DE3832466A1 - Verfahren zur herstellung von homo- oder aus drei bloecken bestehenden mischpolymerisaten - Google Patents
Verfahren zur herstellung von homo- oder aus drei bloecken bestehenden mischpolymerisatenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein neues und verbessertes Verfahren
zur Polymerisation α,β-ungesättigter Kohlenwasserstoffver
bindungen mit Hilfe von Bis(siloxan)-Anspringmitteln der
Formel:
worin R und R′, die gleich oder verschieden sein können,
für gerad- oder verzweigtkettige aliphatische Kohlenwasser
stoffgruppen, beispielsweise Methyl-, Ethyl-, Propyl-,
Isopropyl-, Butyl-, Isobutyl-, tert.-Butyl-, Pentyl-,
2-Methylbutyl- oder 3-Methylbutylgruppen, insbesondere
aliphatische C1-4-Kohlenwasserstoffgruppen, vorzugsweise
Methyl- oder Ethylgruppen, stehen und n einer ganzen Zahl
von 0 bis 2 entspricht.
Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Anspringmitteln
handelt es sich um Bis(siloxan)-Derivate der Formel (I),
die auf jeder Seite des aliphatischen Dialkens Silylacetal
gruppen aufweisen.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Anspringmittel mit di
funktionellen Gruppen erhält man ohne Schwierigkeiten
gemäß den Vorschriften "Macromolecules" 20 (7), 1473 (1987)).
Die bei der Herstellung der Bis(siloxan)-Derivate als
Ausgangsmaterialien verwendeten Lithiumdiisoalkylamide
der Formel
lassen sich durch Umsetzen sekundärer Amine der Formel
mit Butyllithium in Gegenwart von Tetrahydrofuran unter
gasförmigem Stickstoff herstellen. Das Reaktionsgemisch
wird unterhalb des Gefrierpunkts gehalten.
In den Formeln (II) und (III) besitzt R die angegebene
Bedeutung.
Einer Lösung des jeweiligen Lithiumdiisoalkylamids der
Formel (III) werden unter Rühren ein Diester der Formel
und ein Trialkylchlorsilan der Formel
R₃′SiCl (V)
einverleibt. Wenn das Reaktionsgemisch sich auf Raum
temperatur erwärmen gelassen wird, erhält man hierbei
letztlich ein Bis(siloxan)-Derivat der Formel (I).
In der Formel (IV) und (V) besitzen R, R′ und n die
selben Bedeutungen wie bei der Formel (I).
Aus "Am. Chem. Soc." 27 (1), 161 (1986) ist bekannt, daß GTP
ein grundsätzlich neues Verfahren zur Polymerisatbildung
darstellt. Hierbei erfolgt eine wiederholte Monomeren
addition an ein wachsendes Polymerisatkettenende, das eine
reaktive Ketensilylacetalgruppe trägt. Während der Addition
erfolgt ein Silylgruppentransfer an das ankommende Monomere
unter Regenerierung einer neuen Ketenacetalfunktion, die
zur Reaktion mit weiterem Monomeren bereit ist. Daher rührt
der Name Gruppentransferpolymerisation. Aus der genannten
Veröffentlichung geht auch hervor, daß GTP ein bedeutsames
neues Verfahren zur Polymerisation α,β-ungesättigter Ester,
Amide und Nitrile unter Verwendung von Ketensilylacetalen
als Initiatoren und bestimmten Lewis-Säuren oder Anionen
als Katalysatoren darstellt.
Das GTP-Verfahren läßt sich bekanntlich für das Methyl
methacrylatmonomere (MMA) durch die folgende Gleichung 1
veranschaulichen. Damit die Reaktion ablaufen kann, be
nötigt man einen Katalysator, beispielsweise ein lösliches
Bifluorid. Das GTP liefert bei Raumtemperatur rasch ein
"lebendes Polymerisat" und bietet neue Dimensionen für
Aufbau und Design von Polymerisatketten.
