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1、一種溫控相轉(zhuǎn)移催化合成的方法:甲基丙烯酸甲酯在水/有機(jī)兩相的活性自由基聚合體系Liangjiu Bai, Lifen Zhang, Jinlong Pan, Jian Zhu, Zhenping Cheng,* and Xiulin Zhu*江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)功能高分子設(shè)計(jì)與應(yīng)用,高分子科學(xué)與工程學(xué)系,化學(xué)學(xué)院,化學(xué)工程和材料科學(xué),蘇州大學(xué),蘇州215123,中國(guó)。摘要:這是一個(gè)新穎的策略,通過調(diào)節(jié)相轉(zhuǎn)移催化(溫控相轉(zhuǎn)移催化),電子轉(zhuǎn)移形成的分離催化在水/有機(jī)兩相的系統(tǒng)中被成功建立。為了完成甲基丙烯酸甲酯(甲醛丙烯酸甲酯)的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(原子轉(zhuǎn)移自由基聚合),用一個(gè)溫敏性的聚乙二醇聯(lián)

2、吡啶作為配體和一個(gè)烷基擬鹵素二硫代1-萘甲酸異丁腈酯(丁腈酯)作為引發(fā)劑。這個(gè)復(fù)雜的催化劑可以從最初的催化劑溶液轉(zhuǎn)移到有機(jī)相,在反應(yīng)溫度(90C)下催化甲基丙烯酸甲酯的聚合,然后再?gòu)挠袡C(jī)相轉(zhuǎn)移到水溶液以便把催化劑從溶液中分離出來,冷卻到室溫(25C),同時(shí)保持控制產(chǎn)品在有機(jī)層。此外,聚合可以在數(shù)量有限的空氣中存在, 僅僅通過一個(gè)簡(jiǎn)單的有效溫度的變化,這不僅不影響可控性還可以回收催化劑。介紹雖然均相催化劑在特別設(shè)計(jì)的配體幫助下顯示了較高的活性和選擇性,它被溶解在反應(yīng)介質(zhì)中,為使其從產(chǎn)品中分離出來這往往是具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。因此,兩相的催化劑體系,如離子液體、 氟兩相體系、水體系、高分子擔(dān)載催化劑,

3、調(diào)節(jié)相轉(zhuǎn)移催化(溫控相轉(zhuǎn)移催化),在合成化學(xué)上成為非常簡(jiǎn)易的方法。在這些報(bào)道中,兩相系統(tǒng),溫控相轉(zhuǎn)移催化系統(tǒng),由于其簡(jiǎn)單分離只是通過改變反應(yīng)體系的溫度。另外它已經(jīng)成功地應(yīng)用于各種類型的有機(jī)反應(yīng)(如水/有機(jī),兩相加氫甲?;?,Heck 反應(yīng),Suzuki反應(yīng),和click反應(yīng))。類似于金屬催化的有機(jī)反應(yīng),金屬催化活性自由基聚合(如原子轉(zhuǎn)移自由基聚合)是一種最通用的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合方法。但是,原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的大規(guī)模應(yīng)用是如何輕松地單獨(dú)使用的催化劑聚合系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。盡管在原子轉(zhuǎn)移自由基聚合催化劑分離系統(tǒng)中有許多優(yōu)秀案例,由于繁瑣的后處理需求,他們要么是費(fèi)時(shí)要么昂貴。而這個(gè)靈感是來自在有機(jī)反應(yīng)中

