Кіріспе

Атомдық радикалдық полимерлендіру (ATRP) – кері деактивацияланатын радикалдық полимерлендірудің бір мысалы. ATRA, немесе атомдық алмасу радикалдық қосылысы сияқты, ATRP та өтпелі металл катализаторы арқылы көміртекті-көміртектік байланыс құруға мүмкіндік береді. Осы әдіс арқылы жүзеге асырылатын полимерлендіру атомдық алмасу радикалдық қосылысы полимерлендіру (ATRAP) деп аталады. Аты айтқандай, атом алмасу кезеңі полимер тізбегінің біркелкі өсуіне жауапты реакцияда маңызды рөл атқарады. ATRP (немесе өтпелі металлмен катализделген тірі радикалдық полимерлендіру) 1995 жылы Мицуо Савамото және Кшиштоф Матьяшевский мен Джин Шан Ван тәуелсіз түрде ашқан. Төмендегі схема ATRP реакциясының типік схемасын көрсетеді:

ATRP-нің жалпы сипаттамасы

ATRP әдетте катализатор ретінде өтпелі металл кешенін, ал инициатор ретінде алкил галоидты (R X) қолданады. Мыс (Cu), темір (Fe), рутений (Ru), никель (Ni) және осмий (Os) сияқты түрлі өтпелі металл кешендері ATRP катализаторлары ретінде қолданылған. ATRP процесінде, ұйықтап жатқан түрлер бір электронды беру арқылы радикалдарды жасайды, бұл процесс өтпелі металл кешенімен белсендіріледі. Сонымен қатар, өтпелі металл жоғарырақ тотығу күйіне тотығады. Бұл қайтымды процесс тез арада тепе-теңдік орнатады, ол радикалдар концентрациясы өте төмен болатын жаққа қарай ықпалдасады. Полимер тізбектерінің саны инициаторлардың санымен анықталады. Әрбір өсіп келе жатқан тізбектің мономерлермен қосылып, тірі/ұйықтап жатқан полимер тізбектерін (R Pn X) құру мүмкіндігі бірдей. Нәтижесінде, бірдей молекулалық салмағы және тар молекулалық салмақ таралымы бар полимерлерді дайындауға болады. ATRP реакциялары өте тұрақты, себебі олар мономерде немесе инициаторда кездесетін аллиль, амино, эпоксид, гидрокси және винил топтары сияқты көптеген функционалдық топтарға төзімді. ATRP әдістерінің артықшылығы – оларды дайындаудың қарапайымдығы, коммерциялық түрде қолжетімді және арзан катализаторлар (мыс кешендері), пиридин негізді лигандтар және инициаторлар (алкил галоидтар) болуында.

Әдеттегі ATRP компоненттері

Атомдық радикалдық полимерлендірудің бес маңызды өзгермелі компоненті бар. Олар – мономер, инициатор, катализатор, лиганд және еріткіш. Келесі бөлім полимерлену процесіне әрбір компоненттің қатысуын толықтыра түсіндіреді.

Мономер

Әдетте АТРП-да қолданылатын мономерлер – таралатын радикалдарды тұрақтандыра алатын топтары бар молекулалар; мысалы, стиролдар, (мет)акрилаттар, (мет)акриламидтер және акрилонитрил. АТРП таралатын радикалдың концентрациясы радикал тоқтату жылдамдығымен теңесетін жағдайда, жоғары орташа молекулалық массасы және төмен дисперсиялы полимерлер алуға мүмкіндік береді. Дегенмен, таралу жылдамдығы әрбір мономерге өзгеше. Сондықтан, полимерлендірудің басқа компоненттерін (инициатор, катализатор, лиганд және еріткіш) реакцияның баяулауын немесе тоқтауын болдырмау үшін, ұйқыдағы түрлердің концентрациясы таралатын радикалдан артық болуы және осы артық болу реакцияны тежемейтіндей етіп оңтайландыру қажет.

Бастауыш

Өсіп жатқан полимер тізбектерінің саны инициатормен анықталады. Төмен полидисперсияны және бақыланатын полимерленуді қамтамасыз ету үшін, инициация жылдамдығы таралу жылдамдығынан тез немесе тіпті тезірек болуы керек. Идеалды жағдайда, барлық тізбектер өте қысқа мерзім ішінде инициацияланып, бірдей жылдамдықпен таралуы тиіс. Инициаторлар әдетте, таралатын радикалдың құрылымына ұқсас алкил галоидтары ретінде таңдалады. Сонымен қатар, α-функционалды ATRP инициаторларын түрлі тізбек ұштары бар гетеротелехельді полимерлерді синтездеу үшін қолдануға болады.

