“ATRP法合成聚甲基丙烯酸縮水甘油酯”的高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張建安

（安徽大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 合肥 230601）

原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）是一種重要的自由基可控聚合方法，用來精確合成具有預(yù)定分子量、結(jié)構(gòu)和功能性的聚合物.ATRP實(shí)驗(yàn)可以有效地引入一部分本科核心課程的重要概念，包括無機(jī)和物理化學(xué)（反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)、催化、絡(luò)合物形成），有機(jī)化學(xué)（合成和反應(yīng)機(jī)理），分析化學(xué)（光譜、色譜和其他表征技術(shù)）等［1］.針對(duì)目前本科生課程中無ATRP合成聚合物相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了采用低催化濃度原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）技術(shù)，合成了聚甲基丙烯酸縮水甘油酯（PGMA）的高分子科學(xué)實(shí)驗(yàn).本實(shí)驗(yàn)旨在強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)已有的高分子科學(xué)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的綜合利用，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的同時(shí)，可加深學(xué)生對(duì)可控自由基聚合反應(yīng)及機(jī)理的理解.

通過在大學(xué)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)中加入ATRP專業(yè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解和掌握催化、過渡金屬絡(luò)合物、聚合物合成等概念［2］.對(duì)不同反應(yīng)時(shí)間下的NMR光譜進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)聚合反應(yīng)進(jìn)程；采用尺寸排阻色譜法測(cè)定聚合物的分子量和分子量分布寬度，繪制單體轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時(shí)間的曲線圖，PGMA的分子量和分子量分布寬度隨單體轉(zhuǎn)化率的演變曲線.通過對(duì)所得曲線圖進(jìn)行討論分析，學(xué)生們可以掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能，熟悉操作多種測(cè)試儀器和設(shè)備，增強(qiáng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理與邏輯分析能力［3］.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氫呋喃、苯甲醚、CuBr2、三（2-吡啶基甲基）胺（TPMA）、2-溴-2-甲基丙二酸二乙酯（Et2BrMM）、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）、氘代氯仿（CDCl3）、四甲基硅烷、四氫呋喃（THF）.

儀器：以CDCl3為溶劑，在Bruker DRX-400光譜儀上測(cè)量樣品，得到核磁共振光譜圖.在氘代溶劑中加入少量四甲基硅烷作為化學(xué)位移基準(zhǔn).聚合物的分子量和分散度（Mw/Mn）通過尺寸排阻色譜法（SEC）在Tosoh EcoSEC系統(tǒng)上測(cè)定.SEC用標(biāo)準(zhǔn)的聚苯乙烯校準(zhǔn)，聚合物樣品用四氫呋喃稀釋，再將其通過0.2μm聚四氟乙烯過濾器過濾后，直接注入SEC系統(tǒng).

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）熟悉原子轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)的基本原理及所涉及的重要概念；

（2）掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法，提高分離純化實(shí)驗(yàn)技能；

（3）熟悉無氧實(shí)驗(yàn)操作條件，掌握原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法合成單分散聚合物的方法；

（4）掌握聚合反應(yīng)監(jiān)控手段，學(xué)習(xí)分析核磁共振圖譜；了解尺寸排阻色譜法，學(xué)會(huì)處理數(shù)據(jù)、分析圖譜.