4、成功的溫控相轉(zhuǎn)移催化系統(tǒng)的例子,這項(xiàng)工作的目的是探討原子轉(zhuǎn)移自由基聚合系統(tǒng)在水溶液中建立溫控相轉(zhuǎn)移催化的可能性。有時(shí),由于以下原因原子轉(zhuǎn)移自由基聚合在水分散的媒介中進(jìn)行是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù):(a)X,減活化劑在水中可能會(huì)失去它的鹵化物配體,(b)X,活化劑可能不成比例,(c)如果它包含反應(yīng)親核組,烷基鹵化物引發(fā)劑可能水解或與單體反應(yīng)。然而,新開發(fā)的催化劑原子轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)伴隨生成電子轉(zhuǎn)移(通過電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生的催化劑來進(jìn)行原子轉(zhuǎn)移自由基聚合)。原子轉(zhuǎn)移自由基聚合,使它更容易在水中進(jìn)行控制,因?yàn)樗梢员怀晒Φ貞?yīng)用在不同的水系統(tǒng),如細(xì)乳液,微乳液。這不生成有機(jī)自由基但專門用于減少X到X活性種

5、類。另外,通過電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生的催化劑來進(jìn)行的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合可以有效地在有限的空氣中存在(氧氣),這促進(jìn)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合系統(tǒng)大規(guī)模的應(yīng)用??紤]到優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)備簡(jiǎn)單,儲(chǔ)存容易。通過電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)產(chǎn)生的催化劑來進(jìn)行原子轉(zhuǎn)移自由基聚合,這被用于調(diào)查在一個(gè)溫敏性聚乙二醇聯(lián)吡啶雙官能團(tuán)配體(聚乙二醇支持的聯(lián)吡啶配體)催化控制聚合物生成的可能性。(方案1)方案1 聚乙二醇支持的聯(lián)吡啶雙官能團(tuán)配體的合成途徑實(shí)驗(yàn)部分材料:甲基丙烯酸甲酯(99%)購(gòu)自上?;瘜W(xué)試劑有限公司(上海,中國(guó))。甲基丙烯酸甲酯被抑制劑通過中性氧化鋁柱移除。溴代異丁酸乙酯(98%),2,2-二氯苯乙酮(97%),2-溴苯乙酸乙酯(95%)

6、,氯丙酸甲酯(97%)從三苯基膦中置換出來被用作應(yīng)用基。聚乙二醇-600,2,2-聯(lián)吡啶胺,和銅(0)絲從Sigma Aldrich購(gòu)買被用作應(yīng)用基。二水氯化銅(99%),抗壞血酸(99.7%)和抗壞血酸鈉(97%)購(gòu)自上海化學(xué)試劑有限公司(上海,中國(guó))被用作應(yīng)用基。1-溴萘(97%,三苯基膦) 和二硫化碳( 97%,上?;瘜W(xué)試劑有限公司)。在使用偶氮二異丁腈前在一個(gè)分子篩上至少干燥二周(異丁腈)(偶氮二異丁腈 97%,上海化學(xué)試劑有限公司),在室溫真空下乙醇重結(jié)晶和干燥,最終產(chǎn)品保存在18C冰箱里。甲苯(99.9%),四氫呋喃(99.9%),四氯化碳(99.9%)和甲醇(99.9%)是購(gòu)自上

7、?;瘜W(xué)試劑公司被用作應(yīng)用基。去離子水是購(gòu)自蘇州大學(xué)去離子水有限公司被用作應(yīng)用基。所有的其他材料都來自上海化學(xué)試劑有限公司,它們被使用之前要用標(biāo)準(zhǔn)的方法處理。-二硫代萘甲酸異丁腈酯準(zhǔn)備-二硫代萘甲酸異丁腈,根據(jù)參考文獻(xiàn)中描述的方法35和36。方案包括裝有(0.11 mol)22.5g 1-溴萘的四氫呋喃90ml在一小時(shí)內(nèi)加入一瓶250ml含鎂(2.88 g, 0.118 mol)溶液然后回流一小時(shí)。在室溫下添加二硫化碳(8.36 g, 0.11 mol)到方案中,回流8小時(shí)?;旌衔锏谷胨胁⒂孟♂岥}酸酸化。氯仿的提取(40 mL 3),在真空蒸餾后,殘?jiān)c18ml乙酸乙酯混合在氮?dú)獗Wo(hù)下與4.7

