ATRP法制备两亲性嵌段共聚物的研究
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维普资讯 http://www.cqvip.com 第5期 高分子学报 NO.5 2004年10月 ACTA POLYMERICA SINICA Oct..2004 ATRP法制备两亲性嵌段共聚物的研究 华 曼 陈明清” 刘晓亚 杨 成 (江南大学化学与材料工程学院无锡214036) 摘 要 以a.溴代丙酸乙酯(EPN—Br)为引发剂、氯化亚铜(CuCI)和联二吡啶(bpy)组成的混合体系为催化剂, 引发苯乙烯聚合,得到了端基为卤原子的单分散聚苯乙烯(PS—x)预聚体.以此PS—x为大分子引发剂、CuCI和 Ⅳ,Ⅳ,Ⅳ , , 一五甲基二亚乙基三胺(PMDETA)/bpy的混合体系为催化剂,引发Ⅳ,Ⅳ.二甲基丙烯酰胺 (DMAA)聚合,得到了分子量分布较窄的聚苯乙烯一6 聚Ⅳ,Ⅳ一二甲基丙烯酰胺(PS-b-PDMAA)两亲性嵌段共聚 物.考察了大分子引发剂的分子质量、聚合介质及配位剂等对聚合过程的影响.并用GPC、IR、 H—NMR等对产 物进行了表征.研究结果表明,该聚合反应体系符合原子转移自由基聚合的特征. 关键词原子转移自由基聚合,两亲性嵌段共聚物,特征 两亲性嵌段聚合物由于具有特殊的性质以及 在选择性溶剂中的胶束化 · ,而苯乙烯与Ⅳ,Ⅳ一 广泛的用途而成为当前高分子学科领域研究的热 二甲基丙烯酰胺的嵌段共聚物在选择性溶剂中的 点之一 .原子转移自由基聚合(ATRP)法由于 胶束化行为将显示出其特殊性. 反应条件简便的优点,近年来得到了快速的发展, 本文用传统的a一溴代丙酸乙酯(EPN—Br)/ 为合成结构、分子质量可控的两亲性嵌段共聚物 CuC1/2,2'-联二吡啶(bpy)或Ⅳ,Ⅳ,Ⅳ , , 一五 提供了一条新的有效途径 .目前,研究最多的两 甲基二亚乙基三胺(PMDETA)作为ATRP催化引 亲性嵌段共聚物为聚苯乙烯(PS)和聚(甲基)丙烯 发体系,制备了聚苯乙烯一6一聚Ⅳ,Ⅳ一二甲基丙烯 酸 ’ ,关于丙烯酰胺类单体为其中一个嵌段的 酰胺(PS—b-PDMAA)嵌段共聚物.研究并讨论了反 共聚物的研究较少,原因是该酰胺类单体因自身 应体系的温度、大分子引发剂的分子质量、聚合介 的结构,在进行ATRP时,所用催化体系中的铜盐 质及配位剂种类对聚合过程的影响.在改变聚合 易与聚合物链末端的酰胺键络合并稳定了自由 反应条件的基础上,得到了分子质量分布较窄的 基,导致自由基浓度升高,易产生自发终止等副 PS—b-PDMAA两亲性嵌段共聚物. 反应 ,使其较难进行ATRP聚合.最近 Neugebauer和Matyjaszewski对通用的催化、引发体 1 实验部分 系进行了改进,采用2一氯代丙酸甲酯/CuCl/三(2一 1.1原料 甲基氨乙基)胺(Me6TREN)作为催化、引发体系, 苯乙烯,中国医药集团上海化学试剂公司生 以甲苯为溶剂,由ATRP法合成了聚Ⅳ,Ⅳ一二甲基 产,减压蒸出备用.Ⅳ,Ⅳ一二甲基丙烯酰胺 丙烯酰胺一6一聚丙烯酸丁酯(PDMAA—b-PnBA)和聚 (DMAA),日本和光纯药工业株式会社生产,减压 丙烯酸丁酯一6一聚Ⅳ,Ⅳ一二甲基丙烯酰胺(PnBA—b— 蒸出备用.氯化亚铜,上海振兴试剂厂,重结晶后 PDMAA) . 备用.口一溴代丙酸乙酯(EPN—Br)、2,2'-联二吡啶 以聚Ⅳ,Ⅳ一二甲基丙烯酰胺(PDMAA)为一个 (bpy)、甲醇、四氢呋喃(THF)、石油醚,中国医药 嵌段的两亲性或双亲水性嵌段共聚物,通过改变 集团上海化学试剂公司,分析纯,未经处理直接使 温度或pH能可逆地改变其在水中的溶解性,一 用.Ⅳ,Ⅳ,Ⅳ , , 一五甲基二亚乙基三胺 方面存在着较好的商业应用价值,同时在胶束化 (PMDETA),Acros Organics提供,分析纯. 行为研究方面有很好的理论意义.在以前的工作 中,主要研究了接枝共聚物和无规类接枝共聚物 *2003·07·28收稿,2004-Ol-o9修稿;教育部高等学校骨干教师资助计划(教技司2000-65)和王宽诚教育基金会资助项目(教外港办2003. 5);**通讯联系人 维普资讯 http://www.cqvip.com 646 高 分 子 学 报 2004正 1.2聚合物的制备及纯化 体PS—x(0.25 mmo1),CuC1(0.25 mmo1),bpy(0.5 1.2.1预聚体Ps.x(大分子引发剂)的合成 室温下在100 mL三颈烧瓶中依次加入联二吡啶 (1 mmo1),CuC1(0.5 mmo1),a.溴代丙酸乙酯(0.5 mmo1)或PMDETA(0.5 mmo1),DMAA(37.5 mmo1), 溶液聚合时加入相应的溶剂甲苯、水、或DMF(3 ×VⅡM^ ),且搅拌使之充分混合,呈现棕红色.持 续通氮气20min、密封,在110℃油浴中反应(水为 溶剂的聚合温度控制为85℃),至预定的时间后, 取出三颈烧瓶,自然冷却.