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

ATRP技術(shù)通過在低相對(duì)分子量的鹵代烷、休眠高分子鏈（即不能與單體反應(yīng)）和自由基之間建立的平衡，可以高效制備具有多種組成和結(jié)構(gòu)的聚合物［4］.該過程在過渡金屬（例如，銅）催化作用下，發(fā)生氧化還原反應(yīng).低氧化態(tài)過渡金屬絡(luò)合物（CuILn，被稱為活化劑，其中L代表配體，n是由L的結(jié)構(gòu)確定的化學(xué)計(jì)量系數(shù)）奪取鹵代烷的鹵素原子（RX；X=Br或Cl），變成高氧化態(tài)金屬絡(luò)合物（X-CuIILn，被稱為失活劑），同時(shí)失去鹵素原子的鹵代烷形成活性自由基（R·）.與傳統(tǒng)的自由基聚合類似，自由基可以在單體存在下增長，當(dāng)活性種的相對(duì)分子量達(dá)到一定值，奪取高氧化態(tài)金屬絡(luò)合物中的鹵素原子形成休眠種，同時(shí)高氧化態(tài)金屬絡(luò)合物變?yōu)榈脱趸瘧B(tài)金屬絡(luò)合物.

“經(jīng)典”的ATRP反應(yīng)需要使用大量的催化劑，通常與引發(fā)劑的量相當(dāng)［5］.由于活躍ATRP催化劑的發(fā)展，使得在聚合反應(yīng)中可以使用非常低的催化劑量.然而，由于不可避免發(fā)生自由基的終止，失活劑在反應(yīng)體系中積累.當(dāng)終止鏈的數(shù)量達(dá)到系統(tǒng)中催化劑的數(shù)量時(shí)，所有催化劑都以高氧化態(tài)絡(luò)合物的形式存在，休眠鏈不能進(jìn)一步活化，聚合停止，這可能發(fā)生在聚合的相對(duì)早期，即單體轉(zhuǎn)化率較低時(shí).這就是“經(jīng)典”ATRP不能在極低的催化劑量時(shí)得到高單體轉(zhuǎn)化率的原因.

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1.4.1 單體的提純

在20 mL注射器的出口用脫脂棉塞住，再加入中性氧化鋁（4～5 mL標(biāo)記處）.單體從注射器頂部倒入提純系統(tǒng)，依次經(jīng)過中性氧化鋁和脫脂棉，然后從注射器出口流出，將流出的純化單體收集備用.

1.4.2 催化劑溶液的制備

取0.002 6 g的CuBr2（1.2×10-5mol）和0.003 5 g TPMA（1.2×10-5mol）溶解在4 mL的DMF中，攪拌至所有成分溶解，形成淡綠色溶液，備用.

1.4.3 聚合物的合成

將12 mL單體（GMA）、10 mL苯甲醚和4 mL催化劑溶液加入到50 mL Schlenk瓶中.在磁力攪拌下，將反應(yīng)液混合，得到黃色溶液.然后，加入87μL的2-溴-2-甲基丙二酸二乙酯（ET2BMM），該ET2BMM是ATRP引發(fā)劑.從旋塞處通氮?dú)?0 min后，再用注射器向反應(yīng)體系中加入辛酸亞錫溶液（4.8 mg，除氧后的苯甲醚溶液），迅速取出注射器針頭，密封反應(yīng)瓶.將Schlenk瓶放入70℃的油浴中，引發(fā)聚合反應(yīng).

1.4.4 聚合反應(yīng)監(jiān)控

ATRP通過氧化還原反應(yīng)生成的CuI絡(luò)合物（活化劑）容易被氧化而失活，因此，聚合反應(yīng)需要無氧環(huán)境.從反應(yīng)體系中取樣時(shí)，注射器和針頭必須進(jìn)行如下處理：當(dāng)需要取樣時(shí)，打開氮?dú)庠矗瑢⒁恢? mL的注射器連接到出口針頭上，通過拉動(dòng)柱塞使其充滿氮?dú)猓趴湛諝?，重?fù)大約5次.最后一次操作時(shí)，旋塞快速旋轉(zhuǎn)至開口狀態(tài)，將針頭插入反應(yīng)瓶中并取樣（0.3～0.5 mL即可），迅速拔出針頭，關(guān)閉旋塞口.將樣品加入核磁管中，加入CDCl3溶劑，測(cè)核磁共振光譜.