8、g二甲基亞砜溶液反應(yīng)10小時(shí)。混合物添加12.24g偶氮二異丁腈回流15小時(shí)。溶劑蒸發(fā)后,得到粗產(chǎn)品-二硫代萘甲酸異丁腈酯。通過色譜法純化-二硫代萘甲酸異丁腈酯,然后保存在18C冰箱里。HNMR (CDCl3): = 1.95 (s, 6H); 7.42 (m,2H); 7.51 (m, 2H); 7.85 (m, 2H) 和 8.10 (m, 1H)。聚乙二醇600的甲磺?;?聚乙二醇600的甲磺酰化(1.2 g, 2 mmol),在真空下80C干燥1小時(shí),然后溶解在無(wú)水二氯甲烷(100 mL)并加入三辛胺(3.5 mL, 8 mmol),混合物攪拌下冷卻到0C。慢慢添加甲磺酰氯(0.93m

9、L, 12 mmol),在室溫下混合攪拌24小時(shí)。減壓下二氯甲烷的體積降低95%。剩余的二氯甲烷混合物冷卻至0C,在攪拌下慢慢加入無(wú)水乙醇(100ml)。一小時(shí)后,通過過濾獲得黃色油狀液體并用乙醚清洗(2 25 mL)。濾液集中,使用乙酸乙酯/甲醇= 10/1作為洗脫液通過硅膠柱層析法使混合物純化。最后,黃色油狀液體用于1HNMR分析。1H NMR (400 MHz, CDCl3): = 8.29 (dt,4H), 7.51 (m, 4H), 7.16 (dd, 4H), 6.86 (m, 4H), 4.36 (t, 4H), 3.07 (t,4H), 3.423.85 (m, PEG).聚乙

10、二醇聯(lián)吡啶配體準(zhǔn)備聚乙二醇聯(lián)吡啶雙官能團(tuán)配體功能化的過程是像參考3中描述的一樣。2,2-二吡啶胺(0.67 g, 3.91 mmol)溶解在無(wú)水二甲基甲酰胺中(5mL)。氫化鈉(0.1 g, 4.17 mmol)補(bǔ)充加入,并且把混合物在50C下混合攪拌2小時(shí)。二甲基聚乙二醇(1.30 g, 1.72 mmol)溶解在補(bǔ)充加入的氫化鈉溶液中,在90C下攪拌4小時(shí)然后二甲基酰胺減壓蒸發(fā)。褐色的殘留物在甲苯中(15 mL)再溶解,然后過濾掉殘?jiān)p壓下有機(jī)層體積減少95%。冷卻到0C,無(wú)水乙醚在攪拌下慢慢加入。濾液集中,乙酸乙酯/甲醇= 10/1作為洗滌液由在硅膠柱層析法純化來獲聚乙二醇聯(lián)吡啶雙官能

11、團(tuán)配體。1H NMR (400 MHz, CDCl3): = 8.29 (dt,4H), 7.51 (m, 4H), 7.16 (dd, 4H), 6.86 (m, 4H), 4.36 (t, 4H), 3.07 (t,4H), 3.423.85 (m, PEG)。甲醛丙烯酸甲酯原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的一般過程典型聚合過程的摩爾比率MMA/CPDN/CuCl22H2O/PSDL/AsAc= 200/0.1/0.8/0.5/2在有限的空氣(氧氣)中存在。列舉如下,混合物通過添加二水氯化銅(6.4 mg, 0.037 mmol), -二硫代萘甲酸異丁腈酯(1.3 mg, 4.7 mmol), 甲基丙烯

12、酸甲酯(1.0 mL, 0.94 mmol),聚乙二醇聯(lián)吡啶配體(17.7 L, 0.024 mmol),甲苯(1.0 mL),和去離子水(2.0mL加入到一個(gè)安瓿瓶中。胂酸基乙酸(16.2 mg, 0.094 mmol)補(bǔ)充加入,用惰性氣體(氬氣)直接密封至沒有氣泡,然后轉(zhuǎn)移到一個(gè)調(diào)到所需溫度的油浴(90C)中攪拌聚合。在所需的聚合時(shí)間之后,安瓿瓶被浸泡在冰水冷卻。之后打開安瓿瓶時(shí),有機(jī)相溶解在四氫呋喃(2 mL),在大量甲醇中沉淀(200 mL),聚合物過濾后在真空下干燥至恒重50C。通過重量分析計(jì)算單體轉(zhuǎn)化率。通用過程催化劑的回收首先,一個(gè)典型的聚合過程的摩爾比率:MMA/CPDN/Cu

