Обратимая присоединение-фрагментация перенос цепи или полимеризация RAFT является одним из нескольких видов обратимой дезактивационной радикальной полимеризации . Она использует агент переноса цепи (CTA) в форме тиокарбонилтиосоединения (или аналогичного, далее именуемого агентом RAFT, см. Рисунок 1) для обеспечения контроля над генерируемой молекулярной массой и полидисперсностью во время свободнорадикальной полимеризации. Открытая в Содружестве научных и промышленных исследований (CSIRO) Австралии в 1998 году, полимеризация RAFT является одним из нескольких методов живой или контролируемой радикальной полимеризации, другими являются радикальная полимеризация с переносом атома (ATRP) и полимеризация, опосредованная нитроксидом (NMP) и т. д. Полимеризация RAFT использует тиокарбонилтиосоединения, [1], такие как дитиоэфиры, тиокарбаматы и ксантогенаты , для опосредования полимеризации через процесс обратимой передачи цепи. Как и другие методы контролируемой радикальной полимеризации, полимеризация RAFT может быть выполнена в условиях, благоприятствующих низкой дисперсности (узкое молекулярно-массовое распределение) и предварительно выбранной молекулярной массе. Полимеризация RAFT может быть использована для разработки полимеров сложной архитектуры , таких как линейные блок-сополимеры, гребнеобразные, звездообразные, щеточные полимеры, дендримеры и сшитые сети.
Полимеризация с обратимой передачей цепи с присоединением и фрагментацией (RAFT-полимеризация, RAFT): радикальная полимеризация с вырожденным переносом, в которой активация цепи и дезактивация цепи включают процесс вырожденной передачи цепи , который происходит по двухстадийному механизму присоединения и фрагментации. Примечание 1: Примерами агентов RAFT являются некоторые дитиоэфиры, тритиокарбонаты, ксантогенаты (дитиокарбонаты) и дитиокарбаматы.
Примечание 2: RAFT с ксантогенатами также известен как MADIX (макромолекулярный дизайн путем замены ксантогената). [2]
Процесс передачи цепи присоединения-фрагментации был впервые описан в начале 1970-х годов. [3] Однако эта техника была необратимой, поэтому в то время реагенты для передачи не могли использоваться для контроля радикальной полимеризации. В течение первых нескольких лет передача цепи присоединения-фрагментации использовалась для синтеза полимеров с конечным функционалом.
Ученые начали осознавать потенциал RAFT в контролируемой радикальной полимеризации в 1980-х годах. [4] Макромономеры были известны в то время как обратимые агенты передачи цепи, но имели ограниченное применение в контролируемой радикальной полимеризации.
В 1995 году был привлечен к вниманию ключевой шаг в «вырожденном» обратимом этапе переноса цепи для цепного равновесия. Существенной особенностью является то, что продукт переноса цепи также является агентом переноса цепи с активностью, аналогичной активности прекурсора-переносчика. [5]
Сегодня RAFT-полимеризация в основном осуществляется с помощью тиокарбонилтиопереносчиков цепи. Впервые об этом сообщили Риццардо и др. в 1998 году. [6] RAFT является одним из самых универсальных методов контролируемой радикальной полимеризации, поскольку он толерантен к очень широкому диапазону функциональности в мономере и растворителе, включая водные растворы. [7] RAFT-полимеризация также эффективно проводилась в широком диапазоне температур.
Обычно система полимеризации RAFT состоит из:
Температура выбирается таким образом, чтобы (a) рост цепи происходил с подходящей скоростью, (b) химический инициатор (источник радикалов) поставлял радикалы с подходящей скоростью и (c) центральное равновесие RAFT (см. ниже) благоприятствовало активному, а не спящему состоянию в приемлемой степени.
RAFT-полимеризация может быть выполнена путем добавления выбранного количества соответствующего RAFT-агента к обычной свободнорадикальной полимеризации. Обычно могут использоваться те же мономеры, инициаторы, растворители и температуры.
Радикальные инициаторы, такие как азобисизобутиронитрил (AIBN) и 4,4'-азобис(4-циановалериановая кислота) (ACVA), также называемая 4,4'-азобис(4-цианопентановой кислотой) , широко используются в качестве инициатора в RAFT.
На рисунке 3 представлено визуальное описание RAFT-полимеризации полиметилметакрилата и полиакриловой кислоты с использованием AIBN в качестве инициатора и двух RAFT-агентов.
