CN102358748A - 以环三膦腈为核的星形链转移剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Description
技术领域:
本发明属于功能高分子材料领域,具体涉及两种以环三膦腈为核的星形链转移剂、制备方法和它们在乙烯基单体的可控自由基聚合中的应用。
背景技术:
活性/可控自由基聚合的成功开发使自由基聚合取得重大突破,其中,可逆加成-断裂链转移(RAFT)自由基聚合是最近十多年发展起来的活性/可控自由基聚合方法,具有适用单体广泛、聚合条件温和、合成的聚合物分子量和分子结构可控、分子量分布较窄等优点,在结构清晰和可控的星形、嵌段、超支化、树枝状、无规及梯度等多种复杂结构聚合物的合成中得到了广泛应用。而要成功实现RAFT聚合,关键是设计合成合适的链转移剂(CTA)。好的CTA可有效地调控高分子单体的RAFT聚合,得到分子量可控、分子量分布较窄、结构明确的聚合物。但一般的CTA对单体具有选择性,例如,RAFT聚合最常用的CTA-双硫酯化合物只能用于调控共轭乙烯基单体的RAFT聚合,而将这种CTA用于调控非共轭乙烯基单体(如N-乙烯基己内酰胺)聚合时完全被阻聚。所以,既能调控共轭乙烯基单体聚合又能调控非共轭乙烯基单体聚合的“通用”CTA已成为国内外高分子化学领域追求的重要目标。
以环三膦腈为核的星形聚合物,由于具有高耐热性和良好的结晶性能等特点,在高分子药物、耐火材料、高分子液晶等方面有很好的应用价值。RAFT聚合是合成星形聚合物的重要手段之一,然而文献检索未见有关可以通用于调控共轭和非共轭乙烯基单体聚合的以环三膦腈为核的星形链转移剂(CTA)的报道。
发明内容:
本发明的目的是提供两种以环三膦腈为核的星形链转移剂,及其制备方法和将它们用于调控共轭和非共轭乙烯基单体的自由基聚合。
本发明的两种以环三膦腈为核的星形链转移剂,一种为以环三膦腈为核的硫代氨基甲酸酯类星形链转移剂(CTA1),另一种为以环三膦腈为核的黄原酸酯类星形链转移剂(CTA2),其分子结构如下:
一、以环三膦腈为核的硫代氨基甲酸酯类星形链转移剂(CTA1)的制备方法是按如下步骤:
a.按现有技术(例如可参照文献:马琴,姜月梅,胡敏奇等.广州化工,2010,39(5):69-71),以4-二甲氨基吡啶和三乙胺为缚酸剂,用4-羟基苯甲醛与六氯环三膦腈一锅煮反应,合成六(4-甲酰苯氧基)环三膦腈,再用NaBH4还原,制得六(4-羟甲基苯氧基)环三膦腈。
b.按现有技术(例如可参照文献Lai J.T.,Shea R.J.Polym.Sci.,Part A:Polym.Chem.,2006,44(14):4298-4316),以甲基三辛基氯化铵为催化剂,用二乙胺和二硫化碳反应得到二硫代氨基甲酸,再在氢氧化钠溶液中与氯仿、丙酮反应,产物经酸化后制得N,N-二乙基-S-a,a’-二硫代乙酸硫代氨基甲酸酯(DTCA)。
c.将六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈、二甲氨基吡啶(DMAP)和DTCA溶于四氢呋喃(THF),每ml THF中溶有总量为40~50mg的所述三种固体物质,按以上顺序的三种固体物质的质量比为1∶0.1~0.2∶1.6~2.0。在0~5℃搅拌下,滴入二环己基碳二酰亚胺(DCC)的四氢呋喃溶液,其中每ml THF中溶有45~55mg DCC,DCC与六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈的质量比为1.9~2.5∶1,滴完,室温搅拌24~36h;最好用干燥的反应容器进行上述反应。过滤,减压蒸馏滤液,剩余物用氯仿溶解后再过滤,减压蒸出氯仿,分离粗产物制得以环三膦腈为核的星形硫代氨基甲酸酯链转移剂(CTA1)。粗产物最好用硅胶柱层析分离(石油醚∶乙酸乙酯=10∶1)。