Катализатор

Катализатор АТРП-ның ең маңызды компоненті болып табылады, себебі ол белсенді және инерт түрлер арасындағы тепе-теңдік тұрақтысын анықтайды. Осы тепе-теңдік полимерлену жылдамдығын анықтайды. Тым кішкентай тепе-теңдік тұрақтысы полимерленуді тежеуі немесе баяулатуы мүмкін, ал тым үлкен тепе-теңдік тұрақтысы тізбек ұзындықтарының кең таралуына алып келеді. Бұл галоген алмасу реакциясының активтілігі мен динамикасын, сондай-ақ полимерлену кезінде полимер тізбектерінің белсенділігі мен деактивациясын өзгертеді, демек реакция кинетикасына және полимерленуді бақылау дәрежесіне елеулі әсер етеді. Мономердің активтілігіне және катализатор үшін металл таңдауына қарай әртүрлі лигандтар таңдалуы керек. Мыс галоидтары катализатор ретінде басымдықпен қолданылатындықтан, көбінесе амин негізіндегі лигандтар таңдалады. Реакциядағы катализатор концентрациясын азайту мүмкіндігі ретінде жоғары активті лигандтар зерттелуде, себебі одан да активті катализатор кешені реакцияда деактиватордың жоғары концентрациясына әкеледі. Дегенмен, тым активті катализатор бақылаудың жоғалуына және түзілген полимердің полидисперстілігінің артуына әкелуі мүмкін.

Еріткіштер

Толуол, 1,4 диоксан, ксилен, анизол, ДМФ, ДМСО, су, метанол, ацетонитрил немесе тіпті мономердің өзі (көлемді полимерлендіру ретінде сипатталғандай) көбінесе қолданылады.

Белсенділендіру және бейімделу жылдамдығы коэффициенттері

Деактивация жылдамдығы коэффициентінің, kd, мәні дисперсияның төмен болуын қамтамасыз ету үшін жеткілікті үлкен болуы керек. kd-ны тікелей өлшеу қиын болғанымен, мүмкін. Көп жағдайда kd белгілі KATRP және ka шамаларынан есептелуі мүмкін. ATRP реакцияларында өте төмен kd мәнін беретін Cu кешендерін қолдану ұсынылмайды.

Желі тізбегінің функционалдылығын сақтау

Жоғары деңгейде тізбек ұшының функционалдығын сақтау әдетте қажет. Дегенмен, 1H ЯМР және масса спектроскопиясы әдістері арқылы тізбек ұшының функционалдығының жоғалуын анықтау нақты мәндерді беруге мүмкін емес. Осының салдарынан, АТРП-да әртүрлі тізбек үзу реакцияларының үлесін анықтау қиынға соғады. АТРП-дегі қарапайым қағидалардың бірі – галогенді сақтау принципі. Галогенді сақтау – реакциялық жүйедегі галогеннің жалпы мөлшері өзгермейтіндей болуы керек дегенді білдіреді. Осы принцип арқасында көптеген жағдайларда тізбек ұшының функционалдығының сақталу деңгейін дәл анықтауға болады. Тізбек ұшының функционалдығының жоғалуын дәл анықтау АТРП-де тізбек үзу реакцияларын одан әрі зерттеуге жағдай жасады.

Артықшылықтар

АТРП әртүрлі химиялық функционалдығы бар мономерлердің кең спектрін полимерлеуге мүмкіндік береді, бұл иондық полимерлеуге қарағанда осы функционалдық топтарға төзімділігі жоғары екенін көрсетеді. Ол молекулалық салмақ, молекулалық құрылым және полимер құрамын жақсырақ бақылауға мүмкіндік береді, сонымен бірге полидисперсияны төмен деңгейде ұстайды (1,05-1,2). Полимерленуден кейін полимер тізбегінің соңында қалған галоген, полимерленуден кейінгі тізбек ұшын әртүрлі реакцияға қабілетті функционалдық топтарға оңай түрлендіруге мүмкіндік береді. Көпфункционалды инициаторларды пайдалану төмен армалы жұлдыз тәрізді полимерлер мен телехельді полимерлерді синтездеуді жеңілдетеді. Сыртқы көрінетін жарықпен стимуляцияланған АТРП жоғары жауап жылдамдығына және функционалдық топтарға өте жақсы төзімділікке ие.