Das GTP-Verfahren arbeitet am besten mit Monomeren mit
Acrylsäureestern. Verbindungen mit aktivem Wasserstoff
stören jedoch das GTP-Verfahren und beenden das Ketten
wachstum, wenn sie in die Anspringmittelkonzentration
übersteigenden Mengen vorhanden sind. So kann man bei
spielsweise Methacrylsäure oder Hydroxyethylmethacrylat
nicht direkt polymerisieren. Dieses Problem läßt sich
mit Hilfe von markierenden Gruppen, die nach Bildung des
gewünschten Polymerisats entfernt werden können, umheben.
So kann man beispielsweise bei Verwendung von 2-(Trimethyl
silyloxy)-ethylmethacrylat der Formel:
als Monomerem seitliche Hydroxygruppen einführen.
Mit anderen Acrylmonomeren als Methacrylaten lassen sich
zwar Polymerisate herstellen, die Ketten bleiben jedoch
nicht lange "lebend". Acrylate polymerisieren mit weit
höherer Geschwindigkeit als Methacrylate, so daß bei der
Polymerisations(einleitung) von Monomeren mit sowohl
Acrylat- als auch Methacrylatfunktion lediglich das
Acrylat polymerisiert, wobei man ein unvernetztes Poly
merisat mit seitlichen Methacrylatgruppen erhält (Glei
chung 2). Dieses Ergebnis ist ein hervorragendes Beispiel
für die im Rahmen des GTP-Verfahrens mögliche einzigartige
Struktursteuerung.
Die erforderliche Abwesenheit von Verbindungen mit aktivem
Wasserstoff ist ein Nachteil des GTP-Verfahrens. Sämtliche
Reagenzien und Lösungsmittel müssen trocken und rein sein,
und die Polymerisation muß in trockener Atmosphäre durch
geführt werden. Sauerstoff stört jedoch nicht. Typische
Lösungsmittel sind Toluol, Tetrahydrofuran, 1,2-Dimethoxy
ethan, Acetonitril und N,N-Dimethylformamid für eine
nukleophile Katalyse und Toluol, Dichlormethan und 1,2-
Dichlorethan für eine Lewis-Säurekatalyse.
Zweckmäßigerweise arbeitet man bei Temperaturen von -100°C
bis etwa 150°C, vorzugsweise zwischen 0°C und 50°C. Zur
Polymerisation von Acrylaten eignen sich am besten
Temperaturen unter oder bei 0°C. Die Polymerisation er
folgt in der Regel sehr rasch und läßt sich über die
Monomerenzugabe (Menge während der Polymerisation) steuern.
Bei bestimmten Anspringmitteln und Katalysatoren, z. B.
mit Trimethylsilylcyanid, ist eine Einleitungsperiode
feststellbar.
1-Alkoxy-1-(trimethylsiloxy)-2-methyl-1-alkene sind im
Rahmen der Reaktion gemäß Gleichung 1 die stärksten GTP-
Anspringmittel. Große Alkylgruppen am Silizium senken die
Polymerisationsgeschwindigkeit. Die -OR-Gruppe am Anspring
mittel befindet sich an einem Ende jeder Polymerisatkette
und kann zur Funktionalitätseinführung herangezogen werden.
Verbindungen, die eine Umlagerung zu Ketenacetylen erfahren,
z. B. α-Silylester, leiten, wie die folgende Gleichung 3
zeigt, ebenfalls eine GTP ein.
Darüber hinaus wirken - wie Gleichung 4 zeigt - auch be
stimmte Silylderivate, die eine Addition an Methacrylate
erfahren, z. B. Trimethylsilylcyanid oder Trimethylsilyl
methylsulfid, über eine Bildung von Ketenacetalen als
Anspringmittel. Das Trimethylsilylcyanid selbst entsteht
in situ bei einer Umsetzung von Ammoniumcyanid (R₄N⁺CN-)
mit Trimethylchlorsilan.