二、以环三膦腈为核的黄原酸酯类星形链转移剂(CTA2)的制备方法是按如下步骤:
将上述步骤一(a)得到的六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈溶于二甲亚砜(DMSO)中,每ml DMSO中溶有50~60mg六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈,搅拌下,加入重量百分浓度为50~60%氢氧化钾溶液,氢氧化钾溶液和DMSO的体积比为1∶2~4;滴加二硫化碳,室温搅拌2~4h;在0~5℃搅拌下,滴加a-溴乙酸甲酯的THF溶液,其中每ml THF溶有100~120mga-溴乙酸甲酯,六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈、二硫化碳和a-溴乙酸甲酯的质量比为1∶25~35∶2.0~2.5,室温搅拌24~36h;最好用干燥的反应容器进行上述反应。加入乙醚,所加乙醚与DMSO的体积比为15~20∶1,搅拌分层,有机层用蒸馏水分次洗至水层无色。将有机层用无水MgSO4干燥,蒸出乙醚,得到的粗产物经分离制得以环三膦腈为核的黄原酸酯类星形链转移剂(CTA2)。粗产物最好用硅胶柱层析分离(石油醚∶乙酸乙酯=12∶1)。
三、以环三膦腈为核的星形链转移剂(CTA1或CTA2)对乙烯基单体的可控自由基聚合:
在反应容器中加入星形链转移剂CTA1或CTA2、乙烯基单体和偶氮二异丁腈(AIBN),所说乙烯基单体为N-乙烯基己内酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、乙酸乙烯酯、苯乙烯类、丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类单体中的任意一种,CTA1或CTA2、乙烯基单体和AIBN的物质的量比为1∶100~1800∶0.5~2.5;抽真空充氮气多次后,再抽真空30~50min,70~100℃聚合7~48h后,用少量THF溶解聚合物,用石油醚共沉淀3~5次,收集沉淀,得以环三膦腈为核的星形聚合物。用凝胶渗透色谱-多角激光光散射(GPC-MALLS)测定分子量和分子量分布,按以下公式计算理论分子量:Mn,th=(nm/nCTA)×Mm×conv+MCTA,其中nm是单体的物质的量;nCTA是链转移剂的物质的量;Mm是单体的摩尔质量;conv是单体的转化率;MCTA是链转移剂的摩尔质量。
本发明首次获得两种以环三膦腈为核的星形链转移剂,制备方法简单易行、制备条件温和、产率高;产品既能调控非共轭乙烯基单体聚合又能调控共轭乙烯基单体聚合,适用单体广泛;所得以环三膦腈为核的星形聚合物结构明确、实测数均分子量(Mn)与理论分子量相近、分子量分布(PDI)较窄,PDI=1.26~1.45。
附图说明:
图1是实施例一所得以环三膦腈为核的硫代氨基甲酸酯类星形链转移剂CTA1的核磁共振氢谱。
图2是实施例三所得以环三膦腈为核的黄原酸酯类星形链转移剂CTA2的核磁共振氢谱。
具体实施方式:
下面用实施例来进一步详述本发明,但本发明的内容并不局限于此。
实施例一:
冰水浴中,在干燥的两口瓶中加入251mg六(羟甲基苯氧基)环三磷腈、15mlTHF,30mgDMAP和405mg DTCA,搅拌下滴入10ml溶有494mg DCC的THF溶液,室温反应24h。次日,过滤,减压蒸馏滤液,剩余物用氯仿溶解后再过滤,减压蒸出氯仿,粗产物用硅胶柱层析分离(石油醚∶乙酸乙酯=10∶1),得512mg淡黄色固体(CTA1),产率82%。
