黃 帥,韓 麗,馬紅衛(wèi),李 楊
(大連理工大學(xué) 精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧省大連市 116024)
隨著石油資源的大量消耗,生物資源和可再生資源成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。月桂烯(Mc)作為一種資源豐富的單萜烯化合物,廣泛存在于多種植物中[1-2],其結(jié)構(gòu)類似于異戊二烯和丁二烯,可作為來(lái)源于石油的共軛二烯類化合物的替代物[3-4]?;陉庪x子聚合方法合成的橡膠和熱塑性彈性體具有相對(duì)分子質(zhì)量高、相對(duì)分子質(zhì)量可控及分布窄的特點(diǎn),并且具有優(yōu)異的力學(xué)性能[5]。均聚月桂烯(PM)單元上含有多種類型的雙鍵結(jié)構(gòu),可進(jìn)行不同程度的后功能化,實(shí)現(xiàn)新型功能化及綠色生物基橡膠和彈性體的制備。因此,基于Mc的活性陰離子聚合及其功能化研究具有重要意義[6-7]。近年來(lái),基于通用高分子材料進(jìn)行后功能化改性,實(shí)現(xiàn)新型高性能材料的合成得到了廣泛的發(fā)展?!皫€基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)具有高效、高選擇性等優(yōu)點(diǎn),適用于多種聚烯烴及巰基類衍生化合物的改性研究,得到了眾多研究者的青睞[6-9]。Hong Miao等[10]研究了不同類型雙鍵(包括末端雙鍵、環(huán)上雙鍵、中間雙鍵)與巰基化合物進(jìn)行“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)的活性;Matic等[7]研究了不同結(jié)構(gòu)巰基類衍生化合物與雙鍵的點(diǎn)擊反應(yīng)活性;Uygun等[11]研究了引發(fā)劑類型、反應(yīng)時(shí)間對(duì)“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)效率的影響。與硅氫加成、酯化和醚化等反應(yīng)相比,“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)對(duì)材料的功能化具有非常好的效果,能夠?qū)崿F(xiàn)材料無(wú)金屬、無(wú)鹵素等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述,雙鍵類型、巰基化合物結(jié)構(gòu)、引發(fā)劑類型、反應(yīng)時(shí)間等均會(huì)影響“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng),目前所報(bào)道的“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)大多基于雙取代雙鍵的點(diǎn)擊研究,三取代雙鍵的“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)研究較少。本課題組長(zhǎng)期致力于活性陰離子聚合的研究,基于陰離子聚合合成的聚合物具有相對(duì)分子質(zhì)量可控且分布窄等特點(diǎn)[12-15],為可控功能化研究提供了保證。研究表明,采用活性陰離子聚合方法合成的PM以三取代雙鍵結(jié)構(gòu)為主,少量雙取代雙鍵結(jié)構(gòu)[5,7],為研究三取代雙鍵的“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)提供了條件。本工作采用活性陰離子聚合方法合成了PM、苯乙烯(St)-Mc兩嵌段共聚物(SM),以及St-Mc-St三嵌段共聚物(SMS)。在365 nm紫外光輻照下,分別以2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(DMPA)與二苯甲酮(BP)為光引發(fā)劑,研究3-巰基丙酸甲酯與PM的“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng),探索了光引發(fā)劑類型、反應(yīng)時(shí)間和投料比對(duì)點(diǎn)擊反應(yīng)的影響,采用凝膠滲透色譜(GPC)和核磁共振氫譜(1H-NMR)對(duì)聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量和點(diǎn)擊效率進(jìn)行了研究。
