活性自由基聚合-论文
- 格式:pdf
- 大小:4.74 MB
- 文档页数:84
活性自由基聚合活性自由基聚合是一种在化学合成中非常有效和重要的方法。
它包括一系列彼此之间相互作用的活性自由基和共价化合物,从而形成新的高分子化合物。
活性自由基聚合的这种特性使其在生物合成中得到越来越多的应用。
此外,活性自由基聚合还可以用于制备有用材料,如塑料,橡胶,和聚合物复合材料。
活性自由基聚合的基本过程可以分为几个步骤,即催化剂的应用,反应物的配对,活性自由基的形成,活性自由基的反应以及合成产物的分离和纯化。
在催化剂应用方面,通常需要采用表面活性剂和金属离子来促进反应,从而改善活性自由基聚合的效率。
在反应物配对方面,它们通常以不同的物种形式存在,如卤素和烃类,碳酸根和烃类,或氧化物和烃类,聚合物和聚合物复合材料等。
在这些不同的组合中,活性自由基的形成可以由反应物的极性,热力学条件和其他因素来控制。
一旦形成活性自由基,就可以进行活性自由基反应,形成反应产物。
活性自由基聚合有许多优点。
首先,它是一种高选择性的反应方法,具有高效率,可以降低反应条件的复杂性。
,它的产物可以在一定的结构参数范围内有效地调控,以满足特定应用的要求。
最后,活性自由基聚合反应可以使试剂的使用量减少,从而更加环保。
由于活性自由基聚合有如此多的优势,它已经广泛应用于各种高分子材料的合成中。
例如,在塑料行业,活性自由基聚合可用于制备高性能聚合物,如聚酯和聚氨酯,以及复合材料材料,如复合橡胶,聚合物复合材料和复合塑料等。
此外,活性自由基聚合也可用于生物分子的合成,如蛋白质,脂质,糖类和抗原等。
活性自由基聚合可以用于调节生物分子的结构,从而增强其功能。
例如,在蛋白质合成中,可以通过活性自由基交联的方式来控制蛋白质的结构,从而使蛋白质具有更强的抗体活性。
因此,活性自由基聚合可以在许多不同的领域应用,有助于制备各种类型的有用材料和生物分子,改善生物分子的功能,以满足各种特殊的应用要求。
由于活性自由基聚合是一种高效、灵活、选择性高的反应方法,它最终会在不同领域取得更大的发展,特别是在医学,农业和化学工程领域,为各种特殊的应用提供更多的选择。
活性自由基聚合摘要:阐述了活性自由基聚合的产生背景和基本概念,介绍了活性自由基聚合的分类,描述了原子转移自由基聚合的研究进展。
关键词:活性自由基聚合1.活性自由基聚合的基本思想活性自由基聚合的核心思想是抑制增长自由基浓度,减少双基终止的发生。
由高分子化学知识可知,链终止速率与链增长速率之比可用下式表示:[1]通常kt/kp为104~105,假定体系中单体浓度为1mol/L,则:当然,自由基活性种浓度不可能无限制地降低,一般来说,[P*]在10-8mol/L左右,聚合反应的速率仍很可观。
在这样的自由基浓度下,Rt /Rp≈10-4~10-3,Rt相对于Rp就可忽略不计,所谓的活性自由基聚合的“活性”就在这里。
自由基浓度的下降必然降低聚合反应速度,但由于链增长反应活化能高于链终止反应活化能,因此提高聚合反应温度不仅能提高聚合速率(因为能提高kp ),而且能有效降低kt/kp比值,从而抑制链终止反应的进行。
这里需要解决两个问题:一是如何从聚合反应开始直到反应结束始终控制如此低的反应活性种浓度;二是在如此低的反应活性种浓度下,如何避免聚合物的聚合度过大(DPn =[M]/[P*]=1/10-8=108)。
解决这两个问题的方法是在聚合体系中加入数量可人为控制的反应物X,此反应物X不能引发单体聚合,但可与自由基P*迅速作用而发生钝化反应,生成一种不会引发单体聚合的“休眠种”P-X。
而此休眠种在聚合反应条件下又可均裂成增长自由基P*及X,如下式表示:[2]这样体系中存在的自由基活性种的浓度将取决于3个参数:反应物X的浓度、钝化速率常数kd 和活化速率常数ka,其中反应物X的浓度是人为可控的,所谓的可控活性自由基聚合的“可控”就在这里。
另外研究表明,如果钝化反应和活化反应的转化速率足够快(不小于链增长速率),则在活性种浓度很低的情况下,聚合物的分子量将不由P*而由P-X的浓度决定。
其中d为单体转化率,[P-X]可控。
利用活性自由基聚合制备两亲性嵌段共聚物和星形聚合物摘要本论文由两部分组成:在第一部分中,以溴异丁酸酯为引发剂,CuBr/2,2’一联吡啶(bpy)为催化剂,进行了甲基丙烯酸(1・丁氧基)乙酯(BEMA)的原子转移自由基聚合(ATRP)。
所得聚合物的数均分子量随单体转化率的增加而线性增长,而且分子量呈单峰分布。
通过ATRP制备末端带有溴原子的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),并以其为大分子引发剂进行BEMA的ATRla,制备了嵌段共聚物PMMA.b—PBEMA。
将PMMA-b-PBEMA在温和的酸性条件下水解,可以很容易地得到含有聚甲基丙烯酸(PMAA)嵌段的两亲性嵌段共聚物PMMA.b.PMAA。
上述聚合物的分子量和结构通过凝胶渗透色谱,红外光谱和核磁共振谱进行表征。
在第二部分中,以溴异丁酸乙酯为引发剂,CuBr/2,2’一联吡啶(bpy)为催化剂或CuBr/N,N,N’,N”,N”.五甲基二乙撑三胺(PMDETA)为催化剂,进行苯乙烯和双马来酰亚胺的原子转移自由基共聚合,得到了星形聚苯乙烯。
以二硫代苯甲酸(2一乙氧基羰基)一2一丙酯为可逆加成一断裂链转移剂,偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,进行苯乙烯和双马来酰亚胺的基于可逆加成一断裂链转移剂(RAFT)的活性自由基共聚合,也得到了星形聚苯乙烯。
所得聚合物的分子量及其分布通过凝胶渗透色谱进行表征。
