DE60125409T2

DE60125409T2 - Polymerisationsverfahren für ionische monomere

Info

Publication number: DE60125409T2
Application number: DE60125409T
Authority: DE
Inventors: Krzysztof Pittsburgh MATYJASZEWSKI; Nicolay Pittsburgh TSAREVSKY
Original assignee: Carnegie Mellon University
Current assignee: Carnegie Mellon University
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2021-10-06
Also published as: US6624262B2; EP1337563B1; AU2002216619A1; JP5005155B2; JP2009013414A; WO2002028913A3; WO2002028913A2; US20020107340A1; EP1801129A3; US20040044152A1; JP2004510847A; EP1337563A2; DE60125409D1; EP1801129A2

Description

BEZUG AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine "nonprovisional application", welche die Priorität der U.S. Application Serial No. 60/238,809, eingereicht am 06. Oktober 2000, beansprucht.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist auf geregelte Polymerisationsverfahren für Monomere, die ionische Substituenten tragen, und auf die Herstellung von Blockcopolymeren, einschließlich wasserlösliche Blockcopolymere, gerichtet. Speziell ist die Erfindung auf die Ausweitung und Verbesserung der Verwendung von geregelten oder Lebendradikal(co)polymerisationsverfahren gerichtet, durch Beschreiben der Parameter und Erfordernisse für die geregelte Polymerisation von radikalisch (co)polymerisierbaren Monomeren durch zusätzliche Funktionalität tragende Initiatoren und stellt die direkte Herstellung von Polymeren mit ionischen Substituenten durch die direkte (Co)polymerisation von ionische Substituenten umfassenden Monomeren, insbesondere in Anwesenheit von Wasser, bereit.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es besteht eine fortdauernde Anstrengung in der Polymerchemie, neue Polymerisationsverfahren und neue Polymere zu entwickeln. Eine relativ neue Entwicklung in der Polymerchemie ist die Entwicklung von geregelten oder Lebendpolymerisationsverfahren gewesen. Ein geregeltes oder Lebendpolymerisationsverfahren ist ein Verfahren, in welchem eine Kettenübertragungs- und Beendigungsreaktion im Wesentlichen relativ zu der Polymerkettenwachstumsreaktion nicht existent sind. Diese Entwicklungen haben zu der Herstellung von Polymeren, die Makrofunktionalität aufweisen, und zu der Herstellung von funktionellen Polymeren, die spezifische chemische Reaktivität besitzen geführt. Die neuen Polymere erweitern den für Materialingenieure zugänglichen Regelungsrad bei der Verarbeitung von Polymeren und der Verwendung von Polymeren als Aufbaublöcke in oder Komponenten für anschließende Materialbildungsreaktionen, wie Copolymerisa tionen, Kettenverlängerungen und Vernetzungsieaktionen, und die Wechselwirkung mit Substraten, einschließlich dispergierten Feststoffen.
Eine signifikante wirtschaftliche Hürde, die bei dieser Anstrengung dauernd überwunden werden muss, ist die Bereitstellung der Vorteile der geregelten Polymerisation aus erhältlichen billigen Monomeren in erhältlicher industrieller Verfahrensausrüstung. Diese langzeitigen Ziele haben den Hintergrund oder die Antriebskraft für die fortdauernden Fortschritte bei der geregelten Polymerisation von radikalisch (co)polymerisierbaren Monomeren, die in früheren Patentanmeldungen beschrieben sind, bereitgestellt und stellen den Anreiz bereit, das als Atomübertragungs-Radikalpolymerisation (ATRP) bekannte Verfahren auszuweiten, zu vereinfachen und robuster zu machen.
Das kürzlich entwickelte ATRP-Verfahren und Polymere, die aus der klassischen ATRP-Reaktion entwickelt wurden, sind in den US-Patentanmeldungen Serial No. 09/018,554 und 09/534,827 beschrieben. Verfahren zum Ausüben der Regelung über zahlreiche Parameter in einem katalytischen Verfahren für die geregelte Polymerisation eines weiten Bereiches radikalisch (co)polymerisierbarer Monomerer sind in Publikationen mit Krzysztof Matyjaszewski und Anderen als Autoren oder Coautoren beschrieben worden, vgl. z.B. Wang, J.S. und Matyjaszewski, K., J. Am. Chem. Soc., Bd. 117, Seite 5614 (1995); Wang, J.S. und Matyjaszewski, K., Macromolecules, Bd. 28, Seite 7901 (1995); K. Matyjaszewski et al., Science, Bd. 272, Seite 866 (1996); K. Matyjaszewski et al., "Zerovalent Metals in Controlled/"Living" Radical Polymerization," Macromolecules, Bd. 30, Seite 7348–7350 (1997); J. Xia und K. Matyjaszewski, "Controlled/"Living" Radical Polymerization. Homogenous Reverse Atom Transfer Radical Polymerization Using AIBN as the Initiator," Macromolecules, Bd. 30, Seiten 7692–7696 (1997); US-Patentanmeldung 09/126,768; US-Patentschriften Nr. 5,807,937, 5,789,487, 5,910,549, 5,763,548, 5,789,489, 5,945,491, 6,111,022, 6,121,371, 6,124,411 und 6,162,882; und US-Patentanmeldungen 09/034,187, 09/018,554, 09/431,871, 09/359,359, 09/359,591, 09/369,157, 09/126,768 und 09/534,827. Die subtilen Wechselwirkungen zwischen den Parametern sind weiter untersucht worden, und die in diesen Veröffentlichungen beschriebene Ausführungsform der Lehren hat die Herstellung von zahlreichen inhärent verwendbaren neuen Materialien, welche eine Regelung der Funktionalität und Topologie zeigen, und die Herstellung von neuen telefunktionellen Aufbaublöcken für weitere materialbildende Reaktionen erlaubt, die aus der Anwendung der positionsspezifischen funktionellen und topologischen Regelung resultieren, die durch dieses robuste geregelte Polymerisationsverfahren für radikalisch (co)polymerisierbare Monomere erzielbar ist.
Das zum Erreichen der Regelung der Polymerisation von radikalisch (co)polymerisierbaren Monomeren angewandte System oder Verfahren ist in früheren Anmeldungen beschrieben worden als die Verwendung von vier Komponenten umfassend: (i) ein Initiatormolekül, (ii) eine Übergangsmetallverbindung mit (iii) einem zugesetzten oder assoziierten Gegenion und der mit (iv) einem Ligand bzw. Liganden komplexierten Übergangsmetallverbindung. Das Initiatormolekül oder das Polymerisationsauslösermolekül kann jedes Molekül sein, das ein oder mehrere radikalisch übertragbare Atom(e) oder Gruppe(n) umfasst, die befähigt sind, an einer reversiblen Redoxreaktion mit der Übergangsmetallverbindung teilzunehmen. Die Übergangsmetallverbindung kann ein zugesetztes oder assoziiertes Gegenion enthalten und ein Übergangsmetallsalz umfassen. Das Übergangsmetall kann mit dem Ligand bzw. den Liganden komplexiert sein, so dass sämtliche reaktiven Oxidationszustände bis zu einem gewissen Ausmaß in dem Reaktionsmedium löslich sind. Die Komponenten des Systems können optimiert werden, um eine genauere Regelung für die (Co)polymerisation der radikalisch polymerisierbaren Monomere bereitzustellen, vgl. die US-Patentschrift Nr. 5,763,548.
In einer als "umgekehrte" ATRP bekannten Ausführungsform kann das vorstehend beschriebene Initiatormolekül in situ durch die Umsetzung eines Radikals mit dem Redoxkonjugat der Übergangsmetallverbindung gebildet werden. Andere Komponenten des Polymerisationssystems, wie die Auswahl des radikalisch übertragbaren Atoms oder der radikalisch übertragbaren Gruppe, des ursprünglich an dem Übergangsmetall vorhandenen Gegenions und des optionalen Lösemittels, können das Verfahren beeinflussen. Die US-Patentschrift Nr. 5,807,937 stellt als Beispiel eines Einzelmoleküls, das eine Kombination von Funktionen enthält, einen Komplex bereit, in welchem das Gegenion und Ligandkomponenten in einem Molekül vorliegen. Die Rolle eines Deaktivators, das "stabile Radikal", oder für die ATRP das Übergangsmetall-Redoxkonjugat, ist ebenfalls in der US-Patentschrift Nr. 5,807,937 beschrieben.
Ohne auf die folgende Beschreibung beschränkt zu werden, ist die Theorie hinter der in der vorliegenden Arbeit beschriebenen ATRP, dass die Polymerisation im Wesentlichen durch Spaltung (und bevorzugt im Wesentlichen durch homolytische Spaltung) des radikalisch übertragbaren Atoms oder der radikalisch übertragbaren Gruppe von dem Initia tormolekül oder während des Polymerisationsverfahrens des ruhenden Polymerkettenendes durch eine reversible Redoxreaktion mit einem komplexierten Übergangsmetallkatalysator, ohne eine starke Kohlenstoff-Übergangsmetall-Bindungsbildung (C-M_t-Bindungsbildung) zwischen dem aktiven wachsenden Polymerkettenende und dem Übergangsmetallkomplex abläuft. Wenn in dieser Theorie der Übergangsmetallkomplex in einem niedrigeren aktiven Oxidationszustand oder in seinem Aktivatorzustand den Initiator oder das ruhende Polymerkettenende durch homolytisches Entfernen des radikalisch übertragbaren Atoms oder der radikalisch übertragbaren Gruppe von dem Initiierungsmolekül oder durch das wachsende Polymerkettenende in einer reversiblen Redoxreaktion aktiviert, wird eine aktive Spezies gebildet, welche den Ablauf einer anderen Chemie, im Wesentlichen eine Chemie auf Radikalbasis, erlaubt. Der Übergangsmetallkomplex in dem höheren Oxidationszustand, dem Redoxkonjugationszustand oder Deaktivatorzustand, überträgt ein radikalisch übertragbares Atom oder eine radikalisch übertragbare Gruppe auf das aktive Initiatormolekül oder das wachsende Kettenende, wodurch der niedrigere Oxidationszustand des Übergangsmetallkomplexes wieder gebildet wird. Wenn eine Chemie auf Radikalbasis vorliegt, wird auch ein neues Molekül gebildet, das ein radikalisch übertragbares Atom oder eine radikalisch übertragbare Gruppe umfasst. In früheren Veröffentlichungen ist die katalytisch aktive Übergangsmetallverbindung, die in situ gebildet werden oder als vorgeformter Komplex zugesetzt werden kann, als einen Bereich von Gegenionen enthaltend beschrieben worden. Das Gegenion bzw. die Gegenionen können die gleichen sein wie das an dem Initiator vorhandene radikalisch übertragbare Atom oder die radikalisch übertragbare Gruppe, z.B. ein Halogenid, wie Chlor oder Brom, oder können verschiedene radikalisch übertragbare Atome oder Gruppen sein. Ein Beispiel des letzteren Gegenions ist ein Chloridgegenion an der Übergangsmetallverbindung, wenn der Initiator zuerst ein Brom enthält. Eine solche Kombination erlaubt die wirksame Initiierung der Polymerisation, gefolgt durch eine geregelte Polymerisationsrate, und hat sich zusätzlich als verwendbar in bestimmten Crossover-Reaktionen von einem Set von (Co)monomeren zu einem zweiten Set von (Co)monomeren erwiesen, was die wirksame Bildung von Blockcopolymeren erlaubt.
Für die vorliegenden Zwecke umfassen "Polymere" Homopolymere und Copolymere (falls der spezielle Zusammenhang nichts anderes anzeigt), die Blockpolymere, statistische Polymere, statistische periodische Polymere, Gradientensternpolymere, Pfropfpolymere, Kammpolymere, (hyper)verzweigte Polymere oder dendritische Polymere sein können. Die in Klammer befindliche Vorsilbe "(co)" in der herkömmlichen Terminologie ist eine Alternative, d.h. "(Co)polymer bedeutet ein Copolymer oder ein Polymer einschließlich ein Homopolymer, während "(co)polymerisierbar ein Monomer bedeutet, das direkt durch den zu diskutierenden Polymerisationsmechanismus polymerisiert wird und zusätzlich ein Comonomer umfasst, das nur durch Copolymerisation in das Polymer eingebaut werden kann. In ähnlicher Weise bedeutet "(hyper)" den Einschluss des Konzepts, dass der Verzweigungsgrad entlang des Polymergrundgerüsts von einem sehr niedrigen Verzweigungsgrad bis zu einem sehr hohen Verzweigungsgrad variieren kann.
Hier und anderswo in dem Text bedeutet das Wort "Regelung und/oder geregelt", dass in dem Polymerisationsverfahren Bedingungen definiert sind, wodurch die Beiträge der Kettenbruchvorgänge im Vergleich zu dem Kettenwachstum unbeachtlich sind, so dass Polymere mit vorbestimmten Molekulargewichten, niedrigen Polydispersitäten und hohen Funktionalitäten erzielbar sind.
Es ist weithin akzeptiert, dass die geregelte Polymerisation die folgenden Merkmale zeigen sollte.
Merkmal 1. Verhalten der Kinetik erster Ordnung, d.h. die Polymerisationsrate (R_p) mit Bezug auf die Monomerkonzentration ([M]) ist eine lineare Funktion der Zeit. Dies beruht auf dem Fehlen des Abbruchs, so dass die Konzentration der aktiven wachsenden Spezies ([P*]) konstant ist.
k_p ist die Kettenwachstumskonstante. Das Ergebnis der Gleichung 1.2 ist in 1 erläutert.
1 ist eine halblogarithmische Darstellung und ist sehr empfindlich auf die Änderung der Konzentration der aktiven wachsenden Spezies. Eine Konstante [P*] ist durch eine gerade Linie dargestellt, und eine Aufwärtskrümmung zeigt eine erhöhte [P*] an, die im Falle einer langsamen Initiierung auftritt. Andererseits legt eine Abwärtskrümmung die Abnahme von [P*] nahe, die aus dem Abbruch oder einigen anderen Nebenreaktionen, wie eine Vergiftung des katalytischen Systems, herrühren kann.
Es sollte auch beachtet werden, dass die halblogarithmische Darstellung nicht empfindlich ist auf Kettenübertragungsverfahren oder langsamen Austausch zwischen verschiedenen aktiven Spezies, da sie die Anzahl der aktiv wachsenden Spezies nicht beeinträchtigen.
Merkmal 2. Der vorbestimmte Polymerisationsgrad (X_n), d.h. das Molekulargewicht-Zahlenmittel (M_n) ist eine lineare Funktion der Monomerumwandlung.
Dieses Ergebnis rührt von einer konstanten Anzahl von Ketten während der gesamten Polymerisation her, was die folgenden zwei Bedingungen erfordert:
die Initiierung sollte ausreichend schnell sein, so dass nahezu sämtliche Ketten gleichzeitig zu wachsen beginnen;
es tritt keine Kettenübertragung auf, um die Gesamtzahl von Ketten zu erhöhen. 2 erläutert sowohl das ideale Wachstum von Molekulargewichten mit der Umwandlung als auch die Wirkungen einer langsamen Initiierung und der Kettenübertragung auf die Molekulargewichtsentwicklung.
Es ist von Wichtigkeit, dass die Entwicklung von Molekulargewichten nicht sehr empfindlich auf den Kettenabbruch ist, da die Anzahl von Ketten unverändert bleibt. Nur wenn eine Kupplungsreaktion eine wichtige Rolle für Polymere mit sehr hohen Mofekulargewichten spielt, ist die Wirkung des Abbruchs in der Darstellung sichtbar.
Merkmal 3. Enge Molekulargewichtsverteifung. Obwohl dieses Merkmal sehr erwünscht ist, ist es nicht notwendigerweise das Ergebnis einer geregelten Polymerisation, welche lediglich die Abwesenheit von Kettenübertragung und Abbruch erfordert, aber die Rate der Initiierung, den Austausch und die Depropagation unberücksichtigt lässt. Namhafte Studien [Gold, 1958 #84; Coleman, 1963 #88; Matyjaszewski,1995 #85; Hsieh, 1996 #81; Matyjaszewski, 1996 #86] zeigen, dass zum Erhalt eines Polymers mit einer engen Molekulargewichtsverteilung jedes der folgenden fünf Erfordernisse erfüllt sein sollte.