Bekanntlich lassen sich die verschiedensten Polymerisate
mit endständigem Phosphor durch thermische Addition von
Silylphosphiten an α,β-ungesättigte Ester mit Hilfe von
phosphorhaltigen Ketensilylacetalen herstellen. So ist
beispielsweise aus "Synthesis" 1982, 497 und 1982, 915,
die Herstellung von endständigen Phosphor enthaltenden
Polymerisaten entsprechend der folgenden Gleichung 5 be
kannt:
Selbstverständlich benötigen GTP-Verfahren einen Katalysator.
Nukleophile Katalysatoren, z. B. lösliche Fluoride, Bi
fluoride, Azide und Cyanide, aktivieren das Anspringmittel.
Zur leichteren Synthese werden Tris(dimethylamino)sulfonium
salze bevorzugt. So ist beispielsweise das Bifluorid mit
diesem Kation kristallin und in organischen Lösungsmitteln
löslich. Elektrophile Katalysatoren, wie Zinkhalogenide,
Alkylaluminiumchloride und Alkylaluminiumoxide, wirken
durch Aktivieren des Monomeren ("J. Am. Chem. Soc.", 105,
5706 (1983)). Nukleophile Katalysatoren werden bevorzugt,
da davon lediglich geringe Mengen erforderlich sind (z. B.
nur 0,1%, bezogen auf das Anspringmittel). Bei Verwendung
elektrophiler Katalysatoren benötigt man andererseits bis
zu 10%, bezogen auf das Monomere.
Wie bei jeder anderen "Lebenspolymerisation" ergibt sich
das Molekulargewicht des nach dem GTP-Verfahren erhaltenen
Polymerisats aus dem Verhältnis Anspringmittel/Monomeres
(vgl. die Gleichung 6).
Obwohl diese Eigenschaft von GTP-Verfahren eine genaue
Steuerung des Molekulargewichts im Bereich von 1000 bis
20 000 gestattet, bereitet die Herstellung von Polymerisat
mit hohem Molekulargewicht größere Schwierigkeiten, da die
Menge an benötigtem Anspringmittel so gering ist, daß es
bereits bei Mengen im Bereich (unabdingbarer) Verunreini
gungen zu Störungen kommt. Wenn man jedoch sehr reine
Monomere, Lösungsmittel, Katalysatoren und Anspringmittel
verwendet, kann man auch Polymerisate mit Molekulargewich
ten im Bereich von 100 000 bis 200 000 herstellen.
Ist die Einleitungs- oder Anspringgeschwindigkeit größer
als das oder gleich dem Kettenwachstum, wachsen sämtliche
Polymerisatketten gleichzeitig, so daß das Polymere eine
enge Molekulargewichtsverteilung erhält, d. h. die Poly
dispersität ist nahe bei 1,0
So lange man Monomere derselben Familie (z. B. nur Methylacrylate
oder nur Acrylate) verwendet, erhält man bei Zugabe eines
Gemisches der Monomeren zu den Anspringmitteln und dem
Katalysator willkürliche Mischpolymerisate. Der große
Unterschied in der Reaktionsfähigkeit zwischen den ver
schiedenen Acrylmonomeren (z. B. Acrylnitril, Methacrylnitril,
Acrylaten und Methacrylaten) verhindert bei dem GTP-Verfahren
die Bildung willkürlicher Mischpolymerisate aus deren Mi
schungen (vgl. "Macromolekules", 17, 1417 (1984)).