索经作者、导师同蠢‘囊垒文公布关键词:活性自由基聚合,原子转移自由基聚合(ATRP),可逆加成一断裂链转移活性自由基聚合(RAFT),两亲性嵌段共聚物,星形聚合物北京化3-大学硕士研究生学位论文SYNTHESISOFAMPHIPHILICDIBLOCKCOPOLYMERSBYATRPANDSTARPOLYMERSBYONE.POTTECHNIQUEVIALIVINGRADICALCoPoLYMERIZATIONABSTRRACTThisdissertationconsistsofthefollowingtwoparts:Inthefirstpart,atomtransferradicalpolymerization(ATRP)of1-(butoxy)ethylmethacrylate(BEMA)wascarriedoutusingCuBr/bpycomplexascatalystand2-bromo一2・methyl—propionicacidesterasinitiator.Thenumberaveragedmolecularweightsoftheobtainedpolymersincreasedlinearlywithmonomerconversion,andmolecularweightdistributionswereunimodalthroughoutthereaction.Usingpoly(methylmethacrylate)(PMMA)withabromineatomatthechainend,whichwaspreparedbyATRP,asthemacroinitiator,adiblockcopolymerPMMA—b—poly(1一(butoxy)ethylmethacrylate)(PMMA—b—PBEMA)WaSsynthesizedbymeansofATRPofBEMA.TheamphiphilicdiblockcopolymerPMMA—b—poly(methacrylicacid)canbefurtherobtainedveryeasilybyhydrolysisofPMMA—b—PBEMAunderamildacidcondition.Themolecularweightandthestructureoftheabovementionedpolymerswerecharacterizedwithgelpermeationchromatography,infraredandnuclearmagneticresonance北京化_T-大学硕士研究生学位论文Inthesecondpart,atomtransferradicalcopolymerizationofstyreneandbismaleimidewascarriedoutusingCuBr/bpyorCuBr/PMDETAcomplexascatalystand2-bromo--2-・methyl--propionicacidethylesterasinitiator,andstarpolystyreneswereobtained.Reversibleaddition—fragmentationchaintransfer(RAFT)copolymerizationofstyreneandbismaleimidewascardedoutusing2-(ethoxycarbonyl)prop‘-2—-yldithiobenzoateasRAFTagentandAIBNasinitiator,andstarpolystyreneswerealsoobtained.Themolecularweightandmolecularweightdistributionoftheobtmnedstarpolymerswerecharacterizedwithgelpermeationchromatography.KEYWORDS:livingradicalpolymerization,atomtransferradicalpolymerization(ATRP),reversibleaddition—fragmentationchaintransferprocess(RAFT),amphiphilicdiblockcopolymer,starpolymer北京化工大学学位论文原创性声明F601907本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
“活性”/可控自由基聚合熊鹏鹏2010214110 摘要: 自由基聚合是生产高分子量聚合物的重要方法, “活性”/ 可控自由基聚合综合了自由基聚合和离子聚合的优点, 使自由基聚合具有可控性。
本文对目前可以实现“活性”/ 可控自由基聚合的途径和各自机理进行介绍, 指出应该重视对“活性”/可控自由基聚合的研究。
关键词: “活性”/可控自由基聚合; 稳定自由基; 可逆加成-裂解链转移; 原子转移; 引发转移终止剂;退化转移。
自由基聚合是工业上和实验室中生产高分子量聚合物的重要方法, 该法具有可聚合的单体种类多、反应条件宽松、以水为介质、容易实现工业化生产等优点, 但也存在着缺陷, 如自由基聚合的本质( 慢引发, 快速链增长, 易发生链终止和链转移等) 决定了聚合反应的失控行为,其结果常常导致聚合产物呈现宽分布, 分子量和结构不可控, 有时甚至会发生支化、交联等,从而严重影响聚合物的性能, 此外, 传统的自由基聚合也不能用于合成指定结构的规整聚合物。
鉴于离子聚合和配位聚合可以很好地控制聚合物结构, 而能不能控制自由基聚合体系则成为当前的研究热点, 但近年来从离子聚合和可控有机自由基反应的研究进展来看, 答案是肯定的。
