CN101379091A - 在催化剂再生下的聚合方法 - Google Patents

Abstract

本发明的聚合方法包含低催化剂浓度。实施方案包括一种聚合方法，其包括在包含一种或多种可自由基(共)聚合单体、能够参与与ATRP引发剂的单电子氧化还原反应的过渡金属催化剂络合物；自由基引发剂；和ATRP引发剂的聚合介质中使可自由基(共)聚合单体聚合；(其中过渡金属催化剂络合物在聚合介质中的浓度低于100ppm)。其它实施方案包括一种聚合方法，其包括使一种或多种可自由基(共)聚合单体在至少一种过渡金属催化剂络合物；和ATRP引发剂；和还原剂存在下聚合；其中过渡金属催化剂络合物比ATRP引发剂上存在的可自由基转移的原子或基团的摩尔数少10^－3摩尔地存在。

Description

在催化剂再生下的聚合方法

发明人

Krzysztof Matyjaszewski、Wojciech Jakubowski和James Spanswick

发明技术领域

本发明涉及原子转移自由基聚合方法，其中使活化剂状态的催化剂或催化转移剂连续再生。

发明背景

受控自由基聚合(“CRP”)法自发现以来获得越来越多的研究和工业关注。CRP法结合了传统自由基聚合(“RP”)使多种单体(共)聚合的能力和合成具有预定分子量(“MW”)、低的多分散度(“PDI”)、受控组成、位点特异性官能度、所选链拓扑、和最终产品中的生物或无机物类并入的聚合材料的能力。

CRP法的三种研究得最多的方法是氮氧化物介导的聚合(“NMP”)、原子转移自由基聚合(“ATRP”)和经由可逆加成断裂链转移聚合(“RAFT”)的与二硫酯的退化转移。CRP法通常，但不一定包含与休眠(dormant)链端相比相对较低的固定浓度的增长(propagating)链端。休眠链端包含可转移的原子或基团。休眠链端可以由于可转移的原子或基团流失到较低氧化态的过渡金属络合物中而转化成增长链。聚合过程中存在的增长链端的低浓度降低了双分子终止反应的可能性，导致表现为“活性”聚合方法的自由基聚合方法。

ATRP平衡(通过K_ATRP表征)最常涉及烷基(拟)卤键R-X在过渡金属络合物活化剂Mtⁿ/L作用下的均裂，这在氧化还原反应图式1中(可逆)产生活性增长烷基R^·和相应的较高氧化态金属卤化物去活化剂Mtⁿ⁺¹X/L。

常规ATRP

图式1.ATRP法的实施方案的平衡示意图

活性R^·随后可以用乙烯基单体(M)扩增，在这种平衡反应中被Mtⁿ⁺¹X/L去活化，或通过与另一R^·偶联或歧化来终止。这种终止导致去活化剂Mtⁿ⁺¹X/L的量增加2当量，这导致休眠物类的浓度由于持续自由基作用而增加。[Fischer，H.Chem.Rev.2001，101，3581-3610]

在CRP法的一些实施方案中，相对于增长速率(“R_p”)的迅速引发速率(“R_i”)(例如，其中从R_i<<R_p的方法到R_i～R_p的方法)有助于控制分子量、聚合程度(“DP_n”)和分子量分布。在本文所用的DP_n～[M]/[I]₀中，[M]是聚合的单体的摩尔数，[I]₀是加入的引发剂的初始浓度。终止反应趋于降低对这类性质的控制，且由于CRP法是自由基型聚合方法，CRP法过程中的一些终止反应不可避免。

在所有自由基聚合中，双自由基终止以终止速率(“k_t”)进行，该速率取决于自由基浓度(“[P^*]”)的二乘方(R_t＝k_t[P^*]²)。因此，可以假设，在相同增长速率(相同自由基浓度)下，通常相同数量的链终止，无论该聚合方法是RP还是CRP。但是，这种假设忽略了大分子自由基在CRP中的扩散效应。在RP中，多数链通过小自由基与生长中的聚合物自由基的反应终止。在SFRP或ATRP的情况下，这些初始终止反应由于持续自由基作用而导致休眠物类的浓度增加，[Fischer，H.Chem.Rev.2001，101，3581-3610.]。

在RP中，所有聚合物链最终都是终止的，而在CRP中，终止的链仅构成所有链的小部分(～1至10％)，而多数聚合物链处于休眠态。CRP中休眠态的多数聚合物链能够再生，从而允许继续聚合、官能化、链增长以形成嵌段共聚物，等。因此，CRP表现为“活性”聚合方法。[Greszta，D.等人Macromolecules 1994，27，638.]。本文所用的“聚合物”是指通过单体，通常5个或更多单体的化学结合形成的大分子。术语聚合物包括均聚物和共聚物，包括无规共聚物、统计共聚物、交替共聚物、梯度共聚物、周期共聚物、遥爪聚合物和具有任何拓扑或构造的聚合物，包括嵌段共聚物、接枝聚合物、星形聚合物、瓶刷聚合物(bottle brushpolymers)、梳形聚合物、支化或超支化聚合物，和固定到粒子表面或平面上的这类聚合物，以及其它聚合物结构。

ATRP是对许多专业材料具有显著商业潜力的最常用CRP技术，所述专业材料包括涂料、密封剂、粘合剂、分散剂、以及用于健康和美容产品、电子器件和生物医学用途的材料。最常用的ATRP法包括用氧化还原活性过渡金属化合物(最通常是铜基的)催化的可逆卤素原子转移。ATRP过渡金属催化剂通常包含与配体络合的过渡金属。在ATRP中，可自由基聚合单体在过渡金属催化剂存在下聚合。对于可自由基聚合单体的名单，参见经此引用并入本文的美国专利No.5,763,548。过渡金属催化剂被认为参与与至少一种ATRP引发剂和休眠聚合物链的氧化还原反应，见图式1。合适的过渡金属催化剂包含过渡金属和与过渡金属配合的配体。过渡金属催化剂参与与至少一种ATRP引发剂和休眠聚合物链的可逆氧化还原反应。合适的过渡金属催化剂包含过渡金属，和任选至少一个与过渡金属配合的配体。过渡金属催化剂的活性取决于过渡金属和配体的组成。

为了充当ATRP过渡金属催化剂，过渡金属必须具有至少两种相差一个电子的容易达到的氧化态，较高氧化态和较低氧化态。可逆氧化还原反应导致过渡金属催化剂在较高氧化态(“去活化剂状态”)和较低氧化态(“活化剂状态”)之间循环，同时聚合物链在具有增长链端和休眠链端之间循环。通常，过渡金属是铜、铁、铑、镍、钴、钯、钼、锰、铼或钌之一。在一些实施方案中，过渡金属催化剂包含卤化铜，优选地，卤化铜是Cu(I)Br或Cu(I)Cl之一。活性/受控聚合通常，但不一定包含与具有休眠链端的聚合物相比相对较低的固定浓度的包含增长链端的聚合物。当聚合物具有休眠链端时，链端包含可转移的原子或基团。休眠链端可以由于可转移的原子或基团转移到过渡金属催化剂中而转化成增长链端。提供对ATRP机制的描述用于解释说明而不是要限制本发明。所公开的机制是公认的，但不同的过渡金属催化剂可能导致不同机制。配体影响催化剂的结构、增溶作用和催化剂活性。参见CatalystDevelopment

www.chem.cmuedu/groups/maty/about/research/05.html，其经此引用并入本文。

ATRP被认为是最成功的CRP之一，并已经在一系列共同转让的美国专利和申请中充分描述，参见美国专利Nos.5,763,548；5,807,937；5,789,487；5,945,491；6,111,022；6,121,371；6,124,411；6,162,882；6,407,187；6,512,060；6,538,091；6,541,580；6,624,262；6,624,263；6,627,314；6,759,491；和美国专利申请09/534,827；09/972,056；10/034,908；10/269,556；10/289,545；10/638,584；10/860,807；10/684,137；10/781,061和10/992,249，所有这些均经此引用并入本文。ATRP还已经在以Matyjaszewski为合著者的许多出版物中论述并在许多书籍章节中综述。[ACS Symp.Ser.，1998，685；ACS Symp.Ser.，2000；768；Chem.Rev.2001，101，2921-2990；ACS Symp.Ser.，2003；854；ACS Symp.Ser.，2006；944.]。在这些出版物中，类似的聚合方法可能用不同名称表示，例如过渡金属调控的聚合或原子转移聚合，但这些方法类似，且如果涉及，图式1的反应机制在本文中被称作“ATRP”。这类出版物描述了ATRP催化剂，包括数种过渡金属配体组合的还原力和针对或多或少的反应单体调节ATRP平衡的方式。

ATRP法的实施方案提供了优于其它CRP法的优点，包括适用于多种引发剂和大分子引发剂，包括晶片、无机胶体、玻璃、纸和生物活性分子，包括蛋白质、DNA、碳水化合物和许多商业聚合物可以简单地合成为引发剂；通过ATRP产生的许多聚合物能够通过用叠氮化物、胺、膦和其它官能经由亲核取代、自由基加成或其它自由基组合反应替代末端卤素来实现端基的流畅的官能化或转化；大量单体可通过ATRP聚合。这类单体包括，但不限于，苯乙烯类、(甲基)丙烯酸酯、丙烯腈、丙烯酰胺、乙烯基氯和其它单体。ATRP的实施方案能够制造具有复杂拓扑的大分子，例如星形、梳形和树枝状聚合物，其与控制嵌段、梯度、周期共聚物等的组成和因此控制官能度和甚至控制聚合物立构规整度的能力相结合。ATRP可以在本体中进行，或在有机溶剂存在下或在水中在均相或多相条件下，在离子液体和在超临界CO₂中进行。

但是，对于某些应用和出于经济考量，可能要求过渡金属催化剂在ATRP介质中的低浓度。已经开发出几种方法以去除或降低该方法中过渡金属的量，但这些方法可能增加通过ATRP制备聚合物的额外成本。

可以使用几种方法通过具有低催化剂浓度的ATRP法提供聚合物。这类方法包括用高活性催化剂进行ATRP法，这可能需要较低的催化剂浓度就能保持所需聚合速率，例如通过Me₆TREN络合的CuBr的活性比通过联吡啶配体络合的CuBr高～10,000；将催化剂固定在固体上，例如包含与小浓度可溶催化剂(～10-20ppm)相互作用的固定催化剂络合物的混合催化剂体系；并开发出几种后聚合方法以回收和再生催化剂，包括通过过滤、吸附、沉淀或萃取来分离催化剂。例如，可以通过暴露在空气中来将CuBr/PMDETA络合物氧化成Cu(II)物类并从甲苯中定量萃取到水中，这在一些情况下导致少于1ppm的催化剂留在聚合物中。尽管有这些进步，但仍然需要在保持聚合物反应速率和保持对MW和PDI的控制的同时降低活性聚合介质中的催化剂浓度。