聚合物用THF溶解(溶 mmo1),苯乙烯(50 mmo1).搅拌使之充分混合,持 续通入氮气20min、密封,在110℃油浴中回流反 应,至预定的时间后,取出三颈烧瓶,自然冷却.以 THF为溶剂、甲醇为沉淀剂纯化聚合物,真空干燥 至恒重,计算其转化率. 1.2.2两亲性嵌段共聚物Ps.b-PDMAA的合成 室温下在100 mL三颈烧瓶中依次加入预聚 液聚合无须加THF),通过中性A1,O 柱,在石油 醚中沉淀二次,干燥至恒重,计算其转化率(合成 路线如反应式1所示). O s一 Br+ s一 H EPN.Br O Styrene PS_x(x Br,ci) C2H5一 CH-(I-CH2-。CH 董 C2H5-0。一’ C一 H 3 cH2一Ir H cH Scheme 1 Synthesis of block copolymer PS-b-PDMAA 1.3聚合物的结构表征 聚合物的分子质量及分子质量分布在Agilent 1100型凝胶渗透色谱(GPC)仪上测定,DMF为流 动相,聚苯乙烯为标样.聚合物样品的红外光谱在 TJ270-30型红外光谱仪上测定,KBr压片. H. NMR在Bruker MSL300型核磁共振波谱( H.NMR) 上测定,氯仿(CDC1 )为溶剂. X C●C●N 卸 2结果与讨论 2.1 PS.X的制备及表征 Fig.1 Dependence of M (◆)and M /M (●)on conversion at 1 IO ̄C in the bulk polymerization using bpy as ligand 图1为苯乙烯本体聚合的转化率与分子质量 之间的关系图.反应2 h时所得Ps.x预聚体的数 均分子质量( )由GPC测得为M =2800,分子 质量分布指数M /M 为1.08.如图所示,大分子 引发剂的 与转化率间呈线性关系,分子质量 随转化率的增加而线性增加,且M /M 比传统自 由基聚合体系要小得多,在不同转化率下几乎保 持不变,为一条直线.图2为反应时间与转化率和 ln[ 。]/[ ]间的关系图.从图同样可以看出,随 反应时间的增加,两者均线性增加,表明该聚合过 程具有ATRP聚合的特征 J. Fig.2 Dependence of In([no /M](●)and conversion(◆)on polymerization time at 1 IO ̄C in the bulk polymerization using bpy as ligand 维普资讯 http://www.cqvip.com 5期 华曼等:ATRP法制备两亲性嵌段共聚物的研究 647 2.2两亲性嵌段共聚物PS.b.PDMAA的制备及 表征 两亲性嵌段共聚物PS—b-PDMAA的分子质 量、分子质量组成和结构分布由GPC、IR、 H—NMR 进行了表征.首先考察了聚合介质、大分子引发剂 的分子质量及配位剂对聚合过程的影响. 2.2.1 聚合介质的影响 保持其它反应条件 相同,在不同聚合介质中得到的结果如表1所示. 由GPC测得的嵌段共聚物的分子质量及分子质 量分布可以看出,在甲苯和水中的转化率、分子质 量及分子质量分布几乎相同;以DMF作溶剂时其 转化率较低,分子质量分布有所降低.采用本体聚 合的结果与溶液聚合相比,其转化率和分子质量 提高,而且分子质量分布指数减小.由表1的数据 可见,聚合介质对嵌段共聚物有较明显的影响.为 得到分子质变量分布较窄的嵌段共聚物,根据所 用单体的特点,采用本体聚合较好. Table 1 ATRP of DMAA in different solvents Polymerization conditions:[PS—X]:[CuC1]:[PMDETA]:[DMAA]:1 :1:2:150(mol ratio),Time:12 h,Temperature=1IOoC,Solvent:DMAA (volume ratio):3:1; Temperature=85℃ 2.2.2大分子引发剂的影响 表2为在相同 的聚合条件下,不同分子质量的大分子引发剂对 聚合过程的影响.从GPC测得的嵌段共聚物分子 质量及分子质量分布结果可以看出,使用分子质 量较小的引发剂时制备得到的嵌段共聚物结果较 好. Table 2 ATRP of DMAA using different PS—X Polymeriaztion conditions:[PS—X]:[CuC1]:[PMDETA]:[DMAA]=1 :1:2:150(mol ratio),Temperature=1IOoC; In toluene; Bulk polymeriaztion 2.2.3配位剂的影响 表3为在相同聚合条 件下,不同的配位剂对聚合过程的影响.