Введение
Атомно-трансферная радикальная полимеризация (АТРП) является примером обратимой деактивационной радикальной полимеризации. Подобно своему аналогу, ATRA, или радикальному присоединению с переносом атома, ATRP представляет собой способ образования углерод-углеродной связи с использованием катализатора на основе переходного металла. Полимеризация, осуществляемая этим методом, называется полимеризацией радикального присоединения с переносом атома (ATRAP). Как следует из названия, стадия переноса атома играет решающую роль в реакции, обеспечивающей равномерный рост полимерной цепи. ATRP (или радикальная полимеризация с контролируемой цепью, опосредованная переходными металлами) была независимо открыта Мицуо Савамото и Кшиштофом Матьяшевским и Джин Шаном Ваном в 1995 году. Следующая схема иллюстрирует типичную реакцию ATRP:
Обзор ATRP
ATRP обычно использует комплекс переходного металла в качестве катализатора и алкилгалогенид в качестве инициатора (R X). Для ATRP использовались различные комплексы переходных металлов, в частности комплексы Cu, Fe, Ru, Ni и Os. В процессе ATRP спящий вид активируется комплексом переходного металла, что приводит к образованию радикалов посредством одноэлектронного переноса. Одновременно переходный металл окисляется до более высокой степени окисления. Этот обратимый процесс быстро устанавливает равновесие, которое преимущественно смещено в сторону очень низких концентраций радикалов. Количество полимерных цепей определяется количеством инициаторов. Каждая растущая цепь имеет одинаковую вероятность присоединения мономеров с образованием живых/спящих полимерных цепей (R Pn X). В результате можно получить полимеры с близкими молекулярными массами и узким молекулярно-массовым распределением. Реакции ATRP отличаются высокой устойчивостью к наличию различных функциональных групп, таких как аллильные, амино-, эпоксидные, гидроксильные и винильные группы, в мономере или инициаторе. Методы ATRP также удобны благодаря простоте проведения, коммерческой доступности и низкой стоимости катализаторов (комплексов меди), лигандов на основе пиридина и инициаторов (алкилгалогенидов).
number of initiators. Each growing chain has the same probability to propagate with monomers to form living/dormant polymer chains (R Pn X). As a result, polymers with similar molecular weights and narrow molecular weight distribution can be prepared. ATRP reactions are very robust in that they are tolerant of many functional groups like allyl, amino, epoxy, hydroxy, and vinyl groups present in either the monomer or the initiator. ATRP methods are also advantageous due to the ease of preparation, commercially available and inexpensive catalysts (copper complexes), pyridine based ligands, and initiators (alkyl halides).
Компоненты обычного ATRP
Существует пять важных переменных компонентов полимеризации с переносом атомов радикалов. Это мономер, инициатор, катализатор, лиганд и растворитель. В следующем разделе подробно рассматривается вклад каждого компонента в процесс полимеризации в целом.
Мономер
Мономеры, обычно используемые в ATRP, – это молекулы с заместителями, способными стабилизировать растущие радикалы; например, стиролы, (мет)акрилаты, (мет)акриламиды и акрилонитрил. ATRP позволяет получать полимеры с высокой среднечисловой молекулярной массой и низкой полидисперсностью, когда концентрация растущего радикала сбалансирована со скоростью обрыва радикалов. Однако скорость роста радикалов уникальна для каждого мономера. Поэтому важно оптимизировать другие компоненты полимеризации (инициатор, катализатор, лиганд и растворитель) таким образом, чтобы концентрация покоящихся частиц была выше концентрации растущего радикала, но при этом достаточно низкой, чтобы не замедлять или не останавливать реакцию.
Инициатор
Количество растущих полимерных цепей определяется инициатором. Для обеспечения низкой полидисперсности и контролируемой полимеризации скорость инициирования должна быть не медленнее, а предпочтительно быстрее скорости роста цепи. В идеале, все цепи должны быть инициированы за очень короткий промежуток времени и расти с одинаковой скоростью. Обычно в качестве инициаторов выбирают алкилгалогениды, структурно близкие к растущему радикалу. Кроме того, α-функционализированные инициаторы ATRP могут быть использованы для синтеза гетеротелехелических полимеров с разнообразными концевыми группами.
Катализатор
Катализатор является наиболее важным компонентом ATRP, поскольку он определяет константу равновесия между активными и неактивными формами. Это равновесие определяет скорость полимеризации. Слишком низкая константа равновесия может ингибировать или замедлять полимеризацию, а слишком высокая – приводить к широкому распределению молекулярных масс. Это влияет на активность и динамику реакции замещения галогена, а также на последующую активацию и деактивацию полимерных цепей в процессе полимеризации, что существенно сказывается на кинетике реакции и степени контроля над полимеризацией. Выбор лиганда должен основываться на активности мономера и выбранного металла для катализатора. Поскольку в качестве катализатора преимущественно используются галогениды меди, наиболее часто выбирают лиганды на основе аминов. Исследуются лиганды с более высокой активностью как способ потенциального снижения концентрации катализатора в реакции, поскольку более активный каталитический комплекс приведет к увеличению концентрации деактиватора. Однако чрезмерно активный катализатор может привести к потере контроля и увеличению полидисперсности получаемого полимера.