Innerhalb derselben Familie (z. B. nur mit Methacrylaten)
läßt sich ohne Schwierigkeiten eine Blockpolymerisatbildung
erreichen. Zu diesem Zweck gibt man lediglich ein neues
Monomeres zu, wenn das erste aufgebraucht ist. Durch Poly
merisieren des weniger reaktionsfähigen monomeren
Methacrylats als erstes und anschließende Zugabe des
Acrylatmonomeren lassen sich AB-Blockpolymerisate mit
Methacrylat- und Acrylatsegmenten herstellen. Diese Zugabe
reihenfolge funktioniert, da die Alkylketensilylacetal-
Endgruppe (Gleichung 8) an dem Methacrylatsegment für eine
Acrylatinitiierung reaktionsfähiger ist als die Monoalkyl
keten-Endgruppen (Gleichung 9) am lebenden Acrylatpoly
merisat. So kommt es nach beendeter Methacrylatpolymerisaten
und Zugabe des monomeren Acrylats zu einer gleichzeitigen
Fortsetzung des Wachstums sämtlicher Polymerisatketten. Wenn
die Reihenfolge umgekehrt wird und das Methacrylat in
Gleichung 9 eingebracht wird, polymerisieren die zunächst
gebildeten Kettenenden mit der reaktionsfähigeren Struktur
(Gleichung 8) bis zu einem hohen Molekulargewicht.
Gemäß der US-PS 45 08 880 lassen sich lebende Polymerisate
ohne weiteres in nicht lebende Polymerisate umwandeln, in
dem man Lieferanten für aktiven Wasserstoff, z. B. Feuchtig
keit oder Alkohole, wie Methanol, zugibt (Gleichung 10):
Die genannten Literaturstellen zeigen, daß das GTP-
Verfahren mit α,β-ungesättigten Kohlenwasserstoffverbin
dungen mit Hilfe von Ketensilylacetalderivaten als An
springmitteln durchführen läßt.
Bei der Durchführung von GTP-Verfahren sind bestimmte Vor
teile zu erwarten. Erwartungsgemäß erhält man beispielsweise
Polymerisate enger Molekulargewichtsverteilung. Diese Poly
merisate besitzen im Vergleich mit in üblicher Weise herge
stellten Polymerisaten konstante physikalische Eigenschaften.
Sofern eine Kopolymerisation erfolgt, erhält man ohne
weiteres ein lebendes Polymerisat durch Umsetzen des
weniger aktiven Monomeren und anschließende Zugabe des
stärker aktiven Monomeren zu einem geeigneten Zeitpunkt.
Willkürliche Mischpolymerisate erhält man jedoch nicht.
Die lebenden Polymerisate bleiben - sofern sie gegen
Lieferanten für aktiven Wasserstoff, wie Wasser oder
Alkohole geschützt sind - recht lange "lebend". Lösungen
lebender Polymerisate in inerten Lösungsmitteln, z. B.
Kohlenwasserstoffen, eignen sich besonders gut zur Auf
bewahrung und Beförderung der lebenden Polymerisate.
Aus den US-PS 44 17 034 und 45 08 880 ist bekannt, daß
α,β-ungesättigte Ketensilylacetale geeignete GTP-Anspring
mittel darstellen. Folglich können Acrylate, Methacrylate
und Acrylnitrile mit Hilfe dieser bekannten Anspringmittel
polymerisiert und/oder mischpolymerisiert werden.
Die bekannten Anspringmittel eignen sich jedoch nicht be
sonders gut zur Herstellung von aus drei Blöcken ABA be
stehenden Mischpolymerisaten. Bei der Herstellung eines
aus drei Blöcken ABA bestehenden Mischpolymerisats wird
zunächst ein Monomeres A alleine zu einem lebenden Poly
merisat A, das vorzugsweise das gewünschte Molekularge
wicht aufweist, polymerisiert, worauf das Monomere B mit
dem lebenden Polymerisat A mischpolymerisiert wird.
Schließlich erhält man das aus drei Blöcken ABA bestehende
Mischpolymerisat durch Umsetzung eines Monomeren A mit
dem aus zwei Blöcken AB bestehenden Mischpolymerisat. Wie
die diesbezügliche Beschreibung zeigt, ist folglich das
in bekannter Weise durchgeführte Verfahren zur Herstellung
des aus drei Blöcken ABA bestehenden Mischpolymerisats sehr
kompliziert.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Polymerisation
α,β-ungesättigter Kohlenwasserstoffverbindungen mit neuen
Bis(siloxan)-Anspringmitteln der Formel (I) in Gegenwart
eines Katalysators und eines organischen Lösungsmittels.