最有吸引力的途径可能就是催化剂量的简单降低，条件是具有足够的反应性。例如，包含CuBr/Me₆TREN络合物的ATRP法可以在室温下在低得多的铜基催化剂浓度下进行。遗憾的是，过渡金属催化剂，例如Cu(I)的量不能简单地降低10,000倍。自由基终止反应导致去活化剂状态的过渡金属催化剂浓度的增加和催化剂活化剂的不可逆消耗。在使用某些单体的某些实施方案中，如果反应中存在的Cu(I)的量低于引发剂的10％(即1～10％的链被终止)，聚合可能停止。终止的链的量根据公式1取决于增长的自由基的浓度和终止反应的速率常数，其描述了ATRP中终止的链的数量(或Cu(I)活化剂的损耗)。

Δ[Cu¹]＝Δ[P_t]＝k_t[P·]²t   (1)

ATRP速率定律(公式2)表明聚合速率取决于Cu(I)与X-Cu(II)浓度的比率，但不取决于铜络合物的绝对浓度。因此，原则上，可以在不影响聚合速率的情况下降低铜的量，只要保持活化剂与去活化剂的比率。

$R_p=k_p\left[M\right][P*]=k_p\left[M\right]K_{\mathrm{eq}}{\left[I\right]}_o\frac{\left[{\mathrm{Cu}}^I\right]}{[X-{\mathrm{Cu}}^{\mathrm{II}}]}---\left(2\right)$

不幸地，随着反应继续进行，Cu(I)与X-Cu(II)的比率通过终止反应降低，且聚合速率降低，最终，由于不存在足够浓度的催化剂活化剂，ATRP停止。见公式3。因此，通常添加到ATRP反应中的铜催化剂络合物的量超过终止链的预期数量(即>10％[I]₀)，从而驱使反应完成。

-Δ[Cu^I/L]＝Δ[Cu^IIX/L]＝Δ[P_死]＝k_t∫[P·]²dt  (3)

对于良好受控的聚合，在该体系中还需要一定量的去活化物类(即X-Cu(II))，因为分子量分布和初始分子量根据公式4取决于增长和去活化速率常数的比率和去活化剂浓度。

$\frac{M_w}{M_n}=1+\frac{1}{{\mathrm{DP}}_n}+\left(\frac{{[R-X]}_o{k}_p}{k_{\mathrm{da}}[X-{\mathrm{Cu}}^{\mathrm{II}}]}\right)(\frac{2}{p}-1)---\left(4\right)$

在RAFT聚合方法中，通过在传统的自由基聚合中加入合适的硫代羰基硫代化合物，也称作二硫酯，来抑制终止反应；即通过标准自由基引发剂的分解，自由基连续缓慢生成以驱动反应继续向前。这种RAFT法中的控制被认为通过退化链转移机制实现，其中增长的自由基与硫代羰基硫代化合物反应产生中间自由基物类。这种方法降低了可供需要两个自由基的终止反应使用的自由基的瞬时数量。已经在美国专利6,153,705；6,380,355；6,642,318和6,855,840中论述了RAFT(共)聚合反应。

需要使用低催化剂浓度的过渡金属催化的可自由基(共)聚合单体的链转移聚合方法。

发明内容

本发明的聚合方法包含低催化剂浓度。实施方案包括一种聚合方法，其包括在包含一种或多种可自由基(共)聚合单体、能够参与与ATRP引发剂进行的单电子氧化还原反应的过渡金属催化剂络合物；自由基引发剂；和ATRP引发剂的聚合介质中使可自由基(共)聚合单体聚合；(其中过渡金属催化剂络合物在聚合介质中的浓度低于100ppm)。其它实施方案包括一种聚合方法，其包括使一种或多种可自由基(共)聚合单体在至少一种过渡金属催化剂络合物；和ATRP引发剂；和还原剂存在下聚合；其中过渡金属催化剂络合物与ATRP引发剂上存在的可自由基转移的原子或基团的摩尔数相比较少于10^-3摩尔地存在。

附图说明

图1是包括使苯乙烯在15ppm铜存在下聚合的聚合方法的实施方案的动力学数据图，其中聚合介质具有下列组分、比率和条件：

St/EtBrIB/Cu(II)/Me₆TREN/Sn(EH)₂＝200/1/0.003/0.1/0.1；[St]₀＝5.82M，T＝110℃，在苯甲醚中(0.5当量vs.单体)；

图2是在图1的实施方案中随形成的转化率而变的所形成的苯乙烯的分子量和多分散度的图；

图3是在图1的聚合方法的实施方案过程中通过GPC迹线显示分子量演化的图；

图4是在包括使苯乙烯在10ppm铜存在下聚合的ARGET ATRP法中随转化率而变的聚苯乙烯的分子量和多分散度演化的图，其聚合介质具有下列组分、比率和条件：St/EtBrIB/Cu(II)/Me₆TREN/Sn(EH)₂＝1000/1/0.003/0.1/0.1；[St]₀＝5.82M，T＝110℃，在苯甲醚中(0.5当量vs.单体)；

图5是在图4的聚合方法的实施方案过程中通过GPC迹线显示分子量演化的图；

图6是GPC曲线的图，其表明在通过CRP制成的聚合物主体占优势之前，存在少量由活化程序开始时的AIBN热分解生成的自由基引发的终止聚合物链；

图7是显示含有各种配体(包括TPMA、Me₆TREN和PMDETA)的Cu^IIL ATRP催化剂的条件稳定常数的温度依赖性的图；

图8是在包含苯乙烯以及50ppm和1ppm Cu和下列反应条件的ICAR ATRP法的实施方案中，动力学数据和随转化率而变的分子量和M_w/M_n数据的图，反应条件是：St/EtBrIB/CuCl₂/Me₆TREN/AIBN＝200/1/0.01/0.01/0.1；St/EtBrIB/CuCl₂/TPMA/AIBN＝200/1/0.0002/0.1/0.1[St]₀＝5.82M，60℃，50体积％苯甲醚(条目1 & 10，表4)；

图9是对于包含苯乙烯，各种配体(包括TPMA、PMDETA或bpy)和50ppm Cu的ICAR ATRP法的实施方案，来自第一阶动力学图的Predici计算机模拟的数据图；

图10是对于包含苯乙烯，各种配体(包括TPMA、PMDETA或bpy)和50ppm Cu的ICAR ATRP法的实施方案，来自分子量和多分散度演化的Predici计算机模拟的数据图；

图11是对于包含苯乙烯，各种配体(包括TPMA、PMDETA或bpy)、50ppm Cu和作为自由基引发剂的AIBN的ICAR ATRP法的实施方案，来自Predici计算机模拟的数据图；

图12是来自ICAR ATRP均聚法的Predici计算机模拟的数据图，该均聚法包括MMA(6E-20的St)以及下列聚合条件：单体:引发剂:CuII:AIBN＝200:1:0.01:0.1，[单体]＝6M；

图13是来自ICAR ATRP均聚法的Predici计算机模拟的数据图，该均聚法包括MMA和20％苯乙烯，在下列聚合条件下：单体:引发剂:CuII:AIBN＝200:1:0.01:0.1，[单体]＝6M；

图14是Cu^IIL ATRP催化剂的条件稳定常数的pH依赖性的图；

图15是BA的CuCl₂/TPMA调控的ARGET ATRP的实施方案的动力学数据图，N₂H₄还原剂可变。[BA]₀:[EtBrIB]₀:[CuCl₂]₀:[TPMA]₀:[N₂H₄]₀＝200:1.28:0.01:0.1:0.05或0.1；[BA]₀＝5.88M；60℃，20体积％苯甲醚；

图16是聚合方法的两个实施方案的动力学数据图，其中(左边)CuCl₂/TPMA和(右边)CuCl₂/Me₆TREN是BA的ARGET ATRP中的过渡金属催化剂，以不同浓度的N₂H₄作为还原剂，在下列聚合条件下[BA]₀:[EtBrIB]₀:[CuCl₂]₀:[配体]₀:[N₂H₄]₀＝200:1:0.01:0.1:0.05、0.1或1.0；[BA]₀＝5.88M；60℃，20体积％苯甲醚；

图17是苯乙烯和丙烯腈的ATRP的半对数动力学图(a)和分子量(闭合符号)和分子量分布(开放符号)(b)的依赖性图；

图18苯乙烯和丙烯腈与作为配体的Me₆TREN的ATRP的SEC迹线演化(表7a，条目1)；

图19是苯乙烯和丙烯腈与10ppm、30ppm和50ppm铜在下列聚合条件下的ARGET ATRP的实施方案的动力学数据图：

St/AN/EBiB/Me₆TREN/Sn(EH)₂＝600/390/1/0.5/0.5，在苯甲醚中，在80℃；

图20是在苯乙烯和丙烯腈与10ppm、30ppm和50ppm铜在下列聚合条件下的ARGET ATRP中随转化率而变的分子量和分子量分布的图，St/AN/EBiB/Me₆TREN/Sn(EH)₂＝600/390/1/0.5/0.5，在苯甲醚中，在80℃。

图21是在苯乙烯和丙烯腈与30ppm铜在下列聚合条件下的ARGETATRP过程中的分子量分布演化的图，聚合条件：

St/AN/EBiB/CuCl₂/Me₆TREN/Sn(EH)₂＝600/390/1/0.03/0.5/0.5，在苯甲醚中，在80℃；

图22是对于苯乙烯和丙烯腈与30ppm铜在下列聚合条件下的ARGET ATRP，动力学数据和随转化率而变的分子量和分子量分布的图，聚合条件：St/AN/EbiB/CuCl₂/Me₆TREN/Sn(EH)₂＝1000/650/1/0.05/0.5/0.5，在苯甲醚中；

图23是在苯乙烯和丙烯腈与30ppm铜在下列聚合条件下的ARGETATRP过程中的分子量分布演化的图，聚合条件：

St/AN/EbiB/CuCl₂/Me₆TREN/Sn(EH)₂＝600/390/1/0.03/0.5/0.5，在苯甲醚中，在80℃；

图24是对于苯乙烯和丙烯腈与30ppm铜在下列聚合条件下的ARGET ATRP，动力学数据、随转化率而变的分子量和分子量分布的图，聚合条件：St/AN/EbiB/CuCl₂/Me₆TREN/Sn(EH)₂＝1000/650/1/0.05/0.5/0.5，在苯甲醚中；

