CN105017447A - 对受控自由基聚合过程的改进控制 - Google Patents

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Abstract

本申请披露了一种用于在受控自由基聚合过程中改进温度控制的程序。该程序旨在通过一个或者多个端口向反应介质连续地或者间歇性地投入还原剂或者自由基前体，借此控制ATRP和NMP聚合程序中的持续自由基的浓度和RAFT聚合过程中自由基的浓度。

Description

对受控自由基聚合过程的改进控制
本申请是申请日为2010年06月21日、申请号为201080064282.1、名称为“对受控自由基聚合过程的改进控制”的发明申请的分案。
技术领域
目前广泛用于高性能功能材料合成的有三种受控自由基聚合(CRP)程序。它们分别是：原子转移自由基聚合(ATRP)、可逆加成断裂链转移(RAFT)和硝基氧调介聚合(NMP)。本发明披露了用于改进对针对可自由基(共)聚合单体的各种CRP过程控制水平的程序。这些改进集中在为这三种CRP程序定义对环境具有减少的影响的工业上可扩展的程序。在原子转移自由基聚合(ATRP)的情况下，改进的过程在低ppm的过渡金属催化剂络合物的存在下进行以及通过在还原剂/自由基引发剂的受控添加/激活的条件下进行反应来实现高度控制。在RAFT的情况下，通过在自由基引发剂的受控添加/激活的条件下进行反应来改进整体控制情况。在硝基氧调介聚合(NMP)中，聚合速率在自由基引发剂的受控添加/激活的条件下进行控制，以控制持续自由基的浓度。
发明背景
许多高性能材料，特别是多嵌段共聚物或复合结构，需要利用定义明确(well defined)的引发剂从官能单体可控地合成聚合物。[MacromolecularEngineering.Precise Synthesis,Materials Properties,Applications；Wiley-VCH:Weinheim,2007.]在许多应用中，为了实现最佳性能，这些材料还要求受控过程考虑到相分离域的大小和拓扑结构以及响应率测试动态。
获得定义明确的嵌段共聚物的方法由Szwarc于20世纪50年代[Nature1956,176,1168-1169]通过开发活性阴离子聚合而创建。这项技术最大的限制是其对杂质(水分、二氧化碳)甚至温和亲电体具有敏感性，这就限制了针对一部分单体的过程。反应介质和所有组分都必须在聚合前广泛地进行纯化，因此，要制备高纯度的功能嵌段共聚物或其他定义明确的聚合材料可能是很有挑战性的。然而，首次在学术环境中实施的阴离子聚合很快就适应了工业规模，并最终使得作为热塑性弹性体起作用的一些定义明确的共聚物(如聚苯乙烯-b-聚丁二烯-b-聚苯乙烯)得以大规模生产。[Thermoplastic Elastomers,3rd Ed.；Hanser:Munich,2004]
这样一项具有挑战性的技术对产业的快速适应可以通过下面的事实进行解释，那就是阴离子聚合是三十年多年来活性聚合工艺的第一个，以及确实是唯一的例子，它使得从很窄选择范围的乙烯基单体合成定义明确的高性能的材料成为可能，而这在以前是难以实现的。然而，基于具有许多应用中所需的性能的改性嵌段共聚物的材料是扩大阴离子聚合过程的主要推动力。[Ionic Polymerization and Living Polymers；Chapman and Hall,NewYork,1993,ISBN 0-412-03661-4.]
在20世纪70年代末到20世纪90年代初，发现了活性碳正离子聚合并对其进行了优化。[Adv.Polym.Sci.1980,37,1-144.]然而，这项程序如阴离子聚合一样对杂质具有敏感性以及这两项技术的可聚合单体的范围基本上都限于非极性乙烯基单体。
虽然早期进行了开发受控自由基聚合(CRP)过程的许多尝试，重要的进展却是在20世纪90年代中期取得的。CRP可以应用于官能单体的聚合，因此在温和的条件下制备许多不同的位点特异性官能共聚物/聚合物变得切实可行。[Materials Today 2005,8,26-33and Handbook of RadicalPolymerization；Wiley Interscience:Hoboken,2002.]从商业的角度来看，CRP过程可以在方便的温度下进行，并不需要广泛进行单体或溶剂的纯化以及可以本体聚合或者在溶液、水悬浮液、乳化液等中进行。CRP允许制备具有预定分子量、低多分散性和可控的组成，以及拓扑结构的聚合物。自由基聚合比离子聚合过程对官能团具有更大的耐受性以及可将范围更广的不饱和单体进行聚合，提供具有位点特异性功能的材料。此外，一般地对于离子聚合来说，由于离子聚合条件下单体的竞聚率差异较大，共聚反应具有挑战性，但是共聚反应利用基于自由基的CRP则会容易地进行。这提供了一个合成如下聚合材料的机会：所述聚合材料具有预定分子量(MW)、低多分散性(PDI)、可控的组成、位点特异性功能、选定的链拓扑结构以及复合结构，其可用来将生物或无机物种引入最终产品。
三种研究最多以及具有商业前景的用于控制自由基聚合的方法是硝基氧调介聚合(NMP)[Chemical Reviews 2001,101,3661-3688]、原子转移自由基聚合(ATRP)[J.Chem.Rev.2001,101,2921-2990；Progress in PolymerScience 2007,32,93-146.]以及通过可逆加成断裂链转移聚合(RAFT)的利用双硫酯的退化链转移[Progress in Polymer Science 2007,32,283-351]。这些方法的每个都依赖于在低浓度的活性增长链与占主要量的休眠链之间建立动态平衡，该休眠链作为一种延长该增长链的寿命的手段不会增长或者终止。
