（化学工艺专业论文）raft聚合链转移剂合成与表征.pdf

摘要 两亲性嵌段共聚物能很好地应用于药物包覆、控制释放等方面。可逆加成断裂链转 移聚合反应( r a f t ) 以其可控性好、适用的单体种类多、反应条件温和等优势成为近年 来制备两亲性嵌段共聚物的重要技术，但r a f t 试剂双硫酯较难制得( 需多步有机合成) ， 极大地影响了r a f t 聚合的发展。 本文首先合成了重要的r a f t 试剂二硫代苯甲酸。探索出最佳合成方法并且利用正交 设计方法重点研究了原料摩尔比、搅拌方式、氯化卞滴加时间对反应收率的影响。实验 结果表明：硫与氯化卞的最佳摩尔比为2 1 l ：l ，在反应瓶中加入少许玻璃珠磁力搅拌， 加料时间为6 0 8 0 m i n 时，收率最高达到5 5 ，远高于文献的报道( 4 0 ) 。用i r 和1 h n m r 表征了产物结构。 其次在合成二硫代苯甲酸的基础上，用二硫代苯甲酸为原料合成了用于单分散 生物高分子制备的、生物相容性好的r a f t 试剂4 一氰基戊酸二硫代苯甲酸。用铁氰化 钾溶液氧化二硫代苯甲酸钠，取得较高收率( 7 7 ) 的双二硫代苯甲酰，再用双二硫 代苯甲酰与4 ，47 一偶氮双( 4 一氰基戊酸) 反应得目标产物4 一氰基戊酸二硫代苯甲酸。 采用正交实验探讨了4 ，47 一偶氮双( 4 一氰基戊酸) 与双二硫代苯甲酰反应的投料比、 搅拌方式、反应时间对反应收率的影响。4 ，47 一偶氮双( 4 一氰基戊酸) 与双二硫代苯 甲酰的最佳摩尔比为1 1 ；l ，在反应瓶中加入少许玻璃珠磁力搅拌，反应时间为1 6 h 时，收率最高达到7 8 。实验结果表明，两步总收率最高达到6 0 ，远高于文献的 报道( 4 4 ) 。用i r 和1 h n m r 表征了产物结构。 关键词：r a f t 聚合；r a f t 聚合链转移剂；二硫代苯甲酸；4 一氰基戊酸= 硫代苯 甲酸； 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a m p h i p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r sc a nb ew e l lu s e di nd r u go u t e r - c o a t i n g 。c o n t r o l l e dr e l e a s e a n ds o o n r e v e r s i b l ea d d i t i o n f r a g m e n t a t i o nc h a i nt r a n s f e r ( r a f t ) p o l y m e r i z a t i o ni sa ni m p o r t a n t t e c h n i q u ei ns y n t h e s i z i n ga m p h i p h i l i cb l o c kc o p o l y m e r si nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo fi t sg o o d c o n t r o l l ，v a r i o u sk i n d so fa p p l i c a b l em o n o m e r s ，m i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，a n ds oo i l ，b u ti ti sd i f f i c u l t t os y n t h e s i z er a f ta g e n t ( m u l t i s t e po r g a n i cs y n t h e s i s ) t h ed e v e l o p m e n to fr a f tp o l y m e r i z a t i o n h a sb e e nm u c ha f f e c t e d f i r s t l y t h e i m p o r t a n t r e v e r s i b l e a d d i t i o n f r a g m e n t a t i o nt r a n s f e r ( r a f t ) a g e n t ，d i t h i o b e n z o i c a c i d ，w a ss y n t h e s i z e d t h eb e s ts y n t h e s i sw a yw a sf o u n da n di n f l u e n c e so fr a wm a t e r i a lm o l a r r a t i o ，s t i r r i n gm e t h o da n dd r o p w i s et i m eo nt h ey i e l dw e r es t u d i e dw i t ho r t h o g o n a lp l a nm e t h o