i. Die Initiationsrate ist kompetitiv mit der Kettenwachstumsrate. Diese Bedingung erlaubt das gleichzeitige Wachstum sämtlicher Polymerketten.
ii. Der Austausch zwischen Spezies verschiedener Reaktivitäten ist schneller als das Kettenwachstum. Diese Bedingung stellt sicher, dass sämtliche der aktiven Kettenenden in gleicher Weise einer Reaktion mit Monomer für ein gleichmäßiges Wachstum zugänglich sind.
iii. Es muss eine vernachlässigbare Kettenübertragung oder ein vernachlässigbarer Kettenabbruch gegeben sein.
iv. Die Rate der Depropagation ist wesentlich niedriger als das Kettenwachstum. Dies gewährleistet, dass die Polymerisation irreversibel ist.
v. Das System ist homogen und das Vermischen ist ausreichend schnell. Daher werden sämtliche aktiven Zentren bei Beginn der Polymerisation eingeführt.

Dies sollte eine Poison-Verteilung ergeben, wie in der Gleichung 1.4 quantifiziert.
Gemäß der Gleichung 1.4 nimmt die Polydispersität (M_w/ M_n) mit ansteigendem Molekulargewicht ab. Eine Polymerisation, welche sämtliche fünf vorstehend genannten Erfordernisse erfüllt, sollte ein Endpolymer mit einer Polydispersität von kleiner als 1,1 für X_n größer als 10 haben.
Merkmal 4. Langlebige Polymerketten. Dies ist eine Folge der vernachlässigbaren Kettenübertragung und des vernachlässigbaren Kettenabbruchs. Somit behalten sämtliche Ketten ihre aktiven Zentren nach dem vollständigen Verbrauch des Monomers bei. Das Kettenwachstum beginnt nach der Einführung von zusätzlichem Monomer wieder. Die ses einzigartige Merkmal ermöglicht die Herstellung von Blockcopolymeren durch sequenzielle Monomerzugabe.
Die Signifikanz der geregelten Polymerisation als synthetisches Werkzeug ist in weitem Umfang anerkennt. Polymere mit gleichmäßiger und vorhersagbarer Kettenlänge sind leicht erhältlich. Die geregelte Polymerisation stellt die beste Gelegenheit bereit, die Masseeigenschaften durch Auswahl und Regelung von verschiedenen Aspekten der großen Zahl von Variationen in der Zusammensetzung, der Funktionalität und der Topologie auf einer molekularen Ebene zu regeln. Das Ergebnis einer solchen Regelung für die Herstellung von polymeren Materialien ist schematisch in 3 gezeigt.
ATRP ist eines der vielversprechendsten Verfahren auf dem Gebiet der geregelten/"Lebend"-Radikalpolymerisationen, die auf eine große Vielzahl von Monomeren angewandt werden kann und gut definierte Polymere ergibt. Es kann jedoch nur ein sehr begrenzter Bereich von polaren, wasserlöslichen oder hydrophilen Monomeren durch ATRP-Verfahren, insbesondere in wässrigen Systemen, polymerisiert werden. Monomere, die einen polaren oder einen ionischen Substituent umfassen, können sehr wirksame Komplexbildungsmittel für einen oder mehreren der Oxidationszustände des Übergangsmetallkatalysators sein, wie er in der Wiederholungsredoxreaktion mit dem Initiator oder der wachsenden Polymerkette teilnimmt, und dies wurde als eine Beschränkung des Bereiches von Monomeren angesehen, die als Comonomere in ATRP verwendet werden können. Da Polymere mit einem vollen Bereich der Funktionalität in der Kette oder der ionischen Endfunktionalität bei der Herstellung von Verbundstrukturen, Klebstoffen und in Beschichtungsprodukten zusätzlich zu persönlichen Pflegeprodukten durch Anbieten einer Möglichkeit zur Regelung der Grenzflächenchemie Anwendung finden, bestand ein Anreiz, diese Beschränkung zu überwinden und direkt Materialien herzustellen, die Monomere mit ungleichartiger Funktionalität in Copolymere einbauen. ATRP-Reaktionen sind kompliziert durch die Wechselwirkungen der Komponenten des Reaktionsmediums, z.B. kann das Monomer mit dem Übergangsmetallkatalysator wechselwirken, das Lösemittel kann mit dem Monomer wechselwirken, und das Lösemittel kann mit dem Initiator wechselwirken. Es besteht somit ein Bedürfnis für ein Verfahren zum Polymerisieren von polaren und ionischen Monomeren durch ATRP und ein Bedürfnis für die neuen Polymere, die durch ein solches Verfahren hergestellt werden können. Ferner besteht ein Bedürfnis für ein Verfahren für die geregelte Polymerisation von wasserlöslichen Makroinitiatoren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein geregeltes Polymerisationsverfahren zum Initiieren der Polymerisation von radikalisch (co)polymerisierbaren polaren oder ionischen Monomeren in Gegenwart eines Systems bereit, das anfänglich einen Übergangsmetallkomplex und einen Initiator enthält, der eine radikalisch übertragbare Azidgruppe insbesondere in wässrigen Systemen umfasst.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine grafische Darstellung, welche die Abhängigkeit von In([M]₀/[M]) gegen die Zeit für verschiedene geregelte und ungeregelte Polymerisationsverfahren erläutert;
2 ist eine grafische Darstellung, welche die Abhängigkeit des Molekulargewichts gegenüber der Umwandlung für und ideale geregelte Polymerisation und die Wirkungen der langsamen Initiierung, der Kettenübertragung und der Kupplung von ungeregelten Polymerisationsverfahren auf das Molekulargewicht gegenüber der Umwandlung erläutert;
3 ist eine Tabelle, welche Beispiele der durch geregelte Polymerisationsverfahren erhältlichen Polymere erläutert;
4 ist eine grafische Vergleichsdarstellung der Elektronenspektren der Extinktion von Kupferkomplexen von DMDETS gegenüber der Wellenlänge in Nanometer.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein weiterer Fortschritt gemacht worden, welcher Bedingungen für die geregelte Polymerisation von radikalisch (co)polymerisierbaren Monomeren umfasst durch Durchführen einer übergangsmetallvermittelten, geregelten, im Wesentlichen radikalischen (Co)polymerisation von Monomeren, die ionisierbare oder ionische Substituenten tragen. Wir lehren hierin, wie die Verwendung eines eine radikalisch übertragbare Azidgruppe umfassenden Initiators zu einer weiteren Ausweitung des Bereiches von (co)polymeri sierbaren Monomeren, die direkt in eine ATRP-Polymerisation eingebaut werden, führen kann. Zusätzlich sind Bedingungen für den Einbau von ionische funktionelle Gruppen tragenden Monomeren definiert worden, und es ist nun möglich, direkt Polymere mit positionsspezifischen ionischen funktionellen Gruppen herzustellen.
Die Herstellung solcher Polymere erfordert ein volles Verständnis und die Regelung sämtlicher Parameter, die bei der Bildung der Monomer-/Polymer-Übergangsmetallkomplexen und bei der Disproportionierung von "ligandenfreien" Übergangsmetallkomplexen in ionischen Medien beteiligt sind. Wenn diese Disproportionierungsreaktion nicht geregelt oder wenigstens unterdrückt wird, kann der Katalysator nicht länger in den erwünschten Konzentrationen in den zwei Oxidationszuständen existieren, die für die Redoxreaktion erforderlich sind, die in ATRP grundlegend ist, und die geregelte Polymerisationsreaktion läuft nicht ab. Obwohl dieses Verständnis während Versuchen entwickelt wurde, die auf die Polymerisation von Monomeren gerichtet sind, die eine kationische Funktionalität umfassen, und in Verbindung mit der Polymerisation von kationischen Monomeren in der folgenden Diskussion beschrieben werden, ist es wichtig, zu beachten, dass diese Annäherung nicht nur auf kationische Monomere, sondern auch auf neutrale Monomere und Monomere, die eine anionische Funktionalität umfassen, angewandt werden kann, die nicht ausreichend gut mit dem niedrigeren Oxidationszustand des Katalysators reagieren kann oder bevorzugt mit dem höheren Oxidationszustand wechselwirkt (auf diese Weise den niedrigeren Oxidationszustand destabilisiert und eine Disproportionierung wahrscheinlicher macht).
In der folgenden Diskussion verwenden wir Kupfer oder Eisen als beispielhafte Übergangsmetalle, aber wie in anderen Anmeldungen gelehrt, ist ein weiter Bereich von anderen Übergangsmetallen möglich und in einigen Fällen bevorzugt. Durch andere Polymerisationsverfahren hergestellte Polymere können end- oder seitenfunktionalisiert und in ATRP als Makroinitiatoren oder Makromonomere eingebaut sein, oder wie in einer ebenfalls anhängigen vorläufigen US-Anmeldung 60/238,812 beschrieben, welche die gleichzeitige Verwendung von sowohl Makroinitiator als auch Makromonomer beschreibt, das verwendet werden kann, um den Einbau des Makromonomers in das Polymer zu verbessern, was zu verbesserten Block- und Pfropfcopolymeren führt. Es können eine oder mehrere Initiierungsstellen vorliegen, was zu einem Kettenwachstum in verschiedenen Richtungen führt. Der Initiator kann zusätzlich zu einer radikalisch übertragbaren Azidgruppe eine spezielle Funktionalität tragen, was homo- oder heterotelechelische Materialien ergibt. Reaktionen können unter homogenen oder heterogenen Bedingungen durchgeführt werden, wobei die ersteren gewöhnlich eine bessere Regelung ergeben. Reaktionstemperaturen liegen typischerweise in dem Bereich von Raumtemperatur bis 150°C, können aber entsprechend geändert werden. Die Reaktion kann unter vermindertem Druck oder unter Druck durchgeführt werden. Die Reaktionen können in Gegenwart von Feuchtigkeit oder selbst in Wasser unter sowohl homogenen als auch heterogenen Bedingungen (Emulsionen, Suspensionen) durchgeführt werden. Sauerstoff sollte entfernt werden, aber eine begrenzte Sauerstoffmenge kann toleriert werden, insbesondere in Gegenwart eines oxidierbaren Übergangsmetalls, z.B. Cu⁰-Spezies, und Sauerstoff kann absichtlich zugesetzt werden, um einen Übergangsmetallkomplex herzustellen, der gemischte Oxidationszustände umfasst. Die Reihenfolge der Zugabe von Reagenzien kann variieren, aber am häufigsten wird der Initiator zuletzt zu der vorgeformten Lösung des Katalysators in Monomer und optional einem Lösemittel zugesetzt. Ein wichtiger Parameter kann die Zugabe oder Bildung einer kleinen Menge von Cu^II-Spezies zu Beginn der Reaktion sein (US-Patentschrift 5,807,937), da er das Eintreten des Deaktivierungsverfahrens ermöglicht, ohne die spontane Bildung des beständigen Radikals oder Deaktivators durch Abbruchreaktionen zu erfordern, wodurch eine gleichzeitige Regelung erfolgt. Es ist in der Tat dieses Erfordernis für die gleichzeitige Erhältlichkeit des Übergangsmetallkomplexes in zwei erhältlichen Oxidationszuständen (bei Konzentrationen, bestimmt durch die Gleichgewichtskonstante von ATRP), welche die anwendungsgeregelte Polymerisation eines breiten Spektrums von ionischen Monomeren in metallvermittelten Polymerisationen, insbesondere in wässrigen Systemen, beschränkt hat. In der vorliegenden Beschreibung lehren wir, dass man die inhärente Neigung zur Disproportionierung von Cu^I zu Cu^II und Cu⁰ in wässrigen Systemen unterdrücken muss, um eine Regelung von ATRP von ionischen Monomeren beizubehalten. Speziell muss man sicherstellen, dass das Übergangsmetall in sowohl dem Aktivierungszustand als auch dem Deaktivierungszustand (in der geeigneten Konzentration) während der gesamten Polymerisation vorhanden ist. Wie nachstehend diskutiert, muss man Schritte unternehmen, um zu verhindern, dass Wasser den organischen Ligand verdrängt und es erlaubt, dass ein "nacktes" oder schwach komplexiertes Kupfer(I)-ion die Möglichkeit hat, in das Kupfer(II)-ion und Kupfer (0) zu disproportionieren.
Die Rolle von beiden Fragmenten des Initiatormoleküls auf die in einer Polymerkette vorhandenen terminalen Funktionalität, wenn das Polymer durch ein geregeltes Polymerisationsverfahren hergestellt wird, ist in 3 gezeigt. Die Auswahl eines Initiators mit einer übertragbaren Azidgruppe mit einem speziellen Übergangsmetallkomplex hat sich auch als zusätzliche Regelung der Initiierung, des Kettenwachstums und des (Co)monomereinbaus in früheren Anwendungen ergebend erwiesen. Die Azidgruppe verbleibt an der Polymerendgruppe und in weiteren Anwendungen reaktiv, wie Pfropfen auf ein Polymer oder auf ein Substrat, oder nimmt an der Kettenverlängerung und Vernetzungsreaktionen teil und ist daher direkt in solchen Anwendungen ohne weitere Funktionalisierung verwendbar. Die Azid enthaltenden Initiatoren können sowohl übertragbare als auch nicht-übertragbare Azidfunktionalität für die Herstellung von Azido enthaltenden Polymeren haben. Ferner erlaubt die Verwendung der Azidgruppe die direkte (Co)polymerisation von Monomeren, die mit einer ionischen Gruppe substituiert sind. Dies ist von besonderem Wert, wenn man die Polymerisation in Anwesenheit von Wasser durchzuführen wünscht, da Wasser das Halogen an dem Kupfer zusätzlich zu der Verdrängung von bestimmten Liganden verdrängen kann (Haddleton D. M. et al., Chem Comm, 683 (1997); Ashford, E. J. et al., Chem Comm, 1285 (1999)), aber es ist nicht so wahrscheinlich, die Azidgruppe zu verdrängen, wenn sie an dem Übergangsmetallkomplex vorhanden ist. Obwohl Wasser auch das radikalisch übertragbare Halogenid hydrolysieren kann, wenn es in dem Initiator oder dem ruhenden Polymerkettenende vorhanden ist, erniedrigt weiterhin die Verwendung von Aziden als radikalisch übertragbare Gruppe die Möglichkeit einer Initiatorhydrolyse (oder Kettenendhydrolyse).
