技術(shù)方法-RAFT

1、可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合RAFT一、簡介Graeme Moad 在Adelaide大學(xué)修得碩博學(xué)位，研究領(lǐng)域是有機(jī)自由基化學(xué)。于1979年加入CSIRO（澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織 ），其文章被引9000多次（2009統(tǒng)計(jì)），Dr Moad 在IUPAC高分子部門有頭銜，并且是澳大利亞化學(xué)會(huì)和RACI(澳大利亞皇家化學(xué)會(huì))的成員。Ezio Rizzardo 在1969年于悉尼大學(xué)獲得Ph.D學(xué)位，于1976年加入CSIRO，研究方向是可控自由基聚合，是200多篇文章的關(guān)聯(lián)作者，被引14000多次（2012統(tǒng)計(jì)），是CSIRO的董事會(huì)成員，并且也是澳大利亞化學(xué)會(huì)和RACI(澳大利亞皇家化學(xué)會(huì))

2、成員San H. Thang 在1987年于Griffith（格里菲斯）大學(xué)獲得Ph.D，在2000年成為CSIRO的一員，并且是莫納什大學(xué)的名譽(yù)教授。其研究領(lǐng)域介于生物和高分子化學(xué)之間。發(fā)表了100多篇文章，被引超過1W次。San直接參與了可控活性聚合的多個(gè)重要領(lǐng)域的研發(fā)，是RAFT過程的主要研究成員。San也是澳大利亞化學(xué)會(huì)和RACI的成員Rizzardo、Moad和Thang（ G.Moad, E. Rizzardo, S. H. Thang, Macromolecules 1998, 31, 55595562）于1998發(fā)表了第一篇有關(guān)RAFT（可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合）文獻(xiàn)以后，RAF

3、T就在RDRP（可逆失活自由基聚合）領(lǐng)域中成為最有前景的合成技術(shù)。RAFT的穩(wěn)定、多方面的性質(zhì)讓其成為現(xiàn)代高分子合成技術(shù)最為有用的手段。與（硝基氧-調(diào)節(jié)聚合）NMP和（原子轉(zhuǎn)移自由基聚合）ATRP原則是依靠增長自由基的可逆終止不同的是，RAFT的原則是鏈轉(zhuǎn)移的交換（蛻變）來實(shí)現(xiàn)可控聚合。RAFT聚合通過加入鏈轉(zhuǎn)移試劑來達(dá)到失活-活化平衡 ，因?yàn)樵诨罨?失活過程中并沒有自由基濃度的凈改變，所以需要外部的引發(fā)劑。由此來看，RAFT聚合與傳統(tǒng)自由基聚合相似只是相差一個(gè)鏈轉(zhuǎn)移試劑，所以RAFT聚合的許多優(yōu)勢與自由基固有的優(yōu)勢相類似。這些優(yōu)勢包括1.單體適用范圍廣（比如甲基丙烯酸酯，苯乙烯，甲基丙烯酰胺

4、，醋酸乙烯酯，二烯）；2.適用的溫度和溶劑很廣；3. RAFT合成手段并不需要金屬催化劑或是很高的聚合溫度，這使得RAFT可以大量應(yīng)用在許多生物應(yīng)用上。二、機(jī)理澳大利亞的CSIRO group于1999年設(shè)計(jì)出帶有雙硫基團(tuán)的RAFT試劑，上圖為二硫碳酸鹽的RAFT聚合機(jī)理。在（ ）引發(fā)過程結(jié)束后，（ ）增長自由基Pn·添加到二硫碳酸鹽上來形成中間體自由基加合物，隨后分解成另一個(gè)硫代羰基硫化物基團(tuán)和一個(gè)新的自由基R·。（ ）自由基R·隨后與單體進(jìn)行再引發(fā)聚合形成新的增長自由基Pm·。在最初添加的CTA消耗完后（預(yù)平衡結(jié)束后），（ ）活化-失活的主要平衡通過