d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o l a rr a t i oo fs u l f u rt ob e n z y lc h l o r i d e ，t h es t i r r i n gw a ya n d t h e d r o p w i s e t i m ew e r e 2 1 1 ：1 , m a g n e t i cs t i r r i n g w i t hs o m e b e a d i n g s a n d 6 0 8 0 r a i n ，r e s p e c t i v e l y 1 1 1 eb e s ty i e l d5 5 i sm u c hh i 曲e rt h a nt h a to fr e p o r t e di nl i t e r a t u r e ( 4 0 ) t h e s t r u c t u r eo f t h ep r o d u c tw a sc h a r a c t e r i z e db yi ra n a l y s i sa n d h n m ra n a l y s i s s e c o n d l y t h e b i o c o m p a t i b l ea g e n t ，4 一c y a n o p e n t a n o i c a c i dd i t h i o b e n z o a t ef o r s y n t h e s i z i n g m o n o d i s p e r s eb i o p o l y m e r , w a ss y n t h e s i z e db a s e do nd i t h i o b e n z o i ca c i d t h es o d i u md i t h i o b e n z o a t e w a so x i d i z e du s i n gp o t a s s i u mf e r r i c y a n i d e ( m ) t oo b t a i nd i ( t h i o b e n z o y l ) d i s u l f i d e ( d t b d s ) w i t h y i e l do f7 7 t h et a r g e tc o m p o u n d 4 c y a n o p e n t a n o i ca c i dd i t h i o b e n z o a t e w a ss u b s e q u e n t l y s y n t h e s i z e df r o mt h er e a c t i o no fd t b d sw i t h4 ，4 - a z o b i s ( 4 一c y a n o p e n t a n o i ca c i t h eb e s t s y n t h e s i sw a yw a sf o u n da n di n f l u e n c e so fr a wm a t e r i a lm o l a rr a t i o 、s t i r r i n gm e t h o da n dr e a c t i o n t i m eo nt 1 1 ey i e l dw e r es t u d i e dw i t ho r t h o g o n a lp l a u m e t h o d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t t h em o l a rr a t i oo f4 , 4 - a z o b i s ( 4 c y a n o p e n t a n o i ca c i d ) t od t b d s , t h es t i r r i n gw a ya n dt h er e a c t i o n t i m ew e r e1 1 ：l , m a g n e t i cs t i r r i n gw i t hs o m eb e a d i n g sa n d1 6 h ，r e s p e c t i v e l yw i t ht h eb e s ty i e l do f 7 8 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb e s tt o t a ly i e l di s 髂h i g ha s6 0 w h i c hi sm u c h h i g h e rt h a nt h a t ( 4 4 ) r e p o r t e di nl i t e r a t u r e t h es t r u c t u r eo ft h ep r o d u c tw a sc h a r a c t e r i z e db yi r a n dl h n m r a n a l y s i s