13、Cl22H2O/PSDL/AsAc=200/0.1/0.8/0.5/2如上所述,在有限的空氣中存在。在90C下聚合后,安瓿瓶被浸泡在冰水冷卻,然后打開,產(chǎn)品溶解在四氫呋喃(2 mL)中,攪拌下在大量甲醇中沉淀。水相包括銅催化劑和溫敏性的聚乙二醇聯(lián)吡啶配體,被一個(gè)手按移液器收集,然后添加到一個(gè)新的安瓿瓶中以便使用。只通過添加-二硫代萘甲酸異丁腈酯聚合混合物(1.3 mg,4.7 mmol),甲醛丙烯酸甲酯(1.0 mL, 0.94 mmol),甲苯(1.0 mL), 胂酸基乙酸(16.2 mg, 0.094 mmol) 與再生催化劑溶液混合。同樣,水相聚合物被回收之后用作將來的實(shí)驗(yàn),其余的過程根

14、以上描述的一樣。鏈擴(kuò)展使用聚甲基丙烯酸甲酯作為大分子引發(fā)劑的典型程序聚甲基丙烯酸甲酯(Mn,GPC = 39 220 g/mol, Mw/Mn= 1.18)樣本獲得的摩爾比率MMA0/CPDN0/CuCl22H2O0/PSDL0/AsAc0 = 200/0.1/1/0.5/2在空氣中存在,作為大分子引發(fā)劑鏈延伸反應(yīng)的摩爾比:MMA0/CPDN0/CuCl22H2O0/PSDL0/AsAc0 = 200/0.13/0.8/0.5/2。鏈擴(kuò)展過程如下:聚甲基丙烯酸甲酯(246.2 mg, 6.28 mmol)溶解在1mL新制的甲醛丙烯酸甲酯中(0.940 g, 9.40 mmol),CuCl22H

15、2O (6.4 mg, 0.037mmol),聚乙二醇聯(lián)吡啶配體(17.7 L, 0.024 mmol),甲苯(1.0 mL),去離子水(2.0 mL) 用攪拌棒加入安瓿瓶中。胂酸基乙酸(16.2mg, 0.094 mmol)補(bǔ)充加入,安瓿瓶在空氣中封存。其余的程序上面描述的一樣。在90C下攪拌進(jìn)行鏈擴(kuò)展反應(yīng)。單體轉(zhuǎn)化率為10.6% /5 h。Mn和Mw / Mn通過凝膠滲透色譜法測(cè)定。(Mn,GPC = 56690 g/mol, Mw/Mn = 1.20)。描述合成聚合物的相對(duì)分子量(Mn,GPC)和分子量分布值(Mw/Mn)用配備了示差折光檢測(cè)器的凝膠滲透色譜儀(GPC)來確定,使用HR1

16、(孔隙大小:100 A,1005000Da),HR2(孔隙大?。?00A,500-2000Da),和HR4(孔隙大小:10000A,50-100000Da)列(7.8 300 mm,5m)可測(cè)分子量從到5g/mol。在30C下四氫呋喃作為洗脫液的流速為1.0 mL/min。用自動(dòng)進(jìn)樣器把樣本注入,校準(zhǔn)聚酯(甲基丙烯酸甲酯)從水中提取的標(biāo)準(zhǔn)。使用氘代氯仿作為溶劑和四甲基硅烷最為內(nèi)標(biāo)把所獲得聚合物的1HNMR圖譜記錄在INOVA 400 MHz核磁共振儀器上。結(jié)果與討論原子轉(zhuǎn)移自由基聚合引發(fā)劑在水/有機(jī)兩相的聚合效應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)溫控相轉(zhuǎn)移催化的概念。調(diào)節(jié)液液(有機(jī)水)兩相的催化將允許產(chǎn)品/催化劑分離

