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环状聚合物的合成 / 环状高分子的合成

发表时间:2021-12-03 14:17

环状聚合物的合成

【摘要】 环状聚合物具有不同于线性高分子的独特性质, 是一类具有应用前景的新型聚合物材料。 扩环聚合和线形聚合物的分子内成环反应作为传统的合成方法, 与“点击” 化学各有优劣。 而新型方法由于其高效、 可靠、 高选择性的特点已成为拓扑高分子合成的新方法, 活性自由基聚合(ATRP、 RAFT 和 NMP)具有聚合物结构可控等特点, 二者联用为环状聚合物的合成拓宽了思路。 本文就环状聚合反应的发现历史及其合成方法进行综述。

【关键词】 环状聚合物; 扩环聚合; 线形聚合物; 分子内成环反应; 活性自由基聚合; “点击” 化学; CuAAC; RAFT; ATRP


一、 环化聚合反应的发现及范围

“非共轭的二烯烃单体在聚合或者共聚的过程中必然会导致交联而得到不可溶的聚合物” , 这一当时被广泛接受的理论是由高分子领域的奠基人赫尔曼· 施陶丁格在 1934 年提出来的。 但在 1951 年, 美国化学家 G. B. Butler 等人用自由基引发二烯丙基季铵盐类进行溶液聚合。 G. B. Butler 通过对二烯丙基季铵盐类聚合的研究, 推测单体在聚合过程中先进行分子内环化, 再进行分子间反应, 这两种链传递反应交替进行从而生成了主链含有环状重复单元的线性聚合物, 并提出单体可以通过交替的“分子内一分子间” 链增长反应, 导致线性高聚物的形成。 这一反应的过程生成了主链含有环状结构的嵌段共聚物, 也成为了环化聚合所引申出的概念——环化共聚合反应。

在此之后德国化学家 Alan Crawshaw 又利用高分子降解和碎片分析的方法对这一现象进行了细致的分析, 并且在对施陶丁格的关于“非共轭的二烯烃单体在聚合或共聚的过程中必然会导致交联而得到不可溶的聚合物” 这一交联理论的描绘中发现, 他仅仅是在研究了间位和对位的二乙烯基苯的聚合实验中发现了交联现象, 而对于邻位的二乙烯基苯并没有报道(后来试验发现, 这种邻位单体可以得到相应的环状聚合产物)。 1953 年 W· 辛普森等人在研究邻苯二甲酸二烯丙酯的聚合反应时, 指出了双烯类单体在聚合时有环化现象, 1958 年J· F· 琼斯将这类聚合反应称为环化聚合环化聚合的机理被确定以后, 很多之前无法被解释的现象得到了很好的解释。

早期的环化聚合主要研究的单体是对称的非共轭二烯烃类的单体, 而随着对其研究的发展, 研究领域又扩展到其他非对称的双官能团单体。 聚合物结构从最早小环结构的研究逐步扩展到大环的研究, 研究范围也从原来的纯理论研究到了更具实践价值的发展。 自上个世纪40 年代开始, 环化聚合引起了众多研究者的兴趣, 早期的研究范围主要着重致力于新单体和聚合物的合成, 研究的文献表明能够进行环化聚合的单体大致可以分为两类: 一类是能够在合适的引发条件下进行聚合的单体, 另一类是一些不同的单体群, 即含有不同多重键和适当分散性功能的单体。 这两类都能进行分子内一分子间的链传递, 但该作用仅局限于合成稳定五、 六元环。[1]


二、 环化聚合的机理

众多研究者对环化聚合的机理进行了大量的研究, 但是由于该机理的复杂性, 至今依然存在着争议, 现在被人们广为认同的有以下理论: 第一, 分子内环化和分子间增长究竟哪个占主导对环化聚合的顺利进行起着重要作用; 第二, 在环化聚合中, 不稳定的自由基可能占主导并生成不稳定的环结构; 第三, 电子相互作用理论, 该理论假设无论是在基态还是在激发态, 由于体邻近双键之间的相互作用, 而存在着能量降低效应。[2] 理想的环化聚合是通过抑制分子间反应, 促进分子内环化来实现的。 环化聚合是通过单体分子中的两个反应官能团经引发, 先进行分子内环化、 再进行分子问反应, 通过这两种链传递反应交替进行的聚合反应。 上述的这些环化聚合机理, 一方面完善了环化聚合的理论体系, 另一方面对传统聚合机理的研究也起了重要的作用。