k e y w o r d s ：r a f tp o l y m e r i z a t i o n ；r a f ta g e n t ：d i t h i o b e n z o i ca c i d ；4 - c y a n o p e n t a n o i c a c i d d i t h i o b e n z o a t e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究嵫：纽卜日期：手i7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：阻导师签名： 蔓二皇笙堡 第一章绪论 1 1 项目背景 两亲嵌段共聚物是指同一大分子中同时对两相都具有亲和性的聚合物，一般指分子结构 中同时含有亲水基团和疏水基团。1 。两亲嵌段共聚物在亲水与亲油片段的摩尔比适当时，可 自动组装成为纳米胶束，胶束的亲水端向外而亲脂端向内，这种具有自组装性能的两亲纳米 胶束可以增溶药物，控制药物的释放。s h i n - i c h iy u s a 等2 1 制备了 i p c 和b m a 的“核一壳”式 两亲嵌段共聚物，其中以亲水的m p c 为壳，疏水的b m a 为核，发现其对疏水性抗癌药物p a c l i t a x e l ( p t x ) 的增溶效果很好，指出该聚合物是一种优良的很有前途的疏水药物载体。y i n g h u a m a ，y i q i n gt a n g 等。1 制备了肝c 与很多种单体的两嵌段共聚物，并研究了其性能，指出基于m p c 的两嵌段共聚物是d n a 检测和疏水药物输送的良好载体。 基于此，课题组在2 0 0 4 年开始进行绿色纳米亲水脂性药物的研究工作，并且在2 0 0 6 年申 请获得江苏省高技术项目b g 2 0 0 6 0 3 8 的资助，主要是通过r a f t 聚合制备出单分散的双亲聚合 物，然后，在超临界流c o s 存在下，制备出水包油型乳液，然后c o ：释放获得目的产品。本课题 作为整个项目的前期工作，主要是高效制备出啪聚合用的链转移剂。 1 2 本课题研究目的及主要内容 要能成功地合成出两亲嵌段共聚物从而制成磁性载药微球，首先要能成功地进行r a f t 聚 合，而r a f t 聚合的成功与否关键在于r a f t 试剂，即能成功合成出具有链转移常数高的 链转移剂。据报道，目前大多数链转移剂常数较高的是双硫酯类化合物，但国内外的合 成路线较复杂，反应条件苛刻，产率不高。结合本课题组的最终目标，合成出来的链转 移剂还要具备较高的生物相容性，所以本课题的研究目的主要是合成出生物相容性好， 链转移常数高的r a f t 链转移剂。主要内容如下： ( 1 ) 通过对r a f t 试剂结构、合成路线的研究、探索，合成出工艺简单、有一定实 用价值的r a f t 试剂。 ( 2 ) 在合成出既能独立作为简单的r a f t 试剂，又可以作为其他r a f t 试剂的前体的 基础上，合成出能用于生物相容的、链转移常数高、有一定实用价值的链转移剂。 1 3 本课题的研究意义 r a f t 聚合中最重要的因素是r a f t 试剂，而目前通常用于r a f t 聚合的r a f t 试剂 双硫酯最大的问题是较难制备，工艺较复杂，产率较低，极大地影响了r a f t 聚合的发展。 本课题首先通过简单的工艺条件合成出二硫代苯甲酸，二硫代苯甲酸作为一种简单的化合物， 垄查查堂堡主兰垡丝苎 既可以直接作为r a f t 试剂使用，大大促进r a f t 聚合的发展和工业应用，另外它又是很多 复杂的双硫酯化合物的前体，在成功合成二硫代苯甲酸的基础上，我们可以很顺利地合成出 多种其他的双硫酯化合物广泛地应用于r a f t 聚合中。本课题在合成二硫代苯甲酸的基础上， 以其为原料合成了4 氰基戊酸二硫代苯甲酸。4 氰基戊酸二硫代苯甲酸可以广泛地应用于合 成生物医药材料中，能有效地将活性可控自由基聚合与生物医药结合起来，具有很大的工业 应用前景和商业价值。 2 蔓= 雯塞堕堡堕 第二章文献综述 2 1 活性聚合的特点及发展 1 9 5 6 年s z w a r c i 作小组取得了一个重要发现，他们在t h f 中引发苯乙烯阴离子聚合时发 现，在无水、无氧、无杂质、低温条件下，以t h f 为溶剂，萘钠为引发剂，进行苯乙烯阴离子 聚合，不存在任何终止反应和转移反应，更惊奇的是将得到的聚合物溶液在低温、高真空条 件下存放数月后，再加入苯乙烯单体，聚合反应可继续进行，得到分子量更高的聚苯乙烯。 若再加入第二种单体丁二烯，则得到苯乙烯一丁二烯嵌段共聚物。根据以上实验结果，s z w a r c 等人把这种聚合方法定义为“活性聚合方法”( l i v i n gp o l y m e r i z a t i o n ) ，开辟了高分子聚 合的新方向。 近几十年来，活性聚合已取得了很大的发展，最重要的意义是活性聚合为高分子化学工 作者合成结构和分子量可控的聚合物提供了传统聚合方法所没有的手段。