1.4.5 聚合物的分離和純化

根據(jù)反應(yīng)進(jìn)度，一般選擇聚合4 h后，結(jié)束反應(yīng).若反應(yīng)混合物較為粘稠，則用丙酮（體積比1：1）稀釋聚合物溶液.在磁力攪拌下，將聚合物溶液緩慢加入到含300 mL乙醚溶液的燒杯中，聚合物沉淀成白色粉末.全部聚合物溶液沉淀后，攪拌4～5 min，過濾收集固體聚合物.用甲醇或乙醚清洗收集的聚合物，將其置于40℃真空干燥箱中干燥，計(jì)算聚合物的產(chǎn)率.

2 結(jié)果與討論

2.1 核磁共振譜圖分析

為了便于分析聚合反應(yīng)體系的組成，圖1給出了ATRP法合成PMMA的示意圖.圖2所示為反應(yīng)混合物的1H NMR譜圖，其中“a”“d”“m”和“p”表示的峰分別屬于苯甲醚、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、單體（GMA）和聚合物（PGMA）的質(zhì)子.隨著反應(yīng)的進(jìn)行，越來越多的單體轉(zhuǎn)化為聚合物.

圖1 聚合反應(yīng)的示意圖

圖2 反應(yīng)混合物的1H NMR譜圖

利用NMR光譜來計(jì)算單體轉(zhuǎn)化率［6］，可由公式（1）計(jì)算得出：

其中，I為積分值，I（m4+p4）為2個(gè)部分重疊峰的總積分.

積分時(shí)，為了方便計(jì)算，可以將單體（m1和m2）乙烯基質(zhì)子的積分設(shè)為1.00.m4（單體的2個(gè)-CO2CH2-質(zhì)子之一）的積分也應(yīng)等于1.00，但該峰可能與聚合物質(zhì)子p4（聚合物的2個(gè)-CO2CH2-質(zhì)子之一）的信號(hào)部分重疊.為了便于計(jì)算，將2個(gè)峰整合在一起，質(zhì)子m4和p4的總積分應(yīng)大于1.0，因?yàn)榛旌衔镏邪瑔误w和聚合物.

2.2 聚合物相對(duì)分子量及其分布寬度分析

在反應(yīng)進(jìn)行到0.75、1.50、2.50、3.50和4.00 h時(shí)分別取樣進(jìn)行分析，繪制單體轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時(shí)間的曲線圖.如果聚合反應(yīng)的活性中心數(shù)目保持不變，則單體消耗量應(yīng)遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)依賴關(guān)系.繪制函數(shù)ln（［M］0/［M］t）與時(shí)間t的關(guān)系圖（其中，［M］0是初始的單體濃度，［M］t是t時(shí)的單體濃度），觀察到呈線性相關(guān)性（圖3）.

圖3 PGMA的ln（［M］0/［M］t）與時(shí)間的關(guān)系

“活性”的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是聚合物分子量隨單體轉(zhuǎn)化率呈線性增加.線性關(guān)系的斜率由單體和引發(fā)劑的初始配比（［GMA］0/［Et2BrMM］0）決定［7］.通常，“活性”稱為完全轉(zhuǎn)化時(shí)的目標(biāo)聚合度.此外，相對(duì)分子量分布應(yīng)較窄（分散度≤1.5）.使用尺寸排阻色譜法（SEC）測(cè)定聚合物的相對(duì)分子量及其分布寬度.將0.1～0.2 mL樣品用THF（1～2 mL）稀釋，再通過PTFE注射過濾器（0.2μm）過濾后，將溶液注入SEC儀器中進(jìn)行測(cè)試.使用已知相對(duì)分子量的聚合物的標(biāo)準(zhǔn)曲線來校準(zhǔn).對(duì)于每個(gè)樣品，根據(jù)單體轉(zhuǎn)化率繪制Mn和Mw/Mn的值，如圖4所示，在70℃時(shí)，低催化劑濃度ATRP合成PGMA的分子量和分子量分布寬度隨單體轉(zhuǎn)化率的演變曲線［6］.