Mc,St:純度均為95%(w),東京化成工業(yè)株式會(huì)社。在氬氣保護(hù)下,將Mc與St置于密封的圓底燒瓶中,用CaH2攪拌72 h,真空蒸餾保存,使用前用二丁基鎂攪拌5 h,在真空系統(tǒng)下蒸餾,置于裝有Na屑的密封瓶中保存。極性調(diào)節(jié)劑N,N,N,N-四甲基乙二胺(TMEDA)采用文獻(xiàn)[16]的方法精制,然后在10.08%(w)的苯溶劑中稀釋。甲苯,環(huán)己烷:經(jīng)Mbraun SPS-800型溶劑處理系統(tǒng)純化后裝入密封瓶,置于手套箱中保存。仲丁基鋰(sec-BuLi),實(shí)驗(yàn)室合成,用苯溶劑稀釋到0.406 8 mol/L后置于手套箱中保存。異丙醇,通過(guò)氬氣鼓泡脫除氧氣,密封保存。3-巰基丙酸甲酯,純度98%(w),美國(guó)Sigma-Aldrich公司。DMPA,BP:純度均為98%(w),美國(guó)Alfa Aesar公司,直接使用。
1.2.1 活性陰離子聚合
PM的合成:為了保證引發(fā)過(guò)程一致,在手套箱中進(jìn)行活性陰離子聚合,Mc單體與環(huán)己烷溶劑的體積比為1∶10。用定量密封注射器向安瓿瓶中加入單體Mc(5 g,0.037 mol)與環(huán)己烷(63 mL) ,根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)均分子量(Mn),迅速向上述體系中定量加入0.406 8 mol/L的引發(fā)劑sec-BuLi,將反應(yīng)體系密封,置于40 ℃水浴中反應(yīng)5 h后,迅速加入1 mL終止劑異丙醇,將反應(yīng)液倒入大量甲醇溶劑中,沉降后將試樣真空干燥48 h至恒重,得到純PM(Mn為2.5×103,5.0×103,10.0×103的PM分別記作PM-1,PM-2,PM-3)。PM的合成反應(yīng)示意見(jiàn)式(1)。
SM的合成:分別根據(jù)順序投料、一步投料(同時(shí)添加極性調(diào)節(jié)劑)的活性陰離子聚合方法合成。
順序投料法:根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)相對(duì)分子質(zhì)量,即SM中St與Mc的相對(duì)分子質(zhì)量均為5 000(記作St-5k-Mc-5k)或者St與Mc的相對(duì)分子質(zhì)量分別為5 000,10 000(記作St-5k-Mc-10k)。在苯溶劑(10 mL)中,先用密封注射器順序加入引發(fā)劑sec-BuLi (0.49 mL,0.2 mmol),再迅速加入St(1 g,0.01 mol),在安瓿瓶中不斷攪拌5 h,獲得轉(zhuǎn)化率接近100%的紅色溶液聚苯乙烯(PS)活性種PS-Li(取少量PS-Li用異丙醇終止,作為嵌段共聚物的前驅(qū)體)。同步,將定量苯溶劑加入安瓿瓶中,再加入定量Mc單體,將活性PS-Li加入到Mc的苯溶液中,Mc迅速被引發(fā),溶液變成黃色,將安瓿瓶密封,于40 ℃水浴中反應(yīng)5 h,用異丙醇終止反應(yīng)。
一步投料法:在定量干燥的苯溶劑中,同時(shí)加入St(1 g,0.01 mol)和定量Mc單體,然后加入引發(fā)劑sec-BuLi (0.49 mL,0.2 mmol),再迅速加入極性調(diào)節(jié)劑TMEDA (0.23 g,0.2 mol),n(sec-BuLi)∶n(TMEDA)=1∶1,將安瓿瓶密封放入35 ℃水浴中反應(yīng)5 h,用異丙醇終止反應(yīng)。
將上述溶液倒入大量的甲醇中沉降,靜置24 h后過(guò)濾,產(chǎn)物真空干燥24 h以上至恒重,得到SM。
SMS的制備與上述方法類似,采用順序投料法合成。