除- j s z w a r c 发现的 阴离子活性聚合外，活性阳离子聚合、活性开环聚合、活性开环歧化聚合、配位阴离子聚合、 无金属阴离子聚合等一系列适合不同单体聚合的活性聚合反应体系都先后被开发出来，并使 高分子化学工作者能更好地进行高分子材料设计，主要体现在以下几个方面【4 j ： ( 1 ) 能使聚合物分子量可控 m n 2 【m 】o + c i 】o ( 式2 1 ) 式中， m o 为单体起始浓度；c 为转化率； i o 为引发剂起始浓度。从式中可以看出聚合 物分子量由单体和引发剂的投料比定量控制。 ( 2 ) 加入其他单体，可合成具有预定结构的嵌段共聚物。 r + a m l _ r - - m i m l m 】。+ b m 2 + m i m i * , - m i m 2 m 2 m m e l y 一百一弋一a ” v ( 式2 - 2 ) ( 3 ) 可以合成端基官能化聚合物m 端基官能化聚合物是指在大分子链末端带有官能团的聚合物，官能团可以是一端的 ( v 、x ) ，也可以是两端的( w v - “t , y ) 。利用活性聚合的快速定量引发、链转移和链终 止的特点，可采用引发剂法和终止剂法合成末端官能化聚合物。 a 用带官能团x 的引发剂引发活性聚合，将官能团引入聚合物的末端称之为引发剂法，如式 2 3 所示： 东南大学硕士学位论文 单体m 终止 x 一+ x n wm e x w m 活性聚合 ( 式2 3 ) 引发剂法合成末端官能化聚合物 b 在活性聚合体系中加入带有官能团y 的终止剂进行链终止，使聚合物的末端带上官能团y 称 之为终止剂法，如式2 4 所示： m m a 十r y n 脚m i 卜y ( 式2 _ 4 ) 终止剂法合成末端官能化聚合物 端基官能化聚合物在工业上经常用于分散剂、大分子单体、弹性体、链扩展剂、交联剂 的合成。 ( 4 ) 能合成特殊形状的聚合物 通过活性聚合，可用来合成嵌段共聚物、梳型共聚物、接枝共聚物、星型共聚物等，在 工业上主要应用于弹性体、粘合剂、高分子络和剂的合成。 2 2 自由基聚合的特点及应用 从s z w a r c 提出活性聚合至今，活性聚合在取得不断发展的同时，也暴露出自身的一些缺 陷。活性聚合的反应条件比较苛刻，反应工艺也比较复杂，导致产品的工业化成本居高不下。 另外仅有少数单体能进行离子型聚合，因而极大地限制了它在工业中的应用。然而自由基聚 合具有宽广的单体选择范围，温和的反应条件( 无氧，0 1 0 0 c ) ，甚至可在水中进行悬浮或乳 液聚合，这些特点决定了其在工业生产中的主导地位，约有7 0 以上的塑料源于自由基聚合。 因此，活性自由基聚合无疑是最具有开发价值和学术价值的聚合反应。但活性自由基聚合也 存在着缺陷，如自由基聚合的本质( 慢引发，快速链增长，易发生链终止和链转移等) 决定了聚 合反应的不可控行为，其结果常常导致聚合产物呈现宽分布，分子量和结构不可控，有时甚至 会发生支化、交联等，从而严重影响聚合物的性能，此外，传统的自由基聚合也不能用于合成指 定结构的规整聚合物。就聚合反应而言，要合成具有确定结构的聚合物，则要求所有的链应同 时引发，增长相似，这就需要快速引发，在聚合结束前增长链应保持活性，链转移和链终止的效 应可以忽略，而自由基聚合的本质( 慢引发，快终止) 与之正好相反。 在实验中，要使自由基聚合成为可控聚合，聚合反应体系中的自由基浓度必须很低并且 恒定。因为对增长自由基浓度而言，终止反应为动力学二级反应，而增长反应为动力学一级 反应。而既要维持较大的聚合反应速度( 这就要求自由基浓度不能太低) ，又要确保反应过程 中活性种没有失活( 这就要求消除链终止、链转移反应) ，就要处理好两方面的问题：1 ) 怎 样在整个聚合反应中始终保证反应活性种浓度较低；2 ) 在如此低的反应活性种浓度的情况下， 4 馘x 曳嘞 d p n 5 m m p - - x + d ( 式2 6 ) 一牛。船， x 牛m 。船。， w + 盱r 当中r + p ( 式2 9 ) n 码v b p 0 一且芍h 一洲舢 6 第二章文献综述 二烯和异戊二烯1 “、丙烯腈和丙烯酰胺等单体聚合，并且能较为精确的控制分子量和分子量分 布。 功能化的烃氧基胺能用来制取分子量精确和窄分布的端基功能化的高聚物和嵌段聚合物 “1 。k r i z 等制得了带有憎水聚苯乙烯嵌段和亲水的聚甲基丙烯酸2 一二甲胺基乙酯( p d m a e 2 m a ) 嵌段的两亲聚合物，这种两亲的嵌段聚合物能被用作选择性渗透膜材料。最近，h a w k e r 等发现 了有意义的链端基功能化方法，将顺丁烯二酸酐或顺丁烯二酰亚胺加到含烃氧基胺的聚合链 端，然后烃氧基胺部分很容易被消除，从而引入其它的功能性基团。 氮氧自由基( t e m p o ) 存在下自由基聚合是一种最简单的活性可控自由基聚合方法，具有 很重要的学术意义，但是它也有很多不足，许多单体因为形成休眠的烃氧基胺的稳定性而不发 生这样的聚合，在动力学上，这种反应是较慢的，例如以t e m p o b p o 为引发体系的苯乙烯聚合， 在1 2 5 下需要经过约7 0 h ，转化率才可达到9 0 。如此长的反应时间限制了其在工业上的应用。 