下文方案1所示的简单的四组分原子转移自由基聚合(ATRP)过程由Carnegie Mellon University的Matyjaszewski发现，以及Matyjaszewski和他的同事在许多专利和专利申请中已经披露了ATRP以及对基本ATRP过程的许多改进[美国专利号5,763,546；5,807,937；5,789,487；5,945,491；6,111,022；6,121,371；6,124,411；6,162,882；6,624,262；6,407,187；6,512,060；6,627,314；6,790,919；7,019,082；7,049,373；7,064,166；7,157,530以及美国专利申请序列号09/534,827；PCT/US04/09905；PCT/US05/007264；PCT/US05/007265；PCT/US06/33152、PCT/US2006/033792和PCT/US2006/048656](其全部以引用方式并入本文)。从出版物的数量看出，ATRP已经跃升为用于可自由基(共)聚合的单体的受控/活性聚合的优选过程。通常情况下，ATRP过程包括将作为催化剂起作用的过渡金属络合物用于可自由基(共)聚合的单体的受控聚合，所述单体来自具有一种或者多种可转移的原子或者基团的引发剂。合适的引发剂通常是附着至如下的被取代的卤代烷：具有其他非引发功能的低分子量分子、具有一种或者多种可转移的原子或者基团的低分子量引发剂或者大分子引发剂或者具有接枝的(tethered)引发基团的固体无机或者有机材料。过渡金属催化剂参与重复的氧化还原反应，借此，较低的氧化态过渡金属络合物(Mtn/配体)从引发剂分子或者休眠的聚合物链Pn-X均裂地移除可转移的原子或者基团，以在活化速率为ka、增长率为kp的活化反应中形成活性增长物种，之后较高氧化态过渡金属络合物(X-Mt n+1/配体)通过以kda的速率将可转移的原子或者基团(不一定是来自相同过渡金属络合物的相同的原子或者基团)供回活性链末端来使活性增长物种P● n失活。(方案1)
方案1.ATRP过程的一般机制
如配位聚合中那样，催化剂不结合至链末端，因此可以按相对于引发剂较低的化学计量用于受控/活性聚合过程。不过，由于自由基-自由基终止反应的结果，按方案1中速率＝kt进行，形成Pn—Pm死链以及过量的X-Mt n+1/配体。
在过去的十年中，利用ATRP制备的新型定义明确的聚合材料的范围的例子包含嵌段共聚物、支化聚合物、星型聚合物、聚合物刷和网状聚合物(其每个都具有可预先确定的位点特异性功能)以及杂化物(其具有无机材料或者生物共轭物)。然而，ATRP在广泛的商业性用途方面仍然是有局限性的。[Chem.Rev.2007,107,2270-2299.]不过，如果可以定义一个成本效益好的环保可扩展的过程，这些定制材料有潜力改进个人护理和化妆品、洗涤剂和表面活性剂、油漆、颜料和涂料、粘合剂、热塑性弹性体、生物相容性材料和药物递送***领域的众多商业产品的性能。
最初定义的正向ATRP过程要求在单体本体聚合反应中采用高催化剂浓度，往往接近0.1M，通常相对于单体的浓度范围从0.5％至1mol％，[Handbook of Radical Polymerization；Wiley Interscience:Hoboken,2002]，以克服持续自由基的ATRP等价物(X-Mt n+1/配体)不断积聚的影响。[Journalof the American Chemical Society 1986,108,3925-3927和Macromolecules1997,30,5666-5672.]要求在最初的ATRP反应中，甚至那些涉及更多活性催化剂络合物的反应中采用的高浓度催化剂，以克服由不可避免的自由基-自由基终止反应导致的较高氧化态催化剂的不可避免的浓度增加带来的影响。由于最终的反应产品包含1,000到10,000ppm之间的过渡金属络合物，由此产生的聚合物具有强烈的色彩以及可能具有轻度毒性。在大多数应用中，这种浓度的催化剂必须在使用前从最终聚合物中去除。除了有机溶剂的分离和回收之外，增加的与催化剂的吸附或者萃取相关的生产成本已经减慢了ATRP在工业上为了生产市场所需的材料而被接受的速度。工业相关性的另一问题涉及最近开发的高活性(即高还原性)ATRP催化剂的使用。在添加可快速氧化的催化剂络合物之前，往往需要特殊的处理程序以从这些***中去除所有的氧和氧化剂。这些净化过程中所使用的能源和/或对严格无氧***的需要使得化学废物产生，并增加了成本。这些都是制约ATRP商业应用的主要因素。
本发明的发明人连同ATRP的发明人之一K.Matyjaszewski取得的ATRP方面的最新进展已经披露于申请号为PCT/US2006/048656、公开号为WO 2007/075817的专利中，特此以引用方式并入，进一步包括并入上述专利中所披露的参考文件，以限定目前的ATRP工艺水平以及定义，以用于本发明所用的一些文字。在上述申请中，披露了用于ATRP的催化剂浓度可以通过添加还原剂或者自由基引发剂(其在整个反应过程中起作用以连续地从聚积的较高氧化态失活剂再生成较低的氧化态活化剂)降至1-100ppm，方案2。并入的参考文件中所列的一些合适的还原剂包含：亚硫酸盐，重亚硫酸盐，硫代亚硫酸盐，硫醇，羟胺，胺类，肼(N2H4)，苯肼(PhNHNH2)，腙，对苯二酚，食品防腐剂，类黄酮，β胡萝卜素，维生素A，a-生育酚，维生素E，没食子酸丙酯，没食子酸辛酯，BHA，BHT，丙酸，抗坏血酸，山梨酸酯，还原糖，包含醛基的糖，葡萄糖，乳糖，果糖，右旋糖，酒石酸钾，亚硝酸酯，亚硝酸酯，糊精，醛类，甘氨酸和许多抗氧化剂。
方案2.利用电子转移再生活化剂的原子转移自由基聚合(ARGET ATRP)的拟议机制
ATRP中的这种改进因为活化剂通过电子转移连续地再生被称为ARGET ATRP。在方案2中，通过添加还原剂进行再生，但是失活剂也可以通过在称为ICAR(引发剂连续再生活化剂)ATRP的过程中添加自由基引发剂得以还原。
这些新型的引发/催化剂再活化程序允许将促进受控ATRP以获得高转化率所需的催化剂的量从传统ATRP中采用的10,000ppm降至某些情况下的10ppm或者更少，其中催化剂的去除或者回收对于许多工业应用来说将是不必要的。
此外，ARGET/ICAR ATRP过程可以开始于具有氧化稳定性、容易处理和储存的CuII物种，因为其可原位还原至CuI态。此外，所披露的ICAR/ARGET ATRP过程中的控制水平基本上不受过量(相对于引发剂，仍然是少量)的还原剂的影响，如果所述还原剂在有限量的空气的存在下被氧化/当所述还原剂在有限量的空气的存在下被氧化时，仍连续再生较低的氧化态活化剂。[Langmuir 2007,23,4528-4531.]
