CN1314718C - 甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方法 - Google Patents

甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方法，其特征在于，包括下列步骤：加入甲基丙烯酸甲酯单体及溶剂，所述溶剂选自甲苯、2-丁酮和甲醇，在引发剂和催化链转移剂存在下，用微波进行连续辐照，反应温度在40℃至70℃之间，反应时间不少于1.5分钟，单体甲基丙烯酸甲酯与催化剂的重量比为107∶1～105∶1。采用本发明方法，催化链转移剂的链转移常数高，反应速度明显提高。

Description

甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方法
                          技术领域
本发明涉及一种有机物的聚合方法，具体涉及一种用于甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方法。
                          背景技术
催化链转移聚合是一种非常有效的控制聚合物分子量的方法。该方法的优点在于使用微量的催化链转移试剂就可以得到分子量可控，末端带有不饱和双键的聚合物，用所得到的聚合物作为大分子单体，可以进一步与其他单体进行接枝或者嵌段共聚。利用这种聚合方法获得的两亲性的接枝或者嵌段共聚物已经被广泛用于涂料，油墨改性等领域。
考虑到用水作为介质导致的废水处理问题，在进行甲基丙烯酸甲酯的链转移聚合时，通常采用本体聚合法或溶液聚合法。其包括作为主成分的甲基丙烯酸甲酯单体，在聚合引发剂和催化链转移剂存在下，加热进行本体聚合或溶液聚合，生成含有未反应单体的液态聚合物混合物，再进行分离，获得所需甲基丙烯酸甲酯的聚合物。
其中所采用的链转移剂已有较多报道，包括，硫醇化合物如正辛基硫醇；5，10，15，20-四苯基-21H，23H-钴嘌啉(CoP)；双(三氟化硼)二(二苯基)钴肟(CoPhBF)；双(三氟化硼)二(二甲基)钴肟(CoBF)；双(三氟化硼)二(二环己基)钴肟(CoCBF)，等。人们希望获得较高的链转移常数，以减少链转移剂的使用量，从而，目前的研究主要在于不断改变链转移剂的种类，以寻求较佳的选择。
同时，现有技术中，聚合反应的温度较高，例如，中国发明专利CN1054861C公开了一种甲基丙烯酸甲酯聚合物的制备方法，其反应温度在90℃-180℃之间。反应温度较高，会造成工艺成本难以降低。
微波辐射技术是八十年代后兴起的一项在化学反应中应用的新技术。自1986年Gedye和Giguere等报导了利用微波辐射技术促进一些有机反应的研究之后，微波能在化学领域已得到广泛应用，如：食品加工、农业、林业、轻工业、医疗卫生、橡胶和塑料的固化、陶瓷烧结、提取冶金、有机合成、生物样品水解、微波辅助提取等，逐渐发展成为辐射化学领域一门引人注目的全新课题——MORE化学。然而，通常认为在化学反应中利用微波辐射只是为了替代常规加热方法，使得反应过程中加热更为均匀。而在甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方面，并未有利用微波技术的报道。
                          发明内容
本发明目的是提供一种甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方法，使其能有效提高催化链转移剂的链转移常数，以减少催化链转移剂的用量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方法，包括下列步骤：加入甲基丙烯酸甲酯单体及溶剂，所述溶剂选自甲苯，2-丁酮和甲醇，在引发剂和催化链转移剂存在下，用微波进行连续辐照，反应温度在40℃至70℃之间，反应时间不少于1.5分钟，单体甲基丙烯酸甲酯与催化链转移剂的重量比为107∶1～105∶1。
上述技术方案中，优选的反应温度为60℃。
上述技术方案中，所述催化链转移剂可以选自5，10，15，20-四苯基-21H，23H-钴嘌啉、双(三氟化硼)二(二苯基)钴肟、双(三氟化硼)二(二甲基)钴肟或者双(三氟化硼)二(二环己基)钴肟。
上述技术方案中，所述溶剂为甲苯。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明在反应过程中采用微波进行连续辐照，使得同一催化链转移剂的链转移常数较在通常加热反应时的值提高。一般认为，微波可以使反应物均匀加热，从而加快反应速度，由于此前没有人将微波加热用于甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合反应，根据本领域技术人员的判断，只能预想到加热效果的改善；而实际上，如后面实施例中所述，在采用本方案后，催化链转移剂的链转移常数明显提高，例如，在常规加热方式60℃下，以5，10，15，20-四苯基-21H，23H-钴嘌啉(以下简称CoP)和双(三氟化硼)二(二苯基)钴肟(以下简称CoPhBF)为催化剂的甲基丙烯酸甲酯的溶液聚合的链转移常数分别为2790和17600；而在微波辐射下，相同条件下CoP和CoPhBF的催化链转移常数分别提高到了4380和21600。催化链转移常数的提高是本领域技术人员没有预料到的，从而本发明具备创造性。