Beispiele dieser Annäherung, welche ausschließlich die Möglichkeit des Nachweises der Verwendbarkeit zeigen und welche die Anwendbarkeit nicht beschränken soll, sind die direkte Polymerisation von Natrium-4-vinylbenzoat und 2-Trimethylammonioethylmethacrylatmethansulfonat. Der direkte Einbau solcher ionischer Monomerer, von denen eines einen anionischen und eines einen kationischen Substituenten trägt, in ein Polymer ist ein mit niedrigeren Kosten verbundener und wirksamerer Weg zu funktionellen Materialien, die einen ionischen Substituent umfassen, als die Verwendung von maskierten funktionellen Gruppen in einem Polymerisationsverfahren, gefolgt von Schutzgruppenentfernung an dem Substituent, wie in Verfahren des Standes der Technik beschrieben. Es ist daher nun möglich, reaktive ungeschützte ionische seitenfunktionelle Gruppen direkt an ein polymeres Material zu addieren. Die Addition von so wenig wie 0,1 mol% des ionischen Monomers in einer Copolymerisation stellt statistisch eine funktionelle Gruppe in jeder Polymerkette bereit, wenn der Polymerisationsgrad (DP) 1000 übersteigt. Für Polymere mit niedrigerem Polymerisationsgrad wird der Einbau einer funktionellen Gruppe in jede Kette am praktischsten durchgeführt durch Verwendung eines Initiators, welcher die erwünschte funktionelle Gruppe trägt, oder die Umwandlung des radikalisch übertragbaren Atoms oder der radikalisch übertragbaren Gruppe in die erwünschte Funktionalität. Polymere, die eine solche ionische Funktionalität tragen, können zusätzlich zu der direkten Anwendung eine Anwendung beim Vermischen und Legieren mit anderen Polymeren finden. Materialien mit solchen reaktiven funktionellen Gruppen können direkt wechselwirken mit Materialien, die andere geeignete reaktive funktionelle Gruppen tragen, oder mit Substraten oder mineralischen Additiven oder Verstärkungsmaterialien, die reaktive funktionelle Gruppen enthalten, welche direkt Beschichtungen, Verbundstoffe, Klebstoffe und Komponenten für Gesundheitspflegeprodukte bilden. Zusätzlich ist die Azidgruppe selbst reaktiv unter äußeren Anreizen und wird ebenfalls rasch in andere funktionelle Gruppen umgeformt. Beispielhafte Reaktionen, die in früheren Anmeldungen diskutiert sind, sind die Umwandlung von Polystyrolen mit Azidoende, die zu primären Aminogruppen mit Lithiumaluminiumhydrid reduziert werden können, und von Polyacrylaten mit Azidoende, die zu Phosphoraniminen mit Triphenylphosphin und zu Aminen durch anschließende Hydrolyse umgewandelt werden können.
Es gibt zwei Rollen für eine Azidfunktionalität, wenn die Funktionalität an einem Initiator in ATRP eine Azidgruppe als primärer Substituent und als sekundärer Substituent umfasst. Die Verwendung eines Azids als primärer Substituent bedeutet, eine Azidfunktionalität in das Polymer als eine funktionelle Gruppe einzuführen, die an dem nicht übertragbaren Rest des Initiators zurückbleibt. Als sekundäre funktionelle Gruppe wirkt das Azid als die radikalisch übertragbare Gruppe und führt eine Funktionalität in das wachsende Polymerkettenende ein und erlaubt zusätzlich den direkten Einbau von Monomeren, die funktionelle ionische Gruppen in einem Polymer umfassen. Als solche erlaubt sie den Einbau eines verschiedenen Bereiches von (Co)monomeren in (Co)polymerzusammensetzungen als der erste Fall. Die Verwendung von sowohl eines primären Azids als auch eines sekundären Azids in einem Initiatormolekül erlaubt die direkte Herstellung von "homo"-telechelischen Azomaterialien. Die Vorsilbe "homo" wird verwendet, um anzuzeigen, dass die funktionellen Endgruppen beide Azogruppen sind, aber dass die Reaktivität der zwei Azogruppen unterschiedlich ist.
Bei der Herstellung eines Initiators auf Azidbasis mit einer radikalisch übertragbaren Azidgruppe war die erste Annäherung, einen Initiator mit einer Struktur herzustellen, ähnlich einer Struktur, die sich als für ATRP geeignet gezeigt hat, unter Verwendung eines Halogenids als radikalisch übertragbares Atom. Auf diese Weise würde es möglich sein, die Polymerisation eines Monomers, das zusätzlich eine funktionelle Gruppe enthält, unter Bedingungen zu untersuchen, von denen bekannt ist, dass sie eine geregelte Polymerisation erlauben. Das Monomer, das ausgewählt wurde, um diese Ausdehnung der Möglichkeiten von ATRP auf die direkte Herstellung eines azofunktionellen telechelischen Polymers zu veranschaulichen, war die Polymerisation von Dimethylaminoethylmethacrylat (DMAEMA) in wässriger Lösung. Die Polymerisation unter Verwendung der Aridgruppe als radikalisch übertragbarer Gruppe war langsamer als ein Polymerisationslauf mit Brom als radikalisch übertragbarem Atom. Die Polymerisation war geregelt, was anzeigt, dass Initiatoren auf Azidbasis für die Bewertung in der Polymerisation von Monomeren geeignet waren, die eine funktionelle tertiäre Amingruppe tragen. Polymere, die eine DMAEMA-Gruppe umfassen, können in Polymere umgewandelt werden, die ionische Funktionalität umfassen, durch Alkylierung der Diethylammoniumgruppe, wodurch Polymere gebildet werden, die kationische Funktionalität umfassen. Dies wird veranschaulicht durch die Reaktion eines DMAEMA-Blockcopolymers mit Methyliodid zum Bilden von 2-Methacryloxyethyltrimethylammoniumiodid. Methyliodid war bequem im Labor zu verwenden, aber der Fachmann wird rasch zusätzliche Alkylierungsmittel feststellen, die abhängig von der Struktur des für die Anwendung erwünschten Polymers ausgewählt werden können.
Es gibt jedoch Vorteile für die direkte Herstellung solcher Materialien. Das erste ionische Monomer, das für die direkte Polymerisation mit einem Azidinitiator ausgewählt wurde, war ein Monomer, das eine anionische funktionelle Gruppe trägt. Das ausgewählte Monomer war das Natriumsalz von p-Vinylbenzoesäure, die in einem geregelten Radikalpolymerisationsverfahren von Keoshkerian B., Macromolecules 28, 6381 (1995) und von Gabaston, L. I., et al. in Polym. Prepr. 38(1): 719–720 (1997) und Polymer 40 (16), 4505-40 (16), 4505–4514 (1999) unter Verwendung eines nitroxidvermittelten Polymerisationsverfahrens und von Wang X.-S. et at.; Macromolecules: 33, 255 (2000) unter Verwendung eines Standardhalogenidinitiators in ATRP polymerisiert worden ist. Das Monomer wurde erfolgreich unter Verwendung einer Azidgruppe als übertragbarer Gruppe durch Auswählen einer Polymerisationstemperatur homopolymerisiert und copolymerisiert, welche erlaubte, dass die Polymerisation in einem geeigneten Zeitrahmen ablief.
Zusätzlich zu der Möglichkeit der Bildung von eine ionische funktionelle Gruppe umfassenden (Co)polymeren erlaubt die Verwendung von Initiatoren, die eine Azidgruppe als primären Substituent an dem Initiatorrest oder als eine radikalisch übertragbare Gruppe tragen, sowohl die direkte Herstellung von telechelischen Polymeren mit funktionellen Azidendgruppen als auch von Blockcopolymeren und Gradient-/statistischen Copolymeren, welche diese verwendbare funktionelle Gruppe an jedem wachsenden Polymerkettenende tragen, zusätzlich zu der optionalen primären Azidofunktionalität, die auf dem Initiatorrest zurückbleibt. Solche Gruppen haben sich als empfindlich für äußere Energiestimulation gezeigt, was kettenverlängerte Materialien bildet. Als solches sind die Polymere in der Lage, Pulverbeschichtungen zu bilden, die durch Mikrowellenenergie vernetzbar oder kettenverlängerbar sind.
Ein sehr einfaches sauberes Verfahren wurde für die Herstellung eines monofunktionellen Polyethylenglycol-Makroinitiators auf Azobasis entwickelt. Es ist ein Verfahren, das auf die Funktionalisierung jedes Hydroxyl enthaltenden Moleküls angewandt werden kann, und ist ein Verfahren, das viel weniger Umweltbelastung mit sich bringt, wenn es industriell durchgeführt wird, als die Verwendung eines Säurehalogenids für die Veresterungsreaktion. Die freie Säure wird mit katalytischen Mengen von Dicyclohexylcarbodiimid und einer Base als Kondensationsmittel verwendet. Der monofunktionelle Polyethylenglycol-Initiator wurde ausgewählt, um einen wasserlöslichen Makroinitiator zur Herstellung eines Blockcopolymers bereitzustellen, in welchem jeder Block in Wasser löslich ist. Zusätzlich erlaubte er die Bestimmung des MW durch NMR. Die hierin beschriebene Synthese ist verschieden, einfacher und hat geringere Umweltbelastungen als die gewöhnlich verwendete Reaktion eines Halogenacylbromids mit PEG in Anwesenheit von Triethylamin, da diese letztere Reaktion trockene Reagenzien erfordert und Amin und Säurebromid verwendet, die hoch toxisch und übelriechend sind.
Dies ist nur ein Beispiel von einigen wasserlöslichen Blockcopolymeren, deren Herstellung hierin gelehrt wird. Anfänglich traten einige Schwierigkeiten beim Messen des Molekulargewichts und der Molekulargewichtsverteilung eines Polymers auf, das solche ionische funktionelle Gruppen enthält, da angenommen wurde, dass die funktionelle Gruppe vor der Durchführung der GPC geschützt werden müsste. Wir haben jedoch festgestellt, dass es möglich war, die GPC direkt durchzuführen, und dass die gebildeten Blockpolymere das MW und die MWD von Materialien zeigten, die unter gut kontrollierten Bedingungen hergestellt waren.
Der nächste Schritt war, wasserlösliche Blockcopolymere ausschließlich durch ein Radikalverfahren herzustellen, worin jeder Block in Wasser lösliche Polymersegmente umfasst. Einige Beispiele werden bereitgestellt, worin 2-DMAEMA, 2-HEMA und ionische Monomere polymerisiert werden. Die Polymerisation von wasserlöslichen Monomeren, wie DMAEMA, 2-HEMA und HEA, zum Bilden von Homopolymeren durch ATRP in Masse und in organischen Lösemitteln ist in früheren Anmeldungen und Veröffentlichungen von Matyjaszewski und Mitarbeitern diskutiert worden, und die Arbeit ist nachfolgend durch Veröffentlichung von Bedingungen für die Polymerisation dieser Monomere zusätzlich zu monomethoxy-verkapptem Oligo(ethylenoxid)methacrylat von Armes bestätigt worden. Die Polymerisation von DMAEMA wird verbessert, wenn methanollösemittelreiche Mischungen für die Polymerisation verwendet wurden, da Methanol die Löslichkeit des Deaktivators verbessert.
Während der Arbeit, die bis zu diesem Punkt in der Anmeldung diskutiert ist, und in der Arbeit, die in frühren Anmeldungen beschrieben ist, ist es interessant, festzustellen, dass während ein breites Spektrum von funktionellen Monomeren, die durch einen Radikalpolymerisationsmechanismus in Masse oder in organischen Lösemitteln polymerisiert werden können, lediglich ein beschränkter Bereich von wasserlöslichen polaren Monomeren, die DMAEMA, substituierte Hydroxy(meth)acrylate oder Natrium-4-vinylbenzoat umfassen, erfolgreich durch ATRP in wässrigen Systemen polymerisiert worden sind. Diese Beobachtung war wichtig, da wir die Bedingungen betrachteten, die für die geregelte Polymerisation von Monomeren, die kationische Substituenten oder anionische Substituenten, wie Sulfonate, umfassen, erforderlich sind. Schließlich wurden diese Monomere erfolgreich in Polymere eingebaut, die zum ersten Mal durch ein geregeltes Verfahren hergestellt wurden, aber dieser Erfolg erforderte ein tieferes Verständnis der Chemie, die mit dem Verhalten eines Übergangsmetallkatalysators verbunden ist, der befähigt ist, eine Redoxreaktion in wässriger Lösung einzugehen, und dass dieses Wissen auf das Polymerisationsverfahren angewandt wurde.
2-Trimethylammonioethylmethacrylatmethansulfonat und Triflat (TMAEMT) wurden als beispielhafte Monomere ausgewählt, die einen kationischen Substituent umfassen, und obwohl sie erfolgreich (co)polymerisier wurden, trat bei anfänglichen Versuchen eine offensichtlich äußerst rasche Deaktivierungsreaktion auf. Die Erfahrung mit TMAEMAT war ähnlich zu derjenigen, die bei einem anderen Monomer, Natrium-4-styrolsulfonat, auftrat, das niemals erfolgreich durch ATRP polymerisiert worden war; in beiden Fällen wurden die Reaktionsmischungen trotz sorgfältigen Entgasens der Reaktanten rasch grün. Diese Beobachtung wurde anfänglich einer Oxidation zugeschrieben, aber sie kann auf einer Disproportionierungsreaktion eines Übergangsmetallkomplexes mit entzogenem organischem Ligand beruht haben. Ein Niederschlag von Cu⁰ wurde nicht beobachtet, was klar eine Disproportionierung anzeigen würde, aber ein solcher Niederschlag ist nicht immer leicht sichtbar.
Die Polymerisation von Styrol in heterogenen wässrigen Medien unter Verwendung von PMDETA als Ligand erwies sich ebenfalls als schwierig unter Verwendung üblicher ATRP-Techniken; die Analyse der nicht erfolgreichen Versuche unterstützte jedoch die Klärung einiger der Wechselwirkungen, die wichtig in Polymerisationssystemen sind, die Wasser als eine Komponente umfassen. Der Kupfer(I)-PMDETA-Komplex ist in Wasser sehr löslich, und gemäß der Analyse nachstehend in diesem Beispiel wurde die Wirkung einer signifikanten Disproportionierung ebenfalls beobachtet.
Wir haben vorher festgestellt, dass nur bestimmte wasserlösliche und/oder ionische Monomere, DMAEMA, Hydroxy(meth)acrylate oder Natrium-4-vinylbenzoat, durch ATRP polymerisiert werden können und ferner festgestellt, dass diese Monomere Komplexe mit dem Übergangsmetallkatalysator bilden können. Obwohl dies eine geregelte Polymerisation schwierig macht, erlaubt es, dass eine geregelte Polymerisation durchgeführt wird, da der Übergangsmetallkomplex (komplexiert mit sowohl zugesetztem Ligand als auch Monomer/Polymer) weiterhin vorliegt, um an der Redoxreaktion teilzunehmen. Als wir zum ersten Mal versuchten, eine Polymerisation von ionischen Monomeren durchzuführen, die keine Komplexe mit dem Katalysatorsystem bilden, schienen die Reaktionen aufgrund des raschen Auftretens von oxidiertem Katalysator abzubrechen.