正向ATRP中的链端功能可能通过自由基-自由基终止反应的组合以及通过增长的自由基和催化剂络合物(CuI(将自由基氧化为碳正离子)或者CuII物种(将自由基还原为碳负离子))之间的副反应丧失。因此，新型ARGET/ICAR催化***的另一个重要特征是由于采用低浓度的过渡金属络合物，副反应得以抑制/减少。ICAR和ARGET ATRP中基于催化剂的副反应的减少使得可以合成分子量较高的聚合物和具有较高链端功能的聚合物，这可以允许制备纯的，确定是更纯的嵌段共聚物。
设想中，这是一项简单有效的程序。
在申请PCT/US2006/048656中，以单一添加的方式向反应中添加了再活化剂以及在过量还原剂的存在下通过通过连续调整KATRP对反应施加了控制。对于常见的单体，例如甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(nBA)、苯乙烯(St)和丙烯腈(AN)，以实验室规模10-50mL Schlenk烧瓶实现了成功聚合。报道了从常见的单体(例如MMA、nBA、MA和St)成功合成了嵌段共聚物。
上段中的关键短语披露了定义改进程序的创新型工作执行的规模：10-50mL。当PCT/US2006/048656中披露的程序扩大规模时，本申请所做的改进伴随的一些关键性的过程缺点便变得明显：
a)反应缓慢(特别是对于甲基丙烯酸酯、苯乙烯)；
b)需要放热过程(特别是对于丙烯酸酯)；
c)需要精确的温度控制；
d)用于扩大过程规模和自动化的信息有限。
本文披露了克服这些限制(特别是在规模较大时)的程序。事实上，在本发明的一个实施方式中披露了受控自由基聚合方法，其中对还原剂/自由基引发剂的添加速率进行连续调整，允许单体到聚合物的转化率超过80％、优选地超过90％以及最佳地超过95％。
发明概述
本发明所述的聚合方法的一个实施方式是为了在聚合介质的存在下使可自由基聚合的单体发生聚合，所述聚合介质最初包括至少一种过渡金属催化剂和原子转移自由基聚合引发剂。该聚合介质可另外包括还原剂或者自由基引发剂。应当向反应介质中添加足够的配体，以对该过渡金属催化剂的溶解性和活性进行改性。一种或者多种还原剂或者自由基引发剂可以连续或者间歇性的方式在最初或者聚合方法进行期间添加或者以间歇性的方式活化。该聚合方法可进一步包括使还原剂与进一步包括自由基可转移的原子或者基团的处于氧化态的过渡金属催化剂的至少一种发生反应，以形成不显著参与所述聚合方法的控制的化合物。氧化态为零的过渡金属可以用作还原剂。
所披露的方法的另一实施方式是为了对NMP中持续自由基的浓度进行连续控制。在该实施方式中，将以连续或者间歇性的方式向反应添加的引发剂的分解速率选定，以与自由基/自由基终止反应的速率相匹配，否则，所述反应会提高稳定的自由基的浓度并降低增长率。
所披露的方法的进一步的实施方式涉及RAFT聚合。在RAFT聚合中，聚合速率受所添加的引发剂的分解速率的控制。通常地，所有的引发剂在反应开始时向反应中添加，以及如果在反应的每个阶段在聚合容器的整个范围内反应温度得不到很好的控制，这可能导致引发剂分解速率提高。如前文针对ICAR ATRP所述，引发剂的连续添加和反应温度的监控提供有关引发剂的添加是否应当停止以及应当何时停止的信息，以保持对反应的控制。
本发明所述的聚合方法的实施方式包含本体聚合过程、在溶剂中进行的聚合过程、从固体表面进行的聚合过程、双相聚合过程(包含乳液聚合过程、细乳液聚合过程、微乳液聚合过程、反相乳液聚合过程和悬浮聚合过程)。在这种双相聚合过程中，该聚合方法可进一步包括至少一种悬浮介质、表面活性剂或者反应型表面活性剂，以及单体相包括所述可自由基聚合的单体的至少一部分。
必须指出的是，如本说明书以及所附的权利要求书中所用，“一种”、“和”、“以及”、“该”、“所述”等表达形式包含复数指称，除非文意另有明确规定。因此，举例来说，当提到“一种聚合物”时，它可包含一个以上的聚合物或者共聚物。
除另有说明外，本说明书和权利要求书中所用的所有的用来表达成分、时间、温度等的量的数值应理解为在所有的情况下通过术语“约”进行修饰。因此，除另有相反的说明外，下文的说明书和权利要求书中所述的数值参数都是近似值，其可根据本发明欲获得的所需属性而变化。至少，但是并不是企图限制对权利要求书范围适用的等同原则，每个数值参数都应当至少根据所报道的有效数的数值并通过采用普通的四舍五入法来进行解释。
尽管限定本发明宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体例子中阐述的数值尽可能准确地进行了报道。然而，任何数值可固有地包含某些误差，这些误差由其各自的测试测量中所发现的标准偏差必然导致。
应理解的是，本发明不仅限于本文披露的具体组合物、组分或者方法步骤，因为这些有可能发生变化。还应理解的是，本文所用的术语其目的仅仅在于对具体的实施方式进行说明，而并不是进行限制。
披露的这些程序提供一种通过对CRP中存在的活化剂/失活剂的比率、持续自由基的浓度或者引发剂的浓度施加连续控制而使聚合过程优化和自动化的手段。
披露了“饥饿态进料/活化”方法，该方法的优点包括：
a)催化剂和自由基引发剂或者还原剂的用量较低，
b)对精确温度控制的需求减少，
c)反应温度较高，这使得在较短的时间内实现较高的转化率，而溶剂的用量则较少，
d)有可能实现整个过程的自动化，以及
e)为了放热聚合反应，开发了具有安全性的可扩展过程，虽然仍然需要排热。
将拟议***(proposed system)用于CRP所产生的扩展功能将可以降低产品的纯化成本，大大减少废物量并通过提供附加装置控制反应温度而提高安全性。此外，可以通过考虑反应介质的粘度和所添加的还原剂的扩散速率来连续调整还原剂/自由基引发剂的添加速率，以允许单体到聚合物的转化率超过80％、优选地超过90％以及最佳地超过95％。
在下文的实施例和实施例的讨论中，ATRP用作示例性的CRP，但是所披露的程序可适用于上文所述的NMP和RAFT。
附图说明
下面的附图对所披露的方法的各方面进行了举例说明，但并不是将所述方法的范围限制为所讨论的例子。
图1.nBA的ARGET ATRP期间1L间歇式反应器内的温度变化。实验条件：60℃本体中nBA/DEBMM/CuBr2/TPMA/Sn(EH)2＝500/1/0.025/0.1/0.1。
图2.一系列反应条件下MMA聚合的计算机模拟采用的参数。
图3a-3c.用于MMA的ICAR ATRP的新型“进料”方法的第一计算机模拟的结果。(a)动力学绘图；(b)分子量和PDI与转化率的相关图；以及(c)GPC痕量。模拟进行的实验条件：90℃本体中MMA/DEBMM/CuIIBr2/TPMA/AIBN＝500/1/0.025/0.025/0.05，进料时间10h。
图4：实施例C1的转化率、MW和GPC曲线。
图5：实施例C2的转化率、MW和GPC曲线。
图6：实施例C3的转化率、MW和GPC曲线。
图7：实施例C4的转化率、MW和GPC曲线。
图8：实施例C5的转化率、MW和GPC曲线和温度分布变化图。
图9：靶向MMA的低度聚合的聚合图。
图10：靶向MMA的高度聚合的聚合图。
图11：丙烯酸正丁酯聚合的计算机模拟。
图12：实施例2A的转化率、MW和GPC曲线。
图13.利用V-70的nBA ICAR聚合。
图14.运行08-006-194的温度分布变化图。