17、,僅僅通過改變聚合系統(tǒng)溫度并且沒有進(jìn)一步后處理的幫助。溫敏性的 2,2-聯(lián)吡啶胺連接在合成復(fù)合聚合物(聚乙二醇)的共價(jià)結(jié)束鏈上,用作雙官能的雙齒氮配體(方案1)。首先,如表1所示,一些傳統(tǒng)的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的引發(fā)劑參與了烷基鹵化物(如:溴代異丁酸乙酯,2,2-二氯苯乙酮,2-溴苯乙酸乙酯),胂酸基乙酸作為還原劑轉(zhuǎn)移生成催化劑的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合。但聚合反應(yīng)顯示的不可控性,伴隨著廣泛的分子量分布(Mw / Mn超過2.0),這表明至少這些傳統(tǒng)在這聚合條件下的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合引發(fā)劑不適合這個(gè)系統(tǒng)。因此,另一種方式使用烷基類鹵化物(如:引發(fā)轉(zhuǎn)移劑和可逆加成碎片鏈轉(zhuǎn)移劑)作為原子轉(zhuǎn)移自由基聚合引發(fā)

18、劑37-39在這項(xiàng)工作中進(jìn)一步調(diào)查。發(fā)現(xiàn),如表2條目14所示。當(dāng)傳統(tǒng)的鏈轉(zhuǎn)移劑(-二硫代萘甲酸異丁腈酯)作為引發(fā)劑被采用,主要的結(jié)果表明,不同摩爾比的聚合反應(yīng)MMA0/CPDN0/CuCl22H2O0/PSDL0/AsAc0= 200:x:0.8:0.5:2(x = 1, 0.5,0.25, 0.1) (VMMA = 1.0 mL, Vtoluene = 1.0 mL, 和Vwater = 2.0 mL)用一個(gè)精確控制的方法進(jìn)行:符合相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的理論分子量分布(Mw / Mn1.2)。它專門提到增加-二硫代萘甲酸異丁腈酯的數(shù)量來提高聚合速率(x從0.1 增加到1,甲醛丙烯酸甲酯在五小時(shí)內(nèi)從37.

19、3%增加到75.9%)。但是,在這個(gè)聚合系統(tǒng)中如果沒有-二硫代萘甲酸異丁腈酯加入,那么24小時(shí)后不會(huì)獲得聚合物(條目5)。此外,除了胂酸基乙酸(表2 條目7),抗壞血酸鈉(表2 條目8)也可以成功地被用作在兩相系統(tǒng)中。所有結(jié)果表明,它可用于溫控相轉(zhuǎn)移催化自由基聚合系統(tǒng)。 表1. 原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的引發(fā)劑使用PSDL作為配體的水/有機(jī)兩相的系統(tǒng)表2. 在水/有機(jī)兩相的系統(tǒng)中甲醛丙烯酸甲酯的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合使用丁腈酯作為引發(fā)劑 在水/有機(jī)兩相系統(tǒng)中甲基丙烯酸甲酯原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的聚合動(dòng)力學(xué)。為了進(jìn)一步調(diào)查在水/有機(jī)兩相的系統(tǒng)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的機(jī)制和-二硫代萘甲酸異丁腈酯作為引發(fā)劑,聚合動(dòng)力