圖4 PGMA的相對(duì)分子量及其分布寬度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

2.3 實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)

2.3.1 取樣方法

準(zhǔn)備氮?dú)獯祾哌^的注射器和針頭，取一個(gè)小的（如10 mL）樣品瓶，用橡膠塞塞住.通過一個(gè)針頭將氮?dú)庠催B接到樣品瓶上，另一個(gè)針頭作為出氣口，用氮?dú)膺B續(xù)吹掃樣品瓶.當(dāng)需要取樣時(shí)，將一支1 mL的注射器連接到出口針頭上，通過拉動(dòng)柱塞將注射器充滿氮?dú)?，再將其從出口針頭上拔出并排空.然后，快速將注射器再次連接到出口針頭上，重復(fù)大約5次.最后一次的注射器連同針頭一起拔出，并在插入反應(yīng)瓶的旋塞之前，將注射器中的氮?dú)馀趴?快速旋轉(zhuǎn)旋塞至開口狀態(tài)，將針頭插入反應(yīng)瓶中并取樣（0.3～0.5 mL即可）.結(jié)束后，迅速拔出針頭，關(guān)閉旋塞口.

2.3.2 反應(yīng)體系

嚴(yán)格控制反應(yīng)體系的無氧氛圍，避免在取樣時(shí)不小心將空氣引入Schlenk瓶中.需要強(qiáng)調(diào)的是：通氮?dú)饨Y(jié)束時(shí)，應(yīng)先將進(jìn)氣管從液面下移到旋塞口，快速旋轉(zhuǎn)旋塞關(guān)閉后，再移除氮?dú)獬鰵饪卺橆^.

2.4 思考題

（1）寫出常規(guī)自由基聚合的所有反應(yīng)步驟.ATRP中的附加步驟是什么？它們?cè)诳刂凭酆现械囊饬x是什么？

（2）為什么單體中的阻聚劑必須在聚合前除去？采用何種操作除去單體中的阻聚劑？

（3）完全轉(zhuǎn)化時(shí)GMA的目標(biāo)聚合度是多少？

（4）在67%單體轉(zhuǎn)化率下得到的聚合物的平均聚合度和分子量是多少？

（5）導(dǎo)出一級(jí)動(dòng)力學(xué)定律.線性相關(guān)性斜率的含義是什么？從中可以提取哪些有用的信息？證明計(jì)算繁瑣的ln（［M］0/［M］）與直接由核磁共振圖譜計(jì)算得到的函數(shù)ln（1-conv）完全相等.

2.5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排

實(shí)驗(yàn)教學(xué)分2個(gè)階段進(jìn)行：第一階段包括PGMA的合成和核磁監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)程，大約需要6課時(shí)；第二階段為聚合物分子量表征，大約需要4課時(shí).一堂實(shí)驗(yàn)課中每組參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)2～3人，按照同一合成路線，每人制備一個(gè)樣品，防止因?qū)W生操作差異導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確.

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將科研成果中較為成熟、難度適中的內(nèi)容轉(zhuǎn)化成學(xué)生可以實(shí)際操作的綜合性專業(yè)實(shí)驗(yàn).通過低催化劑濃度的ATRP技術(shù)合成聚甲基丙烯酸縮水甘油酯（PGMA），運(yùn)用NMR技術(shù)對(duì)聚合反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尺寸排阻色譜法測(cè)定聚合物的分子量和分子量分布寬度.不僅讓本科生鞏固了基礎(chǔ)知識(shí)，又將理論測(cè)試方法應(yīng)用于具體合成的高分子材料中.本實(shí)驗(yàn)具有綜合性、研究性、學(xué)科前沿及多種學(xué)科交叉性的多重特點(diǎn)，是對(duì)課堂知識(shí)的有效深化和擴(kuò)展.