SM與SMS的合成反應(yīng)示意見(jiàn)式(2)~式(4)。
1.2.2 “巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)
將PM-2(100 mg)與甲苯(60 mL) 置于圓底燒瓶中,充分?jǐn)嚢柚寥芙?,分別加入3-巰基丙酸甲酯與光引發(fā)劑 (DMPA或BP),在氬氣保護(hù)下,經(jīng)過(guò)冷凍—脫氣—冷凍三次循環(huán)操作后,充分排除體系內(nèi)的氧氣對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,在365 nm紫外光輻照下,攪拌反應(yīng)12~48 h,為避免紫外光光源散失,反應(yīng)裝置用錫箔紙包裹后置于暗箱中,反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)液倒入大量甲醇溶液中,以除凈未反應(yīng)的3-巰基丙酸甲酯單體,將試樣真空干燥48 h至恒重,得到3-巰基丙酸甲酯接枝PM(PM-SH)。PM與3-巰基丙酸甲酯的點(diǎn)擊反應(yīng)合成路線見(jiàn)式(5)。
聚合物的Mn及相對(duì)分子質(zhì)量分布(Mw/Mn,Mw為重均分子量)采用美國(guó)Waters公司的Waters 1515型和英國(guó)Malvern公司的TDA-305型凝膠滲透色譜儀測(cè)定。Waters 1515型凝膠滲透色譜儀配備2414 RI型檢測(cè)器和兩根分離柱(HT4和HT5),流動(dòng)相為四氫呋喃(THF)(1 mL/min,35 ℃),不同相對(duì)分子質(zhì)量PS為標(biāo)樣;TDA-305型凝膠滲透色譜儀配備多重檢測(cè)器 (RI:示差檢測(cè)器,VISC:黏度檢測(cè)器;LS:光散射檢測(cè)器)和兩根分離柱(T6000 M×2),流動(dòng)相為T(mén)HF(1 mL/min,35 ℃)。1H-NMR采用德國(guó)布魯克公司的400 MHz型核磁共振波譜儀測(cè)定,氘代氯仿為溶劑,四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo)。
從圖1可以看出:不同MnPM的GPC譜線均呈現(xiàn)單峰、窄分布的特點(diǎn),且隨著PM的Mn設(shè)計(jì)值的增大,流出曲線的保留時(shí)間明顯減少,符合活性陰離子聚合的特征。
從圖2可以看出:化學(xué)位移(δ)為4.6~5.0是PM的3,4-雙鍵的兩個(gè)氫(b積分區(qū)域),δ為5.0~5.2是PM的1,4-雙鍵的兩個(gè)氫及3,4-雙鍵的一個(gè)氫(a積分區(qū)域)。
圖1 不同相對(duì)分子質(zhì)量PM的GPC曲線Fig.1 GPC curves of PM with different relative molecular weights
圖2 PM的結(jié)構(gòu)式及1H-NMRFig.2 Structure and 1H-NMR of PM
從表1可以看出:PM的3,4-雙鍵摩爾分?jǐn)?shù)接近7%,1,4-雙鍵摩爾分?jǐn)?shù)接近93%,說(shuō)明在沒(méi)有極性調(diào)節(jié)劑的條件下,Mc的活性陰離子聚合選擇性以1,4-聚合為主。從表1還可以看出:配置多重檢測(cè)器凝膠滲透色譜儀測(cè)試的Mw明顯大于配置單一RI檢測(cè)器凝膠滲透色譜儀測(cè)試的Mw,并且配備多重檢測(cè)器的GPC測(cè)試得到的Mw更接近于聚合物真實(shí)的Mw。以上結(jié)果的差異主要是由于兩種測(cè)試方法的原理不同。對(duì)于配置單一RI檢測(cè)器的凝膠滲透色譜儀,其色譜柱需要采用不同相對(duì)分子質(zhì)量的PS標(biāo)樣進(jìn)行校正,獲得不同相對(duì)分子質(zhì)量PS的標(biāo)準(zhǔn)曲線,根據(jù)所獲得的聚合物在GPC中流出曲線的保留時(shí)間,基于PS標(biāo)準(zhǔn)曲線,確定試樣的Mn,而此時(shí)獲得的Mn是所合成聚合物相對(duì)于PS標(biāo)樣的相對(duì)分子質(zhì)量。