图15：苯乙烯ICAR聚合。
图16：St聚合(高DP)，过程自动化。
图17：St聚合动力学(高DP)。
发明详述
如上所述，即使ICAR和ARGET ATRP成功地应用于实验室规模的聚合材料制备，但是当进行规模较大的合成时仍遇到意想不到的问题。通过下文涉及ICAR***规模扩大的讨论对这些问题进行示例性说明，但是所述问题也是ARGET ATRP、RAFT和NMP***的相关问题。
a)需要在整个反应介质中进行精确的温度控制-如果做不到的话，温度的上升将导致该***中存在的自由基引发剂以更快的速度分解并使所有的CuII到CuI物种减少。该***中CuII失活剂的损耗导致聚合不可控，除此之外，还导致温度升高(temperatureexotherm)。而且，放热聚合反应中的温度控制在大规模的聚合程序是具有挑战性的，这是因为在粘度逐增的介质中传热过程效率低下。在标准的自由基聚合***中，粘性聚合物溶液可导致特罗姆斯多夫效应。
b)图1显示以1L规模利用ARGET ATRP进行nBA聚合期间遵循反应温度的温度分布变化图。将搅拌的反应混合物加热至60℃，但是由于放热聚合过程，烧瓶内温度升至80℃以上。由于过热，该聚合没有得到很好的控制。这表明，内部冷却(例如冷却旋管)的使用可能在将温度均匀保持在2-3℃温度范围之内方面不够高效。
c)反应时间长：-原因是讨论ICAR/ARGET的出版物以及其他CRP***中所用的温度较低。温度较低的目的是允许缓慢生成自由基(ICAR)或者使所添加的还原剂与反应开始时已经添加的CuII络合物缓慢反应，这导致反应时间比经济工业过程要求的要长。
d)较低的温度还增加了该***的粘度并将可以聚合的单体的范围限制为高转化率，例如，形成具有接近或者低于反应温度的玻璃化温度Tg的聚合物的单体以高转化率达到玻璃态以及失去控制。
e)全过程自动化缺乏易行性-如图1所示，利用目前的实验装备的情况下，没有简单的使ICAR/ARGET ATRP自动化的方法以及过量自由基引发剂的存在要求进行良好的温度控制。
f)虽然催化剂和自由基引发剂(或者还原剂)的用量较少，铜催化剂和自由基引发剂的量仍需要进一步减少。
g)聚合物的可得分子量(MW)受限。对于许多应用，制备高MW聚合物(即片段高于链缠结MW的聚合物)是必不可少的，因此，使增长的自由基和催化剂之间的限制可获得的MW的“副”反应的影响最小化是非常重要的。ARGET和ICAR技术可以通过采用低催化剂浓度部分地解决这个问题，但是与过渡金属、配体和还原剂相关的上述副反应问题必须通过进一步降低一种或者多种试剂的浓度得以解决。
披露的新方法将缓解/解除上述所有的限制。
上述新方法依赖于通过以受控速率向聚合混合物投入自由基引发剂(或者还原剂)以及可选地利用多个添加端口以在整个反应介质中均匀地分布试剂，对ICAR/ARGET ATRP期间的CuII/CuI比率；或者RAFT聚合中的自由基瞬时浓度；或者NMP过程中存在的持续自由基目标浓度进行的精确连续控制。进料发生的速率应当使得添加的或者生成的自由基引发剂(或者还原剂)的量可以适当地补偿自上次添加起已经发生的所有的终止反应以及仅仅将适量的CuII转化为CuI(方案3a)。因此，进料的任何时间添加的自由基引发剂或者还原剂的量应当约等于自前次添加形成的终止链的数量(方案3b)。
方案3a)用来计算终止链数量的方程式。
方案3b)显示在还原剂或者自由基引发剂的饥饿态进料条件下，受控原子转移自由基聚合要求的示意图。
如本文所披露，如果在反应的整个过程中缓慢添加引发剂或者还原剂，“过量的”活化剂的量得到控制以及分解速率或者还原率的任何增长得以避免。如果反应温度上升，停止添加使反应最终停止。合适的还原剂披露于并入的参考文件中。
与目前的ARGET和ICAR程序相反，在单一添加中所添加的引发剂的量应当小于将反应器中存在的所有CuII还原为CuI所需的化学计算量。这将通过任何时间反应器中非常少量的残余引发剂(或者还原剂)的存在或者活化来完成。投入反应器或者生成的引发剂的量应当与自前次添加/活化起发生的终止反应的量相匹配。如果由于热交换差或者局部过热而使得温度局部升高，CuII到CuI的过量还原量因此很容易地包含在并仅仅限于反应介质中局部存在的引发剂的量。因此，将会在整个过程期间向***投入或者瞬时生成仅仅所需量的还原剂/引发剂，同时限制温度波动对CuII到CuI的还原率的影响，而不是在反应开始时添加全部量的引发剂/还原剂并依靠对该引发剂分解速率的偶然控制来保持控制。
如果这些条件得到满足，聚合过程期间还原剂或者自由基引发剂的“饥饿态条件”将实现以及将产生所需的CuII比CuI的恒定比率。量足够高的CuII是受控ATRP过程中生产具有分子量窄分布的共聚物/聚合物的必要条件，方程式1。
在该过程的一个实施方式中，获得所需的CuII/CuI比率之后，只有非常少量的自由基引发剂(或者还原剂)将瞬时存在于任何体积分数的聚合***中。结果，CuII/CuI的比率将被保持在适当的范围之内，以产生具有分子量窄分布的聚合物，方程式1。
所述新型“进料”方法由于将聚合***中自由基引发剂(或者其他还原剂)的瞬时浓度保持得非常低而具有以下几个优点。
a)无需精确的温度控制-唯一的需要将是保持足够高的温度，以快速地分解所添加的自由基引发剂，同时仍然允许添加之后有足够的时间在目标体积的反应混合物整个范围内分布引发剂。可以将多个添加端口用于较大规模的工业设备，以使活化剂向反应介质的各个部分扩散所需的时间最小化或者仅仅将足以分解所需量的光敏引发剂的光通过脉冲导入(pulse into)反应器。
b)放热反应过程安全-放热反应的影响将由于自由基引发剂(或者还原剂)的瞬时浓度非常低而减小，因为添加量极小的引发剂/还原剂不能压倒反应器中存在的过量CuII。这意味着，在没有添加引发剂/活化剂时，只有受控ATRP反应可以发生，而这种反应在终止反应导致CuII浓度增加的情况下将放慢速度，因为过量的CuII具有提高任何增长自由基链的失活率的作用。
c)反应时间较短-由于采用较高的反应温度，反应速度会快得多，因为在温度远远超过终止反应温度时，增长率常数增大，从而保持了高摩尔组分的“活性”链。较高的反应温度还导致在任何具体的转化率情况下，***的粘度较低，因此可以促使反应获得较高的转化率以及制备分子量较高的聚合物。单体到聚合物的转化率可以因此超过80％，优选地超过90％以及最佳地超过95％。
d)有可能全面自动化-由于在任何情况下聚合介质中只存在极小量的自由基引发剂(或者还原剂)，一停止进料/活化，反应也便停止。因此，聚合速率通过控制自由基的生成速率而得以控制，其中所述自由基的生成速率受到自由基引发剂分解(或者还原剂浓度)的控制，以及通过引入反馈回路，在任何紧急情况下简单地停止聚合反应，其中所述反馈回路停止自由基引发剂、还原剂的添加或者停止对添加的光敏引发剂进行的活化。
e)引发剂/还原剂的连续进料使得自由基引发剂的稳态残余浓度最小化，从而减少了基于引发剂的副反应。
f)反应中过渡金属和配体的需求量较低。ARGET和ICAR聚合中通常使用过量的配体，以消除单体/过渡金属络合物形成的可能性。
g)根据单体的类型和温度，通过提高CuI/CuII比率和kp可能对PDI进行控制。
h)由于保持了较高的链末端功能，可以一锅合成嵌段共聚物。
下文实施例所用的缩写：
ATRP    原子转移自由基聚合
ARGET   电子转移再生活化剂