图25是在高分子量聚丙烯腈的制备过程中获取的样品的GPC迹线的图。

本发明的实施方案的描述

本发明涉及使活化剂状态的过渡金属再生的聚合方法。实施方案可被认为提供了受控自由基聚合的新机制。ATRP聚合方法的实施方案包括过渡金属络合物催化的卤素转移聚合，其中过渡金属络合物通过与自由基反应来连续再生。可以通过自由基引发剂的分解或通过自引发反应形成自由基。

在一个实施方案中，本发明可以被认为是连续再活化过渡金属络合物催化的(拟)卤素转移聚合的新机制，其中过渡金属络合物通过与所形成的自由基反应来连续再活化。这种机制包括用于连续活化剂再生的引发剂(“ICAR”)，见图式2。

新的ICAR ATRP

图式2.ICAR ATRP的平衡的实施方案的一般示意图

本发明的实施方案提供了对自由基反应的控制，其可以在概念上被认为结合了ATRP和RAFT的方面。在RAFT中，使用链转移剂使不稳定的二硫酯端基在增长的自由基链之间可逆转移。ICAR ATRP法的实施方案可以被视为类似，其中在RAFT中二硫酯转移剂的作用在ICAR中在低浓度(ppm量)ATRP催化剂络合物存在下被引发剂或生长的聚合物链端替代，并通过标准自由基引发剂的分解连续缓慢生成自由基以驱动反应继续向前。RAFT法中的控制被认为通过退化链转移机制实现，其中增长的自由基与硫代羰基硫代化合物反应以产生中间自由基物类。这种方法降低了可供需要两个自由基的终止反应使用的自由基的瞬时数量。已经在美国专利6,153,705；6,380,355；6,642,318和6,855,840中论述了RAFT(共)聚合反应。该方法可以与图式2的方法相关联，其中通过过渡金属络合物催化可自由基转移的原子的转移，且通过自由基引发剂的分解形成的自由基的存在驱动了该反应。

ATRP法优于RAFT聚合的优点包括如以Matyjaszewski为发明人的其它专利和专利申请中所公开的单官能和多官能ATRP引发剂的可用性；ATRP法中的交换反应是与小分子(Mt(II)X)而非像在RAFT中那样与聚合链端进行；休眠链端可以容易地改性以提供所需遥爪官能团(tele-functinal group)。尽管本发明以卤素、可转移原子或基团和铜基过渡金属络合物为例，但ATRP法可以包括任何可自由基转移的原子或基团和过渡金属，例如环保的铁络合物。

本发明的聚合方法的实施方案涉及在包含至少一种过渡金属催化剂、或活性催化物类的前体、至少一种自由基引发剂和还原剂、和ATRP引发剂(RX)的聚合介质存在下使可自由基(共)聚合单体聚合。ATRP引发剂包括含有至少一个可自由基转移的原子或基团的分子，包括小分子引发剂、聚合引发剂、和聚合介质中的包含可重新引发或再活化的休眠链端的聚合物。聚合介质可以一开始就包含自由基引发剂或还原剂，或可以在聚合引发后加入自由基引发剂或还原剂。在引发可自由基(共)聚合单体的聚合后，可以向反应介质中连续、相继或一次性加入自由基引发剂或还原剂。

在一个实施方案中，ATRP法包括在包含可自由基聚合单体、过渡金属催化剂、ATRP引发剂、自由基引发剂的聚合介质中使可自由基聚合单体聚合，其中过渡金属催化剂络合物在聚合介质中的浓度低于100ppm。聚合介质可以进一步包含溶剂，或水，以形成均相或多相聚合介质。自由基引发剂可以是可被诱发而形成自由基的任何分子，例如通过热、光引发或其它分解过程形成自由基的分子。自由基引发剂包括过氧化物、偶氮化合物、二硫化物和四嗪。更具体地，自由基引发剂包括过氧化酰基、过氧化酰基、过氧化苯甲酰、烷基过氧化物、过氧化枯基、过氧化三丁基、氢过氧化物、氢过氧化枯基、氢过氧化三丁基(tibutylhydroperoxide)、过酯、过苯甲酸三丁酯(tibutyl perbenzoate)、烷基磺酰基过氧化物、过氧二碳酸二烷基酯、二过氧基缩酮、过氧化酮、2，2’偶氮双异丁腈(“AIBN”)、2，2’偶氮双(2，4-二甲基戊腈(pertanenitrile))、和1，1’偶氮双(环己烷-腈)。另外，一些单体可以分解形成自由基，例如苯乙烯和苯乙烯衍生物，因此，该聚合方法的单体在低催化剂ATRP法的实施方案中也可以充当自由基引发剂或还原剂。自由基引发剂根据分解促进因素，例如温度，以不同速率分解形成自由基。在某些实施方案中，自由基引发剂可溶于聚合介质。

在某些实施方案中，选择自由基引发剂以便在聚合反应的温度下，自由基引发剂以与聚合中的终止速率基本相同的速率分解。自由基引发剂在反应介质中形成自由基，或自由基同等物。关于在各种温度下的自由基引发剂的半衰期，见表1。

^a数据来自Brandrup and Immergut[1989]and Huyser[1970].

^bt 1/2值是针对引发剂的苯或甲苯溶液。

该系统因此基本表现得像具有类似动力学的传统RP，但具有以50ppm或更少，在一些聚合方法中以少于10ppm存在的充当组合“转移剂”-引发剂的ATRP引发剂，作为转移催化剂的Mt(II)或Mt(I)。

在另一实施方案中，聚合方法包括在包含可自由基聚合单体、过渡金属催化剂、ATRP引发剂和还原剂的聚合介质中使可自由基聚合单体聚合。聚合介质可进一步包含溶剂或水。在这种情况下，过渡金属络合物最初可以处于氧化稳定的较高氧化态，例如Cu^II，并还原成活化剂状态以引发聚合方法。可加入过量还原剂以从该体系中去除低浓度氧。

还原剂可以是能够将过渡金属催化剂从较高氧化态还原成较低氧化态由此重现催化剂活化剂状态的任何还原剂。这类还原剂包括，但不限于，SO₂、亚硫酸盐、亚硫酸氢盐、硫代亚硫酸盐、硫醇、羟胺、肼(N₂H₄)、苯基肼(PhNHNH₂)、腙、氢醌、食品防腐剂、类黄酮、β胡萝卜素、维生素A、α-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、山梨醇酯、还原糖、包含醛基的糖、葡萄糖、乳糖、果糖、右旋糖、酒石酸钾、亚硝酸盐、亚硝酸盐、糊精、醛、甘氨酸和过渡金属盐。还原剂可以进一步能够与过渡金属络合，由此变成配体。

在一个优选实施方案中，还原剂不会在将过渡金属络合物从较高氧化态还原成较低氧化态之后产生酸，例如肼和苯基肼。在存在肼和取代肼的情况下，氧化产物与之前例举的对本体介质中的还原法主要使用金属还原剂的ARGET体系相比是氮气或有机性质的。[Jakubowski，W.；Min，K.；Matyjaszewski，K.Macromolecules 2006，39，39-45.]还原剂也可清除聚合介质中的氧化剂。在某些实施方案中，还原剂的量由聚合介质中氧化剂的总浓度(如果有的话)；聚合中的终止反应的量；和所需氧化还原反应速率决定。通常，还原剂存在于聚合介质中以使还原剂与ATRP引发剂的摩尔比小于0.1，或在某些实施方案中，小于0.05。

如上所述，在ARGET ATRP中存在类似的催化剂选择规则。在ARGET ATRP的催化剂选择中应该考虑几个因素。

首先，某些还原剂的氧化过程中酸的释放(ARGET ATRP中可用的许多有机还原剂遇到的情况，包括糖、酚或硫酚、抗坏血酸，等等)会使衍生自胺的铜基ATRP催化剂失稳定。因此，可能要求添加过量碱或起到碱的作用的过量配体或还原剂以捕获酸。碱的添加可能改变还原剂的还原力。当然，在酸性化合物存在下(即在ARGET ATRP的一些实施方案中)，络合物的稳定性极大取决于配体的碱度。不是非常碱性的配体(例如一些杂给体配体)可能是有利的。

第二，还原剂，例如N₂H₄和PhNHNH₂的碱性/亲核性可能是一个问题，特别是在苯乙烯的ARGET ATRP中。烷基卤链端可能与碱反应，这导致官能度的损失和还原剂的消耗。

第三，Cu络合物与还原剂之间的氧化还原过程的动力学(和最终可实现的控制)可能取决于用于与所用催化剂形成络合物的配体(和KATRP的值)。

在某些实施方案中，可以为特定聚合方法选择还原剂以便在聚合温度下还原剂将足量的较高氧化态的过渡金属催化剂还原成较低氧化态的过渡金属催化剂以基本保持聚合速率。例如，在聚合温度下，还原剂将额外量的较高氧化态的过渡金属催化剂还原以基本保持较高氧化态的过渡金属催化剂与较低氧化态的过渡金属催化剂的比率。基本保持这种比率是指该比率在引发聚合后的改变不超过20％。

在聚合方法，例如ICAR ATRP和ARGET ATRP聚合方法的实施方案中，聚合介质中必须存在一定浓度的过渡金属催化剂并可以小于100ppm，小于50ppm或甚至小于10ppm。与自由基引发剂相反，还原剂在还原较高氧化态的过渡金属催化剂后不会引发新的聚合物链。

在ATRP法的实施方案中，原子或基团转移过渡金属络合物可以是有效的去活化剂，即有效地为生长的活性链(X)提供原子或基团。该方法一开始使用极低量，～10ppm的与配体(其形成活性ATRP催化剂并且也是有效的去活化剂，例如三[2-(二甲基氨基)乙基]胺(“Me₆TREN”)、三[(2-吡啶基)甲基]胺(“TPMA”)和H₆TREN)络合的Cu举例说明。其它实施方案包括形成较不活性的催化剂的配体，例如N，N，N’，N”，N”-五甲基二亚己基三胺(PMDETA)、4，4’-二-(5-壬基)-2，2’-二吡啶基(dNbpy)和N-(正辛基)-2-吡啶基甲酰亚胺。