2.由于本发明采用微波辐照，反应速度明显提高，常规加热方式下60℃加热2.5分钟，以CoP和CoPhBF为催化链转移剂的甲基丙烯酸甲酯的聚合反应没有聚合物生成，而同一个温度在微波加热下，以CoPhBF为链转移试剂的聚合反应转化率达到了7.3％，以CoP为链转移试剂的聚合反应转化率达到了5.3％。微波辐照60℃下200分钟左右就可以使甲基丙烯酸甲酯聚合转化率达到100％，而在同样条件下常规加热需要3000分钟。
                         附图说明
附图1为本发明实施例一和实施例二中单化转化率与时间关系图，其中，MI为微波辐照方式，CH为常规加热方式。
                        具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：微波辐射下以5，10，15，20-四苯基-21H，23H-钴嘌啉(CoP)为催化链转移试剂的甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合：
单体甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate，MMA，上海试剂公司)经碱洗至无色后用去离子水洗至中性，使用无水硫酸镁干燥后经减压蒸馏使用；引发剂偶氮二异丁腈(AIBN，上海试剂公司)使用乙醇重结晶两次后常温真空干燥使用；催化链转移试剂CoP直接从Aldrich购买；其余试剂均使用上海试剂厂产品，经通常方法处理后使用。
聚合装置采用美国CEM公司Discover系列的单模态微波反应器，微波辐射功率从0w～300w可调，温度最高为250℃，压力为0～300psi。反应管为10ml单颈玻璃管。
分析测试仪器为，1H-NMR在INOVA 400MHz核磁仪上以CDCl3为溶剂，TMS为内标测定。元素分析使用EA1110自动型元素自动分析仪测定。聚合物的分子量和分子量分布指数使用Waters 1515凝胶色谱仪(GPC)测定，使用分子量范围为100-500,000的HR1、HR3和HR4柱子，热导检测器，以THF为流动相，流速1.0mL/min，柱温30℃测定，分子量以聚甲基丙烯酸甲酯标样校正。
先将甲基丙烯酸甲酯单体和甲苯用氩气鼓泡三个小时，然后转移入无氧操作箱。3.8mg CoP中加入50ml甲苯配成催化剂溶液。将60mg AIBN溶解在12ml甲基丙烯酸甲酯单体和18ml甲苯的混合溶液中以配成引发剂溶液。在每个反应管中加入5ml引发剂溶液，然后用微量进样器在5个反应管中依次加入0.05，0.1，0.2，0.3，0.5ml催化剂溶液，最后以甲苯溶液稀释反应溶液，保证每个反应管内反应液为6ml。反应管在无氧操作箱中封管后取出，置于微波反应器腔体内，在60℃下连续辐照2.5分钟，反应结束后迅速取出反应管，冷水冷却。聚合物溶液先置于通风橱中除去大部分残留单体和溶剂，而后转移入真空干燥箱中烘干至恒重。转化率用重量法测定。
微波辐射结果：(反应时间：2.5min)
  [Co]/[M]   Conv.(％)   Mn   PDI
  0.00   4.7   27100   2.05
  6.05×10-7   5.3   14300   2.04
  12.10×10-7   4.3   9900   2.04
  18.15×10-7   5.3   8090   2.08
  30.15×10-7   4.4   5880   1.94
  Cs＝4380
采用热聚合方式进行对比试验：在无氧操作箱中在10mL单颈反应管中按预先设定的比例加入单体引发剂混合溶液，催化剂溶液。然后封口。将反应管放入预先设定温度(60℃)的油浴中反应。经过预定时间的聚合后取出反应管，打开封口，聚合物溶液先置于通风橱中除去大部分残留单体和溶剂，而后转移入真空干燥箱中烘干至恒重。转化率用重量法测定。
热聚合结果：(反应时间：30min)
  [Co]/[M]   Conv.(％)   Mn   PDI
  0.00   4.7   76400   2.34
  6.05×10-7   4.04   30880   1.93
  12.10×10-7   4.2   18360   1.96
  18.15×10-7   3.5   15400   1.87
  30.15×10-7   3.6   10200   1.86
  Cs＝2790
实施例二：微波辐射下以双(三氟化硼)二(二苯基)钴肟(CoPhBF)为催化链转移试剂的甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合
单体甲基丙烯酸甲酯(上海试剂公司)经碱洗、水洗并干燥后通过减压蒸馏精制。引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)通过乙醇重结晶精制。苯基钴肟按文献方法合成(Andreja BakaE，Mark E.Brynildson，and James H.Espenson，Inorganic Chemistry，1986，25，4108-4114).
