零价金属催化RAFT聚合物末端硫代羰基的去除及修饰

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在过去几十年中,可逆-钝化自由基聚合(reversible-deactivation radicalpolymerization, RDRP)由于其定制合成大分子的显著优势,已经发展成为一种高效可控合成大分子的方法之一。目前较成熟的RDRP方法主要包括原子转移自由基聚合(atom-transfer radical polymerization, ATRP),可逆加成-断裂链转移(reversibleaddition-fragmentation chain-transfer polymerization, RAFT)聚合,单电子转移“活性”/可控自由基聚合(Single-Electron Transfer Living Radical polymerization, SET-LRP)等。其中RAFT聚合反应条件温和,适用的单体范围广,对聚合物的分子量控制性好,已经成为最为广泛使用的RDRP方法之一。但是RAFT聚合使用的链转移剂(CTA)中含有硫代羰基(S=C(Z)–S–),这使得聚合物中含有大量的硫代羰基,从而产生很多不利因素:(1)聚合物会有颜色;(2)硫代羰基分解产生挥发性的含硫化合物,聚合物有难闻的气味;(3)聚合物末端的RAFT功能团不稳定,容易发生胺解、水解或热分解等反应。因此,对RAFT聚合物末端硫代羰基进行去除和修饰有着重要的意义。本论文的目的就是利用零价金属与RAFT聚合物末端功能团间的自由基反应,在稳定自由基捕捉剂(2,2,6,6-tertamethylpiperidinyl-1-oxy, TEMPO)存在下,进行RAFT聚合物末端硫代羰基的去除及修饰研究。具体的工作内容如下:(1)合成RAFT聚合物:聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate), PMMA),聚苯乙烯(poly(styrene), PS),聚丙烯酸甲酯(poly(methyl acrylate), PMA),聚醋酸乙烯酯(poly(vinyl acetate), PVAc)。室温条件下RAFT聚合物与零价金属铜或铁/自由基捕捉剂(TEMPO)作用,从而对RAFT聚合物末端的硫代羰基进行去除/修饰。PMMA末端硫代羰基的处理过程中,当使用零价金属铜作为催化剂,较少TEMPO存在条件下,氢核磁共振谱显示硫代羰基中苯基的特征峰逐渐消失,大分子自由基之间发生耦合反应,分子量慢慢增加到原来PMMA分子量的两倍。当TEMPO量较多时,大分子自由基和TEMPO之间发生歧化反应,聚合物末端生成乙烯基双键。使用铜丝也可以有效地去除硫代羰基。铁粉或铁丝都能够去除/修饰硫代羰基。这些结果表明温和条件下使用零价金属铜或铁/TEMPO体系可以去除/修饰PMMA末端的硫代羰基,具有经济效益高、容易操作的优点,适合潜在的大规模生产。(2)PS以及其他RAFT聚合物末端硫代羰基处理体系中,PS末端硫代羰基基团能被去除,体积排阻色谱(SEC)显示双峰分布的产物,其中一个峰的分子量与原来的PS分子量相当,而另一个峰的分子量是原来PS分子量的两倍,并且随着反应时间的延长,分子量基本不变的峰峰面积逐渐减小,而分子量加倍的峰峰面积逐渐增加;增加TEMPO的量,处理效果没有明显变化。提高反应温度至60oC时,去除效果明显。当不加TEMPO时,端基去除效果较差。增加零价金属铜的量,增加大分子自由基之间的相互作用,去除效果增加。零价金属铜丝,铁粉以及铁丝也能进行处理,但硫代羰基去除的效果没有零价铜粉好。该研究成果提供了一种既能去除RAFT聚合物末端的硫代羰基,又能得到可控双峰分布PS的简便方法。对PMA末端硫代羰基进行处理时,大部分的硫代羰基被去除,得到双峰分布的聚合物。PVAc末端RAFT功能团处理中,产物分子量没有明显改变。但反应后产物颜色变深,端基不能有效去除。
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