Ligandy i inicjatory ATRP: Czyste polimery funkcjonalne
Wojciech Jakubowski, Nicolay V. Tsarevsky, Patrick McCarthy
Krzysztof Matyjaszewski ATRP Solutions, Inc. 166N. Dithridge Street, Suite G4, Pittsburgh, PA 15213
Material Matters 2010, 5.1, 16.
Wprowadzenie
Polimeryzacja rodnikowa z przeniesieniem atomu (ATRP)1-4 stała się jedną z najbardziej udanych technik syntetycznych do otrzymywania polimerów o z góry określonych ciężarach cząsteczkowych, wąskich rozkładach ciężaru cząsteczkowego i wysokim stopniu funkcjonalizacji końców łańcucha (Schemat 1). Bezprecedensowa kontrola nad architekturą molekularną zapewniana przez ATRP umożliwia przygotowanie systematycznych bibliotek polimerów.5 Schemat 1 jest przykładem systematycznej biblioteki polimerów w kształcie gwiazdy, gdzie polimery w każdym rzędzie mają ten sam rozmiar ramion, a te w każdej kolumnie mają taką samą liczbę ramion. Takie biblioteki mogą dostarczyć ważnych danych do zrozumienia zależności między strukturą polimeru a właściwościami fizycznymi lub funkcją.
Schemat 1.Schematyczna ilustracja ATRP (u góry) i przykład biblioteki polimerów w kształcie gwiazdy.
Katalizatory do ATRP
ATRP jest procesem katalitycznym wykorzystującym kompleks metalu, w którym metal przejściowy Mt może występować na dwóch różnych stopniach utlenienia. Kompleks metalu na niższym stopniu utlenienia Mtz/L (L jest ligandem) reaguje z inicjatorem ATRP (halogenkiem alkilu RX) dając rodnik R- i odpowiadający mu kompleks metalu na wyższym stopniu utlenienia ze skoordynowanym anionem halogenkowym X-Mtz+1/L, w procesie zwanym aktywacją, przebiegającym ze stałą szybkości, kact. Ten ostatni kompleks może przenieść atom halogenu z powrotem do rodnika, ponownie generując halogenek alkilu i kompleks metalu o niższym stopniu utlenienia. Rodniki mogą reagować z monomerem M (generując polimer ze stałą szybkości propagacji kp), ze sobą (terminacja ze stałą szybkości, kt) lub z X-Mtz+1/L (dezaktywacja ze stałą szybkości, kdeact). Ostatni etap, który odróżnia ATRP od konwencjonalnej polimeryzacji rodnikowej, prowadzi do polimerowego stanu uśpienia zakończonego halogenem, który może być reaktywowany w reakcji z Mtz/L. Jeśli proces dezaktywacji jest wydajny (tj. wysoka wartość kdeact) i jeśli wszystkie łańcuchy polimerowe są inicjowane w krótkim czasie poprzez odpowiedni dobór inicjatora halogenku alkilu, otrzymany polimer będzie charakteryzował się wąskim rozkładem masy cząsteczkowej. Dodatkowo, pożądane jest zastosowanie aktywnego katalizatora o wysokiej wartości stosunku kact / kdeact, określanej jako stała równowagi ATRP, kATRP, aby zapewnić szybką polimeryzację. Stałe szybkości kact i kdeact zależą zarówno od metalu przejściowego jak i liganda. Opracowano zasady racjonalnego doboru aktywnych katalizatorów do ATRP dla różnych mediów reakcyjnych i monomerów.2,6
Różne metale i ligandy zostały z powodzeniem zastosowane jako katalizatory w ATRP, ale najczęściej stosowane są katalizatory oparte na miedzi (dwa stopnie utlenienia to CuI i CuII) i ligandach zawierających N. Jedną z wad klasycznego ATRP jest stosowanie dużych ilości katalizatora.4 Otrzymane polimery są dobrze zdefiniowane pod względem rozkładu masy cząsteczkowej i funkcjonalności końca łańcucha, ale wymagają żmudnego oczyszczania w celu usunięcia katalizatora. Chociaż opracowano różne metody usuwania katalizatora,2,7 dodatkowy etap oczyszczania wiąże się z dłuższym czasem potrzebnym do uzyskania produktu końcowego oraz z generowaniem odpadów, z