Растворители
Обычно используются толуол, 1,4-диоксан, ксилен, анизол, ДМФА, ДМСО, вода, метанол, ацетонитрил или даже сам мономер (описанный как полимеризация в массе).
Коэффициенты скорости активации и деактивации
Значения коэффициента скорости дезактивации, kd, должны быть достаточно большими для достижения низкой полидисперсности. Прямое измерение kd затруднительно, но возможно. В большинстве случаев kd можно рассчитать на основе известных значений KATRP и ka. Комплексы меди, характеризующиеся очень низкими значениями kd, не рекомендуется использовать в реакциях ATRP.
Сохранение функциональности конца цепи
Обычно требуется сохранение высокого уровня функциональности конца цепи. Однако определение потери функциональности конца цепи с помощью методов 1H ЯМР и масс-спектроскопии не позволяет получить точные значения. В результате сложно установить вклад различных реакций обрыва цепи в ATRP. Одним из основных принципов ATRP является принцип сохранения галогена. Сохранение галогена означает, что общее количество галогена в реакционной системе должно оставаться постоянным. Благодаря этому принципу во многих случаях можно точно определить степень сохранения функциональности конца цепи. Точное определение потери функциональности конца цепи позволило более детально изучить реакции обрыва цепи в ATRP.
Преимущества
ATRP позволяет полимеризовать широкий спектр мономеров с различными химическими функциональными группами, проявляя большую толерантность к ним, чем ионные полимеризации. Он обеспечивает повышенный контроль над молекулярной массой, молекулярной архитектурой и составом полимера, сохраняя при этом низкую полидисперсность (1,05–1,2). Наличие галогена на конце полимерной цепи после полимеризации позволяет легко проводить последующую модификацию концевых групп в различные реакционноспособные функциональные группы. Использование многофункциональных инициаторов облегчает синтез полимеров звездчатой структуры с небольшим числом лучей и телехелических полимеров. ATRP, инициируемый внешним видимым светом, обладает высокой скоростью реакции и отличной толерантностью к функциональным группам.
Недостатки
Наиболее существенным недостатком ATRP является высокая концентрация катализатора, требуемая для проведения реакции. Этот катализатор обычно состоит из галогенида меди и лиганда на основе аминов. Удаление меди из полимера после полимеризации часто является трудоемким и дорогостоящим процессом, что ограничивает применение ATRP в коммерческой сфере. Однако в настоящее время исследователи разрабатывают методы, позволяющие снизить необходимость в высокой концентрации катализатора до уровня ppm. ATRP также традиционно чувствительна к воздействию воздуха и обычно требует циклов замораживания-откачки-оттаивания. Тем не менее, такие методы, как ATRP с регенерацией активатора посредством переноса электрона (AGET ATRP), предлагают потенциальные альтернативы, не чувствительные к воздуху. И, наконец, сложность проведения ATRP в водной среде также является недостатком.
Методы ATRP регенерации активатора
В обычном ATRP концентрация радикалов определяется значением KATRP, концентрацией покоящихся частиц и соотношением [CuI]/[CuII]. В принципе, общее количество катализатора Cu не должно влиять на кинетику полимеризации. Однако потеря функциональности концевых групп медленно, но необратимо преобразует CuI в CuII. Таким образом, начальные соотношения [CuI]/[инициатора] обычно составляют от 0,1 до 1. При использовании очень низких концентраций катализаторов, как правило, на уровне ppm, обычно требуются процессы регенерации активатора для компенсации потери функциональности концевых групп и восстановления достаточного количества CuI для продолжения полимеризации. Было разработано несколько методов ATRP с регенерацией активатора, а именно ICAR ATRP, ARGET ATRP, SARA ATRP, eATRP и фотоиндуцированный ATRP. Процесс регенерации активатора вводится для компенсации потери функциональности концевых групп, поэтому суммарное количество регенерации активатора должно примерно соответствовать общему количеству потерянной функциональности концевых групп.
ICAR ATRP
Инициаторы для непрерывной регенерации активатора (ICAR) – это технология, использующая стандартные радикальные инициаторы для постоянной регенерации активатора, что позволяет снизить его необходимую концентрацию с тысяч ppm до менее 100 ppm и делает её применимой в промышленности.
ARGET ATRP
Активаторы, регенерируемые переносом электронов (ARGET), используют не образующие радикалов восстановители для регенерации CuI. Хороший восстановитель (например, гидразин, фенолы, сахара, аскорбиновая кислота) должен реагировать только с CuII и не должен реагировать с радикалами или другими реагентами в реакционной смеси.