就聚合反应而言, 要合成具有确定结构的聚合物, 则要求所有的链应同时引发, 增长相似, 这就需要快速引发, 在聚合结束前增长链应保持活性, 链转移和链终止的效应可以忽略, 而自由基聚合的本质( 慢引发, 快终止) 与之正好相反。
所以实现可控自由基聚合要基于以下三个原则:1) 自由基体系中的增长反应应对自由基敏感, 终止反应对自由基浓度的敏感度次之。
这样, 在自由基浓度很低时, 链增长反应与终止反应的速率比才足够高, 才能合成出分子量很大的聚合物。
2) 增长链的浓度必须比初始游离自由基的浓度高得多, 在整个反应过程中所有的链均需保持活性, 且游离自由基与高浓度休眠链处于动态平衡之中, 这种持续自由基效应对任何控制自由基反应来说都是最重要的。
北京化工大学硕士研究生学位论文题目2-氧杂蒽醇-2-甲基丙腈的合成及引发甲基丙烯酸甲酯可控自由基聚合的研究研究生肖楠专业材料科学与工程指导教师杨万泰教授日期: 二〇一三年五月二十八日北京化工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名:日期:关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。
非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。
作者签名:日期:导师签名:日期:学位论文数据集注:一. 论文类型:1.基础研究 2.应用研究3.开发研究4.其它二. 中图分类号在《中国图书资料分类法》查询。
三. 学科分类号在中华人民共和国国家标准(GB/T 13745-9)《学科分类与代码》中查询。
四. 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。
摘要2-氧杂蒽醇-2-甲基丙腈的合成及引发甲基丙烯酸甲酯可控自由基聚合的研究摘要可控活性自由基聚合既有着阴离子聚合的活性特征,同时兼有着传统自由基聚合易于实现的特点,是目前合成设计精准可控聚合物最有效的方法之一。
经过30多年的发展,活性自由基聚合技术已经取得了许多突破性的进展,目前对于活性自由基聚合体系的研究主要集中在使用含C-X (X=O,S,卤素,金属化合物等)封端基的体系,对含C-C可断裂偶合的体系研究较少。
本文通过自由基偶合法,设计合成了2-氧杂蒽醇-2-甲基丙腈(2-(9-hydroxy-9H-xanthene)-2-methyl-propionitrile,XNMPN)引发剂,通过不同条件的对比确定了最佳合成条件为60℃,反应24小时,Bixan:AIBN 约1:1.2。
通过改变不同条件,研究了以XNMPN为引发剂本体聚合MMA的效果。
结果显示,聚合物分子量随着转化率增加而增加,聚合反应符合一级动力学反应,符合活性聚合特征。
不同温度以及不同引发剂用量对于聚合反应的控制有较大影响,当温度为55℃XNMPN用量为0.5 wt%时,可得到分子量为34×104,分子量分布为1.5的PMMA。
本文还研究了不同溶剂以及不同条件下MMA溶液聚合的效果。
结果显示,不同的聚合环境对于XNMPN的分解速率有较大影响,三种不同溶剂中的聚合速率为:四氢呋喃>甲苯>苯甲醚。
当溶剂为四氢呋喃,温度为45℃,XNMPN用量为0.25 wt%时,所得到的PMMA分子量分布可低至1.4左右。
初步探索了大分子聚合物作为引发剂进行扩链反应的效果。
根据聚合的GPC谱图发现,聚合物峰有明显左移的同时还有较为明显的拖尾或是双峰现象,且拖尾处与大分子引发剂处重合,再结合聚合物紫外可见光谱图以及XNMPN,Bixan中半频哪醇结构的紫外出峰标准曲线计算,可以I北京化工大学硕士学位论文判定部分大分子引发剂含有较多的无活性聚合物,只有部分聚合物扩链成功。
关键词: 甲基丙烯酸甲酯,可控自由基聚合,半频哪醇自由基摘要THE STUDY OF FREE RADICAL POLYMERIZATION OF METHYL METHACRYLATE INITIATED BY2-(9-HYDROXY-9H-XANTHENE)-2-METHYL-PROPIONITRILEABSTACTIn the early 1980s, polymer chemists became interesting in a type of radical polymerization called living/controlled radical polymerization (LRP), which would possess the living polymerization features similar to anionic polymerization while keeping the advantages of the conventional radical polymerization methods.Presently, most LRP methods are based on C-X (X=O, S, halogen, etc.) bond mediated systems. And almost no attention are paid on the simple C–C weak bond systems which can mediate polymerization by reversible dissociation /combination (DC).In this study, we utilized BIXANDL and AIBN which could produce radicals and