Obwohl eine Beschränkung des Bereiches der Erfindung nicht erwünscht ist, wird nun angenommen, dass in den hoch polaren Medien, die während der versuchten Polymerisation von polaren oder ionischen Monomeren in Masse oder in wässriger Lösung gebildet werden, der Übergangsmetallkomplex einen Ligand verlieren kann, oder die Bindungsstärke des assoziierten Liganden kann geschwächt werden, in jedem Fall kann eine Disproportionierungsreaktion, veranschaulicht durch die Disproportionierung von Cu^I zu Cu^II und Cu⁰, auftreten. (Das Auftreten von Cu⁰ kann nicht einfach in der Skala von untersuchten Reaktionen festgestellt werden und kann durch die starke Farbe der Cu^II-Spezies maskiert werden.)
Navan N. et al., Inorg. Chem. 38, 3484–88 (1999) zeigte, dass es zum Unterdrücken einer Disproportionierungsreaktion notwendig war, einen Ligand zu verwenden, worin der Cu^I-Komplex signifikant stabiler ist als der Cu^II-Komplex. Datta, D., Ind. J. Chem. 26A, 860 (1987) hatte gezeigt, dass die Polarität des Mediums ein anderer wichtiger Faktor ist, der die Gleichgewichtskonstante für die Disproportionierung von Cu^I, wie durch die Gleichung 2.0 definiert, beeinflusst.
Es ist gezeigt worden, dass logK_disp mit der Abnahme der Polarität des Lösemittels ε abnimmt in der Reihenfolge: Wasser (ε = 78,54) logK_disp = 6,00 [Fenwick, F., J. Am. Chem. Soc., 48, 860 (1926)], Methanol (ε = 32,63) logK_disp = 3,55 und Ethanol (ε = 24,33) logK_disp = 0,55, [Randles, J. E. B., J. Chem. Soc., 802 (1941)] und Aceton (ε = 20,70) logK_disp = –1,50 [Coetzee, J. F., Siao, W., Inorg. Chem, 2, 14 (1963)]. Diese starke Abhängigkeit von der Polarität des Lösemittels kann unter Verwendung des Born-Solvatisierungsmodells erklärt werden, d.h. unter der Annahme, dass die Wechselwirkungen des Lösemittels und des gelösten Stoffes rein elektrostatischen Ursprungs sind.
Selbst in Anwesenheit von Liganden, die vorzugsweise Cu^I stabilisieren, wie 2,2'-Bipyridyl (bpy), wird eine signifikante Disproportionierung beobachtet, wenn einige Salze, einschließlich ionische Monomere, zu einem wässrigen System zugesetzt werden (z.B. eine hohe Konzentration des Monomers 2-Trimethylammonioethylmethacrylattriflat) – diese ionischen Spezies können die Polarität des Systems signifikant erhöhen und auf diese Weise K_disp erhöhen. Wir schlagen vor, dass in einem solchen Fall die Disproportionierungsreaktion zu unterdrücken ist, um einen Übergangsmetallkomplex bereit zu stellen, der eine ATRP-Reaktion katalysieren kann und dass dies durch die Zugabe eines großen Überschusses eines Liganden bewirkt werden kann, der befähigt ist, den Cu^I-Katalysatorkomplex zu stabilisieren. In Abwesenheit von Verbindungen, welche die Polarität des Mediums erhöhen, wird keine Disproportionierung beobachtet, wenn bpy als Ligand in wässriger Lösung verwendet wird.
Die fundamentale Basis für die vorstehende Interpretation und die resultierenden Verfahren, die wir hierin zum Durchführen einer geregelten übergangsmetallvermittelten Poly merisation in hoch polaren Medien lehren, können erreicht werden durch Berücksichtigen der Disproportionierungsreaktion in Anwesenheit eines Liganden L (der Fall, welcher die Zugabe von einigen Molekülen umfasst, die als Liganden wirken können, wird ebenfalls berücksichtigt), der Komplexe mit beiden Kupferionen bildet, kann schematisch wiedergegeben werden als:
In dem vorstehenden Schema ist K_disp die Disproportionierungsgleichgewichtskonstante in Abwesenheit von irgendwelchen Nebenreaktionen, β^I, und β^II, sind die Gesamtstabilitätskonstanten der Komplexe von Cu^I und Cu^II mit dem Ligand L.
Wir führen nun die konditionale Konstante der Disproportionierung K_disp* ein, analog zu anderen konditionalen Gleichgewichtskonstanten, die diskutiert werden von Schwarzenbach, G., Die Komplexometrische Titration, 2. Aufl., F. Enke, Stuttgart, 1956; Ringbom, A., J. Chem. Educ., 35, 282–88 (1958); Flaschka, H. A., EDTA Titrations, Pergamon, New York, 1959, Ch. 4; Ringbom, A., Complexation in Analytical Chemistry, Interscience, New York, London, 1963; Ringbom, A., Harju, L., Anal. Chim. Acta, 59, 33–47; 49–58 (1972); Ringbom, A., Still, E., Anal. Chim. Acta, 59,143–6 (1972); und Smith, R. M., Martel, A. E., Critical Stability Constants, Bd. 2: Amines, Plenum, New York, 1975 kann nun eingeführt werden. Sie wird angegeben durch die gesamten Gleichgewichtskonzentrationen sämtlicher Kupferspezies, d.h. die Summe der Konzentrationen freier Ionen und sämtlicher Kupferkomplexe, die in dem System vorhanden sind. Daher kann man schreiben:
Nun werden α-Koeffizienten für die Kupferspezies, die in Nebenkomplexbifdungsreaktionen teilnehmen, welche die Signifikanz dieser Reaktionen zeigen, definiert als:
Mit diesen kann die konditionale Gleichgewichtskonstante K_disp* umgeschrieben werden als
Die vorstehende Relation zeigt klar, dass falls der Ligand L stabilere Komplexe mit dem Kupferion im niedrigeren Oxidationszustand als mit dem Kupferion im höheren Oxidationszustand bildet, die Disproportionierungsreaktion weitgehend unterdrückt werden kann. Sie zeigt auch die Möglichkeit, dieses Gleichgewicht wie erwünscht "einzustellen" durch Verwenden eines geeigneten Liganden mit geeigneten Konzentrationen. Es sollte beachtet werden, dass falls ein Ligand nicht stark an entweder Cu^I oder Cu^II bindet, aber in großem Überschuss vorhanden ist, z.B. falls er als ein Lösemittel zugesetzt werden kann, oder in der Tat, falls er ein Monomer in der Polymerisationsreaktion ist, er noch signifikant die Disproportionierung unterdrücken kann, vorausgesetzt, dass das Verhältnis α^II/(α^I)² viel kleiner ist als eins. Der begrenzte Erfolg der für die geregelte ATRP von polaren oder ionischen Monomeren erreicht worden ist, ist aufgetreten, wenn das Monomer oder der Makroinitiator einen Komplex mit den Cu^I-Spezies bilden kann.
Lassen sie uns nun den Fall berücksichtigen, wenn zwei Liganden L und M in dem System vorhanden sind. Die Gesamtstabilitätskonstanten der Komplexe werden nun als β^I _i,L (i = 1, 2, ..., m), β^II _j,L (j = 1, 2, ..., n) (für die Cu^I- und Cu^II-Komplexe des Liganden L), β^I _k,M (k = 1, 2, ..., p) und β^II _l,M (1 = 1, 2, ..., q) (für die entsprechenden Komplexe von Cu^I und Cu^II mit M) bezeichnet. Die α-Faktoren für sowohl Cu^I und Cu^II für beide Liganden L und M können wiederum verwendet werden, und für jeden Oxidationszustand von Kupfer ist der α-Koeffizient die Summe der Koeffizienten für beide Liganden minus eins, d.h. [Ringbom, A., Complexation in Analytical Chemistry, Interscience, New York, London, 1963]:
Die konditionale Disproportionierungskonstante kann exakt wie vorstehend (Gleichung 2.4), aber unter Verwendung der neuen Definitionen der α-Koeffizienten, ausgedrückt werden.
Die wiedergegebene Annäherung kann auf mehr als zwei Nebenreaktionen (d.h. mit mehr als zwei vorhandenen Liganden) ausgedehnt werden; es sollte lediglich beachtet werden, dass der α-Koeffizient für jede Spezies (Cu^I oder Cu^II) eine Summe der α-Koeffizienten für sämtliche Nebenreaktionen minus der Anzahl dieser Reaktionen plus eins ist.
Erläuternde Beispiele
Erläuterndes Beispiel 1. Wir können in Betracht ziehen zu bestimmen, wie stark die Disproportionierungsgleichgewichtskonstante für die Kupferspezies in Gegenwart von 0,1 M Pyridin (ein Modell für Liganden vom bipy-Typ) abnimmt. Die Gesamtstabilitätskonstanten der Pyridinkomplexe von Cu^I sind β^I ₁ = 6,92 × 10⁴, β^I ₂ = 3,89 × 10⁷, β^I ₃ = 1,51 × 10⁸ und β^I ₄ = 3,31 × 10⁸, und diejenigen der Cu^II-Komplexe sind β^II ₁ = 3,63 × 10², β^II ₂ = 2,82 × 10⁴, β^II ₃ = 5,01 × 10⁵ und β^II ₄ = 3,16 × 10⁶ [Smith, R. M., Martell, A. E., Critical Stability Constants, Bd. 2:Amines, Plenum, New York, 1975].
Aus den vorstehenden Daten können unter Verwendung der Gleichungen 2.1 und 2.4 die α-Koeffizienten für Cu^I und Cu^II berechnet werden; sie betragen α^I = 5,80 × 10⁵ und α^II = 1,14 × 10³. Folglich werden bei dieser Konzentration des Liganden stabilere Komplexe mit Cu^I als mit Cu^II gebildet, und die Disproportionierungskonstante nimmt um einen Faktor (α^I)²/α^II = 2,95 × 10⁸ ab.
Erläuterndes Beispiel 2. Wir können auch bestimmen, wie stark die Disproportionierungsgleichgewichtskonstante für die Kupferspezies sich in Anwesenheit von 0,1 M Ethylendiamin (en) (ein Modell für Liganden auf Basis eines linearen Amins) ändert, wobei nur die Bildung der Komplexe, welche zwei Liganden enthalten, in Betracht gezogen wird. Die Gesamtstabilitätskonstante des en-Komplexes von Cu^I ist β^I ₂ = 1,58 × 10¹¹, und diejenige des Cu^II-Komplexes ist β^II ₂ = 1,10 × 10²⁰ [Daten ebenfalls von Smith, R. M., Martell, A. E., Critical Stability Constants, Bd. 2:Amines, Plenum, New York, 1975]. Die α-Koeffizienten für Cu^I und Cu^II sind α^I = 1,58 × 10⁹ und α^II = 1,10 × 10¹⁸. Bei dieser Konzentration des Liganden, der stabilere Komplexe mit Cu^II als mit Cu^I bildet, das zugesetzte en, nimmt die Disproportionierungskonstante um einen Faktor von nur (α^I)²/α^II = 2,27 ab. Mit anderen Worten beeinflusst die Zugabe eines Liganden des durch en modellhaft gezeigten Typs die Disproportionierungsreaktion nicht signifikant.
Aus diesen beiden erläuternden Beispielen kann geschlossen werden, dass die Zugabe eines Überschusses von PMDETA (ähnliches Verhalten zu en) zu einer in wässrigen Medien durchgeführten Polymerisation keine signifikante Wirkung auf die Disproportionierung hat, dass aber die Verwendung eine Überschusses von bpy eine starke Wirkung haben kann. Unglücklicherweise ist bpy nicht sehr löslich in wässrigen Medien, Pyridin ist jedoch löslich, und es ist möglich, dass Pyridin als ein Lösemittel oder als eine Komponente der Reaktionsmischung verwendet werden kann und wirken kann, um die Disproportionierungsreaktion zu unterdrücken.
Erläuternde Beispiele 3 und 4. Zwei Mischungen, die das kationische Monomer TMAEMT enthalten, wurden hergestellt, um beispielhaft die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf Systeme zu zeigen, die ein ionisches Monomer umfassen, das nicht mit Cu^I komplexiert. In beiden Versuchen wurde sehr sorgfältiges Entgasen durchgeführt (bis zu 10 Gefrier-Pump-Auftauzyklen), um die Oxidation zu minimieren und um klar anzugeben, ob signifikante Mengen der Disproportionierung auftreten, was zu der raschen Herstellung von Cu^II-Komplex führt. Das erste Reaktionsmedium enthielt eine Mischung von Methanol und Wasser als Lösemittel, und das zweite Reaktionsmedium enthielt die gleichen Mengen von Pyridin und Wasser. Wenn CuCl/bpy (1:20) zu beiden Mischungen zugesetzt wurde, wurde eine sehr rasche Disproportionierung in dem ersteren Fall beobachtet (eine grün gefärbte Lösung wurde gebildet, und ein Niederschlag von Cu trat auf), während in dem zweiten Fall, der Pyridin enthaltenden Lösung, der Komplex eine braune Lösung bildete, die mehr als eine Woche stabil zu sein schien. Dies zeigt klar die Minimierung der Disproportionierung und ist ein starker Hinweis, dass die vorliegende Erfindung in ATRP verwendete Katalysatoren stabilisiert.
Ein sehr ähnliches Verhalten zeigt sich mit anderen "schwierig" wasserlöslichen ATRP-Monomeren, die anionische funktionelle Gruppen umfassen, wie Natriurn-4-styrolsulfonat, die durch ATRP vor der vorliegenden Erfindung nicht polymerisierbar waren.
Ein anderes wasserlösliches Monomer, das signifikant stabilere Komplexe mit Cu^II als mit Cu^I bildet, ist Vinylimidazol. Es kann erwartet werden, dass in Abwesenheit von zugesetztem Ligand oder Ligandsubstituent eine Disproportionierung des Katalysators auch in diesem Fall ein signifikantes Problem sein wird. Um die Polymerisationen möglich zu machen, sollten abgebende Lösemittel (oder Ligandsurrogate), welche Cu^I stabilisieren, als Additive zu dem Reaktionsmedium verwendet werden.
Monomere, die beispielhaft eine breite Klasse von ionischen Monomeren zeigen, die inhärent nicht mit dem Übergangsmetall komplexieren, umfassen 2-DMAEMA, 2-HEMA, Natrium-4-vinylbenzoat, Poly(ethylenglycol)methacrylatmonomethylether und Natriummethacrylat. Daher lehren wir nun Verfahren für die Polymerisation von Ionischen Monomeren, die nicht nur mit Kupferspezies wechselwirken, sondern signifikant die Polarität des Mediums erhöhen und auf diese Weise die Disproportionierung des Katalysators, insbesondere in wässrigen Systemen, favorisieren. Die Zugabe von überschüssigem Ligand oder eines Ligandersatzes, wie Pyridin, erlaubt, dass der Übergangsmetallkamplex in den zwei Oxidationsstufen vorhanden ist, die für metallvermittelte Lebendradikalpolymerisation erforderlich sind.
EXPERIMENTELLER TEIL
SYNTHESE VON AZIDINITIATOREN
Beispiel 1. 2-Azidoethanol
Die anfängliche Annäherung an die Herstellung eines Azid enthaftenden Initiators war der direkte Ersatz des Bromatoms in einem "Standard"-ATRP-Initiator unter Verwendung der Chemie, die sich als geeignet für die Umwandlung eines Broms an der Endgruppe eines durch ATRP hergestellten Polymers geeignet gezeigt hat. Die direkte Annäherung führte zu einer niedrigen isolierten Ausbeute nach der Extraktion des Initiators, obwohl eine volle Umwandlung durch GC bestätigt worden war. Es scheint, dass 2-Azidoethanol in Wasser löslich ist.