SARA ATRP
Типичный SARA ATRP использует Cu0 как дополнительный активатор и восстановитель (SARA). Cu0 может активировать алкилгалогенид напрямую, но медленно. Cu0 также может восстанавливать CuII до CuI. Оба процесса способствуют регенерации активатора CuI. Другие металлы нулевой валентности, такие как магний, цинк и железо, также применялись в SARA ATRP на основе меди.
eATRP
В eATRP активирующий компонент CuI регенерируется электрохимическим путем. Разработка eATRP обеспечивает точный контроль процесса восстановления и внешнее регулирование полимеризации. В процессе eATRP окислительно-восстановительная реакция протекает с участием двух электродов. Ион CuII восстанавливается до CuI на катоде. Анодный отсек обычно отделен от среды полимеризации стеклянной фриткой и проводящим гелем. В качестве альтернативы можно использовать алюминиевый электрод-контр, который непосредственно погружают в реакционную смесь.
Фотоиндуцированная ATRP
Прямая фоторедукция катализаторов переходных металлов в ATRP и/или фотоиндуцированная активация алкилгалогенидов представляет особый интерес, поскольку такая процедура позволит проводить ATRP с концентрацией катализатора на уровне ppm без использования каких-либо других добавок.
Обратная ATRP
При обратном ATRP катализатор добавляется в более высокой степени окисления. Цепи активируются традиционными радикальными инициаторами (например, AIBN) и деактивируются переходным металлом. Медный галогенид служит источником переносимого галогена, поэтому он должен присутствовать в концентрациях, сравнимых с концентрацией переходного металла.
ATRP SR&NI
Смесь радикального инициатора и активного (низшей степени окисления) катализатора позволяет получать блок-сополимеры (содержащие гомополимер), что невозможно при использовании стандартного обратного ATRP. Этот метод называется SR&NI (одновременный обратный и прямой ATRP-инициация).
AGET ATRP
Активаторы, генерируемые переносом электронов, используют восстановитель, не способный инициировать новые цепи (в отличие от органических радикалов), для регенерации металла в низкой степени окисления. Примерами служат металлическая медь, олово(II), аскорбиновая кислота или триэтиламин. Это позволяет использовать более низкие концентрации переходных металлов и может быть реализовано в водной или дисперсной среде.
Гибридные и биметаллические системы
В этой технике используются различные металлы/степени окисления, возможно, на твердых носителях, для выполнения функций активаторов/деактиваторов, возможно, с пониженной токсичностью или чувствительностью. Например, соли железа могут эффективно активировать алкилгалогениды, но для этого требуется эффективный деактиватор Cu(II), который может присутствовать в значительно меньших концентрациях (3–5 моль%).
ATRP без металлов
Следовые количества металлического катализатора, остающиеся в конечном продукте, ограничили применение ATRP в биомедицинской и электронной областях. В 2014 году Крейг Хокер и его коллеги разработали новую каталитическую систему, основанную на фоторедоксной реакции 10-фенотиазина. Было продемонстрировано, что ATRP, не содержащий металлов, способен к контролируемой полимеризации метакрилатов. Позднее эта методика была расширена Матияшевски и др. для полимеризации акрилонитрила.
Механо-/соно-ATRP
Механо/соно ATRP использует механические силы, обычно ультразвуковую обработку, в качестве внешнего стимула для индуцирования (ре)генерации активаторов в ATRP. Эссер Кан и соавторы впервые продемонстрировали пример механоATRP, используя пьезоэлектричество титаната бария для восстановления Cu(II) соединений. Матьяшевский и соавторы впоследствии усовершенствовали эту методику, используя наноразмерные и/или поверхностно-модифицированные частицы титаната бария или оксида цинка, что позволило достичь превосходной скорости и контроля полимеризации, а также временного контроля при концентрации медного катализатора на уровне ppm. Помимо пьезоэлектрических частиц, было обнаружено, что вода и карбонаты выступают в качестве посредников в механо/соно ATRP. Механохимически гомолитически расщеплённые молекулы воды подвергаются радикальному присоединению к мономерам, что, в свою очередь, восстанавливает Cu(II) соединения. Механически нестабильные карбонатные комплексы Cu(II), образующиеся в присутствии нерастворимых карбонатов, окисляют диметилсульфоксид – молекулы растворителя – с образованием Cu(I) соединений и углекислого газа.
Биокаталитический АТРП
Металлоферменты впервые были использованы в качестве катализаторов ATRP параллельно и независимо друг от друга исследовательскими группами Фабио Ди Лены и Нико Брунса. Эта пионерская работа открыла дорогу развивающейся области биокаталитической обратимой деактивации радикальной полимеризации.