mutually couple under thermal to design and synthesis of a novel initiator XNMPN. The optimal synthetic conditions were determined by the comparison of the different conditions.Bulk polymerization of MMA initiated by XNMPN under different conditions was investigated. The results showed that polymerization reaction fitted a first order reaction. The molecular weight of PMMA increased with reaction time, indicating a living/controlled radical polymerization feature. When the polymerization was carried out in XNMPN=0.25 wt% at 55℃, PMMA with a narrow PDI of 1.5 could be obtained.This paper also studied the effects on solution polymerization of MMA under different solvents and different conditions. The experiment indicated that decomposition rate of XNMPN would be great influenced by different solvents, and rate followed an order as tetrahydrofuran>toluene> anisole. When the polymerization was carried out in tetrahydrofuran at 45 ℃with a ratio of XNMPN to MMA = 0.0025:1, PMMA with a molecular weight of 7.3×104 and a PDI of 1.4 was obtained.Polymer chain extension was preliminary investigated by usingIII北京化工大学硕士学位论文macromolecular as extender. The results of GPC curves of polymer showed that the molecular weight peaks had left shift with increasing conversion, which meant chain extension was clearly occurred.Key Words:methyl methacrylate, controlled radical polymerization, semi-pinacol radical目录目录第一章绪论 (1)1.1 前言 (1)1.2活性自由基聚合原理简介 (2)1.3 几种常见的活性自由基聚合体系 (3)1.3.1 引发-转移-终止法 (3)1.3.2 稳定自由基调控法 (7)1.3.3 原子转移自由基聚合 (10)1.3.4 可逆加成-断裂链转移自由基聚合 (12)1.4 其他几种较新的活性自由基聚合体系 (15)1.4.1 有机金属调控活性聚合 (15)1.4.2 单电子转移自由基聚合法 (15)1.4.3 可逆碘转移催化聚合 (16)1.4.4 丙硫酮调控的活性自由基聚合 (17)1.5 活性自由基聚合的应用 (18)1.5.1 制备嵌段高分子共聚物 (18)1.5.2 表面改性 (20)1.6 本课题的提出 (22)第二章XNMPN引发剂的合成与表征 (25)2.1 引言 (25)2.2 实验部分 (25)2.2.1实验原料 (25)2.2.2 Bixan的合成 (26)2.2.3 XNMPN的合成 (26)2.2.4 测试以及表征 (26)2.3 结果与讨论 (27)2.3.1不同条件对合成XNMPN的影响 (27)2.3.2 Bixan结构分析及表征 (29)V北京化工大学硕士学位论文2.3.3 XNMPN结构分析及表征 (30)2.4小结 (31)第三章XNMPN引发MMA聚合的研究 (33)3.1 引言 (33)3.2 实验部分 (34)3.2.1实验原料 (34)3.2.2本体聚合 (34)3.2.3 溶液聚合 (34)3.2.4 测试与表征 (35)3.3 结果及讨论 (35)3.3.1 温度对本体聚合的影响 (35)3.3.2引发剂浓度对本体聚合的影响 (40)3.3.3 不同溶剂对溶液聚合的影响 (45)3.3.4 不同引发剂用量对溶液聚合的影响 (50)3.3.5 温度变化对溶液聚合的影响 (53)3.3.6 聚合的机理讨论 (57)3.4 小结 (59)第四章大分子引发剂引发MMA聚合的研究 (61)4.1 引言 (61)4.2 实验部分 (61)4.2.1 实验原料 (61)4.2.2 大分子引发剂的制备 (61)4.2.3 测试与表征 (61)4.3 结果和讨论 (62)4.3.1 大分子引发剂的制备以及表征 (62)4.3.2 大分子引发剂的扩链反应 (63)4.4 小结 (65)第五章结论 (67)目录参考文献 (69)致谢 (75)研究成果及发表的学术论文 (77)作者及导师简介 (79)VIIContentsChapter 1 Introduction (1)1.1 Preface (1)1.2 Principle of Living radical polymerization (2)1.3 Several successful LRP systems (3)1.3.1 Iniferter (3)1.3.2 Stable free radical control polymerization (7)1.3.3 Atom transfer radical polymerization (10)1.3.4 Reversible addition - fragmentation chain transfer polymerization (12)1.4 Other LRP systems (15)1.4.1 Organotellurium-Mediated Living Radical Polymerization (15)1.4.2 Single-Electron Transfer Living Radical Polymerization (15)1.4.3 Reversible chain transfer catalyzed polymerization,RTCP (16)1.4.4 Thioketone-Mediated Polymerization (17)1.5 Applications of LRP (18)1.5.1 Preparation of block polymer copolymer (18)1.5.2 Modification of surface (20)1.6 Purpose and significance of the thesis (22)Chapter 2 Synthesis and Characterization of the initiator (25)2.1 Preface (25)2.2 Experimental section (25)2.2.1 Experimental materials (25)2.2.2 Synthesis of Bixan (26)2.2.3 Synthesis of XNMPN (26)2.2.4 Characterization (26)2.3 Results and discussion (27)2.3.1 The influence of different conditions on the synthesis of XNMPN (27)2.3.2 Characterization of Bixan (29)2.3.3 Characterization of XNMPN (30)2.4 Summary (31)Chapter 3 Study of polymerization initiated by XNMPN (33)3.1 Perface (33)3.2 Experimental section (34)3.2.1 Experimental materials (34)3.2.2 Bulk polymerzation (34)3.2.3 Solution polymerization (34)3.2.4 Characterization (35)3.3 Results and Discussion (35)3.3.1 Effect of temperature on polymerization (35)3.3.2 Effect of initiator concentration on bulk polymerization (40)3.3.3 Effect of different solvents on polymerization (45)3.3.4 The different influence of initiator dosage on solution polymerization (50)3.3.5 Effect of different temperature on solution polymerization (53)3.3.6 The mechanism of polymerization (57)3.4 Summary (59)Chapter 4 Study of chain extension reaction (61)4.1 Perface (61)4.2 Experimental section (61)4.2.1 Experimental materials (61)4.2.2 Preparation of the macroinitiator (61)4.2.3 Characterization (61)4.3 Results and Discussion (62)4.3.1 Preparation and characterization of molecules initiator (62)4.3.2 The chain extension reaction of the macroinitiator (63)4.4 Summary (65)Chapter 5 Conclusion (67)References (69)IXAckonwledgement (75)Research results and paper in press (77)Introduction of author and tutor (79)第一章绪论1.1 前言19世纪30年代出现人工合成高分子材料之后,高分子材料逐步被运用到人类日常生活、生产等领域,成为人类生活的必需品。