RAFT-полимеризация известна своей совместимостью с широким спектром мономеров по сравнению с другими контролируемыми радикальными полимеризациями . Эти мономеры включают (мет)акрилаты, (мет) акриламиды , акрилонитрил , стирол и производные, бутадиен, винилацетат и N-винилпирролидон. Процесс также подходит для использования в широком диапазоне параметров реакции, таких как температура или уровень примесей, по сравнению с NMP или ATRP .
Группы Z и R агента RAFT должны быть выбраны в соответствии с рядом соображений. Группа Z в первую очередь влияет на стабильность связи S=C и стабильность радикала аддукта (полимер-SC•(Z)-S-полимер, см. раздел Механизм). Они, в свою очередь, влияют на положение и скорости элементарных реакций в пред- и основном равновесии. Группа R должна быть способна стабилизировать радикал таким образом, чтобы правая сторона пред-равновесия была благоприятной, но достаточно нестабильной, чтобы она могла повторно инициировать рост новой полимерной цепи. Таким образом, агент RAFT должен быть разработан с учетом мономера и температуры, поскольку оба эти параметра также сильно влияют на кинетику и термодинамику равновесий RAFT.
Желаемый продукт полимеризации RAFT обычно представляет собой линейный полимер с R-группой на одном конце и дитиокарбонатным фрагментом на другом конце. На рисунке 4 изображены основные и второстепенные продукты полимеризации RAFT. Все остальные продукты возникают в результате (a) событий бирадикального завершения или (b) реакций химических видов, которые возникают из фрагментов инициатора, обозначенных на рисунке как I. (Обратите внимание, что категории (a) и (b) пересекаются).
Селективность по отношению к желаемому продукту может быть увеличена путем увеличения концентрации агента RAFT относительно количества свободных радикалов, выделяемых в ходе полимеризации. Это может быть сделано либо напрямую (т.е. путем увеличения концентрации агента RAFT), либо путем снижения скорости разложения или концентрации инициатора.
RAFT — это тип живой полимеризации, включающий обычную радикальную полимеризацию , которая опосредуется агентом RAFT. [8] Мономеры должны быть способны к радикальной полимеризации. [9] Существует ряд стадий в RAFT-полимеризации: инициирование, предварительное равновесие, повторное инициирование, основное равновесие, распространение и прекращение.
Механизм теперь поясняется более подробно с помощью рисунка 5.
Инициирование: Реакция начинается с источника свободных радикалов, которым может быть распадающийся радикальный инициатор, такой как AIBN . В примере на рисунке 5 инициатор распадается с образованием двух фрагментов (I•), которые реагируют с одной молекулой мономера, давая распространяющийся (т.е. растущий) полимерный радикал длиной 1, обозначаемый P 1 •.
Распространение: Распространяющиеся радикальные цепи длиной n в их активной (радикальной) форме, P n •, присоединяются к мономеру, M, образуя более длинные распространяющиеся радикалы, P n+1 •.
Предварительное равновесие RAFT: Полимерный радикал с n мономерными единицами (P n ) реагирует с агентом RAFT, образуя радикал-аддукт RAFT. Он может подвергаться реакции фрагментации в любом направлении, давая либо исходные виды, либо радикал (R•) и полимерный агент RAFT (S=C(Z)SP n ). Это обратимый шаг, на котором промежуточный радикал-аддукт RAFT способен потерять либо группу R (R•), либо полимерные виды (P n •).
Повторное инициирование: уходящая группа радикала (R•) затем реагирует с другим видом мономера, начиная другую активную полимерную цепь.
Основное равновесие RAFT: Это самая важная часть в процессе RAFT, [8] в котором, в процессе быстрого обмена, имеющиеся радикалы (и, следовательно, возможности для роста полимерной цепи) «делятся» между всеми видами, которые еще не подверглись терминации (P n • и S=C(Z)SP n ). В идеале радикалы делятся поровну, в результате чего цепи имеют равные возможности для роста и узкий PDI.
Терминация: Цепи в своей активной форме реагируют посредством процесса, известного как бирадикальное терминирование, образуя цепи, которые не могут реагировать дальше, известные как мертвый полимер. В идеале радикал аддукта RAFT достаточно затруднен, чтобы не подвергаться реакциям терминации.
Наглядное представление этого процесса можно увидеть в Видео 1.