Ein anderes Verfahren wurde mit Trimethylsilylazid in Tetrahydrofuranlösung in Anwesenheit von Tetrabutylammoniumfluorid und Kaliumfluorid durchgeführt. Dieses Verfahren führte zur Bildung des 2-Azidoethanolprodukts; es wurde jedoch festgestellt, dass die Reaktion viel langsamer als in der Literatur beschrieben war und dass das Produkt etwas assoziiertes Tetrabutylammoniumfluorid enthielt.
Das dritte Verfahren verwendete einen Phasenübertragungskatalysator in Wasser und ergab ebenfalls 2-Azidoethanol in geringen isolierten Ausbeuten, obwohl die GC-Analyse 100 % Umwandlung und keine Nebenprodukte zeigte. Beispiel 1a. Synthese von 2-Azidoethanol unter Verwendung von Natriumazid.
Tabelle 1.
Die Reaktion wurde in polarem Lösemittel, entweder DMF oder DMSO, durchgeführt. Das Produkt enthielt in beiden Fällen eine kleine Menge Lösemittel. 2-Bromethanol wurde zu einer 0,5 M Lösung von NaN₃ in DMSO/DMF zugesetzt, und die Reaktionsmischung wurde über Nacht bei Raumtemperatur gerührt. Dann wurden Wasser und Ether zugesetzt, die Schichten getrennt und die organische Schicht mit Wasser extrahiert. Die organische Schicht wurde mit MgSO₄ getrocknet, und dann wurde das Lösemittel verdampft.
Die Charakterisierung wird mit ¹H-NMR und FT-IR durchgeführt.
¹H-NMR: δ: 3,81 (t, 2H); 3,41 (t, 2H); 2,75 (s, 1H)
FT-IR: cm^–1: 3550–3100 (b); 2110 (s) Beispiel 1b. Synthese von 2-Azidoethanol unter Verwendung von Trimethylsilylazid
Tabelle 2
Ein trockener Rundkolben wurde mit 2-Bromethanol, Trimethylsilylazid und Kaliumfluorid unter Stickstoff beschickt. Zu dieser Mischung wurde eine Lösung von Tetrabutylammoniumfluorid zugesetzt. Nach zweitägigem Rühren wurde die Reaktionsmischung mit Ether verdünnt, der Niederschlag wurde abfiltriert und das Lösemittel eingedampft. Das Produkt enthielt neben 2-Azidoethanol etwas Tetrabutylammoniumverbindung. Die Herstellung von 2-Azidoethanol wurde durch ¹H-NMR bestätigt. δ: 3,81 (t, 2H); 3,41 (t, 2H); 2,75 (s, 1H). Beispiel 1c. Synthese von 2-Azidoethanol unter Verwendung eines Phasenübertragungskatalysators Tabelle 3.
Die Komponenten wurden in einem 25 ml-Rundkolben vermischt und bei Raumtemperatur gerührt. Die Umwandlung wird durch GC-Analyse bestimmt. Nach 2 Tagen liegt eine 99 %ige Umwandlung vor. Wasser und Ether werden zugesetzt, die organische Schicht mit Wasser extrahiert, dann mit MgSO₄ getrocknet und das Lösemittel eingedampft. Eine orangefarbene Flüssigkeit wird erhalten. Sie ist schwach viskos. Das Produkt enthält etwas Tetrabutylammoniumverbindung, und die Ausbeute beträgt 40 %.
Beispiel 2. Synthese von 2-Azido-1-methylethanol.
Das Verfahren wurde zuerst für die Reaktion von Epoxiden (insbesondere von CHO) mit Natriumazid beschrieben (J. Org. Chem. 1999, 64, 6094). Die Bedingungen wurden modifiziert, und in einem typischen Versuch wurden 2,06 ml (2,94·10^–2 mol) Propylenoxid zu einer Lösung von 4,78 (7,35·10^–2 mol) Natriumazid in 15 ml Wasser zugesetzt. Nach 20-stündigem Rühren wurde das gebildete 2-Azido-2-methylethanol zweimal mit 10 ml Ether extrahiert, dann wurde Salz zugesetzt, und die Extraktion wird noch dreimal mit 10 ml Ether und dann 5 mal mit 10 ml Methylenchlorid wiederholt. Die filtrierten Lösungen wurden gesammelt und über MgSO₄ getrocknet. Dann werden die Lösemittel unter vermindertem Druck zuerst bei Raumtemperatur entfernt. 1,4 g (1,386·10^–2 mol) Ausbeute: 47,15 %. Beispiel 3. Synthese von 2-Azidoethyl-2-brompropionat (Azoinitiator 1)
Tabelle 4.
Die Synthese wurde in Methylenchlorid bei 0°C durchgeführt. Eine Lösung von 2-Brompropionylbromid in Methylenchlorid wurde tropfenweise zu einer Mischung von 2-Azidoethanol in Methylenchlorid zugesetzt, Triethylamin wurde zum Neutralisieren der gebildeten Bromwasserstoffsäure zugesetzt. Nach dem Rühren bei Raumtemperatur über Nacht wurde Wasser zugesetzt, die organische Schicht wurde dreimal mit Wasser extrahiert, die organische Phase wurde dann getrocknet und das Lösemittel eingedampft. Das Produkt war eine Mischung von Nebenprodukten und musste über eine Silicagelsäule getrennt werden, was reines 2-Azidoethyl-2-brompropionat ergab. Die Charakterisierung wurde mit ¹H-NMR und FT-IR durchgeführt.
¹H-NMR: δ: 4,39 (q, 2H, J_HH = 7,32); 4,33 (t, 2H, J_HH = 5,13); 3,51 (t, 2H, J_HH = 5,13); 1,85 (d, 3H, J_HH = 7,32)
FT-IR: cm^–1: 3550–3100 (b); 2110 (s)
Beispiel 4. Synthese von Ethyl-2-azido-2-methylpropionat aus Ethyl-2-brom-2-methylpropionat und Natriumazid in Wasser mit Tetrahexylammoniumbromid als Phasenübertragungskatalysator.
Die Synthese von organischen Aziden durch die S_N-Reaktion von organischen Halogeniden und Metallaziden in Gegenwart von Phasenübertragungskatalysatoren, wie Ammoniumsalze [2-4,6] oder PEG-Derivate, ist ein in weitem Umfang angewandtes Verfahren. (In dieser Reaktion wurde eine relativ große Menge des Phasenübertragungskatalysators verwendet, wie es für die Fälle empfohlen wird, wenn das Alkylhalogenid leicht hydrolysieren kann.) 1,9602 g (10,06 mmol) Ethyl-2-brom-2-methylpropionat, 0,9769 g (15,03 mmol) Natriumazid und 0,8057 g (1,85 mmol) Tetrahexylammoniumbromid wurden mit 10 ml Wasser vermischt. Die erhaltene Mischung wurde 20 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. (Der Fortschritt der Reaktion wurde durch GC verfolgt, und nach 20 Stunden wurde kein in der Reaktion verbleibendes Ethyl-brom-2-methylpropionat festgestellt.) Dann wurde das Ethyl-2-azido-2-methylpropionat-Produkt mit Ether (3 × 20 ml) extrahiert, die Etherlösung wurde mit Natriumsulfat getrocknet, und der Ether wurde unter vermindertem Druck eingedampft. Die Ausbeute ist quantitativ.
Beispiel 5. Synthese von Ethyl-2-azido-2-methylpropionat aus Ethyl-2-brom-2-methylpropionat und Natriumazid in Wasser mit Tetrabutylammoniumhydrogensulfat als Phasenübertragungskatalysator.
Ethyl-2-azido-2-methylpropionat wurde synthetisiert unter Verwendung des billigeren und in organischen Lösemitteln weniger löslichen Phasenübertragungskatalysators Tetrabutylammoniumhydrogensulfat. 3,9094 g (20,04 mmol) Ethyl-2-brom-2-methylpropionat, 1,6265 g (25,02 mmol) Natriumazid und 1,6986 g (5,00 mmol) Tetrabutylammoniumhydrogensulfat wurden mit 15 ml Wasser vermischt. Die Umwandlung von Ethyl-2-brom-2-methylpropionat wurde durch GC verfolgt. Nach 39 h war die Reaktion vollständig. Zu der Mischung wurden 10 ml Wasser zugesetzt, und das erhaltene Ethyl-2-azido-2-methylpropionat wurde mit Ether (3 × 20 ml) extrahiert. Die vereinigten Etherlösungen wurden mit Natriumsulfat getrocknet, und das Lösemittel wurde in einem Rotationsverdampfer entfernt. Die Ausbeute von Ethyl-2-azido-2-methylpropionat betrug 2,815 g (17,8 mmol oder 88,8 %). Der Ester wurde durch IR- und ¹H-NMR-Spektroskopie charakterisiert. Das NMR-Spektrum besteht aus den folgenden Signalen (δ, ppm): 1,66 (t, 3H), 1,74 (s, 6H) und 4,12 (q, 2H). (Zum Vergleich besteht das Spektrum des Ethyl-2-brom-2-methylpropionats aus Signalen bei 1,31 (t, 3H), 1,92 (s, 6H) und 4,23 (q, 2H) ppm.)
Beispiel 6. Synthese von monofunktionellem Initiator: Ester von monomethyliertem PEG (Me₁PEG) mit einem Molekulargewicht von 550 mit Bromisobuttersäure (BiBA). (Dies kann als ein wasserlöslicher Makroinitiator zur Herstellung von amphiphilen Blockcopolymeren oder wasserlöslichen Blockcopolymeren angesehen werden.)
Die Herstellung von Estern von PEG und 2-Brom- und 2-Chlorpropansäure, ausgehend von den entsprechenden Säurechloriden in Gegenwart von 4-Dimethylaminopyridin (4-DMAP) und Triethylamin in Methylenchlorid ist in der Literatur beschrieben worden [Jankova, K., Chen, X., Kops, J., Batsberg, W., Macromolecules, 31, 538–41 (1998)]. Diese Reaktion erfordert jedoch eine sorgfältige Trocknung sämtlicher Chemikalien. Es gibt zahlreiche Berichte in der Literatur [Neises, B., Steglich, W., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 17, 522–4 (1978); Hassner, A., Alexanian, V., Tetrahedron Lett., 46, 4475–8 (1978)], dass die Veresterung von Carbonsäuren und Alkoholen in einfacher Weise bei Raumtemperatur durchgeführt werden kann und hohe Ausbeuten in relativ kurzen Reaktionszeiten ergibt, wenn Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) in Gegenwart einer katalytischen Menge einer Base, wie 4-DMAP, in Methylenchlorid als Kondensationsmittel verwendet wird. Unter Verwendung dieser Reaktion wurde die Veresterung von Me₁PEG mit BiBA durchgeführt und ergab eine hohe Esterausbeute.
Beispiel 7.
3,3480 g (20,05 mmol) BiBA wurden in 30 ml Methylenchlorid aufgelöst. Zu dieser Lösung wurde unter Rühren eine Lösung von 11,07 g (20,13 mmol) Me₁PEG mit einem Molekulargewicht von etwa 550 g/mol zugesetzt, und dann wurden 4,1342 g (20,04 mmol) festes DCC zugesetzt. Ein Niederschlag von Dicyclohexylcarbamid trat fast unmittelbar nach der Zugabe von DCC auf. Der Kolben wurde in ein Eis-Wasser-Bad gebracht, und 0,113 g (0,92 mmol) 4-DMAP wurden zugesetzt, und die Mischung wurde in dem Kühlbad etwa 5 Minuten gerührt. Der Kolben wurde auf Raumtemperatur erwärmen gelassen und 5 Stunden gerührt. Das ausgefallene Dicyclohexylcarbamid wurde abfiltriert und gut auf dem Filter mit einer Gesamtmenge von etwa 130 ml Methylenchlorid gewaschen (nach dem Trocknen betrug sein Gewicht 4,1913 g oder 18,68 mmol, was einer 93,22 %igen Umwandlung von DCC entspricht). Dann wurde das Lösemittel aus der vereinigten Lösung und den Waschflüssigkeiten in einem Rotationsverdampfer entfernt. Es wurde ein schwach gelbliches Öl erhalten, das etwas festen Niederschlag enthielt. Der Ester wurde dann einige Male gefroren und auf Raumtemperatur erwärmt, bis keine zusätzlichen Kristalle ausfielen. Dann wurde er filtriert, was eine Ausbeute von 12,8362 g (91,6 %) ergab. Der Ester wurde durch IR-(starke Absorption bei 1720 cm^–1, keine oder nur eine nicht signifikante Absorption bei 3600–3200 cm^–14) und ¹H-NMR-(δ 1,93, 3,38, 3,65 und 4,32 ppm – Signale mit relativen Intensitäten von etwa 6:3:54:2; ein relativ starkes Signal von Aceton wurde ebenfalls bei 2,17 ppm festgestellt) Spektroskopie charakterisiert. (Zum Vergleich besteht das ¹H-NMR-Spektrum des anfänglichen Me₁PEG aus zwei Signalen bei 3,39 und 3,65 ppm mit relativen Intensitäten von 3:63.)
Beispiel 8. Synthese eines Azidmakroinitiators auf Basis von Polyethylenglycol Me₁PEG-OOC-C(N₃)Me₂ mit einem Molekulargewicht von 661 g/mol (Azoinitiator 2) [vgl. Pfaendler, H. R., Weimar, V., Synthesis, 1345 (1996)].
Reagenzien/Bedingungen: 3,4998 g Me₁PEG-OOC-C(Br)Me₂ mit einem Molekulargewicht von 699 (5 mmol), 0,6501 g NaN₃ (10 mmol); 0,1602 g Bu₄NBr (0,5 mmol); Temperatur: 85°C. Die Mischung wurde 27 h gerührt (nach 25 h war die Reaktion auf der Grundlage von ¹H-NMR vollständig), abgekühlt und mit 20 ml Ether extrahiert. Die Lösung wurde filtriert, und die Salze wurden wieder mit 20 ml Ether extrahiert. Das Lösemittel wurde aus der vereinigten Lösung verdampft. Ausbeute: 2,924 g (88,5 %). Das Singlett für die zwei Methylgruppen aus dem Isobutyratteil befindet sich bei 1,47 ppm, und dasjenige für die Ausgangsbromverbindung befindet sich bei 1,93 ppm. In dem IR-Spektrum wird ein Signal bei etwa 2100 cm^–1 festgestellt. Auf der Grundlage des IR-Spektrums kann angenommen werden, dass die Verbindung eine bestimmte Menge von Me₁PEG enthält (oder sie kann auch etwas Feuchtigkeit enthalten).
Beispiel 9. Synthese von Methyl-1-azido-1-phenylacetat (Azoinitiator 3)
Der Initiator 1 hat sich in der ATRP von DMAEMA in wässriger Lösung als wirksam erwiesen. Daher war es vernünftig, den Initiator, Methyl-1-azido-1-phenylacetat, mit der ähnlichen Struktur 2 zu synthetisieren und zu untersuchen, ob er für die geregelte Polymerisation dieses Monomers verwendet werden kann. Der Initiator 2 wurde gemäß dem vorliegenden Schema synthetisiert:
2,2908 g (10 mmol) 1, 0,8137 g (12, 5 mmol) Natriumazid und 0,8500 g (2,5 mmol) Tetrabutylammoniumhydrogensulfat wurden mit 7,5 ml Wasser vermischt. Die Mischung wurde 39 h bei Raumtemperatur gerührt, und am Ende der Reaktion wurden 5 ml Wasser zugesetzt, gefolgt von Extraktion mit Ether (3 × 10 ml). Die vereinigten Etherlösungen wurden über Natriumsulfat getrocknet, und Ether wurde in einem Rotationsverdampfer entfernt. Ausbeute 1,3383 g.
SYNTHESE VON POLYMEREN
Um beispielhaft die Herstellung von telechelischen Polymeren mit Azidendgruppen als auch definierte Blockcopolymere und Gradient-/statische Copolymere zu zeigen, wurden anfänglich azidfunktionalisierte Initiatoren, 2-Azidoethyl-2-bromisopropionat, α-Methylbenzylazid und Ethylazidoisobutyrat, für die geregelte Polymerisation von Styrol, MMA und n-Butylacrylat verwendet. Der für die Styrolpolymerisation verwendete Initiator war α-Methylbenzylazid, und für die Polymerisation von n-Butylmethacrylat wurde Ethylazidoisobutyrat als Initiator verwendet. Der Ethylazidoisobutyrat-Initiator wurde unter Verwendung von Phasenübertragungskatalyse, wie vorstehend beschrieben, hergestellt. Polymerisationen waren erfolgreich, und die Azoinitiatoren wurden dann verwendet, um höher funktionelle Monomere zu polymerisieren.
Beispiel 10. (Erläuternd; außerhalb des Bereiches des Patentanspruchs 1)