三、 环状聚合物的合成方法

3. 1 扩环聚合和线形聚合物的分子内成环反应

传统的合成环状聚合物的方法主要有两种: 扩环聚合(ring-expansion polymerization, REP) 和线形聚合物的分子内成环反应(end-to-end cyclization) 。

REP 聚合是通过小型环状单体的逐步聚合来制备环状聚合物, 环状引发剂在催化剂的作用下连续不断地插入单体而形成一个环状结构的聚合物。扩环聚合无需聚合单体在高度稀释的条件下即可进行, 并能得到高纯度的环状聚合物。但其在单体聚合的过程中采用的环状引发剂往往需要特殊设计且可用的引发剂种类不多, 这在一定程度上限制了其应用。[3] 而目前, 加州理工的Grubbs 等人发现了一种可利用环扩张来制备环状大分子的催化剂 L(PCy3) Cl2Ru=CHPh(A) 。利用这种环状催化剂可以制备聚(1, 8 一辛二叉) , 再进行氢化反应即可以得到聚乙烯。[4]

分子内成环反应就是两端功能化的聚合物分子通过分子间或分子内的“首尾” 反应闭合成环。 一般而言, 该聚合方法首先需要制备出两端具有相同或相异官能团的大分子单体, 随后在稀释的条件下发生反应闭合成环。 具有相同官能团的大分子多是通过对称偶合成环, 其末端官能团多为烯烃基与炔基。 而带有相异官能团的大分子单体分子采用分子内关环反应,此种方法更是可以制备出分子量在百万级别以上的环状聚合物。 与扩环聚合相比, 该方法的应用范围更广。


3. 2 活性自由基聚合法制环状聚合物

1956 年, 美国科学家 Szware 发现在无水、 无氧、 无杂质和低温条件下, 在四氢呋喃溶剂中, 萘钠引发苯乙烯阴离子聚合不存在任何链终止反应和链转移反应, 得到的聚合物溶液在高真空条件下低温存放数月 , 其活性种浓度仍保持不变。 若再加入苯乙烯, 聚合反应仍能继续进行, 得到分子量更高的聚苯乙烯。 Szware 把这种聚合方法叫做“活性聚合” 。 目前比较成功的聚合体系 主要有可逆加成一断裂一链转移聚合(ReversibleAddition and Fragmentation Chain Transfer, RAFT) 和原子转移自 由 基聚合(AtomTransfer Radical Polymerization, ATRP) 。[5]


3. 2. 1 可逆加成一断裂链转移聚合(RAFT)

该技术首先是由 Rizzardo 等在 37 届国际高分子大会上公布的, 他不仅实现了 RAFT 活性自由基聚合, 并发现了具有高链转移常数和特定结构的链转移剂——双硫酯(ZCS2R) 。 与其它活性自由基聚合技术相比, RAFT 聚合最大的优点就在于单体来源广泛, 几乎所有能够进行自由基聚合的单体都能进行 RAFT 聚合, 且反应条件也比较温和, 可以在低温水中聚合单体。 RAFT 聚合可以通过本体、 溶液、 乳液、 悬浮等多种方法实现, 借助于活性末端引入功能基团, 并可合成线形、 嵌段、 星型等多种具有精细结构的高分子聚合物。 只要选择合适的 RAFT 试剂和反应条件, 就可以获得一定分子量的、 分子量分布较窄的聚合物。[6]


3. 2. 2 原子转移自由基聚合(ATRP)

此技术是 1995 年王锦山和 Sawamoto 分别独立发现的。这种自由基聚合反应以卤代烷作引发剂, 过渡金属络合物作催化剂, 有效地抑制了自由基双基终止的反应, 可实现多种单体的活性聚合和可控自由基聚合。该合成方法是建立在有机合成中广泛应用的原子转移自由基加成反应(Atom TransferRadical Addition, ATRA) 的基础上。 [7] ATRA 是建立碳一碳键的有效方法, 以过渡金属物如 Cu, Ru 等作为催化剂。 ATRP 反应条件较温和, 适用单体广泛, 对杂质不太敏感, 可以同时适用于非极性和极性单体。 同时, 由于活性种是自由基, 因此 ATRP 不仪仅局限于本体聚合和溶液聚合, 而且可以扩展到悬浮聚合、 乳液聚合, 提供了聚合方式的多样性。 用 ATRP 法可以实现端基功能化(共) 聚合物、 嵌段共聚物、 梯度共聚物、 星形共聚物、 支化聚合物的合成。