甲基丙烯酸甲酯和甲苯用氩气鼓泡三个小时，然后转移入无氧操作箱。2.8mg CoPhBF中加入50ml甲苯配成催化剂溶液。将60mg AIBN溶解在12ml甲基丙烯酸甲酯和18ml甲苯的混合溶液中以配成引发剂溶液。在每个反应管中加入5ml引发剂溶液，然后用微量进样器在5个反应管中依次加入0.05，0.1，0.2，0.3，0.5ml催化剂溶液，最后以甲苯溶液稀释反应溶液，保证每个反应管内反应液为6ml。反应管在无氧操作箱中封管后取出，置于微波反应器腔体内，在60℃下连续辐照2.5分钟，反应结束后迅速取出反应管，冷水冷却。聚合物溶液先置于通风橱中除去大部分残留单体和溶剂，而后转移入真空干燥箱中烘干至恒重。转化率用重量法测定。
微波辐射结果：(反应时间：2.5min)
  [Co]/[M]   Conv.(％)   Mn   PDI
  0.00   4.7   27100   2.05
  2.31×10-7   8.4   8300   1.92
  4.62×10-7   7.0   6380   2.12
  9.24×10-7   6.4   4540   2.47
  13.86×10-7   5.8   2680   2.04
  18.48×10-7   6.1   2120   2.01
  Cs＝22600
采用热聚合方式进行对比试验：在无氧操作箱中在10mL单颈反应管中按预先设定的比例加入单体引发剂混合溶液，催化剂溶液。然后封口。将反应管放入预先设定温度(60℃)的油浴中反应。经过预定时间的聚合后取出反应管，打开封口，聚合物溶液先置于通风橱中除去大部分残留单体和溶剂，而后转移入真空干燥箱中烘干至恒重。转化率用重量法测定。
热聚合结果：(反应时间：30min)
  [Co]/[M]   Conv.(％)   Mn   PDI
  0.00   4.7   76400   2.34
  2.31×10-7   7.3   14710   2.01
  4.62×10-7   6.5   8990   1.94
  9.24×10-7   6.2   5780   1.82
  13.86×10-7   6.1   4120   1.90
  18.48×10-7   6.2   2780   2.02
  Cs＝17500
根据实施例一和实施例二的方式以不同反应时间进行实验，获得转化率与反应时间的关系图，如附图1所示。图中，MI表示微波辐照方式，CH表示常规加热方式，从图中可以看出，采用微波辐照方式，可以大大加快反应速度。
实施例三：微波辐射下以双(三氟化硼)二(二甲基)钴肟(CoBF)为催化链转移试剂的甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合
单体甲基丙烯酸甲酯(上海试剂公司)经碱洗、水洗并干燥后通过减压蒸馏精制。引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)通过乙醇重结晶精制。甲基钴肟按文献方法合成(Andreja BakaE，Mark E.Brynildson，and James H.Espenson，Inorganic Chemistry，1986，25，4108-4114).