których oba zwiększają koszt materiałów przygotowanych metodą ATRP. Jednakże, zastosowanie ligandów takich jak tris[2-(dimetyloamino)etylo]amina (Me6TREN, Prod. No. 723142) i tris(2-pirydylometylo)amina (TPMA, Prod. No. 723134) łagodzi ten problem (Rysunek 1). Ligandy te mogą być stosowane w nowych technikach zwanych Activators ReGenerated by Electron Transfer (ARGET)8,9 i Initiators for Continuous Activator Regeneration (ICAR)10, które pozwalają zmniejszyć ilość katalizatora do zaledwie kilku, często jednocyfrowych, ppm. Dla porównania, w tradycyjnym ATRP stosowano od 1 000 do 10 000 ppm. W przypadku wielu zastosowań, w tych nowych systemach pozostałości miedzi mogą pozostać w końcowych bezbarwnych produktach. Obie techniki wykorzystują środek redukujący: inicjator rodnikowy, taki jak AIBN w ICAR ATRP;10 i etyloheksanian cyny(II)8,9,11-13 (Nr prod.S3252), kwas askorbinowy,14glukoza,9 hydrazyna,10 lub Cu(0)15 w ARGET ATRP. Te środki redukujące pozwalają na regenerację kompleksu metalu o niższym stopniu utlenienia, który normalnie zostałby nieodwracalnie przekształcony w kompleks o wyższym stopniu utlenienia z powodu zakończenia rodnika w procesie zwanym "trwałym efektem rodnikowym".16
Rysunek 1.Ligandy do ATRP z udziałem Cu przy użyciu ppm ilości katalizatora. 723142; 723134
Procesy ARGET i ICAR ATRP pozwalają chemikom zmniejszyć ilość katalizatora ponad tysiąc razy, a otrzymane polimery są białe lub bezbarwne. Procesy te pozwalają również na przygotowanie dobrze zdefiniowanych kopolimerów blokowych,12 polimerów o wysokiej masie cząsteczkowej,11,17 wysokiej funkcjonalności końca łańcucha11 i regulowanym rozkładzie masy cząsteczkowej.18 Ponadto, ponieważ nadmiar czynnika redukującego ma niewielki wpływ na poziom kontroli w ARGET i ICAR ATRP, reakcję można z powodzeniem przeprowadzić w obecności ograniczonej ilości powietrza.13 Reakcje można prowadzić bez odtleniania, w kolbach wyposażonych w gumowe przegrody lub nawet w prostych słoikach. Zostało to zademonstrowane w naszym laboratorium poprzez umieszczenie funkcjonalizowanych płytek w jednym z takich naczyń i wyhodowanie bardzo gęstych szczotek polimerowych (~0,4 łańcucha/nm2), w tym szczotek z kopolimeru blokowego, bez żadnego odtleniania. ATRP zatrzymuje się po otwarciu naczynia na powietrze, ale rozpoczyna się ponownie po dodaniu wystarczającej ilości środka redukującego do zamkniętej kolby. Ten proces polimeryzacji nie wymaga żadnych specjalnych umiejętności i szczególnie dobrze nadaje się do szczepienia z większych powierzchni, ale może być również stosowany do przygotowania innych materiałów polimerowych. Tylko bardzo aktywne katalizatory pochodzące z Me6TREN i TPMA mogą być stosowane w tych nowych technikach.Rysunek 2 przedstawia wykres kinetyczny, ewolucję ciężarów cząsteczkowych i polidyspersyjności z konwersją oraz ślady GPC dla polimeryzacji styrenu (St) z 50 ppm katalizatora CuIIBr2/TPMA w obecności AIBN jako środka redukującego. Kontrola masy cząsteczkowej jest doskonała i zgodna z wartościami teoretycznymi opartymi na inicjowaniu ilościowym. Polimer, po wytrąceniu w heksanie, pojawił się jako biały stały proszek zawierający tylko 5 ppm pozostałości katalizatora. Jeśli potrzebne jest większe usunięcie Cu, można użyć żywicy ATRP pure® .5,19
.Rysunek 2.ICAR ATRP styrenu (St) przy użyciu 50 ppm katalizatora. (a) Wykres kinetyczny (b) Masa cząsteczkowa i polidyspersyjność w funkcji konwersji (c) Ewolucja śladów GPC (d) Zdjęcie polimeru po wytrąceniu w heksanie.
