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第11章 高分子合成化学(2)

聚乙炔是最知名的共轭导电高分子,但不易加工,因此阻碍了其产业化。大量的工作都集中在具有可加工性的聚乙炔研究方面。如在聚乙炔分子链上引人取代基带来可溶性但使导电性变差。另一个途径是制备可溶性前驱体,如聚苯基乙烯基亚砜等,在制备好拟加工部件后加热除去基团,生成共轭导电结构,但最终产物失去了可溶性。Grubbs开创了环辛四烯易位开环聚合制备聚乙炔的合成方法和路线,所用催化剂被国际同行命名为Grubbs催化剂。在此基础上,他们又报道了合成含聚乙炔链段的嵌段共聚物。在环辛四烯易位开环聚合制备聚乙炔的合成中,加入1,4-双取代-2-丁烯为链转移剂,其中的取代基可为二甲基叔丁基硅氧基、或乙酸酯基或2-溴代丁酸酯基,得到端基为上述取代基的聚乙炔;通过负离子活性聚合制备一个乙烯基封端的聚合物如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯或聚乙二醇;将活性端基聚乙炔和乙烯基封端聚合物混合,在Grubbs催化剂作用下,形成嵌段聚合物,这些嵌段聚合物均可溶于一般溶剂中,因此可进行表征和加工,合成方法简单,适用性强。

聚取代乙炔也可由1,6-庚二炔环化聚合制备。这种由环形重复单元形成的聚合物可溶于苯、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷等常用有机溶剂,具有长期抗氧化性能。可用于1,6-庚二炔催化聚合的催化剂有:齐格勒催化剂、钯催化剂、负离子引发剂、二元/三元钼或钨催化剂等。Buchmeiser等人以钌催化剂及其高分子固载催化剂实现了由1,6-庚二炔环化活性聚合,并可在水介质中合成乳胶粒子状聚合物。

烯烃易位聚合仍是很重要的研究方向。Grubbs发现的钌配合物催化剂对此领域的贡献最大。这类催化剂对水、氧气等都不是很敏感,机理是经卡宾中间活性体进行反应。可催化的聚合有开环聚合、环化聚合和ADMET(双烯丙基单体易位反应生成聚合物和乙烯)。近年来Wegener用ADMET合成了大量特种精确构筑的高分子,如支化点精确定位的聚乙烯、完全线性的聚乙烯、带精确定位功能侧基的聚乙烯、带多肽侧基并精确定位的聚烯烃等。这些精确控制结构的聚合物的合成用其他方法是所不能及的。为高分子结构与性能间相互关系的研究提供了一系列新的高分子。

烯烃的活性聚合主要困难是如何避免配位聚合的增长链端的β-氢转移反应、β-氢消除反应和向共催化剂的链转移反应。一些有望进行活性聚合的体系需在低温进行,但活性较低,相对分子质量不够高;已在α-烯烃的活性聚合方面有大量研究报道。

Fujita等报道了配位聚合方法进行乙烯的活性聚合。其结果很有意义。聚合温度25~50℃,比文献中用低温的方法优越,相对分子质量分布很窄(1.05~1.19),确实具有活性聚合特征,相对分子质量可达40万,催化活性很高[TOF值为20000(min·atm)-1](latm=101325Pa),所用催化剂是TiCl2-{η2-1-[CNR]-2-O-3-t-Bu-C6H3}2/MAO,其中,R是氟代苯基。结果表明,R苯基上的氟对于这种较高温度下的活性聚合是必需的,起阻止链端β氢转移反应的作用。

用此体系实现了嵌段共聚物的合成,如聚乙烯与乙烯丙烯无规聚合物的两嵌段共聚物,第一段为聚乙烯第二段为乙烯丙烯无规聚合物第三段为问规聚丙烯的三嵌段共聚物。

该研究小组此领域取得了一系列研究成果和进展,是此领域十分活跃的研究小组之一。

Bazan发现了新的三元催化体系,用这种催化体系从单一单体可获得具有新支化结构的聚乙烯,而单一或双组分催化剂不可能获得这种结构的聚合物。聚合物支化结构随三种催化剂比例变化而变化,运用高通量筛选技术对最佳反应条件和催化剂对聚合物性能影响机理进行了研究。基本过程是一种催化剂将乙烯转化成1-丁烯,另一种催化剂将乙烯转化成α-烯烃,还有一种催化剂是将乙烯、丁烯-1、α-烯烃转化为共聚物。

