技术方法-RAFT

可逆加成断裂链转移聚合RAFT一、简介Rizzardo、Moad和Thang（G.Moad,E.Rizzardo,S.H.Thang,Macromolecules1998,31,5559–5562）于1998发表了第一篇有关RAFT（可逆加成断裂链转移聚合）文献以后，RAFT就在RDRP（可逆失活自由基聚合）领域中成为最有前景的合成技术。RAFT的稳定、多方面的性质让其成为现代高分子合成技术最为有用的手段。与（硝基氧-调节聚合）NMP和（原子转移自由基聚合）ATRP原则是依靠增长自由基的可逆终止不同的是，RAFT的原则是链转移的GraemeMoad在Adelaide大学修得硕博学位，研究领域是有机自由基化学。于1979年加入CSIRO（澳大利亚联邦科学与工业研究组织），其文章被引9000多次（2009统计），DrMoad在IUPAC高分子部门有头衔，并且是澳大利亚化学会和RACI(澳大利亚皇家化学会)的成员。EzioRizzardo在1969年于悉尼大学获得Ph.D学位，于1976年加入CSIRO，研究方向是可控自由基聚合，是200多篇文章的关联作者，被引14000多次（2012统计），是CSIRO的董事会成员，并且也是澳大利亚化学会和RACI(澳大利亚皇家化学会)成员SanH.Thang在1987年于Griffith（格里菲斯）大学获得Ph.D，在2000年成为CSIRO的一员，并且是莫纳什大学的名誉教授。其研究领域介于生物和高分子化学之间。发表了100多篇文章，被引超过1W次。San直接参与了可控活性聚合的多个重要领域的研发，是RAFT过程的主要研究成员。San也是澳大利亚化学会和RACI的成员交换（蜕变）来实现可控聚合。RAFT聚合通过加入链转移试剂来达到失活-活化平衡，因为在活化-失活过程中并没有自由基浓度的净改变，所以需要外部的引发剂。由此来看，RAFT聚合与传统自由基聚合相似只是相差一个链转移试剂，所以RAFT聚合的许多优势与自由基固有的优势相类似。这些优势包括1.单体适用范围广（比如甲基丙烯酸酯，苯乙烯，甲基丙烯酰胺，醋酸乙烯酯，二烯）；2.适用的温度和溶剂很广；3.RAFT合成手段并不需要金属催化剂或是很高的聚合温度，这使得RAFT可以大量应用在许多生物应用上。二、机理澳大利亚的CSIROgroup于1999年设计出带有双硫基团的RAFT试剂，上图为二硫碳酸盐的RAFT聚合机理。在（Ⅰ）引发过程结束后，（Ⅱ）增长自由基Pn·添加到二硫碳酸盐上来形成中间体自由基加合物，随后分解成另一个硫代羰基硫化物基团和一个新的自由基R·。（Ⅲ）自由基R·随后与单体进行再引发聚合形成新的增长自由基Pm·。在最初添加的CTA消耗完后（预平衡结束后），（Ⅴ）活化-失活的主要平衡通过增长基团Pm或Pn和休眠链之间的链转移交换来实现。三、链转移试剂带有双键的不饱和化合物1作为链转移试剂会经历2个步骤即加成和断链。通过RAFT断裂过程得到的具有链增长特性含有Pn的高分子3也是RAFT试剂。在结构1中，C=X是活性双键（X通常是亚甲基或硫，可以给予CTA（RAFT试剂）更高的反应活性），Z是一个活性基团可以赋予链转移剂1和3合适的活性来与单体进行反应，并且还可以为中间体2提供稳定性。R需要是一个很好的自由基离去基团，并且必须有再引发聚合的能力，initialRAFT试剂的R基团必须具有快速转换成增长基团的能力。如今链转移试剂大多使用二硫酯类的CTA,在RAFT聚合中，CTA(ZC(=S)SR)的活性受Z和R基团影响，对于一个有效的RAFT聚合应该满足以下几点：1.RAFT试剂应该有一个高活性的C=S双键（高kadd）2.中间体自由基断裂要迅速，不能有副反应（高的kβ，弱的S-R键）3.中间体应该更易分割产品（kβk-add）4.离去的自由基R·应该有效的进行再引发聚合（ki远大于kp）这些很依赖取代基Z基团的硫代羰基硫化物RAFT试剂（X与A都为S）的加成速率常数kadd要高出其他的C=C双键RAFT试剂好几个数量级，链转移常数Cex和控制自由基聚合的能力同样很高。硫代羰基硫化物包括：8二硫苯甲酸酯9三硫碳酸盐10、13的二硫氨基甲酸盐11双硫酯12黄原酸酯。加成的速率常数和链转移常数随着8910111213，活性顺序按这个顺序递减，潜在的抑制倾向会随这个顺序递增减，即8二硫苯甲酸酯最容易发生抑制现象，因为活性越高中间体自由基越稳定，中间体β断裂越不容易，kβkp会产生抑制现象。抑制现象：如果整体的β-断裂速率kβ要低于增长速率kp，那么就会导致抑制现象（在RAFT聚合的初期会发现会有一个特定时间段里没有任何聚合行为或是有极少的聚合行为）。尤其对于高kp的单体（VAc、MA）抑制现象很常见。中间体自由基β断裂的能量来源于脆弱的CH2-R键或者是强C=C、S=C双键的形成。