Zur Verwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete α,β-ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen
sind beispielsweise Methylacrylat, Methylmethacrylat,
Butylmethacrylat, Allylmethacrylat und Acrylnitril. Bei
den erfindungsgemäß verwendbaren Katalysatoren und organischen
Lösungsmitteln handelt es sich um bei GTP-Verfahren
bereits mit Erfolg verwendete organische Verbindungen.
Bevorzugte Katalysatoren sind Bifluoride, ein bevorzugtes
Lösungsmittel ist Tetrahydrofuran.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich
unter Verwendung der Bis(siloxan)-Anspringmittel der
Formel (I) Homopolymerisate und/oder aus drei Blöcken be
stehende Mischpolymerisate herstellen. Diese besitzen
konstante physikalische Eigenschaften, indem nämlich ihre
Polydispersität nahe an 1,0 liegt.
Wie bereits erwähnt, lassen sich mit Hilfe der aus Bis
(siloxanen) bestehenden neuen GTP-Anspringmittel in tech
nisch und wirtschaftlich interessanter Weise aus α,β-
ungesättigten Kohlenwasserstoffen in Gegenwart bekannter
Katalysatoren, wie Tris(dimethylamino)sulfoniumbifluorid
(TAS HF₂), Tris(dimethylamino)sulfonium, Difluortrimethyl
siliconat (TASF) und Kaliumbifluorid (KHF₂), sowie Lösungs
mittel, wie Tetrahydrofuran und Acetonitril, Homopoly
merisate und/oder aus drei Blöcken bestehende Mischpoly
merisate herstellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in besonders vorteilhafter
Weise zur Herstellung von aus drei Blöcken bestehenden
Mischpolymerisaten durchführbar. Bei Verwendung der
Bis(siloxan)-Anspringmittel der Formel (I) mit den beiden
funktionellen Resten erhält man bei Umsetzung mit zwei
Monomeren ein lebendes Polymerisat. Das aus drei Blöcken
bestehende Mischpolymerisat erhält man dann durch Um
setzen des lebenden Polymerisats mit einem weiteren
dritten Monomeren. Folglich ist das erfindungsgemäße
Polymerisationsverfahren sehr einfach und führt zu einer
konstanten Molekulargewichtsverteilung des erhaltenen
Polymerisats.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ge
eignete Verbindungen sind bekannt und bestehen bei
spielsweise aus Methylacrylat (MA); Methylmethacrylat (MMA);
Butylmethacrylat (BMA); Allylmethacrylat (AMA) und
Acrylnitril (AN). Erfindungsgemäß herstellbare und aus
drei Blöcken bestehende Mischpolymerisate sind bei
spielsweise solche aus den Monomeren BMA, MMA und BMA;
MA, MMA und MA; AMA, MA und AMA; AN, MMA und AN;
MMA, BMA und MMA sowie MMA, AMA und MMA.
Bei den neuen Anspringmitteln der Formel (I) zur Durch
führung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich
um drei Arten von Bis(siloxan)-Derivaten, nämlich
[1,6-Dimethoxy-2,5-dimethyl-1,5-hexadien-1,6-diylbis(oxy)] bis(trimethylsilan) (im folgenden als "A" bezeichnet),
[1,5-Dimethoxy-2,4-dimethyl-1,4-pentadien-1,5-diylbis(oxy)] bis(trimethylsilan) (im folgenden als "B" bezeichnet) und
[1,4-Dimethoxy-2,3-dimethyl-1,3-butadien-1,4-diylbis(oxy)] bis(trimethylsilan) (im folgenden als "C" bezeichnet).
