилметакрилатдитиобензоат (ПММАБ), сополи (стирол/н-бутилакрилат)дитиобензоат (ПСАБ1), сополи (стирол-метилметакрилат)дитиобензоат (ПСАБ2), полистиролтритиокарбонат (ПСК), поли («-бутилакрилат)тритиокарбонат (ПБАК), поли (да/?е/и-бутилакрилат)-тритиокарбонат (ПТБАК), полиметилметакрилаттритиокарбонат (ПММАК), поливинилацетаггритиокарбонат (ПВАК), сополи (7/-бутилакрилат/ти/7е/и-бутил-акрилат)тритиокарбонат (ИСАК), получали полимеризацией в массе по следующей типовой методике. В свежеперегнанном мономере растворяли инициатор ДАК заданной концентрации (от 10» до 10″ моль/л) и подходящий ОПЦ-агент определенной концентрации1 (0.6 — 0.1 моль/л). Реакционную смесь заливали в ампулу, присоединяли к вакуумной установке, дегазировали путем 4-кратного повторения циклов замораживания-размораживания и отпаивали от установки. Ампулу помещали в термостат, разогретый до заданной температуры (60−80°С), и полимеризовали требуемое время. По окончании полимеризации ампулу охлаждали в жидком азоте, вскрывали, и продукт реакции высаживали при перемешивании в 10-кратном избытке охлажденного метанола, отфильтровывали и промывали полимер холодным метанолом до обесцвечивания маточного раствораполимер растворяли в бензоле и лиофильно сушилианализировали методом ГПХ. При синтезе ПБАБ и ПБАК реакционную смесь по окончании полимеризации охлаждали, отгоняли остаточный мономер, остаток растворяли в 10-кратном избытке бензола и сушили лиофильно. Поли (ш/?а-(6-акрилоилоксикапроилоксифенил)-ла/7а-метоксибензоат)тритиокарбонат (ПААК) и поли (холестерил-11акрилоилундеканоат)тритиокарбонат (ПХАК) получали по аналогичной методике, используя 1.3 моль/л мономера, 0.2 моль/л ТК (в качестве ОПЦ-агента) и 10″ моль/л ДАК в растворе ТГФполимеризацию проводили при 80°Спо окончании полимеризации полимерные ОПЦ-агенты отделяли от непрореагировавшего мономера кипячением в этаноле и сушили в вакууме до постоянного веса.
Для исследования кинетики полимеризации, определения констант передачи цепи, изучения образования интермедиатов готовили растворы инициатора и ОПЦ-агента в мономере заданной концентрации. Приготовленные растворы разливали по ампулам диаметром 6 мм для калориметрических измерений (по 0.2 мл), 10 мм — для определения констант передачи цепи (по 2.5 мл) и диаметром от 2.1 до 5 мм в зависимости от диэлектрической постоянной мономера (по 50−100 мкл) для регистрации спектров ЭПР. Ампулы дегазировали и отпаивали.
В случае изучения ММ-характеристик полимеров и для определения констант передачи цепи ампулы помещали в водяной термостат, разогретый до нужной температуры (40−90°С), на требуемое время. По окончании полимеризации ампулы.
Выбор концентрации ОПЦ-агента определяется величиной требуемой ММ: [ОПЦ]о=[М]о/Рп, где [М]0 — начальная концентрация мономера иР&bdquo- - степень полимеризации полимера. охлаждали в жидком азоте, полимер растворяли в 10-кратном избытке бензола, после чего сушили лиофильно. Конверсию полимеров определяли гравиметрически.
Исследование кинетики радикальной гомои сополимеризации проводили калориметрическим методом на дифференциальном автоматическом микрокалориметре ДАК-1-la в режиме прямой регистрации скорости тепловыделения (dQ/dt) в изотермических условиях при температурах 60−90°С. В рабочую ячейку помещали ампулу с исследуемой смесью, в компенсационную ячейку сравнения — ампулу с приблизительно равным количеством уже заполимеризовавшегося мономера. На основании калориметрических кривых рассчитывали кинетические параметры полимеризации с использованием программ, разработанных в лаборатории полимеризационных процессов кафедры ВМС МГУ. Для расчетов использовали литературные значения энтальпий полимеризации [121]. Контроль осуществляли гравиметрическим методом.