如果断裂更倾向于-add而不是β断裂，那么链转移常数就会很低，加合物就会更倾向于-add反应导致双基终止。因此设计链转移试剂，平衡R基团的离去能力和R·的再引发聚合能力尤为重要。尽管RAFT聚合可以适用的单体范围很广，但是为了实现最佳的可控聚合，对于给定单体要仔细挑选适合的RAFT试剂。大多数的单体可以给予他们的活性分为两类单体：1.高活性单体（more-activatedmonomers）MAMs；2.低活性单体（less-activatedmonomers）LAMs。MAMs一般是连接羰基或是芳环的乙烯基单体（比如甲基丙烯酸酯MA、甲基丙烯酰胺MAA、苯乙烯St）。LAMs一般是连接一个饱和碳或是氧/氮的孤对电子的乙烯基单体（醋酸乙烯酯VAc，乙烯，乙烯基吡咯烷酮NVP）。分子轨道理论中，LUMO为最低未占分子轨道，RAFT试剂的Z基团会影响CTA的LUMO，若Z为吸电子基团则会降低CTA的LUMO能量同时升高CTA的活性，而推电子基团则会提高CTA的LUMO能量同时降低CTA的活性。SOMO为单独占据分子轨道，MAM中的推电子基团会使其具有低能量的SOMO，而LAM则会有相对较高能量的SOMO。根据分子轨道理论能量相近原则，单体的SOMO与CTA的LUMO能量越相似，则会使链转移过程中的加成断裂越容易进行。比如，末端为MAM的增长自由基Pn·不易发生自由基加成，因为单体的活性越高，生成的自由基越稳定自由基的活性就会越低，因此需要一个高活性的CTA来控制聚合反应。因此MAMs（低SOMO）通常用高活性的三硫代碳酸盐或硫代苯甲酸酯（低LUMO）RAFT试剂聚合来实现可控，因为单体的SOMO能量和CTA的LUMO能量具有相似的能级。四、动力学方程在RAFT聚合中最少有四种平衡常数分别为：A.K(=kadd/k−add)B.Kβ=(k−β/kβ)C.KP(=kaddP/k−addP）D.KR(=kaddR/k−addR)A和B的平衡是关于RAFT聚合预平衡阶段的平衡常数，C是主平衡阶段的平衡常数。最后的反应Scheme3.6经常被忽略因为中间体18存在周期非常短，D则是这个反应的平衡常数。但是如果断裂过于缓慢或是中间体18参与了副反应，则这个反应不能忽略。这两个链转移常数决定了链转移试剂的消耗速率，前者是描述与增长自由基Pn·的反应，后者是描述断裂排出R·链转移速度常数ktr可以定义为有关RAFT试剂加成的速率常数kadd和一个关于加合物断裂时对于原始添加物（Pm·）和增长自由基R·（Pn·）取舍的分配系数φ如果断裂的自由基是一个很长的增长链（主平衡中的Pn·、Pm·）。则会有Ctr=C−tr,ktr=k−tr,k−add=kβcoefficient(φ)=0.5，对于给定单体对应的RAFT试剂一般都可以查到有关的链转移常数。mM和mT分别为单体和RAFT试剂的分子量，d是发生双基终止事件产生的链段数（d/2=1-fc/2，fc=1代表100%发生偶合终止，fc=0代表100%发生歧化终止；对于MMA聚合d=1.67，苯乙烯聚合d=1）。RAFT的速率常数和普通自由基速率常数相同。五、RAFT三元无规共聚1.制备RAFT链转移试剂Rhodixan使用可逆加成断裂链转移试剂RhodixanA1用作醋酸烯酯单体的可控聚合，RhodixanA1与醋酸烯酯单体的活性相匹配，RAFT聚合过程中的加成断裂速率很快。RhodixanA1反应路线如下：实验步骤：称过量的黄原酸钾（3.2093g0.020mol）加入三颈瓶，再放入50ml丙酮，通氮气15min保证体系没有氧气。在恒压滴液漏斗中用注射器射入溴丙酸甲酯（2ml0.0179mol），冰水浴下向体系滴加20min。滴加完成后25℃油浴反应8h，体系的颜色由黄色变浅黄最后为乳白色。反应完毕将反应液移入旋蒸瓶进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，用水洗涤3次。萃取的上层乙醚溶液用MgSO4过夜干燥。过滤除去MgSO4，滤液旋蒸。得到的溶液用220ppm滤头过滤。真空干燥5天。得到的RAFT试剂0℃冷藏。RAFT试剂的核磁谱图如下：2.RAFT三元无规聚合按照下图的机理，使用AIBN为引发剂，RhodixanA1为链转移试剂合成Poly（VAc-alt-VBu-alt-VBE）三元无规聚合物。干燥的25ml圆底烧瓶分别加入单体（VAc、VBu、VBE），AIBN,CTA。混合物经过液氮冷冻-抽真空-氮气解冻循环三次进行除氧。最后氮气氛围下在65℃油浴中反应约48h。反应结束时液氮淬灭体系，并敞开体系暴露在空气中。使用少量丙酮溶解体系，用正己烷沉淀离心除去未反应单体。得到的聚合物真空干燥，之后用GPC测定分子量，用核磁测定化学成分。