实施例二:
冰水浴中,在干燥的两口瓶中加入251mg六(羟甲基苯氧基)环三磷腈、20mlTHF,50mgDMAP和500mg DTCA,搅拌下滴入10ml溶有550mg DCC的THF溶液,室温反应36h。次日,过滤,减压蒸馏滤液,剩余物用氯仿溶解后再过滤,减压蒸出氯仿,粗产物用硅胶柱层析分离(石油醚∶乙酸乙酯=10∶1),得533mg淡黄色固体(CTA1),产率85%。图2为所得以环三膦腈为核的黄原酸酯类星形链转移剂CTA2的核磁共振氢谱。
实施例三:
在干燥的三口瓶中加入0.50g六(对羟甲基苯氧基)环三磷腈与10ml DMSO,搅拌下,加入5ml 50%KOH溶液,再滴加10ml CS2,室温搅拌2h。冰水浴中,滴加10ml溶有1.05g a-溴乙酸甲酯的THF溶液,室温搅拌过夜。次日加入150ml乙醚,搅拌分层,有机层用蒸馏水分次洗至水层无色。将有机层用无水MgSO4干燥,蒸出乙醚,得到的粗产物用硅胶柱层析分离(石油醚∶乙酸乙酯=12∶1),得0.808g黄色油状物(CTA2),产率80%。图2为所得以环三膦腈为核的黄原酸酯类星形链转移剂CTA2的核磁共振氢谱。
实施例四:
在干燥的三口瓶中加入0.50g六(对羟甲基苯氧基)环三磷腈与10ml DMSO,搅拌下,加入5ml 50%KOH溶液,再滴加12ml CS2,室温搅拌2h。冰水浴中,滴加10ml溶有1.2g a-溴乙酸甲酯的THF溶液,室温搅拌36h。加入200ml乙醚,搅拌分层,有机层用蒸馏水分次洗至水层无色。将有机层用无水MgSO4干燥,蒸出乙醚,得到的粗产物用硅胶柱层析分离(石油醚∶乙酸乙酯=12∶1),得0.836g黄色油状物(CTA2),产率84%。
实施例五:
在干燥的反应瓶中加入0.018g(0.0083mmol)CTA1、1.018g(7.3mmol)N-乙烯基己内酰胺(NVCL)和3mg(0.018mmol)AIBN,抽真空充氮气多次后,再抽真空30min,75℃油浴中聚合7h后,用少量THF溶解聚合物,用石油醚共沉淀4次,收集沉淀,得以环三膦腈为核的、具有CTA1末端基的星形聚(N-乙烯基己内酰胺)。用GPC-MALLS测定所得聚合物的分子量和分子量分布,结果见表1。
实施例六:
在干燥的反应瓶中加入0.03g(0.017mmol)CTA2、0.584g(4.2mmol)N-乙烯基己内酰胺(NVCL)和1.5mg(0.009mmol)AIBN,抽真空充氮气多次后,再抽真空30min,70℃油浴中聚合20h后,用少量THF溶解聚合物,用石油醚共沉淀3次,得以环三膦腈为核的、具有CTA2末端基的星形聚(N-乙烯基己内酰胺)。用GPC-MALLS测定所得聚合物的分子量和分子量分布,结果见表1。
实施例七:
在干燥的反应瓶中加入0.023g(0.0106mmol)CTA1、1.6ml(17.8mmol)丙烯酸甲酯和3mg(0.018mmol)AIBN,抽真空充氮气多次后,再抽真空30min,75℃油浴中聚合7h后,用少量THF溶解聚合物,用石油醚共沉淀5次,收集沉淀,得以环三膦腈为核的、具有CTA1末端基的星形聚丙烯酸甲酯。用GPC-MALLS测定所得聚合物的分子量和分子量分布,结果见表1。
实施例八:
在干燥的反应瓶中加入0.03g(0.017mmol)CTA2、1.29ml(11.3mmol)苯乙烯和4.25mg(0.026mmol)AIBN,抽真空充氮气多次后,再抽真空50min,100℃油浴中聚合37h后,用少量THF溶解聚合物,用石油醚共沉淀5次,收集沉淀,得以环三膦腈为核的、具有CTA2末端基的星形聚苯乙烯。用GPC-MALLS测定所得聚合物的分子量和分子量分布,结果见表1。
表1 实施例五~八所得聚合物分子量和分子量分布(PDI)