Кемшіліктер

АТРФ-ның ең маңызды кемшілігі – реакция үшін қажетті катализатордың жоғары концентрациясы. Бұл катализатор әдетте мыс галогені мен амин негізіндегі лигандтан тұрады. Полимерленгеннен кейін полимерден мысты алу көбінесе қиын және қымбатқа соғады, бұл ATRP-ның коммерциялық секторда қолданылуын шектейді. Дегенмен, зерттеушілер қазір катализатор концентрациясын ppm деңгейіне дейін төмендетуге бағытталған әдістерді әзірлеуде. ATRP дәстүрлі түрде ауаға сезімтал реакция болып саналады және әдетте мұздату-сорғылау-еріту циклдарын талап етеді. Алайда, Электрондық Трансфер арқылы Активаторды Жасау (AGET) сияқты техникалар ауаға сезімтал емес, мүмкін болатын балама ұсыныстарын береді. Соңғы кемшілік – АТРФ-ты сулы ортада жүргізудің қиындығы.

Активаторды қалпына келтірудің ATRP әдістері

Қалыпты АТРП-да радикалдардың концентрациясы KATRP мәнімен, ұйыған түрлердің концентрациясымен және [CuI]/[CuII] қатынасымен анықталады. Принцип бойынша, Cu катализаторының жалпы саны полимерлендіру кинетикасына әсер етуі керек емес. Дегенмен, тізбек соңы функционалдығының жоғалуы баяу, бірақ қайтымсыз түрде CuI-ді CuII-ға айналдырады. Сондықтан бастапқы [CuI]/[I] қатынастары әдетте 0,1-ден 1-ге дейін болады. Катализаторлардың өте төмен концентрациясы қолданылғанда, әдетте ppm деңгейінде, активаторды жаңарту процестері CEF жоғалуын толықтыру және полимерлендіруді жалғастыру үшін жеткілікті CuI мөлшерін жаңарту үшін қажет болады. ICAR ATRP, ARGET ATRP, SARA ATRP, eATRP және фотоиндуцированный ATRP сияқты бірнеше активаторды жаңарту АТРП әдістері әзірленді. Активаторды жаңарту процесі тізбек соңы функционалдығының жоғалуын толықтыру үшін енгізіледі, сондықтан жаңартылған активатордың жиынтық мөлшері тізбек соңы функционалдығының жоғалуының жалпы мөлшеріне шамамен тең болуы керек.

ICAR ATRP

Тұрақты белсендіргішті қайта жаңарту инициаторлары (ICAR) – бұл әдіс, белсендіргішті үздіксіз қайта жаңарту үшін дәстүрлі радикалдық инициаторларды пайдаланады, оның қажетті концентрациясын мыңдаған ppm-нен <100 ppm-ге дейін төмендетеді; осылайша, бұл әдіс өнеркәсіптік қолдануға ыңғайлы.

ARGET ATRP

Электронды көшіру арқылы қайта жаңартылатын белсендіргіштер (ARGET) CuI-ды қайта жаңарту үшін радикал түзбайтын тотығуға қарсы агенттерді пайдаланады. Жақсы тотығуға қарсы агент (мысалы, гидразин, фенолдар, қанттар, аскорбин қышқылы) тек CuII-мен ғана, бірақ реакциялық қоспадағы радикалдармен немесе басқа реагенттермен емес, реакцияға түсуі тиіс.

SARA ATRP

Әдеттегі SARA ATRP Cu0-ны қосымша активатор және тотықсыздаушы (SARA) ретінде пайдаланады. Cu0 алкил галогенді тікелей, бірақ баяу белсендіре алады. Cu0 сондай-ақ CuII-ні CuI-ға дейін тотықсыздай алады. Екі процесс те CuI активаторын қайта жаңартуға көмектеседі. Басқа нөлдік валентті металдар, мысалы Mg, Zn және Fe, Cu негізіндегі SARA ATRP үшін де қолданылған.

eATRP

eATRP-де CuI активаторы электрохимиялық процесс арқылы жаңартылады. eATRP-нің дамуы редукция процесін нақты басқаруға және полимерленуді сыртқы түрде реттеуге мүмкіндік береді. eATRP процесіндегі тотығу-тотықсыздану реакциясы екі электродты қамтиды. CuII түрі катодта CuI-ға дейін тотықсызданады. Анод бөлімі әдетте полимерлену ортасынан шыны фрит және тоқ өткізгіш гель арқылы бөлінеді. Балама ретінде, реакциялық қоспаға тікелей батырылатын алюминийден жасалған құрбандыққа берілетін қарсы электродты пайдалануға болады.

