含原子转移自由基聚合引发基团的功能性丙烯酸酯类单体、合成方法及其用途的制作方法

专利名称：含原子转移自由基聚合引发基团的功能性丙烯酸酯类单体、合成方法及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及含原子转移自由基聚合(ATRP)活性引发基团的丙烯酸酯类单体 的合成，及其活性的可逆加成-断裂链转移均聚以及和其他丙烯酸酯类单体单体 的共聚。
背景技术：
接枝共聚物是一种结构复杂的非线性嵌段共聚物，它一般由一种聚合物接入 到另一种线形聚合物或非线形聚合物中，形成类似于梳子形状的共聚物。在水溶 液中，不相容的两组分或多组分的两亲性接枝共聚物的相分离表现为自组装形成 胶束，形成由不溶组分组成疏溶剂性核，可溶组分组成溶剂化壳的具有特定形状 和尺寸的聚集体。与嵌段共聚物形成的胶束相比，接枝共聚物的支化结构使得它 的溶液自组装行有以下几点不同可以通过分子内相互作用形成单分子胶束 (uni-molecular micelle),单分子胶束稳定性较好，尺寸大小更易于控制；多分子 胶束(multi-molecular micelles)的形成过程与嵌段共聚物有所不同，它是随着溶液 浓度增大，单分子胶束分子间相互作用力增强，发生聚集而得到。两亲性接枝共 聚物具有独特的自组装行为，在很多领域有巨大的应用潜力。例如在催化剂、药 物载体及药物缓释、微反应器、光电学和基因工程等方面的应用研究己经蓬勃展 开并取得了很大进展。接枝共聚物主要有三种不同合成路线大分子单体聚合法(graftingthrough)、 接枝到主链法(grafting onto)和从主链接枝法(grafting from)。从主链接枝法由于原 子转移自由基聚合(ATRP)等活性聚合技术的出现而受到了更广泛的应用。其通 常是先通过活性聚合技术(如原子转移自由基聚合(ATRP)、可逆加成-断裂链转移 自由基聚合(RAFT)等)合成具有结构明确的主链，然后再对主链进行功能化，使 其悬挂能够引发聚合的官能团，进而引发其他单体聚合制备接枝共聚物。目前的研究中，从主干接枝法大部分是通过原子转移自由基聚合方法合成含 有羟基官能团的聚合物主链，然后将通过大分子酯化的方法制备得到悬挂很多a-溴代酯基的聚丙烯酸酯，然后再用ATRP聚合技术得到共聚物的侧链。我们可以 发现，目前关于接枝共聚物的合成和自组装行为的研究报道主要局限于主链和侧 链都是疏水性链段或者主链是疏水性链段，侧链是亲水性链段这两个体系。对于 主链是亲水性链段，侧链是疏水性链段的接枝共聚物的合成及自组装行为的研究 很少。因此研究这类聚合物的合成及其在水溶液中自组装行为的研究，对于了解 更多关于聚合物结构及组成与其自组装行为之间的关系信息，指导我们进行具有 特定功能和结构纳米粒子的设计和制备具有很重要的意义。彭丹等人利用ATRP和大分子有机反应制备得到主链为亲水的聚丙烯酸，侧 链为疏水链段的聚苯乙烯或聚丙烯酸酯类(Scheme 1)。首先利用ATRP聚合得到 聚丙烯酸甲氧基甲酯主链，然后在二异丙基胺锂(LDA)的作用下，主链中酯基a 位的氢原子被拔去，与a-溴代异丁酰溴反应从而制备出主链上含有ATRP引发基 团的大分子引发剂。引发苯乙烯类或甲基丙烯酸酯类聚合后，主链上的甲氧基甲酯在酸性条件下水解后，得到主链亲水，侧链疏水的新型的两亲性接枝共聚物o/户ofy肌5W.C/7e肌2006, "， 6857-6868. Po(yww 2007, 4& 5250-5258. 似acramo/ecw/^ 2006， 39, 4945-4947.)