此外在聚合过程中增长链自由基和氮氧自由基之间的歧化终止也影响反应的可控程度，氮氧 自由基的价格较贵，合成困难，也决定了该体系的工业化价值不大。 2 3 2 引发一转移一终止活性自由基聚合 1 9 8 2 年，日本学者o t s u 等人“”用有机硫化物作为引发剂进行自由基聚合时发现聚合物相 对分子量随反应时间逐步增加，可以均聚，又可以扩链或嵌段共聚，成功地实现了自由基活 性可控聚合。根据以上实验结果，o t s u 把这种聚合方法称之为引发一转移一终止活性自由基聚 合( i n i f e r t e r ) 。 从活性聚合的特征和自由基聚合的反应机理来解释5 1 ，实现自由基活性可控聚合的关键 是如何防止聚合过程中因链终止反应和链转移反应而产生无活性聚合物链。如果引发剂 ( 融r ) 增长自由基向引发及自身的链转移反应具有很高的活性，或有引发及分解产生的自 由基的一部分易于发生与链自由基的终止反应，那么乙烯基单体的自由基聚合过程则可由下 r _ r + n m 即m 十一r l 式来表示： 。n ( 式2 1 0 ) 根据以上反应机理，可将自由基聚合简单地视为单体分子向引发剂分子中i 卜r 键的连续 插入反应，得到聚合产物的结构特征是两端带有引发剂的碎片。o s t u 等由此得到启示，如能 找到满足上述条件的合适引发剂，则可通过自由基聚合很容易的合成单官能聚合物或双官能 聚合物，进而达到聚合物结构设计之目的。由于该引发剂集引发、转移和终止等功能于一体， 故称之为引发转移终止剂( i n i f e r t e r ) 。因此合适的引发剂是引发转移终止剂“活性”自由 基聚合成功与否的关键。最早用的引发剂是有机硫化物，但由这种引发剂引发的引发转移终 7 查堕查兰堡圭兰垒堡奎 止剂“活性”自由基聚合分子量分布较宽，转化率低，反应时间较长。现在的引发剂通常可 分为以下几种：( 1 ) 单、双、三、多官能度引发转移终止剂；( 2 ) 热、光引发转移终止剂，如四 苯基乙烷类衍生物是常见的热引发转移终止剂，含有二乙氨基二硫代甲酰氧的一些化合物是 良好的光引发转移终止剂；( 3 ) 单体型、聚合物型大分子引发转移终止剂。 2 3 3 原子转移自由基聚合( a t r p ) 1 9 9 5 年，m a t y j a s z w s k i 和王锦山博士“”1 等报道了一种新的活性可控自由基聚合方法， 即原子转移自由基聚合( a t o mt r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，a t r p ) ，引起了全世界的 极大轰动。他们以有机卤化物r x ( 如n 一氯代乙苯) 为引发剂，氯化亚铜2 ，2 一联吡啶( b p y ) 为催化剂，在1 3 0 c 下进行了苯乙烯本体聚合，不仅得到了窄分子量分布的聚苯乙烯，而 且聚合物的实测分子量与理论计算值非常接近。当加入第二单体丙烯酸甲酯时，成功地实现 了嵌段共聚，具有明显的活性聚合特征，开创了活性可控自由基聚合的新时代。 根据i a t y j a s z w s k i 和王锦山提出的概念，典型的原子转移自由基聚合的基本原理如图2 2 所示0 1 ： r - - - x + m t ；= = 兰r + m p l x m n x + m t “ 引发 ；= 兰r m + m t n + 1 x ；m n + m t n + 1 x 增长 堞 k p 图2 - 2a t r p 的基本原理 在引发阶段，处于低氧化态的转移金属卤化物( 盐) m n 从有机卤化物r - x c p 吸取卤原子 x ，生成引发自由基r 及处于高氧化态的金属卤化物m t n + 1 x 。自由基融可引发单体聚合， 形成链自由基i 一m 。l 卜m 可从高氧化态的金属配位化合物m t n + 1 x 中重新夺取卤原子 而发生钝化反应，形成女咄，广x ，并将高氧化态的金属卤化物还原为低氧化态m t n 如果 i 卜m r 广一x 与r x 一样( 不总是一样) 可与m t n 发生促活反应生成相应的卜m n 和h 酽+ 1 x ， 同时若肛m i 与m c n + 1 x 又可反过来发生钝化反应生成醅唷1 _ x 和w ，则在自由基聚合 反应进行的同时，始终伴随着一个自由基活性种与有机大分子卤化物休眠中的可逆转换平衡 r m m 时 弩一 受b 第二章文献综述 反应。 由于这种聚合反应中的可逆转移包含卤原子从有机卤化物到金属卤化物，再从金属卤化 物转移至自由基这样一个反复循环的原子转移过程，所以是一种原子转移聚合。同时由于其 反应活性种是自由基，因此被称为原子转移自由基聚合。原子转移自由基聚合是一个催化过 程，催化剂m t “及 4 c n + 1x 的可逆转移控制着 m 1 】，即r r d ( 聚合过程的可控性) ，同时快 速的卤原子转换控制着分子量和分子量分布( 聚合物结构的可控性) ，这就为人为地控制聚合 反应提供了极大的方便。 近年来，a t r p 的发展十分迅速，研究的内容主要集中在以下三个方面：新的引发及聚合 体系，聚合物的结构及材料性能、聚合反应工艺及工业产品开发。