在ATRP反应中低催化剂浓度的使用降低了在某些实施方案中限制制备高分子量材料的能力的催化剂基副反应的影响。这种限制的一种可能的解释可以是与催化剂络合物相互作用的自由基。例如，聚苯乙烯自由基可以被CuII物类氧化成阳离子，由此限制通过ATRP形成界限分明的高分子量聚苯乙烯。但是，由于这种ICAR ATRP和ARGET ATRP可以包含极低量的去活化剂状态的过渡金属，对所有单体而言，合成高分子量聚合物如今可行得多。在本发明的聚合方法的某些实施方案中，可以在聚合中加入过量配体。当聚合介质中存在的配体量超过与过渡金属络合形成过渡金属催化剂所需的配体量时，存在过量配体。本领域技术人员会理解每一过渡金属络合物的配位特性。过量配体或配体替代品，例如游离胺的量可以高达所需配体量的10倍。在一些聚合方法中，较低配体量可能产生具有较高多分散度的聚合物。在降低的配体量下，过渡金属催化剂可与单体络合。配体可与单体，例如苯乙烯，或与聚合介质的其它组分络合。例如，如果使用锡作为还原剂，应该加入足以与还原剂和催化剂的过渡金属均形成络合物的配体。

本发明还涉及高分子量的聚合物。实施方案包括包含ATRP法典型的端基和大于50,000的分子量的聚苯乙烯，和包含ATRP法典型的端基和大于50,000的分子量的聚丙烯腈。在ATRP法中，引发剂具有式R-X，其中X是可自由基转移的原子或基团。在聚合后，通过ATRP形成的典型聚合物在一端上具有R基团，并在另一端上具有X基团。R和X的定义在经此引用并入本文的美国专利中指定。

在ICAR ATRP或ARGET ATRP法的某些实施方案中，自由基引发剂或还原剂通过使活化剂催化剂络合物再生同时能够留下足够量的有效地将生长的链去活化的催化剂络合物来控制聚合速率。在这些实施方案中，可以用1至50ppm的催化剂浓度进行聚苯乙烯和聚((甲基)丙烯酸烷基酯)的受控合成(M_w/M_n<1.2)。在这类浓度下，对许多工业应用而言，催化剂去除或再循环可能是不必要的，因为这种低催化剂浓度不会显著影响产品颜色。

此外，由于ATRP平衡的一些组分不是氧化稳定的，通常需要特殊的操作程序从该体系中去除所有氧化剂。ICAR ATRP和ARGET ATRP法的实施方案包括一开始使用氧化稳定的催化剂前体，其可以制备、储存和船运以用在ATRP中。活化剂状态的过渡金属络合物可以由自由基引发剂、还原剂、在丙烯酸酯聚合的情况下原位形成的过氧化物或其组合[Acar，A.E.；Yagci，M.B.；Mathias，L.J.Macromolecules 2000，33，7700-7706]和氧化稳定的过渡金属催化剂，例如CuII或FeII原位生成。

当聚合介质中存在的配体量超过与过渡金属络合形成过渡金属催化剂所需的配体量时，存在过量配体。本领域技术人员会理解每一过渡金属络合物的配位特性。过量配体或配体替代品，例如游离胺的量可以高达所需配体量的10倍。在一些聚合方法中，较低配体量可能产生具有较高多分散度的聚合物。在降低的配体量下，过渡金属催化剂可与单体络合。配体可与单体，例如苯乙烯，或与聚合介质的其它组分络合。例如，如果使用锡作为还原剂，应该加入足以与还原剂和催化剂的过渡金属均形成络合物的配体。

本发明还涉及高分子量的聚合物。实施方案包括包含ATRP法典型的端基和大于50,000的分子量的聚苯乙烯，和包含ATRP法典型的端基和大于50,000的分子量的聚丙烯腈。在ATRP法中，引发剂具有式R-X，其中X是可自由基转移的原子或基团。在聚合后，通过ATRP形成的典型聚合物在一端上具有R基团，并在另一端上具有X基团。R和X的定义在经此引用并入本文的美国专利中指定。

在ICAR ATRP或ARGET ATRP法的某些实施方案中，自由基引发剂或还原剂通过使活化剂催化剂络合物再生同时能够留下足够量的有效地将生长的链去活化的催化剂络合物来控制聚合速率。在这些实施方案中，可以用1至50ppm的催化剂浓度进行聚苯乙烯和聚((甲基)丙烯酸烷基酯)的受控合成(M_w/M_n<1.2)。在这类浓度下，对许多工业应用而言，催化剂去除或再循环可能是不必要的，因为这种低催化剂浓度不会显著影响产品颜色。

此外，由于ATRP平衡的一些组分不是氧化稳定的，通常需要特殊的操作程序从该体系中去除所有氧化剂。ICAR ATRP和ARGET ATRP法的实施方案包括一开始使用氧化稳定的催化剂前体，其可以制备、储存和船运以用在ATRP中。活化剂状态的过渡金属络合物可以由自由基引发剂、还原剂、在丙烯酸酯聚合的情况下原位形成的过氧化物或其组合[Acar，A.E.；Yagci，M.B.；Mathias，L.J.Macromolecules 2000，33，7700-7706]和氧化稳定的过渡金属催化剂，例如CuII或FeII原位生成。

在某些实施方案中，自由基引发剂缓慢并连续分解以防止通过终止反应形成的持续自由基或较高氧化态过渡金属络合物的累积。自由基引发剂的分解可用于保持基本恒定的聚合速率；即，使低氧化态(活化剂状态)的过渡金属与较高氧化态(去活化剂状态)的过渡金属的比率保持相对恒定。在其它实施方案中，自由基引发剂或还原剂可用于提高或降低聚合速率。

在其它实施方案中，ATRP聚合方法包含两种不同的自由基引发剂。例如，一种自由基引发剂可以迅速活化催化剂络合物以确保迅速引发聚合，另一自由基引发剂可以在整个反应过程中缓慢发挥作用以使该络合物再生。也可以使用存在于含苯乙烯和TEMPO的氮氧化物介导的聚合中的自形成自由基引发剂。[Georges，M.K.，Veregin，R.P.N.，Kazmaier，P.M.，Hamer，G.K.；Macromolecules 26：2987-2988，1993.]自由基引发剂也可以与还原剂配合使用。

下列实施例例证了这种新型CRP的宽适用性。为了获得一致的动力学，多数实施例中所用的试剂是纯化的，但是，如一些实施例中详述，这不是要求，反应可以用工业级单体和在低浓度氧存在下直接进行。

实施例

化学品.苯乙烯(St)(Aldrich，99％)和丙烯酸正丁酯(nBA)(Acros99+％)流过填有中性氧化铝的柱，在氢化钙上干燥，并减压蒸馏。按照之前报道的程序合成三(2-(二甲基氨基)乙基)胺(Me₆TREN)。原样使用2-溴异丁酸乙酯(EtBrIB)(Acros，98％)、氯化铜(II)(Acros，99％)、2-乙基己酸锡(II)(Sn(EH)₂)(Aldrich)、苯甲醚(Aldrich，99％)。

为了获得一致的动力学，多数实施例中所用的试剂是纯化的，但是，如一些实施例中详述，这不是必要条件，反应可以用工业级单体直接进行。

分析.通过凝胶渗透色谱法(GPC)测定分子量和多分散度。在35℃和1毫升/分钟的流速下，使用在THF中的PSS柱(Styroge 10⁵、10³、

作为洗脱剂，用Waters 515泵和Waters 2414差示折光计进行GPC。使用线型聚苯乙烯标准样品进行校准。使用配有FID检测器的Shimadzu GC 14-A气相色谱仪，使用J&W Scientific 30m DB WAXMegabore柱和作为内标的苯甲醚测定苯乙烯的转化率。注射器和检测器的温度在250℃保持恒定。在60℃下2分钟等温，随后以40℃/分钟的加热速率升温至140℃并在140℃下保持2分钟，进行分析。通过检测单体峰面积与标准品峰面积相比的降低来计算转化率。

对比例

表2显示在各种ATRP法和在RAFT聚合方法中使用的试剂的典型比率。

表2.各种ATRP法和RAFT法中所用的试剂的典型摩尔比

如表2中所示，在AGENT ATRP和ICAR ATRP法中通常包含明显比其它所列ATRP法更少的过渡金属络合物。尽管在同时的反向和正常引发(“SR&NI”)ATRP中使用与在ICAR ATRP中类似的试剂，但ICARATRP能够实现使用低得多的过渡金属催化剂浓度的优点。对于SR&NIATRP的更多描述，参见美国专利No.6,759,491。

下列实施例表明，可以用低过渡金属催化剂或催化卤素转移剂含量实现受控自由基聚合，从而为聚合物提供已知的链端官能度。对ICARATRP和ARGET ATRP法的实施方案进行PREDICI模拟，该模拟证实工艺参数的适用性并提供对工艺参数的进一步了解。

在下列实施例中，使用5ppm CuCl₂/Me₆TREN和500ppm Sn(EH)₂的苯乙烯聚合导致形成M_n为12,500(M_n，th＝12,600)且M_w/M_n＝1.28的基本无色的高分子量聚苯乙烯。当用1ppm CuCl₂/Me₆TREN进行聚合时，仍可良好地控制所得聚合物的分子量M_n＝7200(M_n，th＝9,000)，但多分散度更高，M_w/M_n＝1.64。用50ppm CuCl₂/Me₆TREN和500ppmSn(EH)₂进行丙烯酸正丁酯的聚合，生成M_n＝19,400(M_n，th＝18,100)且M_w/M_n＝1.26的聚丙烯酸丁酯。

这些实施例表明，可以用低过渡金属催化剂或催化卤素转移剂含量实现受控自由基聚合，从而为聚合物提供已知的链端官能度。

实施例1：通过苯乙烯(数均聚合度(DP_n)为200，并在50ppm Cu下)的电子转移再生的活化剂(“ARGET”)ATRP的一般程序

将脱气的苯乙烯(5.0毫升，44毫摩尔)和苯甲醚(1.5毫升)经脱气的注射器转移到干燥的、用氮气充分吹扫的Schlenk烧瓶中。接着，加入在脱气的苯甲醚(0.5毫升)中的CuCl₂(0.29毫克，0.22×10^-2毫摩尔)/Me₆TREN(0.57微升，0.22×10^-2毫摩尔)络合物。将混合物搅拌10分钟，随后加入Sn(EH)₂(7.0微升，2.2×10^-2毫摩尔)和Me₆TREN(5.7微升，2.2×10^-2毫摩尔)在苯甲醚(0.5毫升)中的吹扫溶液。最后，加入EtBrIB(32.1微升，21.9×10^-2毫摩尔)引发剂。提取初始样品，并将密封的烧瓶放置在110℃的恒温油浴中。在定时间隔下提取样品，并通过气相色谱法和凝胶渗透色谱法分析。7.6小时后，通过打开烧瓶并使催化剂暴露在空气中，停止聚合。M_n，GPC＝12700，M_w/M_n＝1.11，转化率＝59％。