Polymerisation von Styrol mit 2-Azido-1-methylethyl-2-brompropionat (POAZBr)

Reaktionsbedingungen: St/Cu^IBr/POAZBr-1/PMDETA = 200/1/2/1. Temperatur: 90°C. Die Polymerisation lief in kontrollierter Weise ab, wobei die Umwandlung linear mit der Zeit anstieg wie das Molekulargewicht mit der Umwandlung anstieg, und eine enge MWD wurde erhalten. Nach 260 Minuten: Ausbeute = 75,39 %, Mn = 5219, PDI = 1,21.
Wenn die Reaktionsverhältnisse sind: St/Cu^IBr/POAZBr-1/PMDETA = 200/1/2/1, beträgt die Ausbeute nach 20 h 98,52 % und Mn = 32837, PDI = 1,19.
Wenn die Reaktionsbedingungen sind: St/Cu^IBr/POAZBr-1/PMDETA = 400/1/2/1, beträgt die Ausbeute nach 20 h 94,34 % und Mn = 26639, PDI = 1,15.
Beispiel 11. Polymerisation von Styrol unter Verwendung von α-Methylbenzylazid. (Erläuternd, außerhalb des Bereiches des Patentanspruchs 1)
Die Polymerisation von Styrol unter Verwendung von α-Methylbenzylazid (α-MBA) wurde durchgeführt, wobei viel niedrigere Zielmolekulargewichte angestrebt wurden. Das Ziel dieses Versuchs und des folgenden Versuchs war, Polymere zu erhalten, die durch MALDI auf ihre Endgruppen analysiert werden können. Einer der Versuche wurde unter Verwendung eines Katalysatorsystems auf Kupfer(I)-chloridbasis und der andere mit Kupfer(I)-hexafluorphosphat durchgeführt.
(Vergleich) Masse-ATRP von Styrol (Sty) mit α-MBA als Initiator in Gegenwart von CuPF₆/dNBpy.Styrol – 5 ml, CuPF₆·4MeCN – 0,2031 g (0,545 mol) dNbpy – 0,4455 g, α-MBA – 80 μl. Ziel DP = 80. Temperatur = 90°C.
Die Mischung wurde in einem 10 ml-Schlenk-Kolben gerührt. Die kinetischen Ergebnisse zusammen mit den Molekulargewichtsergebnissen der erhaltenen Polymere zeigen, dass die Polymerisation sehr schnell ist, und eine gute Regelung kann mit den PDI-Werten in dem Bereich von 2 nicht erreicht werden.
Beispiel 12. (Erläuternd, außerhalb des Bereiches des Patentanspruchs 1)

