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氮氧自由基偶合反应条件的探索及其在嵌段聚合物合成方面的应用

2020-12-11阅读(329)

氮氧自由基偶合反应条件的探索及其在嵌段聚合物合成方面的应用

论文摘要

具有复杂结构的高分子聚合物由于其优越的性能（如在溶液中丰富的自组装行为,微相形态结构及其纳米技术中的应用等）,而引起了大家的广泛关注。因此,高分子聚合物的分子设计成为了高分子化学领域中一项极其重要的工作。近年来,由于活性/“可控”聚合技术,"Click" Chemistry偶合技术等的快速发展,为聚合物的合成提供了各种新颖的思路。特别是不同聚合反应机理和偶合技术的联合应用,更是为人们设计具有复杂结构聚合物提供了极大的便利。本文研究的氮氧自由基偶合反应,是一种新型而高效的偶合反应,它可以广泛地应用于复杂结构聚合物的合成与材料的表面修饰。这种偶合反应基于原子转移自由基聚合（ATRP）或者单电子转移自由基活性聚合（SET-LRP）的机理,在金属铜盐和配体的作用下,使聚合物末端的溴基团离去,形成“活性”自由基,然后通过另外一种聚合物末端的氮氧稳定自由基（一种自由基捕捉剂）将其捕捉,形成稳定的烷氧基胺键,完成聚合物之间偶合。根据碳自由基生成机理的不同,氮氧自由基偶合反应可分为原子转移氮氧自由基偶合反应（ATNRC）和单电子转移氮氧自由基偶合反应（SETNRC）。本课题对于氮氧自由基偶合反应的机理以及反应条件进行了详细的讨论,并将这种偶合反应与活性阴离子聚合、原子转移自由基聚合（ATRP）、“活性”开环聚合（ROP）, "Click" Chemistry偶合技术联用,制备各种不同结构的嵌段聚合物。我们的主要工作以及结果如下：1.探寻反应温度、反应体系以及参与反应的溴基团结构对于反应的影响。采用ATRP技术,引发苯乙烯（St）、丙烯酸叔丁酯（tBA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）聚合,得到了带有不同结构溴基团的聚苯乙烯（PS-Br）、聚丙烯酸叔丁酯（PtBA-Br）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-Br）。同时,利用开环聚合（ROP）,以4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基（4-Hydroxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidyl-1-oxyl, HTEMPO）为引发剂,引发ε-己内酯（ε-CL）聚合,得到末端带有TEMPO基团的聚ε-己内酯（PCL-TEMPO）。将PS-Br、PtBA-Br和PMMA-Br分别与PCL-TEMPO混合,在三个不同的反应体系中：（1） Cu0/PMDETA; （2） CuBr/PMDETA; （3） Cu0/CuBr/PMDETA,反应温度从室温（25℃）到90℃之间,观测反应温度、反应体系以及参与反应的溴基团结构的变化,对于偶合效率的影响,探寻适宜的偶合反应体系、反应温度以及所适用的溴基团结构。研究结果显示：在反应体系Cu0/PMDETA以及CuBr/PMDETA中,随着温度的升高,偶合效率下降了；在反应体系Cu0/CuBr/PMDETA中,在温度范围25～75℃之间,PtBA-Br的偶合效率都高于85%；在温度范围25～90℃之间,PS-Br的偶合效率皆高于90%；PMMA-Br只有在25℃下的偶合效率高于90%。2.联合应用原子转移氮氧自由基偶合（ATNRC）反应与“Click" Chemistry偶合技术,一步法合成了ABC型三嵌段聚合物PtBA-b-PS-b-PEO和PtBA-b-PS-b-PCL.首先,通过酯化反应,合成了两端分别带有炔丙基和溴基团小分子引发剂2-溴异丁酸丙炔酯（Propargyl 2-Bromoisobutyrate, PgBiB）,然后以PgBiB为引发剂,采用ATRP技术引发苯乙烯（St）聚合,得到两端分别带有炔丙基和溴基团的聚苯乙烯（Alkyne-PS-Br）。接着,使用ATRP方法得到结构明确的末端带有溴基团的聚丙烯酸叔丁酯（PtBA-Br）,利用端基叠氮化,得到末端带有叠氮基团的聚丙烯酸叔丁酯（PtBA-N3）。同时,利用开环聚合（ROP）,以4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基（4-Hydroxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidyl-1-oxyl, HTEMPO）为引发剂,引发环氧乙烷（EO）和s-己内酯（ε-CL）聚合,得到末端带有TEMPO基团的聚环氧乙烷（PEO-TEMPO）和聚ε-己内酯（PCL-TEMPO）.最后,将Alkyne-PS-Br, PtBA-N3以及PEO/PCL-TEMPO混合,在CuBr/PMDETA存在的条件下加热,炔基与叠氮基团发生"Click" Chemistry,溴基团与TEMPO基团之间发生ATNRC反应,一步法合成了两亲性ABC三嵌段聚合物PtBA-b-PS-b-PEO以及PtBA-b-PS-b-PCL。用1H NMR、GPC、FT-IR和DSC等手段对中间产物和目标产物进行了详细地表征。3.联合应用阴离子聚合,ATRP以及单电子转移氮氧偶合（SETNRC）反应,制备两亲性的ABC型三嵌段共聚物PI-b-PS-b-PEO、PI-b-PtBA-b-PEO以及PI-b-PAA-b-PEO。通过活性阴离子方法聚合异戊二烯,然后用EO作为小分子“盖帽”试剂进行封端反应,得到末端带有羟基的聚异戊二烯（PI-OH）,通过2-溴异丁酰溴与羟基的酯化反应,得到末端带有溴基团的聚异戊二烯（PI-Br）.以PI-Br为大分子引发剂,利用ATRP方法引发单体St以及tBA聚合,然后与PEO-TEMPO在室温下,以THF为溶剂,进行SETNRC反应。同时,研究了反应时间以及聚合物链长对于偶合效率的影响。结果显示：SETNRC反应在Cu0/Me6TREN体系中具有很高的反应速率,在2小时内达到91.6%；随着参与反应的聚合物链长的增长,偶合的效率快速下降。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 前言