甲基丙烯酸甲酯和甲苯用氩气鼓泡三个小时，然后转移入无氧操作箱。2.8mg CoBF中加入50ml甲苯配成催化剂溶液。将60mg AIBN溶解在12ml甲基丙烯酸甲酯和18ml甲苯的混合溶液中以配成引发剂溶液。在每个反应管中加入5ml引发剂溶液，然后用微量进样器在3个反应管中依次加入0.1，0.3，0.5ml催化剂溶液，最后以甲苯溶液稀释反应溶液，保证每个反应管内反应液为6ml。反应管在无氧操作箱中封管后取出，置于微波反应器腔体内，在60℃下连续辐照2.5分钟，反应结束后迅速取出反应管，冷水冷却。聚合物溶液先置于通风橱中除去大部分残留单体和溶剂，而后转移入真空干燥箱中烘干至恒重。转化率用重量法测定。
微波辐射结果：(反应时间：2.5min)
  [Co]/[M]   Conv.(％)   Mn   PDI
  4.62×10-7   5.9   7040   2.17
  9.24×10-7   2.9   2700   1.95
  18.48×10-7   4.6   1850   1.80
  Cs＝28100
热聚合：在无氧操作箱中在10mL单颈反应管中按预先设定的比例加入单体引发剂混合溶液，催化剂溶液。然后封口。将反应管放入预先设定温度(60℃)的油浴中反应。经过预定时间的聚合后取出反应管，打开封口，聚合物溶液先置于通风橱中除去大部分残留单体和溶剂，而后转移入真空干燥箱中烘干至恒重。转化率用重量法测定。
热聚合结果：(反应时间：30min)
  [Co]/[M]   Conv.(％)   Mn   PDI
  2.31×10-7   6.5   17200   1.89
  9.24×10-7   5.9   4780   2.29
  18.48×10-7   3.8   2560   2.02
  Cs＝20700
实施例四：微波辐射下以双(三氟化硼)二(二环己基)钴肟(CoCBF)为催化链转移试剂的甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合
单体甲基丙烯酸甲酯(上海试剂公司)经碱洗、水洗并干燥后通过减压蒸馏精制。引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)通过乙醇重结晶精制。环己基钴肟按文献方法合成(Andreja BakaE，Mark E.Brynildson，and James H.Espenson，Inorganic Chemistry，1986，25，4108-4114).
甲基丙烯酸甲酯和甲苯用氩气鼓泡三个小时，然后转移入无氧操作箱。2.8mg CoPhBF中加入50ml甲苯配成催化剂溶液。将60mg AIBN溶解在12ml甲基丙烯酸甲酯和18ml甲苯的混合溶液中以配成引发剂溶液。在每个反应管中加入5ml引发剂溶液，然后用微量进样器在4个反应管中依次加入0.05，0.1，0.15，0.3ml催化剂溶液，最后以甲苯溶液稀释反应溶液，保证每个反应管内反应液为6ml。反应管在无氧操作箱中封管后取出，置于微波反应器腔体内，在60℃下连续辐照2.5分钟，反应结束后迅速取出反应管，冷水冷却。聚合物溶液先置于通风橱中除去大部分残留单体和溶剂，而后转移入真空干燥箱中烘干至恒重。转化率用重量法测定。
微波辐射结果：(反应时间：2.5min)
  [Co]/[M]   Conv.(％)   Mn   PDI
  2.31×10-7   5.3   12200   2.12
  4.62×10-7   6.0   9600   2.07
  6.93×10-7   5.5   8680   2.07
  13.86×10-7   2.7   6320   2.08
  Cs＝12300
热聚合：在无氧操作箱中在10mL单颈反应管中按预先设定的比例加入单体引发剂混合溶液，催化剂溶液。然后用封口。将反应管放入预先设定温度(60℃)的油浴中反应。经过预定时间的聚合后取出反应管，打开封口，聚合物溶液先置于通风橱中除去大部分残留单体和溶剂，而后转移入真空干燥箱中烘干至恒重。转化率用重量法测定。热聚合结果：(反应时间：30min)
  [Co]/[M]   Conv.(％)   Mn   PDI
  2.31×10-7   6.1   25100   2.13
  4.62×10-7   5.8   15540   2.04
  Cs＝11700

Claims (3)

1.一种甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方法，其特征在于，包括下列步骤：加入甲基丙烯酸甲酯单体及溶剂，所述溶剂选自甲苯、2-丁酮和甲醇，在引发剂和催化链转移剂存在下，用微波进行连续辐照，反应温度在40℃至70℃之间，反应时间不少于1.5分钟，单体甲基丙烯酸甲酯与催化剂的重量比为107∶1～105∶1，所述催化链转移剂选自5，10，15，20-四苯基-21H，23H-钴嘌啉、双(三氟化硼)二(二苯基)钴肟、双(三氟化硼)二(二甲基)钴肟、或双(三氟化硼)二(二环己基)钴肟。
2.根据权利要求1所述的甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方法，其特征在于：所述反应温度为60℃。
3.根据权利要求1所述的甲基丙烯酸甲酯的催化链转移聚合方法，其特征在于：所述溶剂为甲苯。
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