Typowa procedura ICAR ATRP
Poniżej przedstawiono procedurę wykorzystującą bardzo niskie stężenie katalizatora miedziowego, która daje dobrze zdefiniowany makroinicjator polistyrenowy (PSt-Br) o stopniu polimeryzacji 100. Jak pokazano na Rysunku 2, polimeryzacja jest dobrze kontrolowana: liniowy wykres kinetyczny pierwszego rzędu zużycia monomeru wskazuje na stałą liczbę aktywnych gatunków, a wzrost mas cząsteczkowych wraz z konwersją jest charakterystyczny dla żywego procesu. Co więcej, otrzymany polimer był praktycznie bezbarwny bez użycia specjalnych metod oczyszczania innych niż proste wytrącanie w heksanie.
- Add CuBr2 (7.8 mg, 3.5 × 10-2 mmol) i TPMA (10.1 mg, 3.49 × 10-2 mmol) do kolby o pojemności 10 ml wyposażonej w mieszadło magnetyczne.
- Dodać DMF (4 ml) w celu rozpuszczenia CuBr2/TPMA. Mieszać przez 10 minut do uzyskania jednorodnego żółtawego roztworu.
- Dodać St (80,0 ml, 0,698 mmol), AIBN (0,153 g, 0,0931 mmol) i 2-bromoizomaślan etylu (0,68 ml, 4,65 mmol) do 200 ml kolby okrągłodennej wyposażonej w mieszadło magnetyczne.
- Przenieść roztwór katalizatora do kolby okrągłodennej o pojemności 200 ml.
- Zamknąć reaktor kolbowy szklanym adapterem (ze szklanym korkiem i gumową przegrodą). Mieszać roztwór, przedmuchując azotem przez 1 godzinę.
- Umieścić kolbę w łaźni olejowej w temperaturze 70 oC. Aby śledzić postęp reakcji, próbki mogą być pobierane za pomocą igły ze stali nierdzewnej. Próbki mogą być analizowane za pomocą GC lub NMR (konwersja monomeru) i SEC (masa cząsteczkowa i polidyspersyjność).
- Po 20,5 h* konwersja monomeru osiąga 69%. Mn = 9,700 g/mol, PDI = 1.11. Reaktor otwiera się na powietrze i pozostawia do ostygnięcia do temperatury pokojowej.
- Rozcieńczyć polimer za pomocą THF (100 ml) i wytrącić do 2 l heksanu.
- Suszyć wytworzony polimer w temperaturze 45 oC do stałej masy (ok. 24 h).
* Czas reakcji może się różnić w zależności od rodzaju użytego sprzętu i czystości odczynników chemicznych.
Interesujące jest porównanie wyników ICAR ATRP z użyciem Me6TREN lub TPMA z procesem prowadzonym w podobnych warunkach, ale z innymi katalizatorami, pochodzącymi od ligandów, takich jak tradycyjnie stosowane pochodne 2,2-bipirydyny (bpy) (ex., Prod. No. 482250) lub N,N,N′,N",N"- pentametylodietylenotriamina (PMDETA, Prod. No. 369497). Me6TREN i TPMA były z powodzeniem stosowane w ICAR i ARGET ATRP różnych monomerów, takich jak styren, 9-11 akrylan metylu, 15 akrylan butylu,8metakrylan metylu,8,12 metakrylan butylu,20 metakrylan dimetyloaminoetylu21 i akrylonitryl.17,22 Mogą być również stosowane w klasycznym ATRP monomerów koordynujących, takich jak na przykład 4-winylopirydyna (Prod. No. V3204). Na szybkość ICAR ATRP nie mają wpływu katalizatory, ale jest ona określona przez szybkość rozkładu inicjatora rodnikowego i może być znacznie przyspieszona w wyższych temperaturach.