近年來(lái),光散射的發(fā)展確定了最準(zhǔn)確的相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定方法。對(duì)于配置多重檢測(cè)器的凝膠滲透色譜儀主要包括LS檢測(cè)器和RI檢測(cè)器等。根據(jù)光散射等式Rθ=Mw·c·(dn/dc)2(其中,Rθ為瑞利系數(shù);c為低角度激光散射的LS響應(yīng)常數(shù);dn/dc為折光指數(shù)增量,通過(guò)多重檢測(cè)器測(cè)試得到,說(shuō)明在特定的聚合物濃度下,dn/dc決定了聚合物Mw的準(zhǔn)確性。RI檢測(cè)器將強(qiáng)度信號(hào)與濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換,從而通過(guò)多重檢測(cè)器凝膠滲透色譜儀獲得了準(zhǔn)確的Mw和dn/dc。綜上所述,當(dāng)所合成的聚合物與PS標(biāo)樣結(jié)構(gòu)相似時(shí),配置RI檢測(cè)器的凝膠滲透色譜儀可以獲得相對(duì)準(zhǔn)確的Mn。反之,當(dāng)聚合物與PS標(biāo)樣結(jié)構(gòu)相差較大時(shí),配置單一RI檢測(cè)器的凝膠滲透色譜儀很難獲得準(zhǔn)確的Mn。此時(shí),配置LS檢測(cè)器的凝膠滲透色譜儀可以獲得準(zhǔn)確的Mw,因此,配備多重檢測(cè)器的凝膠滲透色譜儀測(cè)試得到的Mw更接近聚合物真實(shí)的Mw。
表1 PM的分子設(shè)計(jì)及分子組成Tab.1 Molecular design and molecular composition of PM
從圖3可以看出:δ為4.6~5.0是PM的3,4-雙鍵的兩個(gè)氫(c積分區(qū)域),δ為5.0~5.2是PM的1,4-雙鍵的兩個(gè)氫及3,4-雙鍵的一個(gè)氫(b積分區(qū)域),將PS嵌段(a積分區(qū)域)的特征峰歸屬積分面積固定,當(dāng)加入極性調(diào)節(jié)劑TMEDA后,3,4-雙鍵的譜峰面積顯著提高,而1,4-雙鍵的譜峰面積明顯降低。
根據(jù)1H-NMR特征峰歸屬和公式計(jì)算,可以獲得PM嵌段的微觀結(jié)構(gòu)。從表2可以看出:不加入極性調(diào)節(jié)劑TMEDA的情況下,Mc的活性陰離子聚合仍然以1,4-聚合為主,3,4-雙鍵和1,4-雙鍵比例與均聚物結(jié)構(gòu)接近。當(dāng)加入極性調(diào)節(jié)劑TMEDA后,Mc的雙鍵活性發(fā)生了改變,其活性陰離子聚合選擇性也發(fā)生了變化,由1,4-聚合為主轉(zhuǎn)變?yōu)?,2-聚合為主,3,4-雙鍵摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)64%,同時(shí),通過(guò)一步投料法添加極性調(diào)節(jié)劑TMEDA[n(sec-BuLi)∶n(TMEDA)=1∶1],得到的SM經(jīng)計(jì)算表明,其結(jié)構(gòu)仍為嵌段結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步通過(guò)表征發(fā)現(xiàn),SMS可通過(guò)陰離子順序加料法制備,制備的嵌段共聚物相對(duì)分子質(zhì)量分布窄,且嵌段相對(duì)分子質(zhì)量可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。
圖3 添加調(diào)節(jié)劑前后SM的1H-NMRFig.3 1H NMR of SM before and after adding modifier
表2 SM與SMS的GPC及1H-NMR表征數(shù)據(jù)Tab.2 GPC and 1H-NMR data of SM and SMS
