一种连续流动合成聚合物的方法与流程

本发明属于聚合物合成技术领域，具体涉及一种连续流动合成聚合物的方法。

背景技术：

可控活性自由基聚合结合了传统自由基聚合和活性阴离子聚合两者的优点，能够在比较温和的反应条件下制备分子量可调、分子量分布窄的聚合物，在过去的30年里迅速发展成为合成具有精确结构聚合物的可靠方法[chem.rev.,2016,116,835;chem.rev.,2009,109,4963;prog.polym.sci.2007,32,93.]。可控活性自由基聚合可合成各种含有功能基团的聚合物，产品具有分子量可控、分子量分布窄、链结构精确等特点[macromolecules,2012,45,4015;chem.rev.,2001,101,2921;science,2011,333,1104;chem.rev.,2009,109,5437;chem.rev.,2009,109,5402.]。基于上述原因，采用可控活性自由基聚合的方法，科学家们能够得到具有各种化学结构、物理性能的先进聚合物材料，在纳米技术、生物医学、能源和国防等众多领域受到越来越多研究者的关注[j.am.chem.soc.,2014,136,6513]。

实施可控活性自由基聚合主要有热和光两种手段[j.am.chem.soc.2011,133,9278;nat.chem.2009,1,133.]。然而，该两种手段在大规模精确合成复杂聚合物的过程中都存在一定的局限。例如，随着反应容器规模从实验室到工业界的不断放大，传质、传热等外部条件逐渐变化，无法通过简单的复制反应条件达到合成同样聚合物的目的，从而影响产品性能及使用。因此，迫切需要开发一种既能很好的控制聚合物产品质量，又能方便实现不同规模合成的方法。

近年来，连续流过程受到了学术界和工业届的广泛关注，该技术由于其具有易于放大、优异的传质传热能力、容易实现自动化制造及生产过程安全性提高等优点而被认为是生产小分子以及聚合物的实用且稳健的方式[chem.soc.rev.,2013,42,8849]。由于连续流动反应器内微通道的高表面积/体积比，流动技术能够使反应溶液得到更均匀地受热/照射[chem.rec.,2014,14,410;chem.eur.j.,2014,20,10562.]。目前连续流过程已成功用于小分子药物及药物中间体合成（专利号：cn103275112a;cn103755777;angew.chem.,2015,127,265）。例如，seeberger实现了抗疟疾药物青蒿素的流动化学合成（专利号：cn103764660b）。对于连续流方法在高分子合成中的应用还处于起步阶段。尽管有专利报道连续流乳液聚合制备聚苯胺（专利公开号：ep3156122a1，us9751983b2）及生产交联聚合物纳米颗粒（专利公开号：us2005/0080209a1），但对于均相连续流聚合反应还鲜有报道。

基于以上原因，本发明提供了一种通用性强的制备聚（甲基）丙烯酸酯类单体、聚（甲基）丙烯酸氟烷基酯、聚丙烯酰胺类及聚苯乙烯类等聚合物的流动条件下的可控自由基聚合方法，为不同规模生产聚合物提供了一种简单易行的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种连续流动合成聚合物的方法，本方法具有操作简单、适用单体范围广、聚合反应速率快且易于不同规模生产等优点。

本发明提供的连续流动合成聚合物的方法，采用传统加热或光控制活性自由基聚合，所用单体为（甲基）丙烯酸酯、（甲基）丙烯酸氟代烷基酯、丙烯酰胺及其衍生物、苯乙烯及其衍生物等中的一种，引发剂为烷基卤、硫代碳酸酯或全氟烷基碘中的一种，光控自由基聚合中所用光催化剂为有机小分子光催化剂，在加热或发射波长为390~700nm的光源条件下，对流动管道中的反应物进行加热或照射，制备所需分子量的均聚物或嵌段共聚物。合成所用装置包括单元泵、透明管道、加热或光照装置及产物收集装置；具体步骤如下：

（1）制备反应溶液，在搅拌下将各组分混合均匀，并除去反应体系中的氧气。该反应溶液分为以下三种情况：反应溶液a，含有单体、引发剂、添加剂、溶剂；反应溶液b，含有单体、引发剂、催化剂、溶剂；反应溶液c，含有对于单体、引发剂、光催化剂、溶剂；按摩尔比计，单体:引发剂=1000:（1~100），其中反应溶液b中的催化剂与反应溶液c中的光催化剂均为单体的0.005~5mol%；