3. 2. 3 活性自由基聚合在扩环法中的应用

中国科技大学的潘才元等通过可以转化为稳定自由基的环状引发剂, 成功制备了环状化合物, 其机理也是属于扩环聚合反应。 [8] 该反应使用的是引发剂在加热、 紫外光或 v 射线的引发下, 会均裂生成有活性的稳定自由基, 从而引发单体聚合, 生成增长链自由基。 当增长自由基与几个单体反应后, 增长链自由基与原冼存在的稳定自由基之间存在可逆终止反应。对手所有的引发位置而言, 其均裂、 增长、 终止的机会是一样的, 因此制备出的环状聚合物聚合度和分布都是可以控制。 为了降低扩散速度和抑制副反应(如链转移反应) , 该反应必须在低温下进行。


3. 3“点击” 反应在制备环状聚合物中的应用

环状聚合物复杂的结构导致其合成过程复杂繁琐。上述方法存在的问题是如何制备高活性的长链线形聚合物, 同时大分子单体成环过程中存在分子间的链间反应, 导致在反应结束后往往会得到线形、 环状聚合物的混合物, 由于它们有着相同或接近的分子量, 从而难以对两者进行有效分离, 因此该类反应必须在稀释的条件下进行。 而“点击” 化学由于其高效、可靠、 高选择性的特点已成为拓扑高分子合成的新方法, 活性自由基聚合(ATRP、 RAFT 和NMP) 具有聚合物结构可控等特点, 二者联用为环状聚合物的合成拓宽了思路。

“ 点击” 化学( Click Chemistry) 是由 2001 年诺贝尔化学奖获得者美国化学家Sharpless 提出的一种快速合成大量化合物的新方法, 其核心是利用一系列可靠、 高效而又具有选择性的化学反应, 如环加成反应和亲核开环反应等。 [9]   “点击” 反应主要有 4 种类型: (1) 环加成反应, 特别是 l, 3-偶极坏加成反应, 也包括杂环 Diels-Alder 反应; (2) 亲核开环反应, 特别是张力杂环的亲电试剂开环; (3) 非醇醛的羰基化学反应; (4) 碳碳多键的加成反应。[10] 其中研究和应用最为成熟的是 Cu 催化的端基炔和叠氮化物生成的 1, 4-二取代的 1,2, 3-三唑的 Huisgen 偶极环加成反应, 其反应条件温和并且最终产物率高, 甚至不需要专门的分离提纯。[11]


3. 3. 1 CuAAC 反应制备环状聚合物

传统的“点击” 反应主要指铜催化的叠氮/炔的 1, 3-偶极环加成(CuAAC) , 铜催化的炔基 / 叠氮偶极环加成反应(Cu-catalyzed azide/alkyne cycloaddition(CuAAC) 在许多时候几乎已经成了 click 反应的代名词。 Cu(I) 催化体系的主要包含下面三个部分: (1) 使用一价铜盐和含氮的配体(CuX/PMDETA) 或一价铜盐和含磷的配体(CuX/PPh3) 作为催化体系, 这些催化体系同 ATRP 聚合的催化体系基本相同; (2) 使用抗坏血酸钠、 铜粉或铜丝还原 CuSO4;(3) 采用 Cu(0) 同含氮配体(CuX/PMDETA) 在极性溶剂里原位催化反应, 该催化体系同单电子转移活性自由基聚合里的催化机理基本等同。由于其具有反应条件温和、速率快、选择性高、产率高(几乎无副产物) 和易纯化等优点, CuAAC click 反应迅速被引入环状聚合物的合成领域, 成为一种重要的关环手段。[12]


3. 3. 2 “点击” 化学与 ATRP 的结合

“点击”化学与活性自由基聚合方法的组合为制备环状聚合物材料提供了有利的研究工具: 由于 ATRP 方法自身的特点, 它很容易在聚合物末端引入叠氮基团, 因此将 ATRP 与“点击” 化学二者的优点相结合, 为制备分子量分布窄的功能性聚合物提供了一种普适方法。 如利用 ATRP 与“点击” 化学相结合来制备环状聚甲基丙烯酸甲酯: 根据 ATRP 原理, 用含端炔的有机卤化物作为引发剂时, 产物的一端为炔基, 另一端则为卤素原子, 而卤素原子本身可作为叠氮化物的原料, 从而可利用“点击” 反应使聚合物成环。[13]