实施例2：苯乙烯在空气下的ARGET ATRP的一般程序(DP_n＝200，50ppm的Cu)。

将苯乙烯(5.0毫升，44毫摩尔)和苯甲醚(1.5毫升)加入敞开的Schlenk烧瓶中。随后，加入在苯甲醚(0.5毫升)中的CuCl₂(0.29毫克，0.22×10^-2毫摩尔)/Me₆TREN(0.57微升，0.22×10^-2毫摩尔)络合物。将混合物搅拌10分钟，然后加入Sn(EH)₂(7.0微升，2.2×10^-2毫摩尔)和Me₆TREN(1.7微升，0.7×10^-2毫摩尔)在苯甲醚(0.5毫升)中的溶液。最后，加入EtBrIB(29.7微升，20.3×10^-2毫摩尔)引发剂。接着，密封Schlenk烧瓶，并在提取初始样品后将其放置在110℃的恒温油浴中。在定时间隔下提取样品，并通过气相色谱法和凝胶渗透色谱法分析。20小时后，通过打开烧瓶并使催化剂暴露在空气中，停止聚合(M_n，GPC＝15900，M_w/M_n＝1.28，转化率＝76％。)。

实施例3：嵌段共聚物的制备：PS-PnBA和PnBA-PS

使用ARGET ATRP的一种实施方案制备嵌段共聚物。使用前文对于苯乙烯(WJ-03-27)和丙烯酸正丁酯(WJ-03-53)在还原剂Sn(EH)₂存在下的聚合指定的具体条件合成PS-PnBA苯乙烯和PnBA-PS的共聚物。所有反应的条件和结果见表3。通过苯乙烯在15ppm Cu存在下聚合来制备聚苯乙烯大分子引发剂(WJ-03-55)。如在实验(WJ-03-27)中，观察到良好受控的聚合反应，这证实结果可重现。

Mw＝16000且PDI＝1.18的聚苯乙烯沉淀，随即用作nBA的ARGETATRP中的大分子引发剂(WJ-03-56)。在50ppm铜物类存在下用nBA进行PS的增链。如由nBA均聚的结果(WJ-03-53)预期的那样，该反应不如与苯乙烯那样受控制，尽管分子量接近理论值，PDI通过反应由1.18升至1.33。

使用类似的合成策略制备PnBA-PS嵌段共聚物。首先，获得PnBA大分子引发剂(WJ-03-57)，随即通过形成PS嵌段来增链(WJ-03-59)。在此情况下，nBA的聚合产生Mw＝17600且PDI＝1.32的大分子引发剂PnBA(WJ-03-57)，并且由于苯乙烯的聚合更好地受到控制，这导致最终嵌段共聚物的PDI降至1.18(WJ-03-59)。在所有反应中，观察到MW的单峰分布，分子量接近理论值。

在还原剂Sn(EH)₂存在下在10ppm下进行nBA的聚合。从这些表可以看出，分子量接近理论值，并观察到大于1.50的PDI。

结果的论述

进行包含还原剂的ATRP法的几个实施例，并概括在表4中。在前四个实验中改变过渡金属催化剂的浓度。在聚合介质中，在1ppm过渡金属催化剂络合物，CuCl₂/Me₆TREN下，制备具有通过CRP法制成的聚合物为特征的聚苯乙烯。该聚合方法生成基本无色的聚苯乙烯。

图1是在包括在15ppm铜/Me₆TREN催化剂和还原剂Sn(EH)₂和ATRP引发剂、EtBrIB的存在下聚合苯乙烯的ATRP聚合方法过程中获得的数据的动力学图，其中SN(EH)₂对应于ATRP引发剂的10％(表3，条目WJ-03-27)。图1表明聚合速率恒定，仅在500分钟后略微降低。图2中的分子量与PDI曲线表明对聚合过程的优异控制。图3表明整个分子量分布朝较高分子量的平滑移动。但是，当在这些条件下过渡金属催化剂或催化转移剂的浓度降至低于5ppm铜时(或没有Cu)，观察到不受控的聚合(表3，条目WJ-03-28)。但是，要指出，使用5ppm过渡金属卤素转移剂的反应(表3，条目WJ-03-24)确实产生具有低PDI的聚合物。

ATRP的限制之一在于，与RAFT不同，该反应还不能制备极高分子量的共聚物。一种可能的解释是自由基可能与催化剂络合物相互作用。例如，聚苯乙烯基可以被Cu(II)物类氧化成阳离子，这可能是限制通过ATRP生成界限分明的高分子量聚苯乙烯的主要副反应。但是，由于现在可以用极少量的Cu(II)物类进行连续活化法，高分子量聚苯乙烯的合成如今可行得多。图4和5显示使用ARGET形成更高分子量聚苯乙烯。在保持适当控制水平的同时，将Cu的量降至10ppm(表3，条目WJ-03-15)。图5显示了由于终止反应而朝较低分子量产生一定的拖尾，但总体控制仍然优异。

当使用与Cu相比化学计量量量的Me₆TREN时，观察到较低的控制。仅形成低分子量低聚物(表5，条目WJ-03-06)。这表明聚合机制从自由基聚合变成阳离子聚合。所形成的较强路易斯酸SnCl₂(EH)₂可能可以催化阳离子过程，它们也可能经受复分解并生成甚至更强的路易斯酸；SnCl₄或SnCl₃EH。这些路易斯酸也可以通过与配体的直接络合破坏活性Cu/Me₆TREN物类。在某些实施方案中，应该使用略微过量的配体或配体替代品。

由在两种不同温度60和110℃下的使用15ppm铜、以DP＝200为目标的苯乙烯聚合(表6，条目WJ-03-27和WJ-03-46)获得的动力学图表明，聚合速率在110℃下更快，然而这两种反应均良好受控。

也在50ppm铜存在下进行丙烯酸正丁酯的成功聚合。如预期的那样，丙烯酸酯的聚合比在类似条件下的苯乙烯快得多(表6，条目WJ-03-08和WJ-03-53)。

Cu(I)/Me₆TREN络合物容易被空气氧化。但是，仍可通过还原剂，如Sn(EH)₂的作用将所得Cu(II)物类再生为Cu(I)态。由此，在一个实验(表6，条目WJ-03-09和WJ-03-13)中，不进行氮气吹扫，但在反应介质中加入过量Sn(EH)₂。观察到短诱导期，但随后聚合开始，并观察到对分子量与多分散性的良好控制。

如果使用合适量的还原剂解决由终止的链引起的催化剂氧化，ATRP中过渡金属催化剂络合物的量可以在不损失对聚合的控制的情况下降至几ppm。对于在还原剂存在下的有效反应，有几个要求：

·应在不生成引发性自由基的情况下发生氧化还原过程。

·还原剂也可参与原子转移过程(这将生成双重催化体系，例如双金属催化)，但是，需要足够量的快速去活化物类(即X-(Cu(II))来控制。分子量分布和初始分子量均取决于增长反应与去活化速率的比率，根据等式：2和3。

·在还原物类和ATRP真催化剂之间的平衡位置应留给足够量的Cu(II)物类，并设定ATRP的总速率。

·还原剂的浓度应应对要活化的足够量的过渡金属物类[Cu(II)]、该体系中存在的空气或其它一些自由基捕集剂的量，和终止的链的量进行计算。当使用Sn(EH)₂物质作为还原剂时，该浓度为～50ppm，但取决于特定反应条件。

活性ATRP催化剂的最小量也取决于特定体系，对于苯乙烯聚合来说，过渡金属催化剂可以是几ppm，明显低于任何其它报道的ATRP法。本文详述的ARGET ATRP的实施例证实优于传统ATRP的显著改进，因为其可以用显著降低量的Cu物类和FDA认可的Sn(EH)₂或其它环保的还原剂(糖，抗坏血酸)进行。

实施例4：用于连续活化剂再生(ICAR)ATRP的引发剂的开发。

在上述实施例组合中，通过加入还原剂使催化剂络合物再活化，但更接近RP的本工业实践的用于使较低氧化钛过渡金属络合物再活化的其它方式现在也可用。聚合介质包含显著较低的催化剂浓度，例如比聚合中形成的聚合物链的总数少许多倍，以使该反应可以继续，自由基引发剂不得不以与终止反应消耗的自由基相当的速率连续生成自由基。自由基可以通过任何反应机制形成。实际上，如下所示，在苯乙烯聚合的情况下，这是实际发挥作用的机制，但正是上述结果的分析导致这种出乎意料的认识。

从关于苯乙烯的ARGET ATRPP的所有上述数据中可以观察到，总聚合速率不会随Cu、配体或Sn(EH)₂的量的变动而变。由于所述前述试验中所用的高温(110℃)，这表明，通过由单体热生成自由基，控制聚合速率。[Odian，“Principles of Polymerization”第4版，第226页]通过苯乙烯的热引发控制聚合速率。苯乙烯基自由基可以独立地形成，以便将Cu(II)还原成Cu(I)，并再生活性催化剂。因此，可以在不存在还原剂的情况下，用低催化剂浓度进行聚合。通过如下两种不同方法进行Cu(I)活化剂物类的再生，其可能由于终止反应(例如，自由基偶联)而损失：

-由苯乙烯单体通过热引发生成自由基(在110℃下聚合)

-通过AIBN的热分解生成自由基(在60℃下聚合)