Положение основного равновесия RAFT (рисунок 5) зависит от относительной стабильности радикала аддукта RAFT (P n -SC•(Z)-SP m ) и продуктов его фрагментации, а именно S=C(Z)SP n и полимерного радикала (P m •). Если образование радикала аддукта RAFT достаточно термодинамически выгодно, концентрация активных частиц, P m •, будет снижена до такой степени, что также будет наблюдаться снижение скорости превращения мономера в полимер по сравнению с эквивалентной полимеризацией без агента RAFT. Такая полимеризация называется полимеризацией RAFT с замедленной скоростью.
Скорость полимеризации RAFT, то есть скорость превращения мономера в полимер, в основном зависит от скорости реакции роста (рисунок 5), поскольку скорость инициирования и прекращения намного выше скорости роста. Скорость роста пропорциональна концентрации [P•] активных частиц P•, тогда как скорость реакции прекращения, будучи вторым порядком, пропорциональна квадрату [P•] 2 . Это означает, что во время полимеризации RAFT с замедленной скоростью скорость образования продуктов прекращения подавляется в большей степени, чем скорость роста цепи.
При полимеризации RAFT без замедления скорости концентрация активных частиц P• близка к таковой при эквивалентной традиционной полимеризации в отсутствие агента RAFT.
Основное равновесие RAFT и, следовательно, замедление скорости реакции зависят как от температуры, так и от химических факторов. [10] Высокая температура благоприятствует образованию продуктов фрагментации, а не аддуктного радикала P n -SC•(Z)-SP m . Агенты RAFT с радикал-стабилизирующей Z-группой, такой как фенильная группа, благоприятствуют аддуктному радикалу, как и распространяющиеся радикалы, мономеры которых не обладают свойствами радикальной стабилизации, например, винилацетат .
С точки зрения механизма идеальная полимеризация RAFT имеет несколько особенностей. Этапы предварительного равновесия и повторной инициации завершаются очень рано в полимеризации, что означает, что основной продукт реакции (цепи полимера RAFT, RAFT-P n ) начинают расти примерно в одно и то же время. Прямые и обратные реакции основного равновесия RAFT протекают быстро, что благоприятствует равным возможностям роста среди цепей. Общее количество радикалов, доставляемых в систему инициатором в ходе полимеризации, мало по сравнению с количеством молекул агента RAFT, что означает, что полимерные цепи, инициированные группой R на этапе повторной инициации, образуют большинство цепей в системе, а не цепи, несущие фрагмент инициатора, образованные на этапе инициации. Это важно, поскольку инициатор непрерывно распадается во время полимеризации, а не только в начале, и полимерные цепи, возникающие в результате распада инициатора, не могут, следовательно, иметь узкое распределение длин. Эти механистические особенности приводят к тому, что средняя длина цепи линейно увеличивается с превращением мономера в полимер. [11]
В отличие от других контролируемых радикальных полимеризаций (например, ATRP ), полимеризация RAFT не достигает контролируемой эволюции молекулярной массы и низкой полидисперсности за счет снижения событий бирадикального обрыва (хотя в некоторых системах эти события действительно могут быть несколько снижены, как описано выше), а скорее за счет обеспечения того, что большинство полимерных цепей начинают расти примерно в одно и то же время и испытывают одинаковый рост во время полимеризации. [11]
Рекомендации для групп Z и R зависят от их функций и того, какие типы мономеров необходимо полимеризовать. [12] [13] [14]
Группа R:
Выбор группы Z влияет на:
Были предоставлены руководящие принципы для выбора групп R и Z на основе желаемого мономера для полимеризации, и они обобщены на рисунках 6 и 7. Мономеры можно разделить на более активные и менее активные, называемые MAM и LAM, соответственно. MAM даст менее активные распространяющиеся радикальные виды, и наоборот для LAM. Поэтому MAM требуют более активных реагентов RAFT, в то время как LAM требуют менее активных реагентов. [13]
Во время синтеза RAFT некоторые соотношения между компонентами реакции важны и обычно могут использоваться для контроля или установки желаемой степени полимеризации и молекулярной массы полимера . [12] [14] Все следующие соотношения относятся к исходным молям:
Уравнение (1):
Где MW n — молекулярная масса полимера, M 0 и M t — начальное и конечное количество молей мономера соответственно, RAFT 0 — начальное количество молей агента RAFT, MW M — молекулярная масса мономера, а MW RAFT — молекулярная масса агента RAFT. M 0 - M t также можно переписать как M 0 *X (где X — конверсия), так что среднюю молекулярную массу полимера можно оценить на основе конверсии.