Masse-ATRP von Styrol (Sty) mit α-MBA als Initiator in Gegenwart von CuCl/dNBpy. Styrol – 5 ml, CuCl – 0,0546 g, dNbpy – 0,4455 g, α-MBA – 80 μl, Ziel DP = 80. Temperatur = 90°C.

Die Mischung wurde in einem 10 ml Schlenk-Kolben gerührt. Die kinetischen Ergebnisse zusammen mit denjenigen für die Molekulargewichte der erhaltenen Polymere zeigen, dass die Polymerisationsgeschwindigkeit viel niedriger ist, und dass die PDI-Werte niedriger sind als in dem Fall, wenn CuPF₆ als Katalysator wie in Beispiel 11 verwendet wird. Das hergestellte Polymer hatte eine mittlere Polydispersität von 1,5.
Beispiel 13. (Erläuternd, außerhalb des Bereiches des Patentanspruchs 1)

MMA-Polymerisation unter Verwendung von 2-Azido-1-methylethyl-2-brompropionat (POAZBr) als Initiator. Einspeisung: MMA:CuBr:POAZBr:BiPY = 100:1:2:1. Reaktionszeit: 1 h, Reaktionstemperatur = 60°C. Ausbeute: 78,3. Mn = 44070, PDI = 1,29.