Для изучения молекулярно-массовых характеристик полимеров2 использовали жидкостной хроматограф «Waters» с рефрактометрическим детектором, тремя колонками, наполненными ультрастирагелем с размером пор 103, 105 A и линейной колонкой при скорости потока 0.9 мл/мин при 35°Схроматограммы обрабатывали на интеграторе «Data Module -730». Ряд результатов получен в лаборатории Chimie Macromoleculaire, Париж, университет Paris VI на приборе, оборудованном рефрактометрическим детектором «LDC analytical» refracto Monitor ®IV, УФ детектором «Waters-484», предколонкой GPC Vorsaule PSS SDV 8×50 мм, 5ц и линейной колонкой, при скорости потока 1 мл/мин при 40 °C. Хроматограммы регистрировали с помощью программы «TriSec Data Acquisition System» и обрабатывали с помощью программного обеспечения «TriSec 3.0 GPC Software». ГПХ-анализ проводили в ТГФ, ММ-характеристики определяли по полистирольным стандартам.
Н и 13С ЯМР-анализ сополимеров стирола и ММА, гомополимеров ПБАБ проводили в лаборатории Chimie Macromoleculaire, Париж, университет Paris VI при 20 °C в растворе CDCI3 на спектрометре Brunker DRX 500 с рабочей частотой 300 МГц. Калибровку шкалы м.д. проводили по сигналу растворителя (77 м.д.).
2 Автор выражает благодарность к.х.н., с.н.с. Е. С. Гариной за проведение ГПХ-анализа.
1 ч.
Ни С ЯМР-анализ гомополимеров поли (М-винилпирролидона), ПБАК, ПТБАК, сополимеров N-винилпирролидона и БА, сополимеров N-винилпирролидона и ТБА проводили в Max-Planck Institute for Polymer Research (Майнц, Германия) при комнатной температуре в растворах CD2CI2 и CDCI3 на спектрометре Bruker DRX 300 с рабочей частотой 300 МГц. Калибровку шкалы м.д. проводили по сигналу растворителя.
Н ЯМР-анализ сополимеров ТБА и БА (для негидролизованных полимеров в 10% растворах в CDCI3, для гидролизованных — в 10% растворах в (CD3)2SO), для гомополимера поли (4-винилпиридина) и сополимеров 4-винилпиридина и ТБА (в 10% растворах в CD3OH) проводили в ВНИИСК им. С. В. Лебедева, Санкт-Петербург на спектрометре Bruker DRX с рабочей частотой 500 МГц при 20 °C.
ЭПР-спектры записывали на радиоспектрометре РЭ-1307. Количество радикалов рассчитывали с помощью компьютерной программы, позволяющей проводить двойное интегрирование спектра с последующим отнесением полученной величины к величине сигнала эталона (ион Мп в решетке MgO).B качестве стандарта использовали сахарный уголь. В случаях, когда в системе образуется очень нестабильный интермедиат (время жизни ~ секунды), периодическая регистрация его спектра ЭПР невозможна, т.к. время записи спектра измеряется минутами. Для изучения кинетики накопления и гибели интермедиатов использовали метод непрерывной записи кинетической кривойдля этого спектр интермедиата, состоящий из большого числа узких компонент, искусственно уширяли, используя высокий уровень высокочастотной модуляции. До начала фотолиза значение поля устанавливали в точку, где при появлении интермедиата амплитуда его спектра ЭПР будет максимальной. При включении света перо самописца отклонялось на величину, пропорциональную концентрации интермедиата. При выключении света самописец регистрировал кинетику гибели интермедиатов. Дальнейшие расчеты проводили с использованием факторов формы, заранее определенных нами для спектров соответствующих радикалов. Для моделирования спектров ЭПР применяли программу WINEPR SimFonia, Bruker Soft.
Мы провели два модельных эксперимента по изучению реакций обрыва с участием интермедиатов. В первом эксперименте готовили раствор ДАК и полимерного ОПЦ-агента (ПММАБ, ПБАБ и др.) заданных концентраций в свежеперегнанном бензоле. Реакционные смеси залили в ампулы, дегазировали на вакуумной установке и отпаяли. Ампулы поместили в термостат, разогретый до 80 °C, и выдержали требуемое времяпосле чего их охладили в жидком азоте, вскрыли, реакционные смеси разбавили бензолом и сушили лиофильно.