（2）将反应混合物转移至单元泵中，设置一定的流速（5~500μl/min），让反应混合物在加热条件下或者在不同波长的光照条件下流经一定长度（1.5~20m）的管道反应容器，在收集装置中获得相应的反应溶液；其中，反应溶液a和反应溶液b适用于加热反应，反应溶液c适用于光照反应；

（3）将反应溶液纯化、加工，得到聚（甲基）丙烯酸酯、聚（甲基）丙烯酸氟代烷基酯、聚丙烯酰胺及其衍生物和聚苯乙烯及其衍生物中的一种。

本发明中，所述反应溶液a中添加剂为以偶氮为骨架的化合物；所述反应溶液b中催化剂为铜或铁与氮配体形成的配合物；所述反应溶液c中光催化剂为卟啉、苝、二氢吩嗪、吩噁嗪、吩噻嗪为骨架的有机小分子化合物中的一种或几种。

本发明中，所述的反应溶剂为二甲基亚砜，n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮、乙腈中的一种或多种。

本发明中，所述的引发剂为烷基卤、硫代碳酸酯或全氟烷基碘中的一种，引发剂结构如下式（1）、（2）或（3）所示：

其中，式（1）中，r1为碳原子数为1~12的脂肪族基团、芳香族基团、碳原子数为1~12的烷基巯基、芳基巯基、碳原子数为1~12的烷氧基、芳氧基、碳原子数为1~12的二烷基氨基；r2为氢原子、碳原子数为1~12的烷基；r3为碳原子数为1~12的烷基、芳基；r4为碳原子数为1~12的烷氧基羰基、碳原子数为1~12的氟代烷氧基羰基、芳氧基羰基、腈基、碳原子数为1~12的烷基氨基羰基；x为溴或碘；式（2）中，n为0~12之间的整数；式（3）中，r5为氢、烷基或芳基，r6为氢、烷基或芳基，r7为氢、烷基或芳基，x为cl或br原子。

本发明中，所述的单体选自为（甲基）丙烯酸酯、（甲基）丙烯酸氟代烷基酯、丙烯酰胺及其衍生物、苯乙烯及其衍生物等类型，单体结构如下述式（4）~（6）所示：

其中：式（4）中，r1为氢原子或甲基，r2为碳原子数为1~18的脂肪族烷基或羟基烷基、芳香族基团；式（5）中，r3为氢原子或甲基，r4为碳原子数为1~18的全氟烷基或含少数氢原子的含氟烷基，n为1~3直接的整数；式（6）中，r5为氢原子或碳原子数为1~3的脂肪族烷基，r6为氢原子或碳原子数为1~3的脂肪族烷基。

本发明所涉及的流动聚合方法包括加热和光照两种，加热反应的温度范围在室温~120℃，光照反应使用发射波长为390~700nm的光源，反应混合物在流动通道中停留时间及聚合反应时间为0.5~10小时。

本发明所涉及到的连续流动合成聚合物的方法，除了可以制备均聚物，还可以通过如下操作制备嵌段共聚物：在第一段单体聚合结束后，不让其进入收集装置，而是进入第二段流动反应管路，在第一段管路结束处连接混合接头，接入第二个单元泵，泵入第二段单体后在管道反应容器中继续进行反应，在第二段管道反应容器出口处即可获得嵌段共聚物。

本发明具有以下优点及特色：

成功的将连续流动方法应用到可控活性自由基聚合反应中，采用传统加热或光控制活性自由基聚合，本方法操作简单、适用单体范围广、聚合反应速率快且易于不同规模生产等优点。

附图说明

图1为光照连续流动制备均聚物及共聚物装置示意图。

图2为丙烯酸六氟丁酯单体的¹hnmr，¹⁹fnmr谱图。

图3为实施实例4的（a）gpc图和（b）¹hnmr谱图。

图4为实施实例9的（a）gpc图和（b）¹hnmr、¹⁹fnmr谱。

具体实施方式

下面结合部分具体实施方案对本发明进行详述，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围，实施例中的制备方案仅为优选方案，但本发明并不局限于优选制备方案。对于同一个反应，调整收集时间或并行反应装置即可在不改变反应条件参数的情况下实现不同规模聚合物的合成。