Enz-RAFT — это метод полимеризации RAFT, который позволяет проводить контролируемую полимеризацию, чувствительную к кислороду, в открытом сосуде. [16] [17] Enz-RAFT использует 1–4 мкМ глюкозооксидазы для удаления растворенного кислорода из системы. Поскольку дегазация отделена от полимеризации, концентрации инициатора могут быть снижены, что обеспечивает высокий контроль и точность конечных групп. Enz-RAFT можно использовать в ряде систем органических растворителей с высокой активностью в трет-бутаноле ( до 80%) , ацетонитриле и диоксане . С Enz-RAFT полимеризация не требует предварительной дегазации, что делает этот метод удобным для приготовления большинства полимеров методом RAFT. Метод был разработан в Имперском колледже Лондона Робертом Чепменом и Адамом Гормли в лаборатории Молли Стивенс .
Метод RAFT-полимеризации использовался для синтеза широкого спектра полимеров с контролируемой молекулярной массой и низкой полидисперсностью (от 1,05 до 1,4 для многих мономеров).
RAFT-полимеризация известна своей совместимостью с широким спектром мономеров по сравнению с другими контролируемыми радикальными полимеризациями . Некоторые мономеры, способные полимеризоваться с помощью RAFT, включают стиролы, акрилаты, акриламиды и многие виниловые мономеры. Кроме того, процесс RAFT позволяет синтезировать полимеры со специфическими макромолекулярными архитектурами, такими как блочные, градиентные , статистические, гребенчатые, щеточные, звездчатые, гиперразветвленные и сетчатые сополимеры . Эти свойства делают RAFT полезным во многих типах полимерного синтеза. [18]
Как и другие методы полимеризации с живым радикалом, RAFT позволяет удлинять цепь полимера одного мономера со вторым типом полимера, чтобы получить блок-сополимер. При такой полимеризации возникает дополнительная проблема, заключающаяся в том, что агент RAFT для первого мономера должен также подходить для второго мономера, что делает блок-сополимеризацию мономеров с весьма разным характером сложной. [18]
Для блок-сополимеров существуют различные рекомендации по выбору макро-R-агента для полимеризации второго блока (рисунок 9).
Также сообщалось о получении многоблочных сополимеров с использованием дифункциональных групп R или симметричных тритиокарбонатов с дифункциональными группами Z.
Использование соединения с несколькими дитио-фрагментами (часто называемого многофункциональным агентом RAFT) может привести к образованию звездообразных, щеточных и гребенчатых полимеров. Если взять звездообразные полимеры в качестве примера, RAFT отличается от других форм методов живой радикальной полимеризации тем, что либо R-, либо Z-группа может образовывать ядро звезды (см. рисунок 10). В то время как использование R-группы в качестве ядра приводит к аналогичным структурам, обнаруженным с помощью ATRP или NMP, возможность использовать Z-группу в качестве ядра делает RAFT уникальным. При использовании Z-группы реактивные полимерные плечи отсоединяются от ядра звезды во время роста и, чтобы подвергнуться передаче цепи, должны снова прореагировать в ядре. [18]
Благодаря своей гибкости в отношении выбора мономеров и условий реакции, процесс RAFT успешно конкурирует с другими формами живой полимеризации для получения биоматериалов. Новые типы полимеров могут быть созданы с уникальными свойствами, такими как чувствительность к температуре и pH.
Конкретные материалы и их применение включают конъюгаты полимер-белок и полимер-лекарство, посредничество в активности ферментов, процессы молекулярного распознавания и полимерные мицеллы , которые могут доставлять лекарство в определенное место в организме. [19] RAFT также использовался для прививки полимерных цепей на полимерные поверхности, например, полимерные микросферы. [20]
Полимеризация может быть выполнена в широком диапазоне растворителей (включая воду), в широком диапазоне температур, высокой толерантности к функциональным группам и отсутствии металлов для полимеризации. По состоянию на 2014 год диапазон коммерчески доступных агентов RAFT охватывает почти все классы мономеров, которые могут подвергаться радикальной полимеризации.
Конкретный агент RAFT подходит только для ограниченного набора мономеров, а синтез агента RAFT обычно требует многоэтапной синтетической процедуры и последующей очистки. [11] Агенты RAFT могут быть нестабильными в течение длительного времени, сильно окрашены и могут иметь резкий запах из-за постепенного разложения дитиоэфирного фрагмента с образованием небольших соединений серы. Наличие серы и цвета в полученном полимере также может быть нежелательным для некоторых применений; однако, это может быть в некоторой степени устранено с помощью дальнейших этапов химической и физической очистки. [21]