发明内容本发明的目的是提供一类含原子转移自由基聚合引发基团的功能性丙烯酸 酯类单体，该单体又可以命名为2-((ot-卤代酰氧基)甲基)丙烯酸酯单体。本发明的目的还提供一类上述含原子转移自由基聚合引发基团的功能性丙 烯酸酯类单体的合成方法。本发明的另一目的是提供上述含原子转移自由基聚合引发基团的功能性丙 烯酸酯类单体的用途。本发明通过分子设计，利用活性聚合方法，制备主链亲水侧链疏水的接枝密 度可调节的两亲性接枝共聚物。<formula>formula see original document page 6</formula>但是，由该条路线制备大分子引发剂的时候，ATRP引发基团ot-溴代异丁酰 基的接入密度(也就是主链上的接枝密度)通过改变反应条件很难控制，并且所能 达到的最高接枝密度较低625%)。因此利用这种方法很难控制疏水侧链的接枝密 度且很难得到高接枝密度的两亲性接枝共聚物。一类含原子转移自由基聚合引发基团的功能性丙烯酸酯类单体，其特征是具有如 下化学结构<formula>formula see original document page 7</formula>其中R1为-C(CH3)3 、 -CH2OCH3 、 -CH3 、 -CH2CH3 、 -CH2CH2CH3 、 -CH2CH2CH2CH3; R2和R3为R2 = H， R3 = -CH3、 -CH2CH3;R2=-CH3， R3 = -CH3; X为Br或Cl。本发明的方法中的反应方程式如下:<formula>formula see original document page 7</formula>羟甲基丙烯酸酯a-卤代酸2-((a-卤代酰氧基)甲基)丙烯酸酯单体反应式中DMAP为4-iV,7V-二甲氨基吡啶和DCC为二环己基碳二亚;R1、 R2、 W和X同前所述。本发明的内容是以丙烯酸酯类化合物为原料，制备得到含有ATRP引发基团 (a-卤代酰基)的功能性单体。该功能性单体与普通的丙烯酸酯类单体，通过可逆 加成-断裂链转移(RAFT)的活性自由基聚合方法共聚，得到含有ATRP引发基团 的聚合物主链。通过本发明的单体直接聚合即可得到含有ATRP引发基团的聚合 物主链，并且ATRP引发基团的接入密度可以通过改变功能性单体和普通单体的 投料比来控制，由此可以制备一系列主链接枝密度不同的大分子引发剂。该大分 子引发剂进而可以引发ATRP适用的单体进行聚合，然后主链的酯基水解，制备 得到主链亲水侧链疏水的接枝密度可调节的两亲性接枝共聚物。所述的丙烯酸酯 类化合物具有如下的结构式其中W如权利要求1所述。 本发明的制备过程如下(1) 以四氢呋喃和水为溶剂，丙烯酸酯类化合物与甲醛在三亚乙基二胺和三乙胺的催化作用下，在0 10(TC下反应12 48小时，经萃取、干燥、过滤、浓縮和减压蒸馏等步骤得到羟甲基丙烯酸酯。所述的溶剂四氢呋喃和水的体积比为1/1,丙烯酸酯类化合物与甲醛的加料摩尔比为1:(1~5)，三亚乙基二胺与丙烯酸酯的 加料摩尔比为1:(1~20)，三乙胺与丙烯酸酯类化合物的加料摩尔比为1:(2~20)。(2) 将步骤(l)中所得到的羟甲基丙烯酸酯在4-MiV-二甲氨基吡啶(DMAP)和 二环己基碳二亚胺(DCC)的存在下，与a-卤代酸发生酯化反应，经过滤、浓縮和 柱层析纯化后得到2-((a-卣代酰氧基)甲基)丙烯酸酯。所述的羟甲基丙烯酸酯与 a-卤代酸的加料摩尔比为1/1~1/2， 4-A^V-二甲氨基吡啶(DMAP)与a-卤代酸的加 料摩尔比为1:(20~100)。 二环己基碳二亚胺(DCC)与a-卤代酸的加料摩尔比为 1:(1~2)。反应温度为0 5(TC，反应时间12 36小时。