  • 1.1 活性聚合技术的发展
  • 1.1.1 活性阴离子聚合
  • 1.1.2 开环聚合
  • 1.1.3 可控/"活性"自由基聚合
  • 1.1.4 "活性"自由基聚合的新发展
  • 1.2 偶合反应在聚合物合成领域的应用
  • 1.2.1 "Click" Chemistry
  • 1.2.2 Glaser Coupling Reaction
  • 1.2.3 "Thiol-ene" Reaction
  • 1.2.4 "Thiol-yne" Reaction
  • 1.2.5 "Thio-Bromo" Reaction
  • 1.2.6 氮氧自由基偶合反应
  • 1.3 三嵌段聚合物的研究概况
  • 1.3.1 不同单体的引发聚合
  • 1.3.2 聚合与偶合技术的联合应用
  • 1.4 课题的研究目的和研究思路
  • 参考文献
  • 第二章 探索氮氧自由基偶合反应的反应条件
  • 2.1 引言
  • 2.2 实验部分
  • 2.2.1 不同结构的溴基团的制备
  • 2.2.2 末端带有TEMPO基团的聚己内酯的制备
  • 2.2.3 在不同的反应条件下进行氮氧自由基偶合反应
  • 2.3 结果与讨论
  • 2.3.1 不同结构的溴基团的合成与表征
  • 2.3.2 末端带有TEMPO基团的聚己内酯的合成与表征
  • 2.3.3 不同的反应条件对于氮氧自由基偶合反应的影响
  • 2.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第三章 联合应用"Click"和ATNRC反应"一步法"制备ABC型三嵌段聚合物
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验部分
  • 3.2.1 引发剂2-溴异丁酸炔丙酯的制备
  • 3.2.2 两端带有炔基与溴基团的聚苯乙烯的制备
  • 3.2.3 末端带有叠氮基团的聚丙烯酸叔丁酯的制备
  • 3.2.4 末端带有TEMPO基团的聚环氧乙烷的制备
  • 3.2.5 末端带有TEMPO基团的聚己内酯的制备
  • 3.2.6 "一步法"合成三嵌段聚合物PtBA-b-PS-b-PEO
  • 3.2.7 "一步法"合成三嵌段聚合物PtBA-b-PS-b-PCL
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 两端带有炔基和溴基团的聚苯乙烯的合成与表征
  • 3.3.2 末端带有叠氮基团的聚丙烯酸叔丁酯的合成与表征
  • 3.3.3 末端带有TEMPO基团的聚环氧乙烷的合成与表征
  • 3.3.4 末端带有TEMPO基团的聚己内酯的合成与表征
  • 3.3.5 "一步法"合成三嵌段聚合物PtBA-b-PS-b-PEO的合成与表征
  • 3.3.6 "一步法"合成三嵌段聚合物PtBA-b-PS-b-PCL的合成与表征
  • 3.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 通过单电子转移氮氧自由基偶合反应制备两亲性的三嵌段聚合物
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验部分
  • 4.2.1 末端带有溴基团的聚异戊二烯大分子引发剂的制备
  • 4.2.2 末端带有溴基团的嵌段聚合物PI-b-PS和PI-b-PtBA的制备
  • 4.2.3 末端带有TEMPO基团的聚环氧乙烷的制备
  • 4.2.4 两亲性三嵌段聚合物PI-b-PS-b-PEO的制备
  • 4.2.5 两亲性三嵌段聚合物PI-b-PtBA-b-PEO的制备
  • 4.2.6 两亲性三嵌段聚合物PI-b-PAA-b-PEO的制备
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 末端带有溴基团的聚异戊二烯大分子引发剂的合成和表征
  • 4.3.2 末端带有溴基团的嵌段聚合物PI-b-PS的合成和表征
  • 4.3.3 末端带有溴基团的嵌段聚合物PI-b-PtBA的合成和表征
  • 4.3.4 两亲性三嵌段聚合物PI-b-PS-b-PEO的合成和表征
  • 4.3.5 两亲性三嵌段聚合物PI-b-PtBA-b-PEO的合成和表征
  • 4.3.6 两亲性三嵌段聚合物PI-b-PAA-b-PEO的合成和表征
  • 4.3.7 反应时间和聚合物链长对于氮氧自由基偶合反应的影响
  • 4.4 本章小结
  • 参考文献
  • 附录一:Abbreviations
  • 附录二:实验试剂及纯化方法
  • 附录三:测试仪器及测试方法
  • 附录四:作者简历及论文发表
  • 致谢

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