Polymerisation von Dimethylaminomethacrylat unter Verwendung des Azoinitiators 2. (Erläuternd, außerhalb des Bereiches des Patentanspruchs 1)
Dieser Versuch wurde mit dem Azoinitiator 2 (vgl. vorstehend) durchgeführt. 3,5 ml DMAEMA (3,266 g, 20,77 mmol), 0,0204 g CuCl (0,206 mmol) und 0,0646 g Bipy (0,416 mmol) wurden vermischt, und nach 10 Minuten wurde eine Lösung des Initiators (0,1359 g, 0,206 mmol) in 3,5 ml Wasser zugesetzt. Die Reaktion war bei 20°C zu langsam, so dass nach 2 Stunden bei dieser Temperatur die Temperatur auf 60°C erhöht wurde. In 1 Stunde wurde eine Umwandlung von etwa 11 % erreicht, und das erhaltene Polymer hatte ein Molekulargewicht von 990 g/mol (theoretisch: etwa 1700 g/mol) und eine PDI von 1,04. Die Polymerisationsgeschwindigkeit war langsamer als mit dem Initiator auf Brombasis (Struktur 1). Dies legte nahe, dass der Initiator bei der Polymerisation geladener Monomerer Verwendung finden würde.
Beispiel 14. Polymerisation von Dimethylaminomethacrylat. (Erläuternd, außerhalb des Bereiches des Patentanspruchs 1)
7 ml DMAEMA (6,531 g, 41,5 mmol), 0,0206 g CuCl (0,208 mmol) und 0,0658 g BiPy (0,421 mmol) wurden vermischt und 10 Minuten gerührt. Es wurde eine klare braune Lösung gebildet. Zu dieser Lösung wurde eine Lösung von 0,1355 g (0,205 mmol) Azoinitiator 2 in 7 ml Wasser zugesetzt. Die Temperatur des Versuchs wurde bei 55°C gehalten. Der Fortschritt der Polymerisation ist in der Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5.
POLYMERISATION VON IONISCHEN MONOMEREN
Beispiel 15. Polymerisation von Natrium-4-vinylbenzoat unter Verwendung von Azoinitiator 2. (Dies ist auch die Herstellung eines wasserlöslichen Blockcopolymers.)
Es ist berichtet worden, dass die wässrige ATRP von 4-Vinylbenzoesäure-Natriumsalz (VBA-Natriumsalz) eine schnelle Reaktion selbst bei Umgebungstemperatur ist. Es wurde ein Versuch durchgeführt, um NaVBA in Wasser zu polymerisieren. Der Katalysator wurde durch Zugabe von 0,0100 g BiPy (0,064 mmol) zu 0,0047 g CuBr (0,033 mmol) in 0,25 ml Wasser gebildet. Dann wurden 0,568 g (3,42 mmol) VBA, aufgelöst in 2,5 ml wässriger 1,7 M Lösung von Natriumhydroxid (insgesamt 4,28 mmol NaOH) und am Ende 0,25 ml einer Lösung von 0,0933 g (0,133 mmol) Me₁PEG-Ester von Bromisobuttersäure (M.W. 699 g/mol) als Initiator, aufgelöst in 1 ml 0,2 M NaOH zugesetzt (die Menge des verwendeten Initiators betrug folglich 0,0334 mmol). Die Mischung wurde bei 20–22°C gerührt. Die Reaktionsmischung wurde viskos, und nach 10 Stunden war die Polymerisation vollständig (auf der Grundlage von NMR). Die Umwandlungsrate gegenüber der Zeit ist nachstehend gezeigt. Tabelle 6.
Beispiel 16. Polymerisation von Natrium-4-vinylbenzoat (NaVBA) in Wasser, initiiert durch Azoinitiator 2.

Ziel DP = 100, 4-VBA – 0,5017 g (3,4 mmol), 1,7 M NaOH-Lösung, CuPF₆·4MeCN – 0,0132 g (0,035 mmol), BiPy – 0,0108 g (0,067 mmol), Azoinitiator 2 (auf Me₁PEG-Basis) - 22 μl, 60°C.

Die Bedingungen sind die gleichen wie in der vorhergehenden Reaktion, aber der Azoinitiator 2 wurde als Initiator verwendet, da es von Interesse war, zu untersuchen, ob die Löslichkeit dieses Makroinitiators eine Rolle in den Charakteristiken der End-Blockcopolymere spielt. Tabelle 7.
Die Polymerisation ist relativ langsam, aber es liegt ein Anstieg der Molekulargewichte mit der Umwandlung vor, und die PDI-Werte sind recht niedrig bei Umwandlungen unter 50 %. Dieses Ergebnis zeigt eine geregelte Polymerisation an.
Beispiel 17. Polymerisation von Natrium-4-vinylbenzoat (NaVBA) in Wasser.

Ziel DP = 100, 4-VBA – 0,5027 g (3,4 mmol), 1,7 M NaOH-Lösung, CuPF₆·4MeCN – 0,0121 g (0,034 mmol), BiPy – 0,0110 g (0,068 mmol), Azidinitiator – 5 μl, 30°C.

4-Vinylbenzoesäure (VBA) wird in 2 ml einer Lösung von NaOH (wenigstens 1 Stunde gespült) aufgelöst. Die erhaltene Lösung wird zu einer wässrigen Lösung des Kupferkomplexes zugesetzt. Die Katalysatorkomplexlösung wurde gebildet, indem zuerst die festen Substanzen entgast wurden, dann werden 0,25 ml von Sauerstoff befreites Wasser und 0,05 ml NaOH-Lösung zugesetzt. Dann wird der Initiator zugesetzt. Nach bestimmten Zeiten werden Proben genommen, und die Polymerisationsreaktion wurde durch Vermischen von 0,2 ml der Probe mit 5 ml Wasser und einigen Tropfen HCl (1:1) gestoppt. Das ausgefallene Monomer und Polymer wurden filtriert und getrocknet. Um die NMR-Spektren zu messen, wurde die trockene Probe in D₂O unter Zugabe von Natriumdeuteroxid aufgelöst. Molekulargewichte können auf verschiedene Weise gemessen werden, einschließlich Umwandlung zu Methylester. Dieser Weg ist jedoch nicht optimal, da das Endpolymer eine signifikante Menge der Reagenzien und auch etwas nicht um gesetzte Polyvinylbenzoesäure enthält. Dies ist der Grund, weshalb nur einige der Proben bezüglich der Molekulargewichte durch GPC in DMF analysiert wurden. Tabelle 8.
Obwohl die Molekulargewichte sehr hoch sind, sind die PDI-Werte der erhaltenen Polymere viel besser als in dem Fall des neuiralen Monomers DMAEMA.
Beispiel 18. Polymerisation von Natrium-4-vinylbenzoat (NaVBA) in Wasser.

Ziel DP = 100, 4-VBA – 0,5027 g (3,4 mmol), 1,7 M NaOH-Lösung, CuPF₆·4MeCN – 0,0123 g (0,034 mmol), BiPy – 0,0113 g (0,069 mmol), Azidinitiator – 5,2 μl, 50°C.

Die Versuchsbedingungen waren die gleichen wie in Beispiel 17, aber die Temperatur wurde erhöht, um die Polymerisationsgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Ergebnisse zeigen, dass in diesem Beispiel die Polymerisation bereits recht schnell ablief. Tabelle 9.
Der mit einem Sternchen markierte Wert wurde erhalten, wenn die reine Säure in DMF aufgelöst und direkt in die GPC injiziert wurde. Dies war die Endprobe, die in diesem Versuch analysiert wurde, und zeigt, dass eine Umwandlung in den Methylester nicht notwendig ist. Dies bedeutet, dass PDI-Werte und Molekulargewichte, die nach der Umwandlung in den Ester bestimmt werden, wahrscheinlich nicht verlässlich sind, und bessere Ergebnisse werden ohne diese Reaktion erhalten.
Beispiel 19. Polymerisation von Natrium-4-vinylbenzoat (NaVBA) in Wasser.

Ziel DP = 100, 4-VBA – 0,5017 g (3,4 mmol), 1,7 M NaOH-Lösung, CuPF₆·4MeCN – 0,0124 g (0,036 mmol), BiPy – 0,0108 g (0,067 mmol), Azidinitiator – 6,5 μl, 50°C.

Die Bedingungen sind die gleichen wie in der vorhergehenden Reaktion, aber Azoinitiator 3 wird als Initiator anstelle von Azoinitiator 1 verwendet. Die anfängliche Reaktionsmischung hatte eine grünliche Farbe, und die erhaltene niedrigere Polymerisationsgeschwindigkeit kann einer zufälligen Oxidation des Katalysators zuzuschreiben sein. Die Reaktion wurde bei noch höherer Temperatur wiederholt. Tabelle 10.
Beispiel 20. Polymerisation von Natrium-4-vinylbenzoat (NaVBA) in Wasser, initiiert durch Azoinitiator 3.

Ziel DP = 100, 4-VBA – 0,5008 g (3,4 mmol), 1,7 M NaOH-Lösung, CuPF₆·4MeCN – 0,0132 g (0,035 mmol), BiPy – 0,0108 g (0,067 mmol), Azoinitiator – 6,5 μl, 60°C.

Die Bedingungen waren die gleichen wie in der vorhergehenden Reaktion, aber das als Initiator verwendete Azid 3 wurde 1 Stunde lang vor dem Versuch mit Stickstoff gespült (in dem vorherigen Fall wurde der Initiator nicht gespült). Tabelle 11.
Wie vorstehend ersichtlich, ist die Polymerisation schneller als die vorhergehende, obwohl noch langsamer als die Reaktion, in welcher Azid 1 verwendet wurde. Es ist ersichtlich, dass eine Neigung zum Anstieg von Molekulargewichten mit der Umwandlung besteht.
Als Schlussfolgerung dieser Versuche ergibt die durch verschiedene Azide in Wasser initiierte Polymerisation eine viel bessere geregelte Polymerisation des geladenen Monomers NaVBA als des neutralen DMAEMA.
Beispiel 21. Polymerisation von Natrium-4-vinylbenzoat (NaVBA) in Wasser, initiiert durch Azid 2.

Ziel DP = 100, 4-VBA – 0,5031 g (3,5 mmol), 1,7 M NaOH-Lösung, CuPF₆·4MeCN – 0,0123 g (0,032 mmol), BiPy – 0,0109 g (0,067 mmol), Azid 2 (Me₁PEG-Basis) – 23 ml, Temperatur 40°C.

Die Reaktionsbedingungen sind die gleichen wie in der vorhergehenden Reaktion, aber das Azid 2 wurde als Initiator verwendet. Es wurde gezeigt, dass die Reaktion mit diesem Initiator langsamer ist als diejenige, die durch das Azid 1 initiiert wird. Es wurden genau die gleichen Bedingungen wie in Beispiel 20 verwendet, um die Kinetiken zu vergleichen. Tabelle 12.
Die Polymerisation ist viel langsamer als das Beispiel, das durch Azid 3 initiiert wurde.

Claims

Geregeltes Polymerisationsverfahren für die (Co)polymerisation von radikalisch polymerisierbaren ionischen Monomeren, umfassend: Initiieren der Polymerisation der radikalisch (co)polymerisierbaren ionischen Monomere in Gegenwart eines Systems, anfänglich umfassend: einen Übergangsmetallkomplex und einen Initiator, umfassend eine radikalisch übertragbare Azidgruppe.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend das Initiieren der Polymerisation von nicht ionischen Monomeren, und worin das Molverhältnis von ionischen Monomeren zu nicht ionischen Monomeren größer ist als 0,1 mol%.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Initiator ein Makroinitiator ist, bevorzugt worin der Makroinitiator wasserlöslich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das ionische Monomer anionisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das ionische Monomer kationisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das System weiter ein Lösemittel umfasst, bevorzugt worin das Lösemittel Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 6, worin wenigstens ein Teil des Lösemittels einen Komplex mit wenigstens einem Teil des Übergangsmetalls bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Initiator eine zweite funktionelle Gruppe, bevorzugt ein primäres Azid oder eine ionische funktionelle Gruppe, umfasst.