(3) 在惰性气体氛围下，步骤(2)中制备的2-((a-卣代酰氧基)甲基)丙烯酸酯单 体与普通的丙烯酸酯类单体共聚，以双硫代酯类化合物为小分子链转移试剂，在 传统自由基引发剂的引发下，进行可逆加成-断裂链转移(RAFT)活性聚合，在沉 淀剂中沉淀，经过过滤，分离和干燥得到末端为双硫代基团，链段上含有ATRP 引发基团的大分子引发剂。其中步骤(2)中制备的2-((a-鹵代酰氧萄甲基)丙烯酸 酯单体与普通的丙烯酸酯类单体的加料摩尔比为(5 95):(100 0)，小分子链转移 试剂双硫代酯类化合物与两种丙烯酸类单体摩尔之和的加料摩尔比为 1:G0 1,000,000)，小分子链转移试剂双硫代酯类化合物与传统自由基引发剂的加 料摩尔比为(2 100):1，反应温度为45 120。C，反应时间为30分钟至50小时。将链段上含有ATRP引发基团的大分子引发剂末端的二硫代基团在偶氮二异 丁腈(AIBN)的存在反应下去除，经过过滤，分离和干燥得到术端惰性基团的大 分子引发剂。溶剂推荐为甲苯，反应温度45-9(TC，反应时间为30分钟至10小 时。本发明步骤(1)中所用的丙烯酸酯类化合物推荐为丙烯酸叔丁酯、丙烯酸甲氧 基甲酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯或丙烯酸丁酯。本发明步骤(2)中所用的a-卤代酸推荐a-溴代丙酸、ct-溴代丁酸、-溴代异丁酸、a-氯代丙酸、a-氯代丁酸或a-氯代异丁酸。本发明步骤(2)中所用的溶剂推荐氯仿、二氯甲烷或四氢呋喃。 本发明步骤(3)中所用的普通的丙烯酸类单体推荐丙烯酸叔丁酯、丙烯酸甲氧基甲酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、iV,W-二甲基丙烯酸羟乙酯、AyV-二乙基丙烯酸羟乙酯、A^-异丙基丙烯酰胺或iV-异丙基-甲基丙烯酰胺。本发明步骤(3)中所用的双硫代酯类化合物为小分子链转移试剂，推荐二硫代苯甲酸异丙苯基酯、二硫代苯甲酸4-(4-氰基戊酸)酯、1-吡咯二硫代甲酸异丙苯酯、二硫代苯甲酸(2-苯基乙酸甲酯)酯、二硫代苯甲酸((2-苯基-iV，A^二乙基氨基)甲酰)酯、二硫代苯甲酸(2-羧基)异丙基酯或二硫代苯甲酸异腈基酯。本发明步骤(3)中所用的传统自由基引发剂推荐偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰、过氧-3,5，5-三甲基己酸叔丁酯或过氧化叔丁基。本发明的一类含原子转移自由基聚合引发基团的功能性丙烯酸酯类单体尤其适合于制备窄分散的大分子引发剂，主要是Mw/Jkrn小于或等于1.2 (尤其是1.01 1.2)的分子量分布的大分子引发剂。本发明所有小分子新化合物的结构由核磁、红外、元素分析和质谱得到证实。 所有聚合物的结构由核磁、红外、元素分析及凝胶色谱得到证实，部分结果见具体实施例部分。
具体实施例方式通过以下实施例对本发明可以进一步理解，但不是限制本发明的范围。 实施例1.羟甲基丙烯酸叔丁酯的合成向500 mL三颈瓶中加入丙烯酸叔丁酯(/BA) (45 mL, 0.33 mol)，甲醛水溶液 (39.5 g, 38wt%， 0.5mol)，四氢呋喃(THF) 50 mL，去离子水32 mL(保持体系中 THF与水等体积)，三亚乙基二胺(DABCO) (2.8 g， 0.033 mol)和三乙胺(TEA)(4.5 mL， 0.033 mol)，室温搅拌3小时，体系无色透明，静置分层。反应液加热至55°C，然后搅拌24小时。