由GPC 测得不同反应时间嵌段共聚物的分子质量及分子 质量分布可以看出,使用bpy与PMDETA作为配 位剂得到的结果几乎相同,考虑价格因素,用低廉 的PMDETA代替bpy,可降低聚合反应成本. Table 3 The ATRP of PDMAA using different ligand Polymeiraztion conditions:[PS—X]:[CuC1]:[bpy]//PMDETA][ [DMAA]=1:1:2:150(mol ratio),Time:24 h,Temperature=1IO oC Bulk polymerization; In toluene 2.2.4活性聚合特征的确定 对于合成PS—b— PDMAA两亲性共聚物,在110%、[PS—x]:[CuC1]: [DMAA](mol ratio)=1:1:150的条件下,用分子质 量较小的预聚体作为大分子引发剂、采用本体聚 合、以PMDETA作配位剂得到的共聚物效率较高、 分子质量分布较窄,并且更具有实用价值.表4是 在此条件下由GPC测得不同反应时间两亲性嵌 段共聚物的分子质量及转化率.其中,根据 ATRP 机理,嵌段共聚物的理论数均分子质量 (M )可以由式(1)求得: M h=M Ps+WDMAA×Conv÷l,J (1) 式中 为大分子引发剂的数均分子质量, 。MAA为单体DMAA的投料质量(克数),[,]为引 发剂的摩尔数,Conv为单体DMAA的转化率. Table 4 Characterization data of DMAA produced by ATRP Polymerization conditions:[PS—X]:[CuC1]:[PMDETA]:[DMAA]=1 1:2:150(mol ratio),Bulk polymerization,Temperature=1lO ̄C,M : 280ofor PS—X 图3和图4是两亲性嵌段共聚物的动力学曲 线图.从图中可以看出,ln([ ]/[肘])与时间呈 线性关系,说明聚合过程符合一级动力学关系,在 整个聚合过程中活性种的数目是一个常数.这一 结果连同分子质量与转化率为线性关系的结果表 明,该体系中的引发反应较快,链转移和链终止可 以忽略,且理论分子质量与实测分子质量相一致, 因此具有ATRP活性聚合的特征 ;而M /M. 保 持在1.6左右,比预聚体PS.x的分子质量分布有 维普资讯 http://www.cqvip.com 648 高 分 子 学 报 2004年 所增加,这也是丙烯酰胺类单体ATRP的共 性 。‘“].另外,从图中可以看到,随着反应时间的 延长,M /M 略有升高,因为体系为非均相,尽管 有配位剂PMDETA的存在,催化剂在单体中的溶 解度仍小,影响到反应的平衡,使产物分布加 宽¨ ;另一方面是随着转化率升高,分子质量增 大,聚合体系的粘度增大,单体的扩散速度降低, 致使聚合速率下降;或者说,在转化率较高时,终 止反应变得明显起来 . Fig.3 Dependence of M (▲)and M /M (●)on conversion at 1 10 ̄(2 in the bulk polymerization using PMDETA as ligand 殳 芒 耋 0 三 U Fig.4 Dependence of conversion(▲)and in([M0]/ [ ])(●)on polymerization time at 1IO ̄C in the bulk polymerization using PMDETA as ligand 在合成PS—x时,达到75%的转化率仅需8 h; 而合成嵌段共聚物PS—b-PDMAA时,达到相同的 转化率需48 h,由此可知,在相同的反应时间内, 形成嵌段共聚物的转化率相对较低,这与使用的 催化剂配体有关.有研究表明 ,用一种1,4,8, 11一四甲基一1,4,8,11一四氮杂环四癸烷(Me cyclam) 做配体其效果较好. 为进一步确定共聚物的结构,进行了红外和 a b 2000 1000 Wavenumber(cm一 ) Fig.5 IR spectra of PS—X(a)and PS—b-PDMAA(b) H—NMR分析.通过对比预聚体Ps—X(a)和嵌段共 聚PS—b-PDMAA(b)的红外光谱图(图5)可发现, 在嵌段共聚物的谱图中,在1644 cm 处出现 C—O的强吸收振动峰;由 H—NMR分析可知(图 6),a处 =7.0左右出现的一组峰归属于苯环上 的质子,表明苯乙烯嵌段的存在;在b处 =3.0 附近有明显的一组峰,对应于嵌段共聚物PS—b— PDMAA中的一N(CH ),氢质子,表明PDMAA的存 在,且 =3.0处的峰面积与 =7.0处的峰面积 比约为1.3:1,与共聚物的嵌段比基本吻合;结合 分子质量的变化,表明由ATRP合成得到了两亲 性嵌段共聚物. 8 7 6 5 4 3 2 1 0 d Fig.6’H-NMR spectrum of PS.b-PDMAA(M :6OOO) 综上所述,用ATRP方式可制得窄分布的PS— x预聚体,以此作为大分子引发剂,可使DMAA进 行聚合,得到分子质量可控、分子质量分布较窄的 两亲性嵌段共聚物PS—b-PDMAA,该共聚体系符 合活性聚合的特征. 