Kopolimery blokowe
Kopolimery blokowe nadal pozostają przedmiotem intensywnych badań i zainteresowania technologicznego ze względu na ich niezwykłe i użyteczne właściwości.23,24Obecne i potencjalne zaawansowane technologicznie zastosowania kopolimerów blokowych opierają się na ich zdolności do samoorganizacji, zarówno luzem, jak i w selektywnych rozpuszczalnikach, w uporządkowane nanostruktury. Na przykład, kopolimery blokowe z segmentami hydrofilowymi i hydrofobowymi samoorganizują się, zarówno w stanie stałym, jak i w roztworze, tworząc różnorodne struktury w skali nano. Struktury te wahają się od prostych micelarnych lub lamelarnych do złożonych żyroidów. Ostatnie badania nad samoorganizacją kopolimerów blokowych wykazały, że morfologia w skali nano jest wysoce zależna od długości łańcucha blokowego, stosunku długości łańcucha, wskaźnika polidyspersyjności i składu bloku. W związku z tym konieczne jest precyzyjne kontrolowanie stopnia polimeryzacji każdego segmentu w kopolimerze blokowym i uzyskanie wąskiego rozkładu masy cząsteczkowej. ATRP jest wygodną techniką przygotowania kopolimerów blokowych, ponieważ rosnący łańcuch polimerowy zawiera stabilny halogenowo zakończony ω-koniec, który może działać jako inicjator przedłużania łańcucha.
Jak wynika z Tabeli 1, tylko polimeryzacje z udziałem kompleksów Me6TREN i TPMA (dwie pierwsze pozycje) były dobrze kontrolowane i dawały polimery o wąskim rozkładzie ciężaru cząsteczkowego.10 We wszystkich przypadkach zastosowano tylko 50 ppm Cu.
Tabela 1.ICAR ATRP St zainicjowanego przez 2-bromoizomaślan etylu (EBiB) w obecności różnych katalizatorów na bazie Cu.
Rysunek 3 przedstawia ślady GPC polistyrenu-b-poli(akrylanu t-butylu) (PStb- PtBA) jako przykład syntezy biblioteki kopolimerów blokowych.5 W celu syntezy tych kopolimerów zastosowano ICAR i ARGET ATRP w podobnych warunkach, jak opisano powyżej. Biblioteka ta może być następnie przekształcona w polimerowe środki powierzchniowo czynne polistyren-b-poli(kwas akrylowy) (PStb- PAA) poprzez deprotekcję grup t-butylowych. Kopolimery PSt-b-PAA mogą być stosowane jako polimerowe środki powierzchniowo czynne w wielu zastosowaniach, takich jak dyspergatory cząstek (organicznych, nieorganicznych i metali), nośniki do dostarczania nanourządzeń, kompatybilizatory mieszanek, powłoki, modyfikatory powierzchni, detergenty i emulgatory. Szeroki zakres składów i mas cząsteczkowych zapewnianych przez każdą bibliotekę polimerową syntetyzowaną metodą ATRP umożliwia szybkie badanie przesiewowe i identyfikację optymalnej struktury dla konkretnego zastosowania. Kilka systematycznych bibliotek polimerowych jest obecnie dostępnych na rynku.19
Rysunek 3.Ślady GPC i właściwości biblioteki kopolimerów blokowych PSt-b-PtBA.
Inicjatory do ATRP
ATRP wykorzystuje proste inicjatory, głównie halogenki alkilowe R-X (X = Cl, Br).1,25,26 Średnia liczbowa masa cząsteczkowa Mn polimerów przygotowanych metodą ATRP zależy od początkowego stosunku stężenia monomeru (M) do inicjatora, jak również od konwersji monomeru:
Mn = ([M]0 / [RX]0) × Conv × MW(M)
gdzie [M]0 to początkowe stężenie monomeru, [RX]0 to początkowe stężenie halogenku alkilu, Conv to konwersja monomeru, a MW(M) to masa cząsteczkowa monomeru. Halogenki alkilowe stosowane jako inicjatory mogą zawierać jeden lub wiele atomów halogenu. W zależności od dokładnej struktury inicjatora i liczby atomów halogenu, architektura przygotowanych polimerów może być różna od liniowej (przy użyciu halogenków alkilowych z pojedynczym atomem halogenu), do gwiaździstej lub pędzelkowej (wiele atomów halogenu w inicjatorze). Polimery gwiaździste mogą być generowane przy użyciu inicjatorów z grupami halogenków alkilowych przyłączonych do pojedynczego rdzenia (Rysunek 4), podczas gdy w celu uzyskania polimerów szczotkowych, grupy halogenkowe powinny być przyłączone wzdłuż szkieletu polimeru lub dużej cząsteczki lub nanocząsteczki o wysokim współczynniku kształtu (np. nanorurki węglowej).