第一部分：连续流动合成均聚物

实施例1：采用反应溶液a，加热连续流动制备n,n-二甲基丙烯酰胺均聚物

按n,n-二甲基丙烯酰胺:2-（（（己基硫代）硫代碳酰基）硫代）-2-甲基丙酸:偶氮二异丁腈=10000:100:1的摩尔比将上述原料20mmol、0.2mmol、2×10^-3mmol分别加入到装有磁子的小瓶中，加入5mldmf，搅拌溶解均匀后将反应混合物脱除氧气，随后转移至单元泵，以500μl/min的流速让反应物溶液在在65℃条件下通过内径为2.4毫米、长20米的反应微管道，出口处得到反应结束后的溶液，通过¹hnmr测得单体转化率为95%，样品用乙醚沉淀，真空干燥至恒重，得到淡黄色固体。gpc测得的聚合物分子量mn=9.40×10³g/mol和分子量分布mw/mn=1.08。按此流速，连续收集反应溶液24h可得到聚n,n-二甲基丙烯酰胺274g，分子量分布为1.08。每个反应单元占地面积约为0.3m²，据此计算，在10m²的面积内，可并联不少于30台单元泵，连续工作一个月即可精确合成聚n,n-二甲基丙烯酰胺不少于245kg。这样通过延长收集时间与并联反应装置以扩大合成效率的策略同样适用于本文其他聚合物的合成。

实施例2：采用反应溶液b，加热连续流动制备甲基丙烯酸甲酯均聚物

按甲基丙烯酸甲酯:α-溴代异丁酸乙酯:溴化亚铜:联吡啶=100:1:1:2的摩尔比将上述原料20mmol、0.2mmol、0.2mmol、0.4mmol分别加入到装有磁子的小瓶中，加入10mldmso，搅拌溶解均匀后将反应混合物脱除氧气，随后转移至单元泵，以100μl/min的流速让反应物溶液在100℃条件下通过内径为2.4毫米长4米的反应微管道，出口处得到反应结束后的溶液，通过¹hnmr测得单体转化率为89%，样品用甲醇沉淀，真空干燥至恒重，得到白色固体。gpc测得的聚合物分子量mn=8.60×10³g/mol和分子量分布mw/mn=1.15。

实施例3：采用反应溶液b，加热连续流动制备苯乙烯均聚物

按苯乙烯:1-苯基乙基溴:溴化亚铜:三（2-二甲氨基乙基）胺=200:2:1:1的摩尔比将上述原料20mmol、0.2mmol、0.1mmol、0.1mmol分别加入到装有磁子的小瓶中，加入10mlnmp，搅拌溶解均匀后将反应混合物脱除氧气，随后转移至单元泵，以50μl/min的流速让反应物溶液在120℃条件下通过内径为2.4毫米长8米的反应微管道，出口处得到反应结束后的溶液，通过¹hnmr测得单体转化率为85%，样品用甲醇沉淀，真空干燥至恒重，得到白色固体。gpc测得的聚合物分子量mn=8.70×10³g/mol和分子量分布mw/mn=1.20。

实施例4：采用反应溶液c，光照连续流动制备丙烯酸六氟丁酯均聚物

按丙烯酸六氟丁酯:2-（（（己硫基）硫代）硫代）丙酸乙酯:3,7-双（4-丁基苯基）-10-苯基-10h-吩噻嗪=2000:20:1的摩尔比将上述原料5mmol、0.05mmol、2.5×10^-3mmol分别加入到装有磁子的小瓶中，加入5mldmso，搅拌溶解均匀后将反应混合物脱除氧气，随后转移至单元泵，以50μl/min的流速让反应物溶液在13w白色led灯照射下通过内径为1.2毫米长1.6米的反应微管道，出口处得到反应结束后的溶液，通过¹hnmr测得单体转化率为86%，样品用体积比为1:1的甲醇和水的混合液沉淀三次，真空干燥至恒重，得到淡黄色固体。gpc测得的聚合物分子量mn=9.60×10³g/mol和分子量分布mw/mn=1.05。

实施例5：采用反应溶液c，光照连续流动制备丙烯酸甲酯均聚物

按丙烯酸甲酯:4-氰基-4-（（（己基硫代）硫代碳酰基）硫代）戊酸乙酯:四苯基卟啉锌=20000:100:1的摩尔比将上述原料20mmol、0.1mmol、1×10^-3mmol分别加入到装有磁子的小瓶中，加入10mldmso，搅拌溶解均匀后将反应混合物脱除氧气，随后转移至单元泵，以200μl/min的流速让反应物溶液在13w白色led灯照射下通过内径为1.2毫米长8.2米的反应微管道，出口处得到反应结束后的溶液，通过¹hnmr测得单体转化率为90%，样品用甲醇沉淀三次，真空干燥至恒重，得到淡黄色固体。gpc测得的聚合物分子量mn=1.60×10⁴g/mol和分子量分布mw/mn=1.15。