在这两种情况下，在整个反应过程中缓慢产生自由基，并能够连续将Cu(II)还原成Cu(I)，由此连续再生活化剂络合物。这些初始反应所用的条件和结果列在表5-6中。在第一试验(WJ-03-30、31、32)中，用3ppm加入的Cu物类使苯乙烯聚合，并通过苯乙烯的热引发产生自由基。结果表明，反应不受控制，并获得具有高PDI的高分子量产品。该聚合的相对不受控的特征可能是由于配体参与副反应而造成配体的浓度太低，这导致铜与单体络合，从而造成活性金属催化剂络合物(Cu(I)/配体)损失。因此，在下两个反应(WJ-03-36、37)中，配体量提高。分别在50和5ppm Cu物类存在下使苯乙烯聚合。使用CuCl₂/Me₆TREN作为催化剂络合物，且In/Cu/配体比率为1/0.01/0.1和1/0.001/0.1。结果表明，在50ppm Cu物类存在下的聚合受到良好控制，分子量接近理论值，并观察到低PDI(1.17)。在仅使用5ppm Cu物类的反应WJ-03-37中观察到高得多的PDI(1.63)，且分子量比理论值高。这表明，自由基浓度一开始太高，且所有Cu(II)物类被还原成Cu(I)。这导致较高的分子量，因为去活化剂Cu(II)的量太少以致不能有效地将生长中的聚合物链去活化。为了获得受控ATRP，应提高该体系中Cu(II)物类的有效量。这可以通过提高该体系中Cu(II)物类的初始量，或通过降低温度来实现。在较低温度下，较少Cu(II)物类被还原成Cu(I)，因为在热过程中产生的自由基的浓度将较低。

在下一系列试验(见表8)中，在反应中存在15ppm Cu物类的情况下使苯乙烯聚合，并通过AIBN的热分解产生自由基。在第一反应(WJ-03-33、34、35)中，使苯乙烯在AIBN和/或还原剂Sn(EH)₂存在下在60℃下聚合。在实验WJ-03-33中，AIBN和Sn(EH)₂一起使用。聚合缓慢，但观察到低PDI(<1.4)，且MW接近计算值。下一个反应，WJ-03-34，仅在Sn(EH)₂存在下进行。结果表明，该聚合受到相对良好的控制，分子量接近理论值，并观察到低PDI(1.30)，但反应速率略低于前面一起使用AIBN和Sn(EH)₂的反应。在反应WJ-03-35中，在没有加入任何还原剂的情况下，使苯乙烯在AIBN存在下聚合。该聚合一开始受控，但20小时后，能够观察到MW的双峰分布。这可能是由于活性络合物因配体与相对于过渡金属极大地过量存在的单体络合而从该体系中损失。

在下面一组试验中，使用更大量的配体，并改变添加到反应中的AIBN的量以提高聚合速率。使用CuCl₂/Me₆TREN作为催化剂络合物，且In/Cu/配体的比率为1/0.003/0.1，同时AIBN的浓度相对于引发剂为0.01至0.1当量不等。在所有反应中，观察到MW的单峰分布。分子量接近理论值，但观察到略微更高的PDI(>1.4)。将加入的AIBN的浓度由相对于ATRP引发剂的0.01当量提高至0.1当量，导致提高的聚合速率，但反应仍然非常慢。

实施例5：在AIBN存在下的苯乙烯聚合

在不存在外加还原剂的情况下进行具有低催化剂浓度的ATRP。通过AIBN热分解生成自由基(在60℃下聚合)，由此进行可能因终止反应(例如，自由基偶联)而损耗的Cu(I)物类的再生。在此情况下，自由基在整个反应时间内缓慢产生，并能够将Cu(II)还原成Cu(I)，由此可以再生活性络合物。所有反应的条件和结果列在表9中。

在表9中最后两个实验中(Runs WJ-03-61和62)，在苯乙烯聚合中Cu的浓度恒定为50ppm的情况下，配体Me₆TREN的量改变。在第一和第二反应中In:Cu:配体的比率分别为1:0.01:0.01和1:0.01:0.1。在反应WJ-03-62中，使用未过量的配体，而在实验WJ-03-61中，在10倍过量配体存在下进行苯乙烯的聚合。对这两个试验，分子量均接近理论值，并且都观察到低PDI。这表明，不需要过量配体，因为过量配体可能参与副反应并影响最终PDI。这与使用ARGET ATRP时的经验(其中，由于可能与还原剂Sn(EH)₂或其产物Sn(EH)₂Cl₂、SnCl₄络合，可能需要过量的配体)相反。

在反应WJ-03-60中，以过量配体存在下形成的50ppm Cu(I)络合物开始，进行苯乙烯的聚合。可以看出，此反应的结果与使用Cu(II)的反应(WJ-03-61)相比略微改善。分子量接近理论值，并观察到较低PDI(<1.20)。此结果有两种可能的原因：

(i)当使用Cu(I)物类时，在该体系中Cu(I)和Cu(II)物类之间的平衡可能更快形成，由此更好地控制聚合。当从Cu(II)物类开始并使用AIBN以活化该聚合(按照Predici)时，在反应开始阶段产生大量Cu(I)并获得高分子量聚合物，因为在该体系中没有足以将生长中的链去活的Cu(II)。

(ii)Cu(I)比具有Me₆TREN配体的Cu(II)更易溶，因此在活性络合物从制备烧瓶转移到Schenk烧瓶的过程中，一部分没有完全溶解在转移介质中的Cu(II)物类损失。因此，反应介质中的Cu物类的真实值不同，在使用Cu(I)时较高。

所有三个实验(WJ-03-60、61和62)都在反应的最早期阶段观察到分子量的双峰分布。在3％的低转化率下，观察到一小部分高分子量聚合物。这可能是被AIBN直接热分解产生的自由基引发的终止链的产物，这表明在反应开始阶段的自由基浓度高到不仅足以将Cu(II)迅速还原成Cu(I)，还足以引发新的聚合物链。终止链的比例小，并且由于与来自主要聚合物产品的强信号重叠，随时间推移消失在随后的GPC迹线的基线中；图6。

所有三个反应的聚合速率相同，并且与反应开始时使用的铜——Cu(I)或Cu(II)物类——的量或加入的配体量无关。这证明该反应受到AIBN热分解的热控制。在该聚合方法的实施方案中，引发剂的连续或逐渐添加克服了导致较低水平的非受控聚合的自由基初始过量。

实施例6：通过ICAR和ARGET ATRP合成PSt-b-PnBA嵌段共聚物

在10毫升Schlenk烧瓶中，将通过ICAR ATRP的实施方案制成的PSt-Br大分子引发剂(M_w＝11000，M_w/M_n＝1.12)(0.5克，4.5×10^-2毫摩尔)溶解在BA单体(2.80毫升，19.6毫摩尔)中，并用氮气鼓泡15分钟。接着，加入CuCl₂(0.13毫克，1.00×10^-3毫摩尔)/Me₆TREN(1.32微升，5.00×10^-3毫摩尔)络合物在脱氧DMT(0.7毫升)中的溶液。将所得混合物搅拌10分钟，然后加入PhNHNH₂(0.49微升，5.00×10^-3毫摩尔)在苯甲醚(0.5毫升)中的吹扫溶液。提取初始样品，并将密封的烧瓶放置在60℃的恒温油浴中。经48.5小时在定时间隔下提取样品，并通过GC和GPC分析(M_n，GPC＝65300，M_w/M_n＝1.19，转化率＝82％)。

分子量的清晰移动表明通过ICAR制成的PS-大分子引发剂的成功增链和嵌段共聚物的生成，并由此证实通过ICAR ATRP的实施方案制成的大分子引发剂的“活力”。

实施例7：配体的选择

当想要最优化反应并选择用低浓度过渡金属催化剂进行的ICARATRP和AGET ATRP法的适当条件时，应考虑几个因素。

首先，对ATRP中分子量分布的控制至少部分取决于绝对去活化剂浓度。可以由公式4计算给定催化剂的去活化速率常数。在ICAR ATRP和AGET ATRP的优选实施方案中，该聚合方法可以包括具有高KATRP值(在溶液中产生足够高的Cu^II浓度)和相对迅速的去活化速率(即高于10^-8或更优选高于10^-7；[Tang，W.，Tsarevsky，N.V.& Matyjaszewski，K.；J.Am.Chem.Soc.128，1598-1604.])的络合物。

第二，在ICAR ATRP和AGET ATRP的优选实施方案中，该聚合方法可以包括在聚合条件下不会显著离解的催化剂。当单体与这些反应中的催化剂相比极大过量存在时，该离解问题可能因单体和配体之间对金属的竞争性络合而加剧。

第三，在ICAR ATRP中使用的过渡金属络合物的极低浓度下，不能立刻清楚看出自由基浓度以及随后的聚合速率是否受K_ATRP(如在正常ATRP中)或受新自由基生成速率(如在RAFT中)的控制。

在表10中所列的初始运行中，选择四种具有宽K_ATRP值范围的ATRP催化剂以例示ICAR ATRP法的实施方案的范围。这些催化剂包括三[2-(二甲基氨基)乙基]胺(Me₆TREN)、三[(2-吡啶基)甲基]胺(TPMA)、N，N，N’，N”，N’”-五甲基二亚乙基三胺(PMDETA)和4，4’-二-(5-壬基)-2，2’-联吡啶(dNbpy)的CuCl₂络合物。St的ICAR ATRP首先在低温(60℃)下进行，其中在50ppm CuCl₂/L络合物(条目1-4，表10)存在下仅通过偶氮双异丁腈(AIBN)(相对于2-溴异丁酸乙酯(EtBrIB)引发剂为0.1当量)的缓慢分解产生有机自由基。有趣的是，在通过Me₆TREN、TPMA、PMDETA和dNbpy的CuCl₂/L络合物催化的反应中，聚合速率相差小于2的因数。这最初令人惊讶，因为在正常和SR&NIATRP条件下控制自由基浓度和聚合速率的K_ATRP的值，对于这四种络合物在“标准”ATRP中相差超过4个量级。

尽管CuCl₂/Me₆TREN和CuCl₂/TPMA介导的聚合在分子量和M_w/M_n方面受到非常好的控制(条目1&2，表10)，而在CuCl₂/PMDETA和CuCl₂/dNbpy介导的聚合(条目3&4)中，对M_w/M_n的控制明显较差。这种表现与这两种络合物具有四个K_ATRP值中最低的值相符。

随后用活性更低的ATRP催化剂络合物(N-(正辛基)-2-吡啶基甲亚胺进行实验，该催化剂络合物常用于活性更高的甲基丙烯酸酯单体的本体聚合[Hovestad，N.J.；等：Macromolecules 2000，33，4048-4052.])，反应物摩尔比St:I:Cu:L:AIBN＝200:1:0.01:0.02:0.1，该实验甚至更少受控，尤其是在反应的开始阶段，导致甚至更高的PDI(1.9)，即使如使用PMDETA和dNbpy时那样，绝对分子量控制相当好(M_n，theo8,000；M_n，GPC6900)。