Rysunek 4.Przykłady inicjatorów ATRP dających gwiazdy polimerowe. 723177; 723185; 723193; 723207.
Istnieją cztery główne strategie syntezy polimerów z grupami funkcyjnymi za pomocą ATRP: i) bezpośrednia polimeryzacja monomerów funkcyjnych, ii) polimeryzacja "chronionych" monomerów, a następnie transformacje chemiczne po polimeryzacji, iii) zastosowanie funkcjonalnych inicjatorów oraz iv) podstawienie końcowego atomu halogenu. Pierwsze dwa podejścia dają polimery z wieloma funkcjonalnościami wzdłuż szkieletu, podczas gdy dwa ostatnie dają polimery z funkcjonalizacją końcową. Rysunek 5 ilustruje struktury inicjatorów funkcjonalnych halogenków alkilowych, które dają polimery z funkcjonalizacją końcową. Grupy takie jak hydroksylowe są odpowiednie do syntezy polimerów, które mogą reagować z cząsteczkami lub powierzchniami z grupami kwasu karboksylowego. Inicjatory zawierające grupy allilowe dają polimery, które mogą uczestniczyć w reakcjach hydrosililowania lub ene z polimerami lub powierzchniami zawierającymi odpowiednio wiązania Si-H lub S-H. Grupy trichlorosililowe reagują z powierzchniami zawierającymi grupy hydroksylowe lub aminowe (w tym wiązania Si-OH), takie jak te na powierzchni cząstek krzemionki lub szkła. Wreszcie, dwufunkcyjne inicjatory zawierające disiarczek dają polimery zawierające grupę funkcyjną zdolną do reagowania z powierzchniami złota, a także nadają polimerom zdolność do degradacji w środowiskach redukujących.
Rysunek 5.Przykłady inicjatorów ATRP, które mogą być stosowane do przygotowania polimerów funkcjonalizowanych końcowo i zawierających disulfidy.723150; 723169; 723215; 723223; 723231.
Znacznie szerszą gamę funkcjonalnych halogenków alkilowych można łatwo zsyntetyzować na zamówienie.1 Kilka koncepcji funkcjonalnych architektur polimerów, które można przygotować przy użyciu funkcjonalizowanych inicjatorów ATRP, zilustrowano dalej na Rysunku 6. Należy podkreślić, że polimery przygotowane metodą ATRP zawierają dwa końce łańcucha: koniec α (FG) pochodzący od inicjatora i koniec ω, który zwykle jest atomem bromu lub chloru. Halogenki alkilowe mogą uczestniczyć w wielu reakcjach substytucji nukleofilowej, co znacznie rozszerza rodzaje polimerów końcowych dostępnych poprzez ATRP.25
Rysunek 6.Przykłady końcowo funkcjonalizowanych polimerów przygotowanych metodą ATRP przy użyciu inicjatora z hydroksylową lub disulfidową grupą funkcyjną (FG).
Podsumowanie
Liczba materiałów i produktów komercyjnych wykorzystujących polimery w czystej postaci lub jako część bardziej złożonych mieszanin, mieszanek i kompozytów jest niezliczona. Właściwości i zastosowanie polimerów zależą nie tylko od wielkości cząsteczek, ale także od ich kształtu i składu.27 Obecnie ATRP jest jedną z najpotężniejszych metod syntezy polimerów, która pozwala kontrolować architekturę molekularną, o czym świadczy ponad sto zgłoszeń patentowych, ponad tysiąc artykułów publikowanych rocznie w czasopismach, a także w wielu produktach komercyjnych wytwarzanych w USA, Japonii i Europie. Ze względu na ostatnie postępy w procesach inicjacji (ARGET i ICAR ATRP) stosunkowo łatwo jest przeprowadzić dowolną reakcję polimeryzacji, a oczyszczanie produktów końcowych jest teraz łatwiejsze, przy jednoczesnym generowaniu minimalnej ilości odpadów.
Referencje
Zaloguj się lub utwórz konto, aby kontynuować.
Nie masz konta użytkownika?