有关带极性基团的烯类单体与烯烃共聚合的研究也是很受重视的方向。在聚烯烃链上引入极性单体链段就可改进聚烯烃的多方面的性能,如黏结性、阻隔性、生物相容性、聚合物共混相容性、韧性、耐溶剂性、流变性能和表面性能如涂装性和可打印性等。以单中心金属催化剂进行烯烃聚合的研究也已扩展到了与极性单体的共聚合,并有一些进展,但极性单体的量较低,在极性单体浓度较大时影响到聚合活性,也有先将极性单体的极性基团保护起来,共聚合后再去保护的研究。最近,美国西北大学Marks教授以有机钛化合物催化苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯共聚,获得双全同无规共聚物,在此催化剂作用下,苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的均聚反应生成间规均聚物。提出了极性单体与烯烃共聚的两个重要影响因素:①在活化增长过程中,非极性单体应比极性单体竞争性更大;②金属离子氧结合能与金属离子碳结合能之差应足够小,从而使非极性单体在链增长中能插入。

Stibrany研究了双(苯并咪唑)/CuCl2/MAO催化剂作用下的乙烯与丙烯酸叔丁酯的共聚合,极性单体单元在共聚物中的组分比例(可达到70%)和聚合物相对分子质量远比文献最近报道的以后过渡金属催化剂Ni、Pd催化得到的聚合物要高得多。

在水体系中进行有机金属催化烯烃聚合反应方面的进展值得注意。水体系中进行聚合反应是环境友好、成本低的途径,除此之外,还有以下优点:水的热容量高,有利于热交换、产物体系黏度低,多以球形粒子得到聚合物产物,有利于纯化分离和后加工利用。因此,利用水作为介质进行高分子工业生产是人们追求的目标,并已大量采用,如在以自由基机理生产的高分子有50%是以水作为连续相的,主要是乳液聚合和悬浮聚合。而有机金属催化的烯烃聚合长期以来都是以有机溶剂和惰性气体条件下进行的,原因是水与催化剂极易反应,水与单体会在金属价键配位反应中产生竞争。而自然界生成聚烯烃的条件确是常温、常压水环境下进行的,如天然橡胶、杜仲胶等聚烯烃。近年来,对水体系有机金属催化烯烃聚合反应进行了大量研究,所研究的体系包括易位开环聚合、炔烃聚合、α-烯烃聚合、乙烯/CO交替共聚合和共轭双烯烃聚合。采用的方式有将金属配合物接在疏水聚合物上,形成只与单体选择性配位的活性中心,分散在水中,进行烯烃聚合;将催化剂溶于少量有机溶剂中,加少量表面活性剂分散在水中进行聚合反应。取得较快进展的是烯烃易位开环聚合。

六、微波技术辅助合成

DoIton在合成电光调制功能聚合物的过程中,利用微波技术辅助合成,提高了效率。

刘立建研究组在丙交酯和己内酯的微波开环聚合方面取得一些有较大价值的新进展。与国外其他研究小组已报道的工作相比,主要特点是从微波与单体相互作用人手,系统研究了聚合体系在微波作用下的热行为,并初步发现这种热行为直接影响微波聚合的效果。基于这一发现,使得微波开环聚合反应速率提高50~100倍、节能30~600倍,聚合产物相对分子质量可达到10万以上。微波聚合目前无论是在理论上还是在实际应用上都还存在一些争议。