实施例6：采用反应溶液c，光照连续流动制备n,n-二甲基丙烯酰胺均聚物

按n,n-二甲基丙烯酰胺:2-（（（己基硫代）硫代碳酰基）硫代）-2-甲基丙酸:三（2-苯基吡啶）合铱=10000:100:1的摩尔比将上述原料20mmol、0.2mmol、2×10^-3mmol分别加入到装有磁子的小瓶中，加入10mldmf，搅拌溶解均匀后将反应混合物脱除氧气，随后转移至单元泵，以100μl/min的流速让反应物溶液在13w白色led灯照射下通过内径为1.2毫米长4米的反应微管道，出口处得到反应结束后的溶液，通过¹hnmr测得单体转化率为92%，样品用乙醚沉淀三次，真空干燥至恒重，得到淡黄色固体。gpc测得的聚合物分子量mn=9.20×10³g/mol和分子量分布mw/mn=1.12。

实施例7：采用反应溶液c，光照连续流动制备甲基丙烯酸九氟己酯均聚物

按甲基丙烯酸九氟己酯:全氟碘代丁烷:3,7-双（4-丁基苯基）-10-苯基-10h-吩噻嗪=1000:20:1的摩尔比将上述原料5mmol、0.1mmol、5×10^-3mmol分别加入到装有磁子的小瓶中，加入5mldmso，搅拌溶解均匀后将反应混合物脱除氧气，随后转移至单元泵，以50μl/min的流速让反应物溶液在13w白色led灯照射下通过内径为1.2毫米长3.2米的反应微管道，出口处得到反应结束后的溶液，通过¹hnmr测得单体转化率为95%，样品用体积比为1:1的甲醇和水的混合液沉淀，真空干燥至恒重，得到白色固体。gpc测得的聚合物分子量mn=1.50×10⁴g/mol和分子量分布mw/mn=1.08。

实施例8：采用反应溶液c，光照连续流动制备丙烯酸十二氟庚酯均聚物

按丙烯酸十二氟庚酯:全氟碘代丁烷:3,7-双（4-丁基苯基）-10-苯基-10h-吩噻嗪=1000:20:1的摩尔比将上述原料5mmol、0.1mmol、5×10^-3mmol分别加入到装有磁子的小瓶中，加入5mldmf，搅拌溶解均匀后将反应混合物脱除氧气，随后转移至单元泵，以50μl/min的流速让反应物溶液在蓝色led灯照射下通过内径为1.2毫米长3.2米的反应微管道，出口处得到反应结束后的溶液，通过¹hnmr测得单体转化率为96%，样品用体积比为1:1的甲醇和水的混合液沉淀，真空干燥至恒重，得到白色固体。gpc测得的聚合物分子量mn=1.80×10⁴g/mol和分子量分布mw/mn=1.14。

第二部分：光照连续流动合成共聚物

实施例9：采用反应溶液c，光照连续流动制备丙烯酸六氟丁酯和丙烯酸甲酯的共聚物

按丙烯酸六氟丁酯:4-氰基-4-（（（己基硫代）硫代碳酰基）硫代）戊酸乙酯:3,7-双（4-丁基苯基）-10-苯基-10h-吩噻嗪=1000:50:1的摩尔比将上述5mmol、0.25mmol、5×10^-3mmol分别加入到装有磁子的小瓶中，加入5mldmso，搅拌溶解均匀后将反应混合物脱除氧气，随后转移至单元泵1；按丙烯酸甲酯:3,7-双（4-丁基苯基）-10-苯基-10h-吩噻嗪=5000:1的摩尔比将上述25mmol、5×10^-3mmol分别加入到小瓶中，加入7mldmso，搅拌溶解均匀后将反应混合物脱除氧气，随后转移至单元泵2；以30μl/min的流速让反应物溶液在13w白色led灯照射下通过内径为1.2毫米长3.3米的反应微管道，在第一段反应微管道的末端接入单元泵2，同样以30μl/min的流速让反应物丙烯酸甲酯溶液与第一段反应后的溶液混合后在13w白色led灯照射下通过内径为1.2毫米长3.3米的第二段反应微管道，在第二段反应微管道出口处得到反应结束后的溶液，通过¹hnmr测得丙烯酸六氟丁酯单体的转化率为97%，丙烯酸甲酯单体的转化率为99%，样品用体积比为1:1的甲醇和水的混合液沉淀，真空干燥至恒重，得到白色固体。gpc测得第一段均聚物聚丙烯酸六氟丁酯的分子量mn=5.20×10³g/mol和分子量分布mw/mn=1.04，gpc测得的聚合物分子量mn=1.28×10⁴g/mol和分子量分布mw/mn=1.07。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。