5、增長基團(tuán)Pm或Pn和休眠鏈之間的鏈轉(zhuǎn)移交換來實(shí)現(xiàn)。三、鏈轉(zhuǎn)移試劑帶有雙鍵的不飽和化合物1作為鏈轉(zhuǎn)移試劑會(huì)經(jīng)歷2個(gè)步驟即加成和斷鏈。通過RAFT斷裂過程得到的具有鏈增長特性含有Pn的高分子3也是RAFT試劑。在結(jié)構(gòu)1中，C=X是活性雙鍵（X通常是亞甲基或硫，可以給予CTA（RAFT試劑）更高的反應(yīng)活性）， Z是一個(gè)活性基團(tuán)可以賦予鏈轉(zhuǎn)移劑1和3合適的活性來與單體進(jìn)行反應(yīng)，并且還可以為中間體2提供穩(wěn)定性。 R需要是一個(gè)很好的自由基離去基團(tuán)，并且必須有再引發(fā)聚合的能力，initial RAFT試劑的R基團(tuán)必須具有快速轉(zhuǎn)換成增長基團(tuán)的能力。如今鏈轉(zhuǎn)移試劑大多使用二硫酯類的CTA,在RAFT聚合中，CT

6、A(ZC(=S)SR)的活性受Z 和R基團(tuán)影響，對(duì)于一個(gè)有效的RAFT聚合應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)：1.RAFT試劑應(yīng)該有一個(gè)高活性的C=S雙鍵（高kadd）2.中間體自由基斷裂要迅速，不能有副反應(yīng)（高的k，弱的S-R鍵）3.中間體應(yīng)該更易分割產(chǎn)品（k>k-add）4.離去的自由基R·應(yīng)該有效的進(jìn)行再引發(fā)聚合（ki遠(yuǎn)大于kp）這些很依賴取代基Z基團(tuán)的硫代羰基硫化物RAFT試劑（X與A都為S）的加成速率常數(shù)kadd要高出其他的C=C雙鍵RAFT試劑好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)Cex和控制自由基聚合的能力同樣很高。硫代羰基硫化物包括 ：8 二硫苯甲酸酯 9三硫碳酸鹽 10、13的二硫氨基甲酸鹽

7、 11雙硫酯 12黃原酸酯。加成的速率常數(shù)和鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)隨著8 > 9 > 10 > 11 > 12 > 13，活性順序按這個(gè)順序遞減，潛在的抑制傾向會(huì)隨這個(gè)順序遞增減，即8二硫苯甲酸酯最容易發(fā)生抑制現(xiàn)象，因?yàn)榛钚栽礁咧虚g體自由基越穩(wěn)定，中間體斷裂越不容易，k<kp會(huì)產(chǎn)生抑制現(xiàn)象。抑制現(xiàn)象：如果整體的-斷裂速率k要低于增長速率kp，那么就會(huì)導(dǎo)致抑制現(xiàn)象（在RAFT聚合的初期會(huì)發(fā)現(xiàn)會(huì)有一個(gè)特定時(shí)間段里沒有任何聚合行為或是有極少的聚合行為）。尤其對(duì)于高kp的單體（VAc、MA）抑制現(xiàn)象很常見。中間體自由基斷裂的能量來源于脆弱的CH2-R鍵或者是強(qiáng)C=C、S=C雙鍵

8、的形成。如果斷裂更傾向于-add而不是斷裂，那么鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)就會(huì)很低，加合物就會(huì)更傾向于-add反應(yīng)導(dǎo)致雙基終止。因此設(shè)計(jì)鏈轉(zhuǎn)移試劑，平衡 R基團(tuán)的離去能力和R·的再引發(fā)聚合能力尤為重要。盡管RAFT聚合可以適用的單體范圍很廣，但是為了實(shí)現(xiàn)最佳的可控聚合，對(duì)于給定單體要仔細(xì)挑選適合的RAFT試劑。大多數(shù)的單體可以給予他們的活性分為兩類單體：1.高活性單體（more-activated monomers）MAMs；2.低活性單體（less-activated monomers）LAMs。MAMs一般是連接羰基或是芳環(huán)的乙烯基單體（比如甲基丙烯酸酯MA、甲基丙烯酰胺MAA、苯乙烯St）。L

9、AMs一般是連接一個(gè)飽和碳或是氧/氮的孤對(duì)電子的乙烯基單體（醋酸乙烯酯VAc，乙烯，乙烯基吡咯烷酮NVP）。分子軌道理論中，LUMO為最低未占分子軌道，RAFT試劑的Z基團(tuán)會(huì)影響CTA的LUMO，若Z為吸電子基團(tuán)則會(huì)降低CTA的LUMO能量同時(shí)升高CTA的活性，而推電子基團(tuán)則會(huì)提高CTA的LUMO能量同時(shí)降低CTA的活性。SOMO為單獨(dú)占據(jù)分子軌道，MAM中的推電子基團(tuán)會(huì)使其具有低能量的SOMO，而LAM則會(huì)有相對(duì)較高能量的SOMO。根據(jù)分子軌道理論能量相近原則，單體的SOMO與CTA的LUMO能量越相似，則會(huì)使鏈轉(zhuǎn)移過程中的加成斷裂越容易進(jìn)行。比如，末端為MAM的增長自由基Pn·不