ICAR    引发剂连续再生活化剂
DEBMM   二乙基2-溴基-2-丙二酸二甲酯
BrPN    2-溴丙腈
TPMA    三(2-吡啶甲基)胺
AIBN    2,2'-偶氮二(2-甲基丙腈)
V-70    2,2'-偶氮二(4-甲氧基-2.4-二甲基戊腈)
实施例和实施例的讨论
下文详述的扩大ARGET/ICAR ATRP的规模的最初尝试期间，很显然，随着反应规模的增长，要控制的变量的数量比最初预想的明显要多。因此，为了为用于ICAR ATRP的新型“进料”方法限定最佳的聚合条件，生成关于自由基引发剂的进料速率的一组参数是至关重要的，该组参数将单体的具体类型、反应温度、自由基引发剂的类型、所有试剂的浓度和比率等考虑在内。进行动力学建模，以选择达到合成目标的初始条件并了解在许多不同的条件下影响控制的因素。此外，考虑在内还有一些附加参数，例如投入溶液中的引发剂扩散速率、与反应器设计相关的传热、已知转化率下聚合物溶液的粘度以及其他。
通过用单一源的添加还原剂以1L的规模进行实验对关键过程因素的计算机建模生成的潜在起始点进行了研究。对所有这些因素都进行了仔细研究，以在聚合过程中实现良好的控制，并提供进一步扩大至产业规模设备所需的动力学数据。
计算机模拟
借助计算机对用于ICAR ATRP的新型“进料”方法的合成条件进行了建模。可媲美的软件已成功地应用于许多聚合***，包括正向和ICAR ATRP[Macromolecules 2007,40,6464-6472.]并允许相对时间或者转化率对反应中所有物种(包含中间体)的浓度进行精确的计算。它还允许人们对所有聚合物种的分子量分布情况进行估算。将所有所需的参数，例如速率常数、所有反应物的初始浓度和自由基引发剂的进料速率，输入车间软件辅助设备。计算机模拟易操作并且可以在短时间内完成，因此可以对一大批不同的变量进行研究，以优化用于示例性ICAR ATRP的新型“进料”方法。
下文讨论具体单体的典型变化。在ICAR中，要获得对聚合过程的良好控制，将自由基引发剂(RI)的进料/生成速率与其他参数(温度、自由基引发剂的类型等)相互关联是至关重要的。
甲基丙烯酸甲脂聚合的计算机模拟
图2显示用于计算机模拟的初始组参数，所述计算机模拟针对的是在靶向不同DP的一系列温度下，利用两种不同的自由基引发剂的连续进料而进行的MMA聚合。来自拟议方法的初始模拟的初步结果表明，这种过程条件评估方法是可能的。
用于ICAR ATRP的新型“进料”方法的一个示例性非限制性实施例中在温度T的条件下于本体中，Cu量为50ppm，试剂的一般比率如下：M/R-X/CuBr2/配体/RI＝X/l/0.01/0.01/0.05(其中M指单体，R-X指卤代烷引发剂，RI指自由基引发剂，X＝100，500)。在该聚合***中，将可购得的三(2-吡啶甲基)胺(TPMA)用作示例性的初始配体以及将二乙基2-溴基-2-丙二酸二甲酯(DEBMM)用作示例性的卤代烷引发剂。还评估了其他催化剂和引发剂。以两种不同的速率将RI投入反应介质并将目标反应时间设定为6h或者24h。
因此，利用50ppm的Cu量以及如下的试剂比率，在本体中执行利用新型“进料”方法的MMA聚合的初始组模拟：MMA/DEBMM/CuIIBr2/TPMA/RI＝X/l/0.01/0.01/0.05。采用两种不同的自由基引发剂：2,2'-偶氮二(2-甲基丙腈)(AIBN)，10h半衰期分解温度65℃)；以及2,2'-偶氮二(4-甲氧基-2.4-二甲基戊腈)(V-70)，10h半衰期分解温度30℃)。对利用AIBN(70、80、90℃)和V-70(45、55、70℃)作为自由基引发剂的聚合采用不同的温度。它们提供相应的半衰期分解时间：300、70、20min；以及60、15、3min。将选定两种不同的聚合度(DP＝X＝100，1000)，以便涵盖利用所述新型方法可得的典型范围的分子量。自由基引发剂的进料速率将设定为6h和24h作为最终时间。
反应中，自由基引发剂溶液的进料总体积小于单体体积(反应体积)的10％，也就是说，当添加所述引发剂的稀释溶液时，添加的溶剂总量将在限制范围之内，所述限制范围与本体聚合中“单体”的去除相关联。最终目标是为一系列的丙烯酸脂单体的聚合提供条件。
人们期望，可以采用一大批的I型和II型光引发剂并将通过模拟检测刺激速率/强度的影响。
设计以为聚合反应提供起始条件的其他模拟检测了用于过渡金属络合物的自由基引发剂或者还原剂的周期性添加/形成并研究了一系列包括如下的参数：
●单体类型(增长和终止以及活化和失活的不同速率常数将适用于不同类型的单体和催化剂)。苯乙烯、丙烯酸正丁酯和甲基丙烯酸甲脂是三种初始的示例性单体，因为它们涵盖了三类最大的自由基聚合单体。
●自由基引发剂类型(不同的分解速率常数，还根据温度)。
●催化剂类型(不同的活化和失活速率常数)。
●聚合度(DP)(低MW和高MW)。
●温度(自由基引发剂分解速率和其他所有速率常数的变化)。
●自由基引发剂/活化剂的进料速率和方法(慢、快和周期性)。
其他参数(例如试剂比率和浓度)初始保持为常数，但是后来也发生变化，以使铜和引发剂的量最小化以及优化聚合速率。
图3显示通过用于ICAR ATRP的进料方法制备的PMMA的模拟动力学绘图、分子量和多分散性(PDI)与转化率的相关图；以及GPC痕量。图3中所示的结果是针对如下实验条件所做的模拟的结果：90℃本体中MMA/DEBMM/CuIIBr2/TPMA/AIBN＝500/1/0.025/0.025/0.05，在10h的进料时间内添加恒定浓度的引发剂。线性动力学、对分子量的良好控制、低PDI和单峰分子量分布表明聚合可以得到很好的控制。
利用甲基丙烯酸甲脂、丙烯酸丁酯和苯乙烯作为示例性的单体进行一系列的模拟。针对这三种单体的初始系列的模拟所得的结果为1L反应器中进行的反应提供了起始点。基于实验结果，模拟中可以进行一些附加改变，以充分优化所研究的聚合***。
将利用光敏引发剂进行一系列类似的模拟，以确定自由基形成速率是否可以通过受控光刺激得以控制。
将利用还原剂进行一系列类似的模拟，以确定ARGET ATRP是否可以在“饥饿态”进料条件下进行并改进控制情况。
聚合实验
在配备有加热套、机械搅拌器和热电偶的Ace Glass反应器中以1L的规模，针对三种代表性的单体(MMA、nBA和St)执行利用用于ICAR ATRP的新型“进料”方法的聚合实验。正如在发明背景部分所讨论以及如图1所示的那样，在这种规模的反应中，与传热和粘度以及放热性相关的具有挑战性的问题变得突出。这些因素没有被计算机建模软件考虑在内。因此，在实际的ICAR ATRP实验例中，为了充分优化所述的新型“进料”方法做了一些调整。
然而，最初的时候，在通过计算机模拟初始优化的条件下，对每种单体进行了聚合。为了进一步提高对所述聚合的控制，另外进行了调整。下文针对每种单体对这些调整做了详细说明。
下文所列的运行次数用于实验的内部追踪，并没有任何进一步的意义。
对比实施例C1：
将Sn(EH)2作为还原剂的MMA ARGET ATRP：运行07-004-83。规模：于1L反应器中。
条件：DMF(相对MMA，0.05的体积当量)中MMA/DEBMM/CuBr2/TPMA/Sn(EH)2＝2200/1/0.015/0.06/0.1，(7ppm的Cu)，温度＝65℃。