与其他活性聚合相比，a t 1 l p 具有很宽的单体选择范围，这也许是a n 擅最大的魅力所在，目前已经报道的可通过a t r p 聚合的单体有三大类【5 】。 ( 1 )苯乙烯及取代苯乙烯如对氟苯乙烯、对氯苯乙烯、对溴苯乙烯、对甲基苯乙烯、 间甲基苯乙烯、对氯甲基苯乙烯、间氯甲基苯乙烯、对三氟甲基苯乙烯、间三氟甲基苯乙烯、 对叔丁基苯乙烯等。 ( 2 )( 甲基) 丙烯酸酯如( 甲基) 丙烯酸甲酯、( 甲基) 丙烯酸乙酯、( 甲基) 丙烯 酸正丁酯、( 甲基) 丙烯酸叔丁酯、( 甲基) 丙烯酸异冰片酯、( 甲基) 丙烯酸2 乙基己酯、( 甲 基) 丙烯酸二甲氨基乙酯等； ( 3 )带有功能基团的( 甲基) 丙烯酸酯如( 甲基) 丙烯酸2 羟乙酯、( 甲基) 丙烯 酸羟丙酯、( 甲基) 丙烯酸缩水甘油酯、乙烯基丙烯酸酯；特种( 甲基) 丙烯酸酯，如( 甲基) 丙烯酸一1 ，1 二氢全氟辛基磺酰基) 酯、( 甲基) 丙烯酸十五氟辛基乙二醇酯、( 甲基) 丙烯 酸b ( n 乙基全氟辛基磺酰基) 氨基乙酯、( 甲基) 丙烯酸2 全氟壬烯氧基乙酯等；4 乙烯 基吡啶等。 至今为止，采用a t r p 技术尚不能使烯烃类单体、二烯烃类单体、氯乙烯和醋酸乙烯等单 体聚合。 a t r p 实施条件比较温和，而且不仅仅局限于本体和溶液法，可以扩展到诸如悬浮、乳液、 甚至在超临界c 0 2 中进行，提供了聚合方式的多样性。a t r p 法可以广泛地应用在制备窄分子 量分布聚合物、制备末端官能团聚合物、制备星状聚合物、制备接枝和梳状聚合物、制备嵌 段共聚物、制备星状聚合物、制备梯度共聚物、制备超支化聚合物中。 原子转移自由基聚合虽然有强大的分子设计功能，但也存在一些致命的缺点。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是a t r p i 业化的关键。m a t y j a s z e w s k i 研究小 组1 ”7 1 找到一种p m d e t a ，不但价格便宜，而且使c u 体系变成均相，加快反应速度，得到的分子 量分布在1 1 l 1 1 2 之间，是一种很好的络合剂。m a t y j a s z e w s k i “7 1 等还研究了卤化物阴离子 作为铁系统的配体，效果也不错。为了避免引发剂的毒性和a t r p 体系中引发系统的氧化，m a r y j a s z e w s k i 和t e y s s i e 等还分别报道了反向a t r p 系统1 ”。所谓反向a t r p ，事实上就是利用传统 的引发剂例如a i b n 或b p o 取代卤代烃作为引发剂，转移金属催化剂中的金属也就是高的氧化 态取代了低的氧化态。几种单体包括s t 、m m a 、m a ，目前都已成功地实现了反向的a t r p 聚合， r + i v l t n + l x ；r - m + m t n j m扣 融m + m t n + 1 x ；= 兰p 卜x + m t n 图2 - 3 反向a t r p 的反应机理 与常规的原子转移自由基聚合中首先用w 活化休眠种r - - x 不同，反向原子转移自由基 聚合是从自由基i 或卜p 与x m t r l ”的钝化反应开始的。在引发阶段，引发自由基i 或卜p 一旦产生，就可以从氧化态的过渡金属卤化物v 驴+ 1 夺取卤原子，形成还原态过渡金属离子 w 和休眠种卜x 或卜卜_ x 。以后，过渡金属离子w 的作用就同常规原子转移自由基聚合 中一样了。 a t r p 聚合开辟了活性聚合的新领域，但还不适合大规模工业生产，在今后相当长的一段 时间需要解决的问题是：( 1 ) 开发高活性催化体系，目的是使用极少量催化剂在较低的温度 下( 4 0 8 0 c ) 即可使单体聚合；( 2 ) 拓宽聚合单体面至醋酸乙烯酯、氯乙烯和乙烯等简单 烯烃；( 3 ) 开发无金属存在的a t r p 催化体系；( 4 ) 若能在这些问题上取得突破，将会具有十 分广阔的应用前景。 2 3 4 可逆加成一断裂链转移自由基聚合( r a f t ) 1 9 9 8 年澳大$ ! j 亚自勺r i z z a r d o 、t h a n g 。”1 等提出r a f t ，引起了学术界极大的关注。它的反 1 0 节 第二章文献综述 应机理如图2 4 所示： i n i t i a t i o n ( 弓i 发) pj 塑旦q 坐k m ，。p c h a i nt r a n s f e r ( 链转移) 即+ 、一告严r 一曩+ 融 z zi r e i n i t i a t i o n ( 重新引发) 融m _ o n o m e r lp m p r o * + 、z 舯“一岷l h 一岷，+ p n p n + p m d e a d p o l y m e r 图2 4r a f t 聚合的基本原理 式中，m 为单体，m 、n 为聚合度，p n 和p 分别是链长为m 、n 的活性自由基链；r 是 由链转移剂产生的新的活性自由基，它可以继续引发聚合；聚合物链段p 力和p 皿既可以结合 到链转移剂上形成休眠种，又可以从链转移剂分子上断裂形成活性自由基链并继续引发聚合 反应，故称该活性聚合反应为“可逆加成一断裂链转移活性自由基聚合”。