Во втором модельном эксперименте требуемое количество CuBr и Си поместили в колбу, содержащую анизол, закрыли резиновым септумом и продули аргоном. Затем шприцем внесли в эту колбу смесь, содержащую ПБАБ и поли (н-бутилакрилат)бромид (полученный по стандартной методике [121, 122] полимеризацией по механизму ATRP с использованием в качестве инициатора этилбромпропионата) в анизоле и предварительно продутую аргоном, после прибавили лиганд —1,1,4,7,7-пентаметилдиэтилентриамин. Колбу поместили в термостат, разогретый до требуемой температуры (50 или 90°С), и выдержали требуемое время. Образцы очистили от соединений меди на хроматографической колонке, отогнали растворитель в вакууме, растворили остаток в бензоле и сушили лиофильно под вакуумом.
Полимерные продукты анализировали методом ГПХ и ESI MS.
ESI-MS эксперименты проводили в Сиднейском университете (New South Wales) с использованием масс-спектрометра Thermo Finnigan LCQ с декаквадрупольной ионной ловушкой. Спектрометр оборудован источником ионизации при атмосферном давлении, который функционирует в распылителе, способствуя режиму электроспрея. Все спектры записывали в области m/z от 150 до 2000 Da с напряжением впрыскивания 5кВ и капиллярным напряжением 39 В при температуре в капилляре 275 °C. Систему продували смесью азота с гелием, азот использовался в качестве основного газа (поток: максимальное значение 40), гелийвспомогательный (поток — 5% от максимального значения во всех экспериментах). Растворитель — смесь ТГФ/метанол (6/4 по объему), концентрация полимера 0.4 мг/мл. Инструментальное разрешение прибора 0.1 а.е.м.
Анализ MALDI-TOF масс спектрометрии проводили в лаборатории Chimie Macromoleculaire, Париж, университет Paris VI на масс-спектрометре PerSeptiv Biosystems Voyager Elite, оснащенном азотным лазером с длинной волны 337 нм. Ускоряющее напряжение — 25 кВ. 10 мкл раствора полимера (2−5 г/л) в ТГФ смешали с 20 мкл раствора матрицы в ТГФ (25 г/л 1,8-дигидрокси-9(10Н)антрахинона) и 10 мкл раствора иодида натрия в том же растворителе (20 г/л). 1 мкл полученного раствора наносили на мишень, сушили на воздухе. Калибровка шкалы масс проводили с использованием ПС-стандартов. Массу пиков рассчитывали с учетом массы катиона 1Ма+, участвующего в ионизации макромолекул.
выводы.
1. Впервые разработаны систематические подходы для определения основных количественных параметров псевдоживой радикальной полимеризации с обратимой передачей цепи по механизму присоединения-фрагментации, которые позволили установить основные кинетические закономерности этого процесса и его механизм.
2. Разработаны методики обнаружения, анализа структуры и прямого количественного определения радикальных интермедиатов в полимеризационных системах, содержащих низкомолекулярные или полимерные ОПЦ-агенты. Для ряда систем это позволило впервые определить важный термодинамический параметр — константу основного равновесия и ее связь с условиями полимеризации и строением ОПЦ-агентов. С помощью прямых экспериментальных методов впервые показана связь между стабильностью интермедиатов и кинетикой процесса гомои сополимеризации, а также общность явления замедления ОПЦ-полимеризации.
3. На модельных экспериментах и путем анализа кинетических данных доказана возможность протекания реакций обрыва с участием радикальных интермедиатов в реальных полимеризационных системах. Впервые экспериментально обнаружена обратимость этих реакций.
4. Впервые для моделирования элементарных реакций ОПЦ-полимеризации и анализа их кинетики использован метод спиновой ловушки. Показано, что результаты, полученные с применением этого метода, полностью коррелируют с результатами, полученными при исследовании полимеризации.