这表明，K_ATRP的值直接影响分子量分布，并且所有反应均受到控制，因为引发效率很高，并因此在多数聚合物链中存在链端官能。较宽的PDI是较慢的去活化速率的结果。该聚合物可以进一步增链和/或官能化。该材料不是“死的(dead)”，也不会在完全不受控的反应中制备，但保持“活性(living)”，并显示出不同的流变学，以及可能甚至不同的物理性能，特别是对于具有表现出较宽PDI的链段的嵌段共聚物来说。

也可以基于这些络合物在高稀释度和高温下的抗离解稳定性来合理解释这些与可实现的控制有关的观察结果。PMDETA、Me₆TREN和TPMA的Cu^II络合物在水性介质中在一定温度范围内的稳定性显示在图2中，并可用作在这些体系中选择配体的一般指导。[Paoletti，P.&Ciampolini，M.(1967)Inorg.Chem.6，64；Anderegg，G.，Hubmann，E.，Podder，N.G.& Wenk，F.(1977)HeIv.Chim.Acta 60，123.]这些稳定常数表明，CuCl和CuCl₂/PMDETA络合物的这种显著离解程度最终导致去活化剂浓度的较低绝对值，有助于解释在此体系内观察到的对M_w/M_n的差控制(条目3，表10)。相反，CuCl₂/Me₆TREN和CuCl₂/TPMA介导的聚合在分子量分布方面受到极好控制(M_w/M_n＝1.1)。所观察到的分子量仅略低于理论值。这种低于理论值的分子量可能是由于在该ICAR ATRP法中固有的整个聚合过程中新链的持续生成。在图8中显示了在这些条件下在ICAR中获得的分子量以及转化率演化和线性一阶动力学的代表性实例。

在Me₆TREN、TPMA和PMDETA的CuCl₂络合物催化的反应中聚合速率相差小于2的因数(条目1-3，表10)，表明K_ATRP在聚合速率的确定中可能不起重要作用。但是，在CuCl₂/PMDETA介导的聚合中对分子量分布的控制明显较低。这种表现可以基于这些络合物在高稀释度下的抗离解稳定性来合理解释。未离解的Cu络合物的比例可以由知道稳定常数(β^j)和络合物总浓度([Cu^j/L]₀，其中j是Cu氧化态，L为配体)的公式(5)计算。

$\frac{[{\mathrm{Cu}}^j/L]}{{[{\mathrm{Cu}}^j/L]}_0}=1-\frac{\sqrt{1+{4\mathrm{\&beta;}}^j{[{\mathrm{Cu}}^j/L]}_0}-1}{2{\mathrm{\&beta;}}^j{[{\mathrm{Cu}}^j./L]}_0}---\left(5\right)$

按照上述相关性，为使90％催化剂以10^-6M总浓度留在溶液中(对于ICAR或ARGET的下限)，该催化剂应具有大于10⁸的稳定常数。这对于催化剂的Cu^I和Cu^II状态来说应该都是真实的。由这种观点看来，如果需要窄分子量分布，在室温下表现出β^j<10⁸的值的如PMDETA的配体[Navon，N.；等；Inorg.Chem.1999，38，3484]不适用于ICAR或ARGET ATRP。但是，如果对某些用途而言，较宽分子量分布可接受或甚至是需要的，这种要求可以放松。

大量具有各种N-基配体的Cu络合物的稳定常数可以在文献中获得。[Paoletti，P.；Ciampolini，M.Inorg.Chem.1967，6，64：Anderegg，G.；Hubmann，E.；Podder，N.G.；Wenk，F.HeIv.Chim.Acta 1977，60，123.]这些值主要在水溶液中在25℃下测定，但仍可用作选择配体的一般指导，且在室温下表现出β^j>10⁸的配体形成的所有合适的过渡金属络合物作为以窄M_w/M_n为目标的可能适合ICAR ATRP的络合物并入本文。

此外，在高温(60-110℃)下进行的该研究中的聚合表明在这些温度下ATRP催化剂的失稳定，并且也应当解决。金属离子(包括Cu^II)的多胺络合物的热化学已被广泛研究。[Paoletti，P.；Fabbrizzi，L.；Barbucci，R.Inorg.Chim.Acta Rev.1973，7，43]Cu^II多胺络合物的生成焓为-10至-20千卡/摩尔，从25℃到110℃的温度升高应导致稳定常数降低2-3个量级。如参考文献中所述，PMDETA、Me₆TREN和TPMA的Cu^II络合物稳定性的温度依赖性显示在图14中，其表明Cu^II/PMDETA络合物的稳定常数明显低于与Me₆TREN或TPMA形成的铜络合物，这与表10中的聚合结果相符。CuCl和CuCl₂/PMDETA络合物的显著离解最终导致聚合介质中去活化剂浓度较低的绝对值，并因此导致对M_w/M_n较差的控制。

此外，最近已经报道了各种极性单体，如St和(甲基)丙烯酸酯与具有未配位阴离子的Cu^I/PMDETA络合物的配位。[Braunecker，W.A.；等；J.Organometal.Chem.2005，690，916；和Macromolecules 2005，38，4081.]尽管这种络合作用相当弱，但本体中存在的高单体浓度和尤其在低ppm催化剂浓度下的溶液聚合方法导致竞争性络合作用，这会导致催化剂的进一步失稳定。

附加的实验和动力学模拟(见下文)探索了以下可能性：

1)在ICAR ATRP条件下聚合速率和自由基浓度实际受到自由基引发剂分解速率的控制，和

2)如K_ATRP的值所规定，反应介质中存在的Cu^I和Cu^II的相对浓度相应地一致。

实施例8.改变自由基引发剂和过渡金属的浓度

在60℃下进行的受控聚合中，CuCl₂/Me₆TREN介导的受控聚合(或多或少)是最快的；但是，其仍然相当缓慢，在2天内～50％转化率。在表10的实验5、6和7中，温度升至70℃，改变AIBN相对于烷基卤引发剂的量来进行若干反应。CuCl₂/Me₆TREN介导的所有三个这些反应都受到良好控制。将AIBN的量从0.1升至0.4当量导致M_w/M_n的仅略微提高(由1.1至1.2)，可能是由于在反应早期阶段产生的较高自由基浓度导致较高数量的终止链。但是，聚合速率明显随自由基引发剂浓度升高而升高。

在更高温度(110℃)下，在此络合物更容易离解，使用与Cu相比10倍过量的配体以助于抑制离解。由于自由基还原剂或催化剂活化剂通过St的热引发而再生，在该温度下苯乙烯的聚合不需要AIBN。根据这两种络合物的相对稳定性，在这些条件下，CuCl₂/TPMA介导的聚合比CuCl₂/Me₆TREN介导的聚合受到更好的控制(在多分散性方面)。因此，在另外的一系列反应中使用CuCl₂/TPMA以研究受控反应所必需的催化剂浓度的下限。Cu浓度从50ppm降至10，随后降至仅1ppm(条目10和11，表10)。尽管如由公式3所预期的那样，在这些聚合的一阶动力学中观察到轻微曲率(表明自由基浓度在整个反应中不恒定)，但降低的Cu量导致更宽的分子量分布(对于10和1ppm的Cu，M_w/M_n分别为～1.4和1.7)。图8显示了用1ppm Cu催化剂可获得的控制，并将该结果与用50ppm催化剂获得的结果相比较。当存在1ppm Cu时，分子量在极低转化率下略高于理论值。但是，令人印象深刻的是，在过量TPMA存在下仅1ppm的铜最终足以控制St的ICAR ATRP中的分子量和链端官能度，尽管分子量分布较宽。

实施例9.BA和MMA的聚合

随后在AIBN和50ppm Cu存在下尝试MMA的ICAR ATRP。该反应在60℃下在0.01当量CuCl₂/Me₆TREN存在下用EtBPA引发。结果报道在表11中。聚合所受的控制不如在St的类似反应中那么好(条目1，表10)。但是，CuCl₂/TPMA证实在介导MMA的受控聚合方面非常有效。观察到的分子量很好地符合理论值，观察到线性一阶动力学，并获得窄分子量分布(M_w/M_n～1.2)。

在EtBrIB引发的BA聚合中使用CuCl₂/Me₆TREN和CuCl₂/TPMA。在这两种聚合中均获得可接受的多分散度(M_w/M_n～1.4)和对分子量的良好控制(条目3和4，表11)。

这些实验提供足以对该体系建模的信息。

实施例10：动力学建模

Predici程序(6.3.1版)用于所有动力学建模。其使用自适应的Rothe法作为时间离散化所用的数字策略。所有物类的浓度后可接着时间。每次实际计算在个人计算机上耗时3-5分钟完成。进行建模以获得ICARATRP的动力学的清晰图像，并确定ICAR中的聚合速率是否受KATRP或受AIBN分解速率的控制。(AIBN在本文中用作示例性自由基引发剂，并且相信可以使用任何自由基引发剂。可以将适当的分解速率插入公式中。)这些模拟所必须的大量参数和三种CuBr₂/L络合物(与联吡啶(bpy)、PMDETA和TPMA的络合物)的典型速率常数列在表12中。选择这三种催化剂用于建模研究，因为它们代表宽范围的K_ATRP值。图9-11显示用于苯乙烯的ICAR聚合的这些模拟的结果。根据这些模拟，所有三种络合物的聚合速率基本相同(图9)，且一阶动力学图(接近)线性的。这表明自由基浓度在聚合过程中保持几乎恒定。在ICAR ATRP中的聚合速率和自由基浓度看起来不取决于催化剂的选择或K_ATRP的值。

但是，尽管聚合速率不取决于催化剂的选择，对分子量和分子量分布的控制是依赖于催化剂的。如图10中所示，当使用TPMA作为配体时(意味着在模拟中使用表现出适当活化值和去活化速率常数的催化剂络合物)，在整个反应中多分散度低(<1.5)，并在高转化率下接近1。分子量随转化率线性提高，并大致等于理论值。用PMDETA观察到类似结果，但多分散度略高于使用TPMA的反应。但是，当使用CuBr₂/(bpy)₂作为配体形成催化剂络合物时，对多分散度和分子量的控制较低。

表12 St的ICAR ATRP的Predici模拟中所用的参数和反应条件

DP＝200，50ppm of Cu，[St]＝5.82M，60℃；I₂＝AIBN；RX＝EtBrIB；M＝St.st/EtBrIB/X-Cu^II/AIBN＝200/1/0.01/0.1；t_50％＝1.8E5s

速率常数值的来源(60℃)：

k_dc：AIBN在60℃下的分解速率常数[Bamford，C.H.& Tipper，C.F.H.(1976)Comprehensive Chemical Kinetics，卷14A：Free RadicalPolymerization(American Elsevier，New York).]