聚合物 | 理论分子量Mn,th | 实测分子量Mn | PDI | |
实施例五 | 星形聚(N-乙烯基己内酰胺) | 32828 | 31888 | 1.26 |
实施例六 | 星形聚(N-乙烯基己内酰胺) | 29170 | 32647 | 1.32 |
实施例七 | 星形聚丙烯酸甲酯 | 121441 | 118821 | 1.45 |
实施例八 | 星形聚苯乙烯 | 16821 | 14984 | 1.31 |
Claims (6)
2.如权利要求1所说的以环三膦腈为核的硫代氨基甲酸酯类星形链转移剂CTA1的制备方法,其特征在于按如下步骤:
a.制得六(4-羟甲基苯氧基)环三膦腈;
b.制得N,N-二乙基-S-a,a’-二硫代乙酸硫代氨基甲酸酯DTCA;
c.将六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈、二甲氨基吡啶DMAP和DTCA溶于四氢呋喃THF,每ml THF中溶有总量为40~50mg的所述三种固体物质,按以上顺序的三种固体物质的质量比为1∶0.1~0.2∶1.6~2.0,在0~5℃搅拌下,滴入二环己基碳二酰亚胺DCC的四氢呋喃溶液,其中每ml THF中溶有45~55mg DCC,DCC与六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈的质量比为1.9~2.5∶1,滴完,室温搅拌24~36h;过滤,减压蒸馏滤液,剩余物用氯仿溶解后再过滤,减压蒸出氯仿,分离粗产物制得以环三膦腈为核的星形硫代氨基甲酸酯链转移剂CTA1。
3.如权利要求2所说的以环三膦腈为核的硫代氨基甲酸酯类星形链转移剂CTA1的制备方法,其特征在于粗产物用硅胶柱层析分离,石油醚∶乙酸乙酯=10∶1。
4.如权利要求1所说的以环三膦腈为核的黄原酸酯类星形链转移剂CTA2的制备方法,其特征在于按如下步骤:
将六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈溶于二甲亚砜DMSO中,每ml DMSO中溶有50~60mg六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈,搅拌下,加入重量百分浓度为50~60%氢氧化钾溶液,氢氧化钾溶液和DMSO的体积比为1∶2~4;滴加二硫化碳,室温搅拌2~4h;在0~5℃搅拌下,滴加a-溴乙酸甲酯的THF溶液,其中每ml THF溶有100~120mg a-溴乙酸甲酯,六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈、二硫化碳和a-溴乙酸甲酯的质量比为1∶25~35∶2.0~2.5,室温搅拌24~36h;加入乙醚,所加乙醚与DMSO的体积比为15~20∶1,搅拌分层,有机层用蒸馏水分次洗至水层无色,将有机层用无水MgSO4干燥,蒸出乙醚,得到的粗产物经分离制得以环三膦腈为核的黄原酸酯类星形链转移剂CTA2。
5.如权利要求4所说的以环三膦腈为核的黄原酸酯类星形链转移剂CTA2的制备方法,其特征在于粗产物用硅胶柱层析分离,石油醚∶乙酸乙酯=12∶1。
6.如权利要求1所说的以环三膦腈为核的星形链转移剂的应用,其特征在于用于N-乙烯基己内酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、乙酸乙烯酯、苯乙烯类、丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类单体中的任意一种的控制自由基聚合。
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