5. Впервые описаны основные закономерности ОПЦ-сополимеризациипоказана возможность осуществления псевдоживого механизма при использовании ОПЦ-агента активного только для одного мономераразработана методика практического проведения этого процесса с целью синтеза композиционно-однородных узкодисперсных статистических, градиентных и чередующихся сополимеров.
6. Установлено, что полимерные ОПЦ-агенты многократно (в 10−100 раз) эффективнее в полимеризации, чем низкомолекулярныепоказана общность этого явления. Это обстоятельство принципиально облегчает выбор ОПЦ-агента в конкретных системах, т.к. позволяет использовать для контролируемой полимеризации более доступные и малоэффективные ОПЦ-агенты.
7. Установленные в работе закономерности ОПЦ-полимеризации нашли практическое применение для контролируемого синтеза гомополимеров и сополимеров различного строения (статистических, чередующихся, градиентных), а также различных ди-, трии мультиблок-сополимеров. Разработаны методики получения амфифильных сополимеров. Для ряда мономеров (И-винилсукцинимид, ш/>а-(6-акрилоилоксикапроилоксифенил)-ляра-метоксибензоат, холестерил-11-акрилоилундеканоат) и мономерных пар (4-винилпиридин и /и/>ет-бутилакрилат, винилацетат и стирол, ]^-винилсукцинимид и н-бутилакрилат, и др.) данный метод синтеза применен впервые. На примере некоторых мономерных пар изучено влияние микроструктуры полимерной цепи на физико-химические свойства продуктов полимеризациив частности изучена способность к самоорганизации на нано-уровне некоторых из синтезированных амфифильных и гребнеобразных сополимеров.
.
К настоящему времени из всех известных типов псевдоживых радикальных процессов наибольшее распространение получили три — полимеризация по механизму обратимого ингибирования в присутствии нитроксильных радикалов, полимеризация с переносом атома (АТЫР) и ОПЦ-полимеризация [6]- последнее направление является самым молодым. Каждый из этих процессов имеет как свои достоинства, так и недостатки, которые легко проиллюстрировать, сравнив следующие параметры: 1) круг полимеризуемых мономеров, 2) условия проведения процесса, 3) природу концевых групп и 4) доступность соответствующих агентов псевдоживой полимеризации.
В контролируемую гомополимеризацию по механизму обратимого ингибирования не вступают (или вступают с трудом) дизамещенные алкены такие, как метакрилаты, ее обычно применяют к стиролу, его аналогам, акрилатам. Полимеризация с переносом атома неприменима к винилацетату и другим неактивным мономерам, к мономерам, содержащим кислотные группыв нее с трудом вовлекаются азотсодержащие мономеры, способные к координации с ионами металлов. ОПЦ-полимеризация применима практически ко всем мономерам, способным полимеризоваться по радикальному механизму, включая винилацетат, винилпирролидон и винилпиридин. Термин «контролируемый» в данном случае означает возможность заранее запрограммировать необходимую структуру, число, состав, последовательность и — с высокой точностью — длину составляющих ее частей (блоков). Такая задача, представляющаяся фантастической для обычной радикальной полимеризации, является рядовой для псевдоживых процессов, и, в особенности, для ОПЦ-полимеризации с ее неприхотливостью в отношении природы используемых мономеров.
Для полимеризации по механизму обратимого ингибирования требуются повышенные температуры, поскольку «оживление» макрорадикалов происходит путем термораспада образующихся алкоксиаминов. Традиционно ее проводят при Т>120°С, хотя в последние годы появились новые агенты обратимого ингибирования, позволяющие проводить процесс при более низких температурах (90°С). ОПЦ-полимеризацию (как и полимеризацию с переносом атома) проводят при тех же температурах, что и классическую радикальную полимеризацию, т. е. в интервале температур 20−120°С. Реакционные смеси для ОПЦ-полимеризации или для полимеризации с участием нитроксилов устойчивы на воздухе. В отличие от них реакционные смеси для полимеризации с переносом атома легко окисляются и их необходимо готовить в инертной атмосфере- «капризность» реакционных смесей ограничивает возможности практического применения этого процесса.