活性链自由基砌由 引发剂引发并通过链增长形成，它能够与链转移剂发生可逆反应，形成一种自由基中间体p n x c x z r ( 休眠种) ，休眠种可以分解产生一种新的自由基r 和新的链转移剂p n x c ：) 【z 。这种新的 链转移剂与初始链转移剂具有相同的链转移特性，它们可与其它活性自由基p 皿发生反应，再 形成休眠种p m x c x z p n ，并进一步分解产生自由基p n 和链转移剂p 皿) ( c = ) 【z ，而p m x c = x z 与r x c = x z 具有相同的链转移特性。为这一循环过程提供了一个链平衡机理，使自由基聚合中的活性 链增长过程得以控制。 与上述几种活性自由基聚合相比，r a f t 聚合除具有活性聚合的基本特征外，还具有如下特 点。 ( 1 ) r a f t 单体选择面较广。可逆加成一断裂链转移自由基聚合( r a f t ) 不仅适用于苯乙烯、 ( 甲基) 丙烯酸酯类、丙烯腈、乙酸乙酯等常用单体，还适用于功能性单体，如丙烯酸、苯乙 查堕茎堂堕主兰竺堡苎 烯磺酸钠等功能单体。而引发转移终止剂“活性”自由基聚合法主要适用于苯乙烯、( 甲基) 丙烯酸甲酯、乙酸乙烯酯、丙烯腈等单体的控制聚合；a t r p 主要适用于各种丙烯酸酯和苯乙 烯类单体；t e m p o 体系只适用于苯乙烯及其衍生物。 ( 2 ) r a f t 聚合所要求的聚合条件温和，可在传统的自由基聚合条件下进行，适合的反应温 度范围较宽( 一2 0 c 2 0 0 。c ) ，一般在4 0 c 1 6 0 。c ，且反应过程无需保护和解保护。而其它活性 自由基聚合要求反应条件非常苛刻，a t r p 对酸性或极性基团非常敏感，聚合过程中一些功能基 团需保护和解保护； ( 3 ) r a f t 聚合没有聚合方法的限制，已经实现了较低温度( 5 0 7 0 c ) 下的本体聚合、溶 液聚合、乳液聚合、悬浮聚合等多种聚合工艺，而t e m p o 体系的聚合目前还只能用于本体和溶 液聚合。 与其他自由基活性聚合类似，r a f t 聚合也存在某些方面的问题。首先，r a f t 聚合所需的链 转移剂一般为双硫酯类化合物，这类化合物商品试剂少，制备过程需要多步有机合成，导致发 展较为缓慢，且r a f t 聚合也存在聚合物的纯化问题；其次，r a f t 聚合体系中也存在双基终止： 双基终止生成的无活性死聚物，使产物的分子量分散系数增大，而要减少双基终止，体系中的 自由基浓度应远远低于r a f t 试剂的浓度，这在本体和溶液聚合中聚合速率会较低：而在制备嵌 段共聚物过程中，需要再加入引发剂才能活化反应，这就难免会有后续单体的均聚副产物产生 此外，r a f t 聚合存在聚合物分子量的限制，因为在一定的单体浓度下，要得到高分子量的产物， 就必须降低链转移剂的用量，显然，这是以牺牲聚合过程的可控性为代价的。 r a f t 聚合在工业上可用来制备涂料，包括清洁涂料、涂料抛光剂、油漆等，用于汽车和其 它交通工具；利用r a f t 聚合所制得的嵌段、星型、接枝聚合物可用作两亲聚合物、热塑性弹 性体、分散剂、塑流控制剂，工程塑料及聚合物改性剂，还可用于成像领域、电子设备( 如感光 保护膜) 、粘合剂、密封材料等。 r a f t 聚合继承了传统自由基聚合的主要优点，分子可设计能力强，具有其它活性自由基 聚合无法比拟的优点，因此是迄今为止已发现的活性可控自由基聚合中最具工业化前进的方 法之一。 2 4r a f t 试剂的合成 2 4 1r a f t 试剂的发展 r a f t 聚合能够成功实现的关键在于找到一种合适的化合物作为链转移剂，该化合物应该 具有高链转移常数和特定的结构。烷基硫化物因具有较高的链转移常数，常被用作聚合反应 的相对分子质量调节剂，如十二烷基硫醇等。1 9 8 8 年，澳大利亚的r i z z a r d o “”研究小组报道 了烯丙基硫化物参与链转移的加成一断裂自由基聚合。由于烯丙基硫化物链转移常数小，且反 1 2 第二章文献综述 应是不可逆的，因而只能在低转化率( 小于2 0 ) 条件下，得到末端带有不饱和c = c 的低聚物( 大 单体) 。在后来的工作中，他们又合成了具有更高链转移常数的化合物用于r a f t 聚合，取得了 突破性的进展。 2 4 2r a f t 试剂的结构特点 r a f t 聚合，即可逆加成一断裂链转移自由基聚合，链转移剂分子结构中应同时包括易发生 加成反应和断裂反应的化学键。1 9 9 8 年澳大利亚的r i z z a r d o 在成功实现r a f t 聚合的基础上提 出了r a f t 试剂的基本结构，如图2 5 所示： ) p x r 图2 - 5r a f t 试剂的基本结构 r a f t 试剂的链转移常数大小关键取决于基团x 、z 及r 的结构和性质。r i z z a r d l 作组在 实验中发现当x 为硫( s ) 时，即链转移剂为双硫酯类化合物时，r a f t 试剂的链转移常数较大；z 是能够活化碳硫双键c = s 的基团，如芳基、烷基；r 是易离去基团，离去后形成的自由基r 可 以再引发聚合反应，如异丙苯基、睛基异丙基等。 