從表2可以看出:不添加TMEDA,聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量更接近設(shè)計(jì)值;同時(shí)通過(guò)中間取樣的方式得到順序投料的PS段GPC曲線,從圖4可以看出:GPC曲線明顯向左偏移,表明成功合成了嵌段共聚物SM。進(jìn)一步對(duì)比表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在不添加極性調(diào)節(jié)劑情況下,由配置多重檢測(cè)器的凝膠滲透色譜儀獲得的Mw明顯大于由單一RI檢測(cè)器獲得的Mw,與PM通過(guò)GPC測(cè)試得到的數(shù)據(jù)一致,而在添加極性調(diào)節(jié)劑情況下,由配置多重檢測(cè)器的凝膠滲透色譜儀測(cè)試得到的Mw均小于配置單一RI檢測(cè)器獲得的Mw,同時(shí)其dn/dc也相應(yīng)提高,結(jié)合光散射機(jī)理,推測(cè)產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是在添加極性調(diào)節(jié)劑條件下,其微觀結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致dn/dc變化。
圖4 添加調(diào)節(jié)劑前后SM的GPCFig.4 GPC curves of SM before and after adding modifier
為了進(jìn)一步探究PM中不同類型雙鍵在“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)中的活性,將3-巰基丙酸甲酯與PM反應(yīng),在365 nm紫外光輻照下,分別以DMPA和BP為光引發(fā)劑,從圖5和表3可以看出:DMPA作為光引發(fā)劑時(shí),PM與3-巰基丙酸甲酯的“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)得到的聚合物形成了明顯的凝膠狀,說(shuō)明發(fā)生了交聯(lián),提高3-巰基丙酸甲酯的比例,交聯(lián)現(xiàn)象也無(wú)法改善,只有降低反應(yīng)體系中DMPA的用量,如雙鍵與DMPA摩爾比為1.00∶0.02時(shí),凝膠才消失。從表3還可以看出:3-巰基丙酸甲酯接枝到PM骨架中雙鍵的接枝率為20%~30%,當(dāng)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間時(shí),聚合物的Mw/Mn明顯變寬,反應(yīng)位點(diǎn)無(wú)法控制。當(dāng)BP作為光引發(fā)劑時(shí),交聯(lián)現(xiàn)象得到明顯改善,體系中不產(chǎn)生凝膠。但是當(dāng)PM中的雙鍵與3-巰基丙酸甲酯的投料比例減小時(shí),通過(guò)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,所得到的聚合物Mw/Mn均較寬。
圖5 DMPA催化條件下不同投料比及反應(yīng)時(shí)間所產(chǎn)生的凝膠Fig.5 Gel produced by different feed ratios and reaction times under DMPA catalysis
表3 PM與3-巰基丙酸甲酯點(diǎn)擊反應(yīng)的GPC與1H-NMR數(shù)據(jù)Tab.3 GPC and 1H-NMR data of click reaction between PM and methyl 3-mercaptopropionate
從圖6可以看出:當(dāng)雙鍵、3-巰基丙酸甲酯、BP的摩爾比為1.00∶10.00∶1.00,反應(yīng)時(shí)間為48 h時(shí),與接枝前相比,接枝后聚合物流出曲線的保留時(shí)間明顯變小,說(shuō)明3-巰基丙酸甲酯成功接枝到了PM的骨架中,并通過(guò)1H-NMR計(jì)算,得到接枝率為99%。當(dāng)縮短反應(yīng)時(shí)間為24 h時(shí),3-巰基丙酸甲酯接枝到PM中雙鍵的接枝率由99%降低到75%(見(jiàn)表3)。