10、易發(fā)生自由基加成，因?yàn)閱误w的活性越高，生成的自由基越穩(wěn)定自由基的活性就會(huì)越低，因此需要一個(gè)高活性的CTA來控制聚合反應(yīng)。因此MAMs（低SOMO）通常用高活性的三硫代碳酸鹽或硫代苯甲酸酯（低LUMO）RAFT試劑聚合來實(shí)現(xiàn)可控，因?yàn)閱误w的SOMO能量和CTA的LUMO能量具有相似的能級(jí)。四、動(dòng)力學(xué)方程在RAFT聚合中最少有四種平衡常數(shù)分別為：A. K (=kadd/kadd) B. K = (k/k) C. KP (=kaddP/kaddP）D. KR (=kaddR/kaddR)A和B的平衡是關(guān)于RAFT聚合預(yù)平衡階段的平衡常數(shù)，C是主平衡階段的平衡常數(shù)。最后的反應(yīng)Scheme3.6經(jīng)常被忽

11、略因?yàn)橹虚g體18存在周期非常短，D則是這個(gè)反應(yīng)的平衡常數(shù)。但是如果斷裂過于緩慢或是中間體18參與了副反應(yīng)，則這個(gè)反應(yīng)不能忽略。這兩個(gè)鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)決定了鏈轉(zhuǎn)移試劑的消耗速率，前者是描述與增長自由基Pn·的反應(yīng)，后者是描述斷裂排出R·鏈轉(zhuǎn)移速度常數(shù)ktr可以定義為 有關(guān)RAFT試劑加成的速率常數(shù)kadd 和一個(gè) 關(guān)于加合物斷裂時(shí)對(duì)于原始添加物（Pm·）和增長自由基R·（Pn·）取舍的分配系數(shù)如果斷裂的自由基是一個(gè)很長的增長鏈（主平衡中的Pn·、Pm·）。則會(huì)有 Ctr = Ctr, ktr = ktr, kadd = k coef

12、ficient () =0.5，對(duì)于給定單體對(duì)應(yīng)的RAFT試劑一般都可以查到有關(guān)的鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)。mM和mT分別為單體和RAFT試劑的分子量，d是發(fā)生雙基終止事件產(chǎn)生的鏈段數(shù)（d/2=1-fc/2，fc=1代表100%發(fā)生偶合終止，fc=0代表100%發(fā)生歧化終止；對(duì)于MMA聚合d=1.67，苯乙烯聚合d=1）。 RAFT的速率常數(shù)和普通自由基速率常數(shù)相同。五、RAFT三元無規(guī)共聚1.制備RAFT鏈轉(zhuǎn)移試劑 Rhodixan使用可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移試劑Rhodixan A1用作醋酸烯酯單體的可控聚合，Rhodixan A1與醋酸烯酯單體的活性相匹配，RAFT聚合過程中的加成斷裂速率很快。R

13、hodixan A1反應(yīng)路線如下：實(shí)驗(yàn)步驟：稱過量的黃原酸鉀（3.2093g 0.020mol）加入三頸瓶，再放入50ml丙酮，通氮?dú)?5min保證體系沒有氧氣。在恒壓滴液漏斗中用注射器射入溴丙酸甲酯（2ml 0.0179mol），冰水浴下向體系滴加20min。滴加完成后25油浴反應(yīng)8h，體系的顏色由黃色變淺黃最后為乳白色。反應(yīng)完畢將反應(yīng)液移入旋蒸瓶進(jìn)行旋蒸除去大部分丙酮。之后用乙醚溶解（200ml）移入分液漏斗中，用水洗滌3次。萃取的上層乙醚溶液用MgSO4過夜干燥。過濾除去MgSO4，濾液旋蒸。得到的溶液用220ppm濾頭過濾。真空干燥5天。得到的RAFT試劑0冷藏。RAFT試劑的核磁譜圖如下：2.RAFT三元無規(guī)聚合按照下圖的機(jī)理，使用AIBN為引發(fā)劑，Rhodixan A1為鏈轉(zhuǎn)移試