65℃时在本体中进行聚合。反应得到了很好的控制，Mn接近理论值而PDI较低。图4显示实验期间所取的聚合物样品的反应动力学和GPC结果。27.6h之后，聚合物的最终聚合度(DP)是890，以及Mn(GPC)＝90,000而多分散性为1.17。低分子量的小谱尾在GPC痕量上是可见的。
对比实施例C2：
在实施例C1中制备的聚合物链延长：运行07-004-84。规模：25mLSchlenk烧瓶。
条件：苯甲醚(相对St，0.1的体积当量)中St/PMMA/CuBr2/TPMA/Sn(EH)2＝5000/1/0.02/0.06/0.2，(4ppm的Cu)温度＝80℃。(07-004-83作为大分子引发剂)。
图5显示实验的反应动力学和GPC结果。实验期间所取的聚合物样品的GPC结果表明，实施例C1中利用St形成的PMMA大分子引发剂的链延长没有完全成功。可以得出这样的结论，尽管大分子引发剂的PDI窄，但是链端功能不是非常高，4000min的反应之后，一些大分子引发剂仍然没有链延长，这导致双峰分子量分布。
低链端功能的一个原因是增长的自由基到Sn(EH)2的转移反应，这表明已经采用不同的还原剂，以便合成具有高分子量和高链端功能的PMMA。
对比实施例C3：
利用AIBN作为自由基引发剂的MMA ICAR ATRP。运行：07-004-85。规模：1L反应器。
条件：苯甲醚(相对MMA，0.03的体积当量)中MMA/DEBMM/CuBr2/TPMA/AIBN＝2400/1/0.02/0.025/0.15，(8ppm的Cu)，温度＝55℃。
图6显示实验期间所取的聚合物样品的反应动力学和GPC结果。在这个对比实施例中，在AIBN而非Sn(EH)2的存在下，55℃本体中进行MMA的聚合，以避免实施例C2所述的链延长反应期间明显的到Sn(EH)2的转移反应。45.5h反应之后，聚合物的DP是894，以及MW为89,500，Mn接近理论值而PDI较低，这表明聚合得到了很好的控制。GPC痕量上没有可见的谱尾，这表明聚合过程期间没有发生转移反应。
对比实施例C4：
实施例C3中制备的聚合物链延长。运行：07-004-89。规模：25mLSchlenk烧瓶。
条件：苯甲醚(相对St，0.1的体积当量)中St/PMMA/CuBr2/TPMA/Sn(EH)2＝5000/1/0.02/0.06/0.2，(4ppm的Cu)，温度＝80℃，时间＝40.2h。样品C3，07-004-85作为大分子引发剂。
图7显示实验期间聚合物样品的反应动力学和GPC结果。利用St的PMMA C3链延长是成功的。PMMA C3的链端功能比PMMA C1中的高得多，延长之后没有观察到双峰分子量分布，实验期间所取的聚合物样品的GPC痕量上仅仅可见小的谱尾。这一结果证明，PMMA C1低链端功能的一个原因便是到Sn(EH)2的转移反应。这表明，为了获得具有较高链端功能的PMMA必须采用ICAR ATRP或者基于非过渡金属的还原剂。
对比实施例C5：
将AIBN作为自由基引发剂的MMA ICAR ATRP。运行：08-006-48。规模：于1L反应器中。
条件：本体(苯甲醚作为内部标准)中MMA/DEBMM/CuBr2/TPMA/AIBN＝2400/1/0.025/0.03/0.2，(10ppm的Cu)，温度＝55℃，时间＝41.6h。
图8显示实验期间所取的聚合物样品的反应动力学和GPC曲线。这表明，最终聚合物的DP为1414以及Mn(GPC)为141,600。开始时，聚合得到了很好的控制。样品3的最终PDI比样品2的稍高，但是当试图得到较高的转化率时碰到了显著的温度波动，这表明已经对烧瓶加热太长时间而导致聚合不可控。这是低温条件下玻璃态聚合物溶液高粘度的后果。虽然获得了高分子量，但是由于聚合溶液过热产生固体玻璃态聚合物并导致搅拌棒破碎，链端功能可能较低。
实施例1.甲基丙烯酸甲脂(MMA)的聚合
首先利用用于ICAR ATRP的新型“进料”方法进行MMA的聚合。从计算机建模中选择最好的聚合条件并在1L规模的反应器中测试。利用一个热电偶监测该反应器内的温度，并于该反应器外以及该反应器的器壁和加热套之间设置第二热电偶，以提供有关在该反应中达到的温度控制水平的附加信息。所述两个热电偶之间温度差异可与该***中的传热效率相关。传热效率可因粘度而变化显著并将影响聚合控制。
计算机建模没有考虑在内的另一因素是自由基引发剂投入粘性溶液中其扩散速率。自由基引发剂应当在显著的分解发生之前均匀地分布。为了对这点进行研究，在聚合的不同阶段(当溶液的粘性逐渐变大时)，将注入有色染料并将评估其分布时间(可视地和/或通过分光镜)。该研究的结果将提供在大规模的反应器中进行最佳控制所需的关于注入部位分布的信息。
利用拟议方法的MMA聚合
将计算机模拟的结果作为起始点用于10个测试反应。确定的是，为了获得受控聚合必须使用过量的配体。聚合显示了线性动力学以及分子量接近理论值。然而，当靶向低DP时，PDI仍然相当宽泛，图9。然后利用披露的进料方法执行附加反应，以优化PMMA的合成。初始实验期间的结果和观察情况表明，结果不佳，即PDI宽泛的原因是ICAR ATRP***中DEBMM的引发效率非常低，来自引发剂的信号甚至在几个小时的反应之后仍然可见于GC痕量上。对于高DP聚合物，分子量低于理论值以及PDI最初随着转化降低，但是在转化率高时升高(图10)。另一个观察是聚合混合物随着反应时间推进而变得模糊不清。这很可能是大多数聚合反应末失控的原因。确定的是，选定的ATRP引发剂(DEBMM)是副反应以及浓度非常低的铜催化剂失去稳定性的主要原因。
因此，在AIBN进料的ICAR ATRP中对一种更有效的引发剂BrPN进行了检测并且获得了良好的结果。
在利用MMA进行第一批反应之后，将实验结果和模拟结果进行了比较。差异可能归因于***中的传热效果、粘度、引发剂扩散、杂质和空气量。这些观察表明，反应器应当配备机械搅拌器。为了进一步减少与扩散和传热相关的问题，反应可以(用单体或者溶剂)稀释并在转化率较低时停止(未反应的单体(稀释液)可以回收再利用)。为了优化反应条件，利用单一源的添加引发剂以这个规模进行了附加实验。调整的参数包含：温度、目标DP、自由基引发剂的进料速率、试剂的浓度以及Cu催化剂的量。
实施例2.丙烯酸正丁酯的聚合
用于丙烯酸正丁酯聚合的计算机模拟：
建立与图2所示类似的计算机模型，然后执行针对丙烯酸正丁酯(nBA)的聚合模拟。该模拟的主要目标是通过改***件中的一些不同的参数、自由基引发剂的类型、聚合度DP、自由基引发剂的进料速率，发现用于实际聚合实验的起始条件。
利用引发剂/活化剂的可控进料的新型聚合方法的目标之一是尽可能快地进行聚合反应，同时仍然具有受控过程。如在PMMA的情况下，PnBA模拟结果的评估基于这些因素并引入了新的评估尺度。由于nBA型单体的反应较快，该尺度与用于MMA的尺度略有不同。
相对控制等级说明：
优异：少于6h反应之后，转化率>99％以及PDI<1.15以及功能>98％，并表现出线性动力学。
良好：少于10h反应之后，转化率＝95-99％或者PDI＝1.15-1.20或者功能＝95-98％，
一般：少于20h之后，转化率＝80-95％，PDI＝1.20-1.25或者功能＝85-95％，
不佳：少于20h之后，转化率<80％或者PDI>1.25或者功能<85％。
为每次模拟聚合进行了所有的速率和速率常数调整，如下文所列的表1中所示。
表1.