冷却，静置分层，其中水相用乙醚萃取三次，合并有机相， 用饱和食盐水洗三次，无水硫酸镁干燥过夜。过滤浓縮，加入对苯二酚作阻聚剂， 减压蒸馏(60Pa， 80°C)，得到51.6g无色透明液体羟甲基丙烯酸叔丁酯l，收率 77.0%。'H NMR (300 MHz, CDC13): S (ppm): 6.16 (1H， C//2=)， 5.76 (1H, C玩-), 4.29 (2H, C坊O), 2.56 (1H, -0//), 1.51 (9H, -C//3).质谱M+-158.实施例2. 2-((a-溴代丙酰氧基)甲基)丙烯酸叔丁酯的合成氮气氛围下，向500mL干燥的三颈瓶加入羟甲基丙烯酸叔丁酯l(31.6g，0.2 mol)， a-溴丙酸(30.6 g, 0.2 mol)， 4-iV,A^二甲氨基吡啶(DMAP)(0.244 g， 0.002mol)' 和干燥的二氯甲院(CH2Cl2)(300 mL)，将反应液在冰水浴下冷却至0'C ，然后加 入二环己基碳二亚胺(DCC) (42.0 g， 0.2 mol)，在冰水浴下继续搅拌1小时，升 至室温继续搅拌反应过夜。将淡黄色的反应液抽滤后，滤液浓縮，过硅胶柱(淋 洗剂乙酸乙酉旨/正己垸(V/V产1/9)，得到55.3g无色透明液体2，产率94.4%。jH NMR (300 MHz，CDCl3): 5 (ppm): 6.17 (1H, C//2=)， 5.71 (1H, C玩-), 4.68 (2H, C柳),4.31 (1H, C朋r)， 1.71 (3H， C//3CHBr), 1.38 (9H， -C(C//3)3). 13C NMR (75 MHz, CDC13): 5 (ppm): 169.4, 163.9, 136.1， 126.5， 81.3， 63.6, 39.6， 27.9. FT-IR: v (KBr， cm-1): 2979, 2934, 1748， 1720， 1643, 1448， 1394， 1369, 1146， 1063, 848， 816， 761,515.元素分析C: 45.37%; H: 5.58%; Br: 27.20%.质谱:237(M+-43).实施例3.聚2-((a-溴代丙酰氧基)甲基)丙烯酸叔丁酯-co-聚丙烯酸叔丁酯的合成典型合成过程如下向一预置搅拌子的25 mL Schlenk瓶中(使用前真空火烤两次)，加入偶氮二异 丁腈(AIBN)(16.4 mg， 0.1 mmol)， 二硫代苯甲酸异丙苯基酯(CDB)(81.6 mg, 0.3 mmol)，抽真空通氮气三次后，加入干燥的甲苯(0.6 mL)， 2-((a-溴代丙酰氧基) 甲基)丙烯酸叔丁酯2 (879 mg, 3 mmol)，丙烯酸叔丁酉旨(出A)(1.152g， 9mmo1)， 经三次冷冻-抽真空-融解通氮气循环来除去反应液中的氧气。将Schlenk瓶置于 恒温的7(TC油浴中加热，氮气保护下反应25小时后液氮淬灭。用甲醇和水的混 合液作为沉淀剂(甲醇与水的体积比7:3)沉淀三次，得1.5 g粉红色固体粉末3， 收率73.9%。GPC: ikfn= 5.7x103 g/mo1 (n = 7.8, m = 23.2)， Mw/Mn = 1.09. 'H NMR (300 MHz, CDC13): 5 (ppm): 7.9， 7.51， 7.32 (5H, C6//5)， 4.46 (2H, C坊O), 4.16 (1H， C偷)，2.16 (1H， CH2C/^)， 1.85 (2H, C场CH and C玩-C〈， 3H, C坊CHBr), 1.63 (2H， C坊CH and C7f2C<)， 1.45 (9H, C(C//3)3), 1.24 (6H， (C//3)2C<). FT-IR: v (KBr， cm"): 2979， 2934， 1728, 1477, 1447, 1394， 1369, 1338， 1252， 1147, 1074, 996， 970, 840, 761.