[1,6-Dimethoxy-2,5-dimethyl-1,5-hexadien-1,6-diylbis(oxy)] bis(trimethylsilan) (im folgenden als "A" bezeichnet),
[1,5-Dimethoxy-2,4-dimethyl-1,4-pentadien-1,5-diylbis(oxy)] bis(trimethylsilan) (im folgenden als "B" bezeichnet) und
[1,4-Dimethoxy-2,3-dimethyl-1,3-butadien-1,4-diylbis(oxy)] bis(trimethylsilan) (im folgenden als "C" bezeichnet).
Die folgenden Beispiele sollen das erfindungsgemäße Ver
fahren näher veranschaulichen.
0,35 mMol Anspringmittel A wird in 4 ml Tetrahydrofuran
gelöst, worauf die Lösung unter Argongasatmosphäre mit
0,2 mMol TASHF₂ versetzt und 20 min lang gerührt wird.
Danach werden mit Hilfe einer Spritze nach und nach
15 mMol MMA in die Lösung eingetragen. Nach 30minütiger
Umsetzung werden 3 ml Methanol zugegeben, worauf das
Lösungsmittel abdestilliert wird. Das gewünschte Poly
(methylmethacrylat) wird quantitativ erhalten.
Die folgende Tabelle I enthält Angaben über die Eigen
schaft von bei Verwendung von Monomeren BMA, AMA, MA und
AN unter denselben Polymerisationsbedingungen erhaltenen
Polymerisaten.
Nach Zugabe von 0,33 mMol Anspringmittel B und 0,05 mMol
TASHF₂ zu 4 ml Tetrahydrofuran wird die erhaltene Lösung
unter Argongasatmosphäre 20 min lang gerührt. Zunächst
werden innerhalb von 30 min nach und nach 3,7 mMol MMA
in die Lösung eingetragen, um ein MMA-Blockpolymerisat
herzustellen. In der nächsten Stufe werden dann mit
Hilfe einer Spitze 7,6 mMole BMA zu dem Blockpolymerisat
zugegeben. Nach weiterer 1stündiger Reaktion wird das
Lösungsmittel abdestilliert. Hierbei erhält man ein aus
drei Blöcken bestehendes Poly(BMA/MMA/BMA).
Die folgende Tabelle II enthält Angaben über unter den
selben Mischpolymerisationsbedingungen erhaltene, aus drei
Blöcken bestehende Mischpolymerisate.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung von Homo- oder aus drei Blöcken
bestehenden Mischpolymerisaten aus Monomeren mit Hilfe
von Bis(siloxan)-Anspringmitteln der Formel:
worin R und R′, die gleich oder verschieden sein können,
für Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Isopropyl-, n-Butyl-,
Isobutyl-, tert.-Butyl-, Pentyl-, 2-Methylbutyl- oder
3-Methylbutylgruppen stehen und n eine ganze Zahl von
0 bis 2 darstellt, in Gegenwart eines Katalysators und
eines Lösungsmittels.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man ein Homopolymerisat, nämlich Poly(methylacrylat),
Poly(methylmethacrylat), Poly(butylmethacrylat), Poly
(allylmethacrylat) oder Poly(acrylnitril) herstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man ein aus drei Blöcken bestehendes Mischpolymerisat,
nämlich Poly(butylmethacrylat/methylmethacrylat/butyl
methacrylat); Poly(methylacrylat/methylmethacrylat/-
methylacrylat); Poly(allylmethacrylat/methylmethacrylat/
allylmethacrylat); Poly(acrylnitril/methylmethacrylat/
acrylnitril); Poly(methylmethacrylat/butylmethacrylat/
methylmethacrylat) oder Poly(methylmethacrylat/allyl
methacrylat/methylmethacrylat) herstellt.
4. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
man als Monomeres Methylacrylat, Methylmethacrylat,
Butylmethacrylat, Allylmethacrylat oder Acrylnitril
verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man als Katalysator Tris(dimethylamino)sulfonium
bifluorid, Tris(dimethylamino)sulfoniumdifluortri
methylsiliconat und/oder Kaliumbifluorid verwendet.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man als Lösungsmittel Tetrahydrofuran und/oder Acetonitril
verwendet.
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