七、环状高分子合成

与线形高分子相比,环形高分子具有黏度低、玻璃化转变温度高、动力学体积和直径小等特点。一般的合成路线是先得到具有活性端基的线形分子,在稀溶液中进行分子内偶联反应;另一方法是在具有形成线形环形高分子平衡反应的体系中进行控制反应。这些合成方法都有生成线形高分子的局限性。Grubbs在易位开环聚合催化剂上改用了一个半环型配体,催化环状单体聚合直接得到环状高分子,这样的体系反应中间过渡态是一个大环状,增长链活性端始终保持与中心离子配位,在终止过程中以分子间链转移给出环状大分子。已合成了环状聚乙烯、环状聚丁二烯。只要通过调节单体与催化剂浓度比就实现了相对分子质量控制,除去单体中非环状杂质对消除线形副产物至关重要。用这种方法合成环状聚丁二烯,比从丁二烯以其他方法合成还有特殊的优越性,排除了因1,2-加成、1,4-加成的副反应造成的结构缺陷,排除了线形高分子的生成,实验条件也稍温和。

八、高分子合成新技术

1.超临界技术

超临界CO2作为超临界流体的一种,它在化学中能出色地代替许多有害、有毒、易挥发、易燃的有机溶剂。并且,CO2可看作是与水最相似的且比较便宜的溶剂。它能从环境中得来,用于化学过程后可再回到环境,无任何副产物,完全具有绿色的特性;此外,CO2有较温和的临界条件。这些优点决定了CO2能被广泛应用,并正逐渐引起人们的研究兴趣。

已研究了在超临界CO2中各种聚合反应,结果表明,各种机理的聚合反应均可用超临界CO2代替有机溶剂来进行,能减少有机溶剂带来的环境问题,在聚合物改性方面也进行了大量研究,如挤出共混、聚合共混、接枝、交联和表面改性等均有特殊之处。

双相催化体系是超临界溶剂的又一应用领域。一般一种溶剂是极性的,起溶解和保留催化剂的作用,另一种是非极性的,起溶解产物的作用。其优点是催化剂与产物能分离、可反复使用。第一个这种体系是水与超临界二氧化碳体系,对水溶性催化剂反应体系非常有效,但有局限性,不适于对水敏感或反应原料组分不溶于水的体系。离子液体与超临界溶剂双相体系可解决这个问题,但缺点是离子液体成本太高。最近用聚乙二醇和超临界二氧化碳体系双相反应体系,实验了三苯基铑作为催化剂的反应体系,能够反复使用,避免了挥发性有机溶剂的使用。

2.高通量筛选技术

高通量筛选技术是一种快速、简便的方法,广泛用于药物研究,由于反应器技术和软件控制技术的发展,使得该技术以平行压力反应器在一前一后聚合过程进行实验检测。而且高通量计算机辅助聚合物表征(GPC和IR等)也已可行,因此可快速检测反应条件如何影响聚合物结构。用此方法一周内就可完成原来传统方法几个月才能做完的数据。平行压力反应器技术是蚰个可各自控制的高压反应器阵列,每个反应器容积为15mL,装有电磁搅拌器,均具有独立的压力、温度控制装置和单体、终止剂加料线路,试剂混合和注入均由软件控制计算机(机器人)进行,可在高温、高压下注入催化剂,对各反应器中温度、压力、单体消耗量均能实时、同时检测,因此可在很短时间内获得大量样品和数据。

将组合化学研究方法发展运用到高分子合成的研究只有三四年的时间,但发展很快。许多学术研究小组、研究中心和工业界实验室都开始进行研究。几乎每个月都有相关的学术会议。有望成为高分子合成和高分子结构与性能研究的新技术并改变传统研究方式、速度。我国高分子学术界和工业界尚未对此领域给予充分重视。

已经有报道的包括下列类型的反应:缩聚反应、自由基聚合、开环聚合、烯烃配位聚合等。

Murphy等利用高通量筛选技术,第一次以快速筛选方法发现了烯烃聚合新型铪催化体系,其中某些催化剂与道化学公司已工业化的茂金属催化剂相当或比其更好。他们以384平行压力微反应器几个小时内完成初级筛选,获得10个有希望的卜葵烯聚合催化剂,二级筛选是在96个平行压力大反应器进行线形低密度聚乙烯聚合新催化剂的研究。这一研究结果充分显示了新方法的威力和潜力,今后可望能非常快速地进行烯烃聚合催化体系的筛选和优化。

3.离子液体