将聚合物3(1.2 g)，偶氮二异丁腈(AIBN) (0.6 g, 2.4 mmol)加入100 mL schlenk 瓶中(使用前真空火烤两次)，抽真空通氮气三次后，加入干燥的甲苯(80mL)，然 后置于8(TC油浴中搅拌反应8小时，溶液从红色变为无色，液氮淬灭，用甲醇1和水的混合液(体积比7:3)沉淀三次，得到0.73 g白色固体粉末4，收率60.8%。 GPC: Mn= 5.3xl03 g/mol (n = 7.8, m = 23.2)， Mw/Mn =1.17. !HNMR (300 MHz, CDC13): S (ppm): 4.48 (2H， C坊O), 4.13 (IH， C//Br)， 2.17 (1H, CH2C/f)， 1.85 (2H， C玩CH and C玩C〈， 3H, C坊CHBr), 1.63 (2H, C//2CH and C玩C〈)， 1.45 (9H， C(C//3)3), 1.24 (6H， (C//3)2C<). I3C NMR (75 MHz, CDC13): S (ppm): 181.7, 176.5, 174.6, 171.8, 134.3, 83.0, 51.6， 44.8， 42.8， 41.2, 30.6, 24.4. FT-IR: v (KBr, cm—1): 2978, 2932, 1726， 1476, 1448， 1394, 1368， 1253， 1143, 1074, 998， 970， 842, 753.元 素分析Br含量11.93%. 2-((a-溴代丙酰氧基)甲基)丙烯酸叔丁酯与丙烯酸叔丁 酯重复单元数之比即n:m = 7.8 : 23.2。
权利要求
1.一类含原子转移自由基聚合引发基团的功能性丙烯酸酯类单体，其特征是具有如下化学结构其中R1为-C(CH3)3、-CH2OCH3、-CH3、-CH2CH3、-CH2CH2CH3、-CH2CH2CH2CH3；R2和R3为R2＝H，R3＝-CH3、-CH2CH3；R2＝-CH3，R3＝-CH3；X为Br、Cl。
2. —种如权利要求1所述的一类含原子转移自由基聚合引发基团的功能性丙烯酸酯类单体的制备方法，其特征在于制备方法如下在0 5(TC下，以及4-7V,iV-二甲氨基吡啶和二环己基碳二亚胺的存在下，羟甲基丙 烯酸酯与a-卤代酸发生酯化反应12-36小时，经过滤、浓縮或柱层析纯化后得 到2-((ot-卤代酰氧基)甲基)丙烯酸酯;所述的羟甲基丙烯酸酯与a-卤代酸的加料摩 尔比为l:(l 2)，4H二甲氨基吡啶与a-卤代酸的加料摩尔比为1:(20 100);二环 己基碳二亚胺与a-卤代酸的加料摩尔比为1:(1 2);所述的羟甲基丙烯酸酯结构式是 0 ;a-卤代酸的结构式为 R2 R ;其中R1、 R2、 RS和X如权利要 求1所述。
3. —种如权利要求2所述的一类含原子转移自由基聚合引发基团的功能性 丙烯酸酯类单体的制备方法，其特征在于制备得到的2-((a-卣代酰氧萄甲基)丙 烯酸酯是2-((a-卣代酰氧基)甲基)丙烯酸叔丁酯、2-((a-卤代酰氧基)甲基)丙烯酸 甲氧基甲酯、2-((a-卣代酰氧基)甲基)丙烯酸甲酯、2-((a-卤代酰氧基)甲基)丙烯酸 乙酯、2-((a-卤代酰氧基)甲基)丙烯酸丙酯或2-((a-卤代酰氧基)甲基)丙烯酸丁酯。