r a f t 试剂中具有较高链转移常数的双硫酯类化合物按官能团不同又可分为以下几种： m o n o f u n c t i o n a l s z c s r b i f u n c t i o n a l c z c s r 6 c z c s c ：飞c h 2 c s 2 z 2 z c s c h 从c h 2 c s 2 z八八22 2 4 3r a f t 试剂的制备 1 ) 双硫代苯甲酸的制备 z = p ho h 3 r = c ( c h 3 ) 2 p h ，c h ( c h 3 ) p h 。 c h 2 p h ，c ( c h 3 ) 2 c n ， c ( c h 3 ) c n ( c h 2 ) 3 0 h ， c ( c h s ) c n ( c h 2 ) 2 c o o h ， c ( c h 3 ) c n ( c h 2 ) 2 c o o n a 图2 6 双硫酯类化合物的结构 查堕查兰堡主兰垡堡奎 虽然r a f t 聚合具有许多其他活性聚合没有的优点，但是r a f t 试剂结构复杂，没有市售的 双硫酯类r a f t 试剂，需自己合成。r a f t 试剂的制备过程涉及多步有机合成。大多数r a f t 试剂是 借助于先合成双硫代酸再制备不同的双硫代酸衍生物+ 2 ”。双硫代酸既具有较强的酸性又具有 很好的亲核性，因此从反应机理上讲，双硫代酸既可以和亲核的烯类( 如苯乙烯类、乙烯酯类) 发生加成，又可以和亲电的烯类( 如丙烯腈类、乙烯吡啶类) 发生加成；双硫代酸的钠盐可以和 卤代烃发生亲核取代反应；硫醇也可以和双硫代酯类发生酯交换反应生成新的双硫代酯，这些 都是合成双硫代酯类r a f t 试剂的常用方法。此外，b e n i c e w i c z 等。2 ”报道的苯甲酸衍生物与苄 硫醇( 或苄醇) 和五硫化磷反应可用以合成双硫代苯甲酸酯，这种方法操作简便，收率也比较 高。 另外双硫代苯甲酸是许多r a f t 试剂合成的前体，文献已报道了多种通过双硫代苯甲酸成 功合成双硫酯类r a f t 试剂，如图2 7 所示： 囝i + m s 弓 爰等篙等醚层地墅鎏 警攀胪i c i 嗍n c c k 柱色谱纯化 i f 刁历覆帮岛f + 9 旷c s c h ( c h 3 垮h 2 c ( 。h 3 ) 3 9 n s 斛衅f 也釜避9 ”c - - s c h 2 f 。h 屿c f o o hf h 2 8 h ( + 0 一，一 s s c h 2 p h ( i 一，+ +。堕些! 照銎立，r s i f c - c h c ir s。譬。h h ( c h 3 ) 2 f c s 2 + 3 + + 卜面_ _5 广c o o h e h 一嚣椭鬻贮呵卜盛c h 3 o o n 耳磊+ k n 。c 。卜r 。咖 图2 7 几种合成r a f t 试剂的方法 1 4 吼b 啦 f 呱 垆 +0 吨 亨 蔓三至塞墼堡垄 综上所述，本论文首先合成了二硫代苯甲酸，并进行了工艺条件的优化。 2 ) 4 一氰基戊酸二硫代苯甲酸的制备 在众多的r a f t 试剂中，能用于生物相容的两亲嵌段聚合物的r a f t 试剂较少。国外报道过4 一氰 基戊酸二硫代苯甲酸的合成及其用于生物高分子的聚合，而国内无论其合成还是应用都报道 较少。所以开展相关研究对于发展具有生物相容性的r a f t 试剂有着重要的意义。本论文研究 究合成4 一氰基戊酸二硫代苯甲酸，优化其合成工艺，以期得到产率较高、性能稳定并具有一 定实用价值的产品。 2 5 本章小结 1 国内外关于二硫代苯甲酸的合成方法已有报道，但因为二硫代苯甲酸的沸点较低，易 分解，较粘稠，所以报道的方法中产率都较低，设想在反应中通过改变工艺条件强化非均相 物质的传质速率，并通过正交实验探索出最佳合成条件，从而使合成方法更易于实现，提高 二硫代苯甲酸的产率。 2 4 一氰基戊酸二硫代苯甲酸已被广泛应用于通过r a f t 聚合制备生物高分子材料上，但4 一氰基戊酸二硫代苯甲酸的合成方法一直没有改善，产率及性能均不理想。在第一步成功合成 二硫代苯甲酸的基础上，进一步合成4 一氰基戊酸二硫代苯甲酸。通过实验预试分析、正交实 验确立合成的最佳方法和工艺条件，提高4 一氰基戊酸二硫代苯甲酸的产率，从而促进生物高 分子材料的发展。 奎塑奎堂婴主兰垡堡奎 第三章二硫代苯甲酸( d t b a ) 合成新工艺研究 3 1 引言 多数的二硫代苯甲酸酯是一种很好的r a f t 试剂，可用于活性自由基聚合，但制备较复杂。 二硫代苯甲酸很容易和烯烃发生加成反应生成二硫代苯甲酸酯，从而能成功实现r a f t 聚合 “。中国科技大学尤业宇等人已成功实现了在二硫代苯甲酸存在的情况下，苯乙烯、丙烯 酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯的活性可控聚合。吴大珍等。2 ”报道，在二硫代苯甲酸存在下，用y 射线辐射成功地实现了苯乙烯(