3. 3. 3 CuAAC 反应与 RAFT 的结合

相对 NMP 而言, RAFT 聚合方法适用的单体范围广、 聚合条件温和、 反应温度范围较宽, 目前已被广泛用于合成几类特殊结构的聚合物。 Qiu 等[14]通过“点击” 反应与 RAFT 联用在水相中制备了温敏性的聚 N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM) 。 Goldmann 等[15] 通过 RAFT 与“点击” 反应结合制备了环状的聚苯乙烯。


3. 3. 4 新型“点击” 反应或制备环状聚合物的应用

目前,““点击” ” 反应的种类正在不断增多, 一些反应具备快速、 高效、 反应条件温和、立体选择性好以及产物单一且易于分离等特点的, 比如巯基/烯、巯基/炔、巯基/马来酰亚胺、Diels-Alder 环加成以及卤代物与氮氧自由基的偶联反应等, 也都被归为““点击” ” 反应。[16] 如 Stanford 等[17]通过巯基/烯““点击” ” 反应制备了具有立体规整性的环状聚丙交酯;Barner-Kowollik 等[18]通过 Diels-Alder 反应制备了高纯度的环状聚合物。


3. 4 合成环状大分子的方法

从热力学和动力学的角度上讲, 十二元以上的环越打越难形成, 大分子的环化反应通常产率较低, 一般情况下通过分子内藕合形成二十元以上的环非常困难, 此时反应总是倾向于发生分子同藕合, 而环状大分子通常有几十个, 几百个结构单元, 而且受严重的竞争反应影响,需要进行冗长繁杂的纯化操作才能得到纯净的环状大分子。但随着理论和实验技术的进一步发展, 各种环状大分子也逐渐被合成出来。 如 Deffieux 和 Schappacher 发展了一种纯化环状大分子的方法, 就是在合成的过程中引入在极低浓度下高效率的偶合反应。 并且研究人员们也发现了越来越多的方法来解决大分子环化反应的低效率问题, 如环扩张法、 静电自组装和高活性基团的成环反应。[19]


3. 5 刚性环状聚合物的合成

聚合的结构与性能具有非常重要的联系, 如复杂结构的非线型聚合物(表现出于普通线型聚合物不一样的性能)。环状聚合物是一类具有特殊拓扑结构的聚合物, 由于不存在末端,其结构单元具有化学物理意义上的等效性。 与其它拓扑结构的线型聚合物相比, 具有更为特殊的性质, 如较小的固有粘度和平动摩擦系数、 较高的玻璃化转变温度以及特殊的自组装性质和表面性质等。[20]然而, 对于环状聚合物的研究均集中与柔性链聚合物, 基于刚性链的环状聚合物鲜有报道, 而柔性链聚合物与刚性链聚合物的物理化学性能具有非常显著的区别,所以这也为环状聚合物的研究提供了新的思路。


四、 对于环状聚合物合成的展望

环状聚合物具有不同于一般结构聚合物的特殊性质, 但其合成过程复杂, 长链聚合物端基官能团反应活性低, 成环过程中容易产生链间副反应, 这是合成化学家们面临的一个难题。 而“点击” 化学的出现大大解决了在合成环状聚合物过程中线形聚合物反应活性不高的问题, 其高效和高选择性使其成为一种备受关注的实用方法。 “点击” 化学与多种活性自由基联用各有优缺点, 目前应用较多的是 ATRP, 而 RAFT 与“点击” 反应在环状聚合物中的应用较少, 因而对后两种方法与“点击” 化学联用还有很大的研究空间。 此外, “点击” 反应中应用最多的为 CuAAC 反应, 但此过程中用到了具有细胞毒性的金属铜试剂, 这对聚合物在生物医药等方面的应用产生了负面影 响, 因此必须寻找新的高效且无金属催化的“点击”反应以进一步拓展“点击”反应的应用。


除了环状聚合物的高效合成, 环状聚合物的性质研究也逐渐受到重视。 环状聚合物特殊的拓扑结构使其结构单元具有化学物理意义上的等同性, 因而具备了一些不同于一般拓扑聚合物的特殊性质, 如本征黏度、 玻璃化转变温度、 熔融温度、 熔体黏度、 热稳定性、相容性和表面性能等。 这些特殊的性质也使环状聚合物在材料、 超分子及其自组装和生物医药等领域得到了广泛应用。[21] 相信随着环状聚合物合成方法的发展以及对其性质的研究, 环状聚合物的应用也会越来越广。


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