4. 一种如权利要求2所述的一类含原子转移自由基聚合引发基团的功能性 丙烯酸酯类单体的制备方法，其特征在于所述的a-卤代酸是a-溴代丙酸、a-溴代R"-CH3， RJ = -CH:丁酸、a-溴代异丁酸、a-氯代丙酸、a-氯代丁酸或a-氯代异丁酸。
5. —种如权利要求2所述的一类含原子转移自由基聚合引发基团的功能性 丙烯酸酯类单体的制备方法，其特征在于所述的溶剂是氯仿、二氯甲烷、四氢呋 喃或二氧六环。
6. 如权利要求1所述的一类含原子转移自由基聚合引发基团的功能性丙烯 酸酯类单体的用途，其特征是用于制备窄分散的大分子引发剂。
7. 如权利要求6所述的用途,其特征是所述的窄分散大分子引发剂是指分子 量分布il^/JA小于或等于1.2的大分子引发剂。
8. 如权利要求6所述的用途,其特征是所述的制备窄分散的大分子引发剂方 法如下在惰性气体氛围下，将权利要求1的2-((a省代酰氧萄甲基)丙烯酸酯 单体与丙烯酸酯类单体共聚，以双硫代酯类化合物为小分子链转移试剂，在传统 自由基引发剂的引发下，进行可逆加成-断裂链转移活性聚合，在沉淀剂中沉淀， 经过过滤，分离和干燥得到链段上含有原子转移自由基聚合引发基团、末端为双 硫代基团的大分子引发剂;所述的2-((a-卤代酰氧基)甲基)丙烯酸酯单体与丙烯酸 类单体的加料摩尔比为(5 95):(100 0)，小分子链转移试剂双硫代酯类化合物与 两种丙烯酸类单体的摩尔之和的加料摩尔比为1:(10~1000，000)，小分子链转移试 剂双硫代酯类化合物与传统自由基引发剂的加料摩尔比为(2 100):1,反应温度 为45 12(TC，反应时间为30分钟至50小时；所述的双硫代酯类化合物为二硫代 苯甲酸异丙苯基酯、二硫代苯甲酸4-(4-氰基戊酸)酯、1-吡咯二硫代甲酸异丙苯 酯、二硫代苯甲酸(2-苯基乙酸甲酯)酯或二硫代苯甲酸((2-苯基-MiV-二乙基氨基) 甲酰)酯；所述的传统自由基引发剂是偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰、过氧-3,5，5-三甲基己酸叔丁酯或过氧化叔丁基，所述的丙烯酸酯类单体是丙烯酸叔丁酯、丙 烯酸甲氧基甲酯、丙烯酸轻乙酯、甲基丙烯酸羟乙酉旨、AgV-二甲基丙烯酸羟乙酯、 MW-二乙基丙烯酸羟乙酯、iV-异丙基丙烯酰胺或iV-异丙基-甲基丙烯酰胺。
9. 如权利要求7所述的用途,其特征是所制备的一类链段上含原子转移自由 基聚合引发基团的链段上末端为双硫代基团的大分子引发剂,该引发剂末端的双 硫代基团在偶氮二异丁腈的存在反应下去除，经过过滤，分离和干燥得到末端惰 性基团的大分子引发剂;溶剂为甲苯，反应温度45-9(TC，反应时间为30分钟至 IO小时。
全文摘要
本发明涉及含原子转移自由基聚合(ATRP)活性引发基团的丙烯酸酯类单体的合成，及其活性的可逆加成-断裂链转移均聚以及和其他丙烯酸酯类单体的共聚。所述的单体具有如下化学结构其中R¹为-C(CH₃)₃、-CH₂OCH₃、-CH₃、-CH₂CH₃、-CH₂CH₂CH₃、-CH₂CH₂CH₂CH₃；R²和R³为R²＝H，R³＝-CH₃、-CH₂CH₃； R²＝-CH₃，R³＝-CH₃；X为Br或Cl。
文档编号C07C69/73GK101323570SQ20081004099
公开日2008年12月17日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者纯 冯, 张亚琴, 张晓环, 李垚功, 黄晓宇 申请人:中国科学院上海有机化学研究所