Фотоиндуцированды АТРП

АТРП-дағы өтпелі металл катализаторларының тікелей фототөмендетілуі және/немесе алкил галоидты фотокөмекпен белсендіру ерекше қызығушылық тудырады, себебі мұндай процедура басқа қоспаларсыз, катализаторлардың ppm деңгейінде АТРП жүргізуге мүмкіндік береді.

Кері ATRP

Кері ATRP-де катализатор жоғарырақ тотығу күйінде қосылады. Тізбектер дәстүрлі радикалдық инициаторлармен (мысалы, AIBN) белсендіріледі және ауысу металлымен тоқтатылады. Көшуге қабілетті галогеннің көзі – мыс тұзы, сондықтан оның концентрациясы ауысу металлының концентрациясына шамалас болуы керек.

SR&NI ATRP

Радикалды инициатор мен белсенді (төменгі тотығу күйіндегі) катализатордың қоспасы гомополимермен ластанған блоктық сополимерлерді жасауға мүмкіндік береді, бұл стандартты кері АТРП қолдану арқылы мүмкін емес. Бұл SR&NI (бір мезгілде кері және қалыпты инициация АТРП) деп аталады.

AGET ATRP

Электронды көшіру арқылы туындаған активаторлар, жаңа тізбектерді бастауға қабілетсіз (органикалық радикалдардың орнына) тотықтырғыш затты, төмен валентті металды қайта жаңарту үшін пайдаланады. Мысалдарға металл мыс, қалайы(II), аскорбин қышқылы немесе триэтиламин жатады. Бұл өтпелі металдардың төмен концентрациясын қамтамасыз етеді және сулы немесе дисперстік ортада да қолданылуы мүмкін.

Гибридті және биметалл жүйелері

Бұл техника әртүрлі металдарды/тотығу күйлерін, мүмкін қатты тіректерде қолданып, белсендіргіштер/белсендіргіштерді жойғыштар ретінде пайдаланады, бұл жағдайда уыттылығы немесе сезімталдығы азаюы мүмкін. Мысалы, темір тұздары алкил галоидтарын тиімді белсендіре алады, бірақ оларға тиімді Cu(II) белсендіргішті жойғыш қажет, ол әлдеқайда төмен концентрацияда (3–5 мол.%) болуы мүмкін.

Металлсыз АТРП

Түпкі өнімде қалған ізді металл катализаторы биомедициналық және электрондық салаларда АТРП-ның қолданылуын шектеді. 2014 жылы Крейг Хокер және оның әріптестері 10 фенотиазиннің фоторедокс реакциясын қолданатын жаңа катализ жүйесін әзірледі. Металлсыз АТРП метакрилаттарды бақыланатын полимерлеуге қабілетті екені көрсетілді. Бұл техника кейіннен Матижашевский және оның командасы акрилнитрилді полимерлеуге дейін кеңейтті.

Механо/соно-ATRP

Механо/соно АТРП АТРП-да активаторлардың (қайта) өндірілуін қозғау үшін механикалық күштерді, әдетте ультрадыбыстық тербелісті, сыртқы стимул ретінде пайдаланады. Эссер Кан және авторлар тобы механоАТРП-ның алғашқы мысалын көрсетті, онда барий титанатының пьезоэлектрлік қасиеті Cu(II) түрлерін азайту үшін қолданылды. Матьяшевский және авторлар тобы кейіннен нанометрлік өлшемдегі және/немесе беттік модификацияланған барий титанаты немесе мырыш оксиді бөлшектерін қолдану арқылы полимерлену жылдамдығы мен бақылауын жақсартты, сондай-ақ мыс катализаторларының ppm деңгейінде уақытша бақылауға қол жеткізді. Пьезоэлектрлік бөлшектерден басқа, су мен карбонаттардың механо/соно АТРП-ны жүзеге асыратыны анықталды. Механохимиялық жолмен ыдыраған су молекулалары мономерлерге радикалдық қосылуға түседі, бұл өз кезегінде Cu(II) түрлерін азайтады. Ерімейтін карбонаттардың қатысуында пайда болатын механикалық тұрақсыз Cu(II) карбонат кешендері диметилсульфоксид еріткіш молекулаларын тотықтырып, Cu(I) түрлерін және көмірқышқыл газын өндіреді.

Биокаталистік АТРП

Металлоферменттер Фабио Ди Лена мен Нико Брунс зерттеу топтары алғаш рет, қатар және тәуелсіз түрде ATRP катализаторлары ретінде қолданылды. Бұл жаңалық биокатализдік кері деактивациялық радикалды полимерлендірудің дамып келе жатқан саласына негіз салды.