在几乎所有的情况下，产生的聚合物具有低PDI、高链端功能和接近理论值的分子量。对于大多数反应(甚至对于高DP)，观察到了高聚合速率，但是因为观察到的是非线性动力学，所以这里大多数模拟的等级定为良好。总之，利用新型“进料”方法进行的nBA聚合模拟是成功的并发现了最佳的条件；例如，模拟25、25b，(见图11)26-29、31、33、37-43、45、47。总的来说，当采用较低或者较高温度、不同的由基引发剂或者不同的进料速率时，在对聚合的控制方面并没有显著的不同。正如所料，采用V-70、采用较高温度或者较快的进料速率时，反应更快。为丙烯酸酯进行自由基引发剂进料产生的积极作用比下文讨论的为MMA或者St产生的好得多。当没有应用进料时(模拟25a)，nBA的聚合是不受控(高PDI)，图1。
将利用计算机软件模拟优化的条件用于1L规模的实验。这些针对nBA的实验期间所得的结果如下文所报。
实施例2A：通过饥饿态进料ICAR ATRP的PnBA制备
从建模阶段选择四种最好的聚合条件并首先在1L规模的反应器中进行测试。实验装置与MMA***相比有一处不同；反应器配备有为安全起见所需的冷却旋管-因为丙烯酸酯的反应放热更甚。正如发明背景中所讨论的，我们预计“饥饿态”进料方法的放热效应要少得多。调整的参数为：温度、目标DP、自由基引发剂的进料速率、试剂的浓度以及Cu催化剂的量。
运行：08-006-57
规模：1L反应器
条件：本体(苯甲醚作为内部标准)中nBA/DEBMM/CuBr2/TPMA/AIBN＝2000/1/0.02/0.04/0.04，(10ppm的Cu)，温度＝90℃，时间＝7.5h。
含于15ml甲苯的34.5mg AIBN的AIBN溶液其添加速率为2ml/h，与ATRP引发剂的添加量相比，这等于添加0.01当量AIBN/h。反应器中液体的初始体积是840ml。3h 10min之后，在温度分布变化图中标出放热反应，停止AIBN的添加，以及启动冷却水。冷却持续1min，然后停止。反应温度缓慢恢复至90℃以及4h之后以减小的速率1ml/h重新开始添加AIBN溶液，观察到没有发生进一步的放热反应。71/2h之后停止反应。
该实验的反应动力学和GPC结果如图12所示，这表明最终聚合物具有DP 700、Mn(GPQ)89,900以及最终PDI 1.26。
最关键的观察是，聚合温度得到了很好的控制以及与图1所示的结果对比，该反应由于在初始3h时间段内添加的AIBN的绝对量低而没有过量地放热以及当引发剂的瞬时浓度因终止反应而超过形成的CuBr2/TPMA催化剂的浓度时，产生的放热可以通过停止添加引发剂而随时得到控制。粘度增加导致转化率较高时终止速率较低，这要求以较低的速率添加AIBN。
因此，在这个实施例中，确定了引发剂的“饥饿态”进料概念确实提供了改进的控制。
实施例2B.nBA的聚合
将来自模拟37的聚合条件作为起始点，用于70℃采用V-70进料的运行08-006-194。聚合在开始时(诱导期)非常缓慢，但是2h之后聚合速率显著增加。仅仅4h反应之后，转化率便达到96％。这样快速的聚合过程没有得到很好的控制。虽然分子量接近理论值，PDI却高(>1.7)并且没有随着转化率而降低。而且，每个模拟上，诱导均清晰可见。这些结果表明，在聚合速率增长之前，必须消耗大量的引发剂。因此，在运行08-006-195nBA中，采用了较高的单体/引发剂比率(DP＝1000)。从图13可见，对聚合的控制得到了显著的改善。与之前的情况一样，动力学绘图是非线性的，但是分子量接近理论值。GPC痕量是单峰的并随着反应时间而转变。聚合期间，合成的聚合物的分子量分布从PDI＝1.78下降至PDI＝1.31。诱导期为5h左右，并在这个时间之后观察到了强烈的放热效应，如图14所示。温度从70℃上升至110℃。该放热效应通过停止向反应混合物添加V-70而得到控制。停止添加之后，聚合停止，反应器内部温度也停止任何进一步的升高。
这项实验证明，“进料”方法对于放热聚合反应来说是安全的。放热效应的控制从安全性以及从对分子量、PDI和最终聚合物材料的功能的控制方面来讲可是非常很重要的。
nBA聚合的附加实施例也靶向较高的DP以及聚合过程的开始时添加了少量的V-70以缩短诱导期。还利用较高量的铜催化剂重复了DP较低的nBA聚合。在两种反应中均观察到聚合得到了很好的控制。
实施例3.苯乙烯(St)的聚合：
利用与MMA单体相同的策略，执行了通过用于ICAR ATRP的新型“进料”方法进行的苯乙烯聚合。从计算机建模阶段选择四种最好的聚合条件并在1L规模的反应器中进行测试。得到初步结果(详见表2)之后，利用改进的条件进行附加实验。
调整的参数是：温度、目标DP、自由基引发剂的进料速率、试剂的浓度以及Cu催化剂的量。
通过气相色谱分析(GC)和/或通过核磁共振(NMR)测量单体的消失率来监测聚合动力学。合成的聚合物将通过凝胶渗透色谱(GPC)进行特征描述。成功的单体M聚合应当产生具有单峰和窄分子量分布(PDI<1.4)的聚合物P(M)。合成的聚合物的分子量应当接近通过方程式2预测的理论值：
Mn,theo＝([M]0/[R-X]0)x转化率x M单体.             2
利用拟议方法的St聚合的实施例
建立计算机模型，然后针对苯乙烯(St)进行聚合模拟。表2显示利用AIBN进料进行ICAR ATRP的St聚合的所有结果。在实验WJ-08-008-190中，在存在DEBMM作为引发剂并具有50ppm的CuBr2和过量的TPMA的条件下进行了St聚合。100℃进行聚合以及相对DEBMM，以0.004当量/h进行AIBN进料。聚合在10.5h内达到56％的转化率。观察到了线性动力学，以及分子量非常接近理论值。在这项实验中，反应期间PDI从1.35降至1.16。总的来说，过程是完全可控的。
在第二反应WJ-08-006-192(图15)中，为加快聚合速率，采用了较高的AIBN添加速率。而且，在温度＝0时，向反应混合物中添加了少量的AIBN，以便在聚合的开始阶段将大多数Cu(II)还原为Cu(I)。聚合几乎以两倍的快速度在9h内达到81％的转化率。动力学绘图具有线性相关性以及分子量接近理论值。GPC痕量是单峰的并随着反应时间而转变。聚合期间，合成的聚合物的分子量分布从1.39降至1.15。这一数据证明，过程是完全可控的。