從圖6還看出:δ為3.4~3.8歸屬于3-巰基丙酸甲酯與氧相連的甲基特征峰,4.6~5.2歸屬于PM骨架中雙鍵的特征峰,根據(jù)峰位歸屬和積分面積計(jì)算,δ為4.6~5.2的特征峰強(qiáng)度消失或減弱,一方面證實(shí)了3-巰基丙酸甲酯與PM中的雙鍵發(fā)生了“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng),另一方面說(shuō)明通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間從48 h到24 h,接枝率發(fā)生了改變,由99%降低為75%,實(shí)現(xiàn)了對(duì)該“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)的控制。
圖6 接枝前后PM的GPC與1H-NMRFig.6 GPC and 1H-NMR curves of PM before and after grafting
巰基與雙鍵的反應(yīng)機(jī)理為:在紫外光輻照下,引發(fā)劑產(chǎn)生自由基,引發(fā)含巰基的化合物(如3-巰基丙酸甲酯)產(chǎn)生自由基,與此同時(shí),雙鍵產(chǎn)生自由基,因此,巰基化合物自由基與雙鍵自由基相互進(jìn)攻反應(yīng)終止。當(dāng)巰基化合物形成的自由基濃度較低時(shí),雙鍵自由基進(jìn)攻雙鍵產(chǎn)生連鎖反應(yīng),形成分子內(nèi)自交聯(lián)或分子間交聯(lián);當(dāng)巰基化合物濃度較高時(shí),可以有效抑制雙鍵自由基的交聯(lián)。本工作中,DMPA作為光引發(fā)劑時(shí),DMPA形成的自由基活性較高,當(dāng)DMPA濃度較高時(shí),快速引發(fā)高濃度的雙鍵自由基,因此,雙鍵自由基發(fā)生了交聯(lián)形成了凝膠;當(dāng)DMPA與巰基化合物濃度較低時(shí),形成少量的雙鍵自由基,有效地抑制了交聯(lián)的發(fā)生。試樣4與試樣5在GPC中顯示了相對(duì)窄的Mw/Mn(見(jiàn)表3),證實(shí)了PM骨架少量的雙鍵發(fā)生了“巰基-雙鍵”點(diǎn)擊反應(yīng)。相比之下,當(dāng)BP作為光引發(fā)劑且濃度相對(duì)較高時(shí),PM均未發(fā)生交聯(lián)而形成凝膠,說(shuō)明BP自由基的活性較低,未能引發(fā)高濃度雙鍵自由基的形成,有效地抑制了雙鍵間的交聯(lián),因此通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間,可以實(shí)現(xiàn)接枝率的控制。巰基與雙鍵的反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)圖7。
a)采用陰離子聚合方法,以sec-BuLi為引發(fā)劑,成功合成了PM,SM,SMS。
b)在添加TMEDA[n(sec-BuLi)∶n(TMEDA)=1∶1]的條件下,采用一步投料法獲得了以1,2-聚合為主的SM。
c)以DMPA為引發(fā)劑,高濃度引發(fā)劑導(dǎo)致交聯(lián),低濃度的DMPA和巰基化合物有效抑制交聯(lián),但接枝率低(20%~30%),通過(guò)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,得到的聚合物Mw/Mn寬。
圖7 不同光引發(fā)劑催化巰基點(diǎn)擊反應(yīng)原理Fig.7 Mechanism of thiol-ene click reaction catalyzed by different photocatalysts
d)以低活性BP為光引發(fā)劑,不發(fā)生交聯(lián)現(xiàn)象,提高巰基化合物比例可有效控制點(diǎn)擊反應(yīng)。在雙鍵、巰基、引發(fā)劑摩爾比為1.00∶10.00∶1.00的條件下,反應(yīng)48 h可以實(shí)現(xiàn)99%的接枝率,且聚合物Mw/Mn較窄。
e)采用陰離子聚合方法合成了PM,SM,SMS,研究了其陰離子反應(yīng)特性,并分析了PM的“雙鍵-巰基”點(diǎn)擊功能化特點(diǎn),對(duì)合成綠色生物基橡膠具有重要意義。