Алкоксиамины термически нестабильны, особенно новые и наиболее эффективные из них. Полученные полимеры всегда содержат примесь нитроксила. В некоторых случаях это может оказаться полезным для стабилизации полимера. Нитроксильные радикалы достаточно дороги, а синтез их трудоемкий.
Заметным недостатком полимеров, полученных методом ОПЦ-полимеризации, является наличие в их составе тиокарбонильной группыона придает полимерам (особенно олигомерам) окраску, а также частично и запах. Термически полимеры с тиокарбонильной группой устойчивы. При необходимости, однако, ее можно легко удалитьсоответствующие способы известны и разработаны для разных типов полимеров и тиокарбонильных групп. Исходные ОПЦ-агенты в основном не являются коммерчески доступными, их необходимо синтезироватьметодики синтеза нетрудоемки, но зачастую в синтезе необходимо использовать сероуглерод. Однако последние публикации позволяют надеяться, что в скором времени эффективные ОПЦ-агенты станут продажными реактивами. Кроме того, установленный в работе факт значительного повышения эффективности при переходе от низкомолекулярного к полимерному ОПЦ-агенту позволяет принципиально снизить требования к используемому ОПЦ-агенту. Это значит, что для направленного синтеза полимеров можно использовать доступные, но малоэффективные ОПЦ-агенты, за счет незначительного усложнения синтезадля этого необходимо перейти к двухстадийному процессу.
Алкилгалогениды, используемые в полимеризации с переносом атома, либо легкодоступны, либо легко синтезируются. Полученный полимер содержит на конце цепи атом галогена, который при необходимости можно заменить другой подходящей функциональной группой реакциями электрофильного или нуклеофильного замещения. Однако по окончании полимеризации в системе всегда остаются соединения металла и лиганд, что требует очистки продукта реакции.
ОПЦ-полимеризация и полимеризация с переносом атома наиболее удобны для контролируемого синтеза олигомеров и высокомолекулярных полимеров, для синтеза разнообразных блок-сополимеров. Полимеризацию по механизму обратимого ингибирования можно использовать в тех случаях, когда требуется полное отсутствие в полимере примесей металлов или таких элементов, как сера.
Следует отметить, что ОПЦ-полимеризация является весьма перспективным методом направленного синтеза блок-сополимеров. Рассмотренные выше преимущества ОПЦ-полимеризации перед другими типами псевдоживых радикальных процессов, также позволяют надеяться (и это согласуется с анализом литературных данных [111, 127]), что наряду с полимеризацией с переносом атома блок-сополимеризация по механизму ОПЦ станет коммерческим процессом.
Из трех типов псевдоживых радикальных процессов (полимеризации по механизму обратимого ингибирования, полимеризации с переносом атома и ОПЦ-полимеризации) перспективы ОПЦ-процесса в использовании для контролируемого синтеза узкодисперсных сополимеров с различной структурой и свойствами (статистических, чередующихся, блочных, градиентных, амфифильных, гидрофильных, гидрофобных или полиамфолитов) весьма обнадеживающи. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что ОПЦ-сополимеризация применима к широкому кругу мономеров, а в тех случаях, когда для одного из мономеров тяжело подобрать эффективный ОПЦ-агент, его можно вовлечь в сополимеризацию по псевдоживому механизму с более активным мономером, для которого не стоит проблема выбора эффективного ОПЦ-агента, при этом контролируемый синтез сополимеров вплоть до глубоких конверсий удается осуществлять в широком интервале составов мономерных смесей. Мы предлагаем и другой прием: если у нас есть пара мономеров, для которой тяжело подобрать эффективный ОПЦ-агент, то можно использовать двухстадийный синтез. При этом контролируемый синтез сополимеров вплоть до глубоких конверсий удается осуществлять в широком интервале составов мономерных смесей. Эта специфическая черта, отличная от других типов псевдоживых процессов, обусловливает широкие возможности ОПЦ-процесса в контролируемом синтезе полимеров различной архитектуры.
Опираясь на полученные нами данные о кинетике и механизме ОПЦ-полимеризации, мы синтезировали свыше 50 различных полимерных структур, синтез которых методами обычной радикальной полимеризации был бы практически невозможен. Многие из полученных полимеров представляют значительный практический интересв особенности это относится к амфифильным сополимерам различной архитектуры.