维普资讯 http://www.cqvip.com 5期 ●2 3 4 5 6 7 华曼等:8 ATRP法制备两亲性嵌段共聚物的研究 9 649 REFERENCES Zhu Hui(朱蕙),Lju Shiyong(刘世勇),Jiang Ming(江明).Chemical Journal of Chinese University(高等学校化学学报),2002,23(1):138—142 Shen Hongx ̄ei,Eisenberg A.Macromolecules,2000,33:2561—2570 Wang J S,Matyjaszewski K.Macromolecules,1995,28:7901—7910 Shi Yongliu,Hui Zhu,Jiang Ming.Langmuir,2000,16:3712—3717 Rademacher J T,Baum M,PaUack M E,Brittain W J.Macromoleculse,2000,33:284—288 Neugebauer D,Matyjaszewski K.Macromoleculse,2003,36:2598—2603 Chen Mingqing(陈明清),uu Xiaoya(刘晓亚),Yang Cheng(杨成),Zhang Ming(张明).Journal of Functional Polymers(功能高分子学报), 2001,(3):263~267 Liu Xiaoya,JinagMing,Yang Shuli,ChenMingqing,Daoyong Chen,Chang Yang,KangWu.Angew ChemInt Ed[J],2002,41(16):2950—2953 Yuan Jinying(袁金颖),Wei Gaoyuan(魏高原),Wang Yanmei(王延梅),Pan Caiyuan(潘才元).Acta Polymerica Sinica(高分子学报),2001, (5):625 628 10 Matyjaszewski K,Teodorecu M.Macromolecules,1999,32:486~490 11 Hung Changguo(黄昌国),Wan Xiaolong(万小龙),Ying Shengkang(应圣康).Acta Polymerica Siinca(高分子学报),2000,(4):467~471 SYNTHESIS OF AMPIⅡPIⅡLIC BLoCK CoPoLYMERS BY AToM TRANSFER RADICAL PoLY IERIZATIoN HUA Man,CHEN Mingqing,LIU Xiaoya,YANG Cheng (School of Chemical and Material Engineering,Southern Yangtze Um ̄rshy,Wuxi 214036) Abstract Polystyrene single—capped with halogen,PS—X,was synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP)method using ethyl一口一bromopropionate(EPN—Br)as initiator and CuC1/2,2'-bipyridine(bpy)as catalyst and ligand at 1 IO ̄C.By using PS—X as macroinitiator and CuC1/1,1,4,7,7-penta—methyldiethylenetri—amine (PMDETA)or bpy as catalyst and ligand at 110 oC,ATRP of N,N—dimethylacrylamide(DMAA)was realized and functional amphiphilic block copolymers of poly(styrene—block—N,N—dimethylacrylamide)(PS—b-PDMAA)were synthesized.Furthermore,some factors including the molecular weight of macroinitiator,various solvents and ligand that influence the polymerization of DMAA have been studied.The properties of the PS—b-PDMAA copolymer were characterized by using GPC,IR and H—NMR analysis. Key words Atom transfer radical polymerization(ATRP),Amphiphilic block copolymer,Character