20、學(xué)與不同數(shù)量的-二硫代萘甲酸異丁腈酯進(jìn)行詳細(xì)研究。圖1顯示了在90甲醛丙烯酸甲酯的聚合動(dòng)力學(xué)的摩爾比率:MMA/CPDN/CuCl22H2O/PSDL/AsAc= 200/x/0.8/0.5/2 (x = 1, 0.5, 0.2, 0.1)從圖中,可以看出,所有的四個(gè)動(dòng)力學(xué)情節(jié)與不同數(shù)量的-二硫代萘甲酸異丁腈酯顯示一階對(duì)單體濃度,這表明在整個(gè)計(jì)算的過程中活性物質(zhì)的數(shù)量保持不變。前者是最后一個(gè)的2.87倍。圖1 b顯示了Mn,GPC和Mw/Mn值的演變,在90下為原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的甲醛丙烯酸甲酯轉(zhuǎn)換獲得聚甲基丙烯酸甲酯。如圖1 b,Mn、GPC的價(jià)值,接近相應(yīng)的理論,增加與單體線性轉(zhuǎn)換,同時(shí)保

21、持低Mw /Mn值。這些結(jié)果表明,烷基類鹵化物實(shí)際上充當(dāng)有效擬鹵素的引發(fā)劑,如方案2所示,類似Matyjaszewski報(bào)告的組。回收的催化劑。上面提到的所有這些結(jié)果表明: 在有限空氣(氧氣)中一個(gè)成功的溫控相轉(zhuǎn)移催化聚合系統(tǒng)中通過使用-二硫代萘甲酸異丁腈酯作為擬鹵素引發(fā)劑。隨后,另一個(gè)關(guān)注的重要問題是在原子轉(zhuǎn)移自由基聚合系統(tǒng)中回收的催化劑。根據(jù)溫控相轉(zhuǎn)移催化的概念和現(xiàn)象,通過降低系統(tǒng)溫度到室溫再次進(jìn)入水相轉(zhuǎn)移催化劑。然后,通過添加新鮮的有機(jī)溶劑(甲苯),單體(甲醛丙烯酸甲酯),引發(fā)劑(-二硫代萘甲酸異丁腈酯),以及額外的還原劑(AsAc)水溶液包括被回收的復(fù)雜催化劑直接重新使用在下一個(gè)甲醛丙

22、烯酸甲酯的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合。有人指出原子轉(zhuǎn)移自由基聚合回收后的聚合速率比原來的要慢一點(diǎn),是由于一些催化劑回收過程中的損失。Mn,GPC的聚合物,接近相應(yīng)的理論值,加強(qiáng)與單體的線性轉(zhuǎn)換,同時(shí)保持低Mw /Mn值。結(jié)論總之,在有限的空氣(氧氣)中調(diào)節(jié)的水/有機(jī)兩相的系統(tǒng),這個(gè)策略已成功應(yīng)用于銅(II)介導(dǎo)原子轉(zhuǎn)移自由基系統(tǒng)。這聚合具有良好的可控性和分子量分布。重要的是僅僅通過改變有效溫度,金屬催化劑幾乎不污染最終產(chǎn)品,催化劑可以回收。這個(gè)有趣的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合可能提供一個(gè)高效的方法回收原子轉(zhuǎn)移自由基聚合催化劑。相關(guān)內(nèi)容支持信息在有限的空氣中聚合動(dòng)力學(xué)與不同的甲苯/水比例存在與否。通過網(wǎng)址htt

23、p:/這種資料免費(fèi)獲取。作者信息聯(lián)系人郵箱:chengzhenping,傳真+86-512-65882787(Z.C.);郵箱:xlzhu,傳真+ 86-512-65112796(X.Z.)。注釋作者聲明沒有競(jìng)爭(zhēng)和經(jīng)濟(jì)利益。鳴謝經(jīng)濟(jì)支持:中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金(號(hào)21174096,21174096,21174096),專門研究高等教育的博士項(xiàng)目基金(20103201110005),該項(xiàng)目國(guó)際合作的中國(guó)科技部(2011號(hào)dfa50530)和項(xiàng)目?jī)?yōu)先資助的學(xué)術(shù)程序開發(fā)江蘇高等教育機(jī)構(gòu)(PAPD)。參考文獻(xiàn)(1) Wasserscheid, P.; Keim, W. Angew

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