在表2所报的最终反应，即反应(WJ-08-006-193)中，执行靶向较高DP的St聚合。在存在DEBMM作为引发剂以及具有50ppm的CuBr2和过量的TPMA的条件下进行St聚合。100℃进行聚合以及相对DEBMM，以0.008当量/h进行AIBN进料。图16显示该反应的动力学绘图。9h之后停止添加AIBN并关闭加热。从图16可以看出，停止添加引发剂之后聚合过程立即停止。反应器允许冷却过夜(没有应用冷却***)以及21.6h之后再加热至110℃。在这个时候，以相同的添加速率再启动AIBN进料。从图17动力学绘图以及从图16分子量与转化率相关曲线可以看出，该反应是以完全受控方式再启动的。
由于反应的第二阶段温度较高，聚合速率也较高。图16还显示反应器内部以及外部的温度，在聚合混合物内部以及反应器的外壁上均设置有热电偶。温度分布变化图显示传热良好，这是因为这两个热电偶之间的温度差异类似并且在反应期间的任何时间都不会增大。
这组数据表明，新型“进料”方法可以完全自动化以及利用受控进料的ICAR ATRP可以成功地应用于低DP的以及高DP的聚苯乙烯合成。
因此，在本发明的一个实施方式中，我们披露了添加的自由基引发剂的分解速率如何是一个控制CRP速率以及对所形成的共聚物/聚合物中分子量、分子量分布和链末端功能的控制水平的因素。
在本发明的另一实施方式中，我们披露了如果反应介质的温度升至目标温度以上以及引发剂/还原剂的添加终止，将不会有进一步的放热；以及一旦温度降至目标温度，引发剂/还原剂的进料则可以启动，以再引发聚合反应。
所披露的方法的另一实施方式是为了对NMP中的持续自由基浓度进行连续控制。在该实施方式中，将添加的引发剂的分解速率选定，以与自由基/自由基终止反应的速率相匹配，否则，所述反应会提高稳定的自由基的浓度并降低增长率。
所披露的方法的进一步实施方式涉及RAFT聚合。在RAFT聚合中，聚合速率受添加的引发剂速率的控制。通常地，所有的引发剂在反应开始时向反应中添加，以及如果在反应的每个阶段在聚合容器的整个范围内反应温度得不到很好的控制，这可能导致引发剂分解速率提高。
在本发明的另一实施方式中，采用光敏引发剂以及通过间歇性受控光刺激控制自由基的生成速率。

Claims (14)

1.聚合方法，该方法包括：
在还原剂和聚合介质的存在下使可自由基（共）聚合的单体发生聚合，该聚合介质最初包括：
至少一种过渡金属催化剂；和
原子转移自由基聚合引发剂；以及
其中该过渡金属催化剂与该原子转移自由基聚合引发剂的摩尔比率小于0.10，优选地小于0.05；以及
其中该还原剂以与自由基-自由基终止反应的速率相匹配的速率连续添加至该反应介质。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该还原剂是自由基引发剂。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该还原剂与非自由基形式的较高氧化态过渡金属络合物，以及非ATRP引发剂相互作用，形成反应。
4.根据权利要求3所述的方法，其中该还原剂包括稳定的有机分子，该有机分子包含亚硫酸盐、重亚硫酸盐、硫代亚硫酸盐、硫醇、羟胺、胺类、肼（N2H4）、苯肼（PhNHNH2）、腙、对苯二酚、食品防腐剂、类黄酮、β胡萝卜素、维生素A、a-生育酚、维生素E、没食子酸丙酯、没食子酸辛酯、BHA、BHT、丙酸、抗坏血酸、山梨酸酯、还原糖、包含醛基的糖、葡萄糖、乳糖、果糖、右旋糖、酒石酸钾、亚硝酸酯、亚硝酸酯、糊精、醛类、甘氨酸和许多抗氧化剂。
5.根据权利要求1所述的方法，其中该还原剂或者自由基引发剂将通过自由基-自由基终止反应形成的较高氧化态过渡金属的浓度降至接近该还原剂或者自由基引发剂的前次添加之后***中存在的浓度。
6.根据权利要求1所述的聚合方法，该方法包括：
在光敏自由基引发剂和聚合介质的存在下使可自由基（共）聚合的单体发生聚合，该聚合介质最初包括：
至少一种过渡金属催化剂；和
原子转移自由基聚合引发剂；以及
其中该过渡金属催化剂与该原子转移自由基聚合引发剂的摩尔比率小于0.10，优选地小于0.05；以及
其中所添加的光敏自由基引发剂的一小部分通过光脉冲周期性地分解，其中光刺激的强度和持续时间与自前次光脉冲以来存在的自由基-自由基终止反应的摩尔量相匹配。
7.根据权利要求1所述的聚合方法，其中聚合在本体聚合过程中进行；在溶剂的存在下进行；从固体表面进行；在双相聚合过程中进行，该双相聚合过程包含乳液聚合过程、细乳液聚合过程、微乳液聚合过程、反相乳液聚合过程和悬浮聚合过程。
8.聚合方法，该方法包括：
在烷氧基胺的存在下使可自由基（共）聚合的单体发生聚合，其中NMP中的持续自由基，即形成的硝基氧的浓度受所添加的引发剂的分解速率的控制，因而将所添加的引发剂的分解速率选定，以与自由基/自由基终止反应的速率相匹配，否则，所述反应会提高稳定的自由基的浓度并降低增长率。
9.聚合方法，该方法包括：
在退化转移剂的存在下使可自由基（共）聚合的单体发生聚合，其中聚合速率受所添加的引发剂的分解速率的控制，因而将所添加的引发剂的分解速率选定，以保持所选定的反应温度。
10.根据权利要求1、8和9所述的受控自由基聚合过程，其中还原剂/自由基引发剂的添加速率连续地进行调整，以通过控制聚合速率来保持反应的目标温度。
11.根据权利要求1、8和9所述的受控自由基聚合过程，其中还原剂/自由基引发剂的添加速率连续地进行调整，以保持聚合目标速率。
12.根据权利要求1、8和9所述的受控自由基聚合过程，其中还原剂/自由基引发剂的添加速率连续地进行调整，以允许单体到聚合物的转化率超过80%，优选地超过90%以及最佳地超过95%。
13.根据权利要求1、8和9所述的受控自由基聚合过程，其中该还原剂/自由基引发剂通过多个添加端口加入反应器。
14.根据权利要求1、8和9所述的受控自由基聚合过程，其中聚合在如下过程中进行：本体聚合过程；在溶剂中进行的过程；从固体表面进行的过程；或者双相聚合过程，该双相聚合过程包含乳液聚合过程、细乳液聚合过程、微乳液聚合过程、反相乳液聚合过程和悬浮聚合过程。
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