k_d2：用X-Cu^II物类对自由基的去活化速率常数，由k_deact对ATRP的估算(10^-5～10^-8M^-1s^-1)[Matyjaszewski，K.，Paik，H.-j.，Zhou，P.&Diamanti，S.J.(2001)Macromolecules 34，5125.]

k_act0，k_act：ATRP的活化速率常数，在35℃下测量并外推至60℃[Tang，W.，Tsarevsky，N.V.& Matyjaszewski，K.(2006)J.Am.Chem.Soc.128，1598-1604.]

k_deact0，k_deact：ATRP的去活化速率常数，由在35℃下的k_act/K_ATRP计算，并外推至60℃[Tang，W.，Tsarevsky，N.V.& Matyjaszewski，K.(2006)/.Am.Chem.Soc.128，1598-1604.]

k_t0：小分子自由基的终止速率常数[Fischer，H等人，Ace.Chem.Res.(1987)20，200-206；和Angew.Chem.，Int.Ed.(2001)40，1340-1371.]

k₁₁和k₁₂：将来自EBIB(k₁₁)和AIBN(k₁₂)的自由基加入苯乙烯中的速率常数。这些值由在60℃下由获自文献的频率系数和活化能计算[Fischer，H.& Radom，L.Angew.Chem.，Int.Ed.(2001)40，1340-1371.]

k_p：添加和增长速率常数。k_p获自文献[Buback，M.，等人：(1995)Macromol.Chem.Phys.196，3267-80.]

k_tc，k_td：聚合自由基的终止速率常数，结合速率常数(k_tc)和歧化速率常数(k_td)。这些值由文献估算[Buback，M.，等人：(2002)Macromol.Chem.Phys.203，2570-2582.]

为了更好显示该ICAR ATRP体系的所有复杂关系，构造动力学图，图11，其中在同一图中以双对数标度显示所有物类的演化速率和浓度(对于CuBr₂/TPMA)。可以看出，休眠物类(初始ATRP引发剂、R-X和生成的聚合休眠物类)在整个反应中保持恒定，这导致分子量随单体转化率而线性升高，并进一步表明，大多数链端官能在整个反应中留存。由于一开始存在Cu^II物类，几乎立即(远在聚合开始前)实现ATRP准平衡(在整个时间跨度内R_a≈R_da)。一旦达到这种状态，自由基、Cu^I和Cu^II的浓度保持基本恒定，且终止速率(R_t)接近AIBN的分解速率(R_i)。可以通过设定R_i＝R_t，即2k_dc[I₂]＝2k_t[R]² _S来评估自由基浓度。

${\left[R\right]}_s=\sqrt{\frac{k_{\mathrm{dc}}\left[I_2\right]}{k_t}}\&ap;\sqrt{\frac{k_{\mathrm{dc}}{\left[I_2\right]}_0}{k_t}},---\left(7\right)$

公式(7)表明在稳态条件下的自由基浓度(即因此，聚合速率)如何主要取决于AIBN分解速率常数、其浓度和自由基终止速率常数。自由基浓度因此应不受ATRP催化剂的选择、K_ATRP或Cu^II物类的初始浓度的控制。这进一步表明，可以通过选择适当的自由基引发剂来调节聚合速率。这些预测相对较好地与实验观察吻合，其中在CuCl₂/Me₆TREN、TPMA和PMDETA介导的聚合中的表观聚合速率(条目1、2和3，表10)非常类似。

尽管聚合速率受ICAR ARRP中自由基引发剂的分解速率的控制(如它们在RAFT和自由基聚合中那样)，对聚合物分子量和分子量分布的控制仍受ATRP平衡反应的控制。聚合速率与去活化速率的比率，即(k_p[M])/(k_da[Cu^II])代表在积极增长的自由基链去活化至休眠状态之前加入其中的单体单元的数量。这提供了一种评测所给催化剂可以多么好地控制聚合中的分子量分布的定性方法(如下所示)。由于在ICAR ATRP中使用如此少量的Cu催化剂，具有大的K_ATRP值(更高浓度的Cu^II)和快速去活化速率常数的催化剂使该比率最小化，从而实现更均匀的聚合物链生长，即在每一活化步骤中加入较少单体单元，因此最终实现更好的控制。与TPMA的Cu络合物具有大的K_ATRP值(在60℃下～7.9×10^-6)。尽管Cu/PMDETA络合物的K_ATRP低得多(在60℃下～5.9×10^-8)，Cu/PMDETA的去活化速率常数(k_da)是TPMA的大约6倍高，这补偿了k_da乘积[Cu^II]。在所述三种络合物中，用bpy生成的Cu催化剂具有最低的活性，以及K_ATRP(～3.6×10^-9)，和相对较小的k_da(8.3×10⁶M^-1s^-1)。在准稳态下存在的Cu^II物类的浓度可以由ATRP平衡估算。

$K_{\mathrm{ATRP}}=\frac{\left[{\mathrm{Cu}}^{\mathrm{II}}\right]\left[R\right]}{\left[{\mathrm{Cu}}^I\right]\left[\mathrm{RX}\right]}\&ap;\frac{\left[{\mathrm{Cu}}^{\mathrm{II}}\right]\left[R\right]}{({\left[{\mathrm{Cu}}^{\mathrm{II}}\right]}_0-\left[{\mathrm{Cu}}^I\right]){\left[\mathrm{RX}\right]}_0}---\left(8\right)$

且其中[R]_s由公式(7)估算，

$\left[{\mathrm{Cu}}^{\mathrm{II}}\right]={\left[{\mathrm{Cu}}^{\mathrm{II}}\right]}_0(1-\frac{1}{(K_{\mathrm{ATRP}}\frac{{\left[\mathrm{RX}\right]}_0}{{\left[R\right]}_s}+1)})---\left(9\right)$

如由公式(9)计算和图11中所示的那样，在它们各自的K_ATRP值下，对于与TPMA的络合物，准稳态下的Cu总浓度的90％以Cu^II氧化态存在。与此相比，PMDETA为仅7％且bpy为0.3％。在准稳态下(k_p[M])/(k_da[Cu^II])的比率可以由公式(7)和(9)计算，并表明，其每次用分别与TPMA、PMDETA和bpy、配体形成的Cu/L络合物活化时在增长的链中加入大约4.0、9.3和230个单体单元。对每个体系而言，这些值在性质上与图6中所示可实现的控制相符。对于与TPMA络合的Cu介导的St的ICAR聚合，M_w/M_n的实验值也与图6中所示的M_w/M_n良好地吻合。但是，在使用PMDETA作为配体的ICAR体系中，控制在图6中高估，因为在这些模拟中没有考虑络合物稳定性。

在该用途中，引入ATRP中用于连续活化剂再生的引发剂的概念。ICAR ATRP能够使用50ppm或更少的Cu催化剂来介导若干种可自由基(共)聚合单体的良好受控的聚合反应，用该技术提供M_w/M_n小于1.2的聚合物。在引用文献中公开的其它单体也可使用。

已经详细论述了选择合适的Cu络合配体的合理性，主要与所给催化剂的K_ATRP值有关，但也与络合物在高稀释度和高温下的稳定性有关。因此，在ICAR ATRP中在低Cu催化剂浓度下，Me₆TREN和TPMA被确定为是比PMDETA和dNbpy更合适的配体；但是，预计也可以使用其它满足本文所讨论标准的配体。实际上，这提供一种检查潜在配体以预先确定它们是否适用在满足目标用途的材料的New ERA ATRP制备中的模型。

实验数据以及模拟证实了在ICAR中聚合速率受自由基引发剂分解速率的控制(如在RAFT中那样)，同时控制最终取决于K_ATRP和去活化速率(如在ATRP中那样)。

卤素交换

在进一步实施方案中，ICAR ATRP和ARGET法包括卤素交换过程。卤素交换过程包括将聚合方法中的可自由基转移的原子或基团转变成另一可自由基转移的原子或基团。在卤素交换法的一个实施例中，嵌段共聚的第二步骤所用的催化剂是氯基催化剂，而第一聚合步骤所用的催化剂是溴基的。在激活大分子引发剂后立即将生长的链端上的卤素转化成氯，由此，例如在溴转化成氯的情况下，将第二聚合的增长速率减慢到更匹配引发速率。当催化剂与大分子引发剂上的端基的比率明显低于1:1时这无法实现，并在小于10％时当然不实现。

采用两种方案解决该问题。

一种方案是聚合方法，包括加入含卤素的盐以便与过渡金属催化剂络合物相互作用，并将可自由基转移的原子或基团，如溴抗衡离子/配体转化成例如氯抗衡离子/配体。检查具有所需卤素抗衡离子的有机和无机盐，且优选的盐是氯化锂。

另一方案是用于ICAR ATRP或ARGET ATRP的共聚法，包括与不同单体形成第二嵌段，例如可与丙烯腈或甲基丙烯酸酯共聚的苯乙烯，并在主要包含苯乙烯单元的休眠的生长聚合物链的端基中，随后使大分子可受控地再生。通过Predici对该体系建模，结果概述如下：

·该模拟中MMA的k_deact(2E6)比之前小10倍。这产生MMA的不受控的ICAR ATRP。此外，MMA的k_act小2倍。(图12)

·如在DP与PDI中所看到的那样，向共聚法中加入苯乙烯明显提高对聚合的控制度。加入更多苯乙烯导致更好的结果，这是合理的，因为苯乙烯的聚合比MMA更易控制。

·在动力学上，为了具有更好的控制，链端预计尽可能地优先被苯乙烯封端。也就是说，较多被终止的链P2X(“2”指的是St)是优选的。尽管5％的St不足以提供控制，但是当向共聚中加入20％苯乙烯时，多数链端(～90％)变成苯乙烯单元。这对于对DP的控制而言足够好，但PDI相当宽，为1.25。如果需要更低的PDI，需要更多St。(图8)

·结论是，更多苯乙烯产生更好的控制，需要最少10％的St以便在此类实施方案中具有更好的控制。

ARGET ATRP法的实施方案包括将丙烯腈加入丙烯酸酯的聚合中。执行下列聚合条件：在80℃下，在苯甲醚(单体的1体积当量)中，PBA-Br:Sty:AN:CuCl₂:Me₆TREN:Sn(EH)₂＝1:2000:1300:0.1:1:1。Mn_NMR250,000；PDI 1.22。

实施例11：扩大示例性还原剂的范围

在包括丙烯酸丁酯的ARGET ATRP法中检测几种变量(表11)。在前六个实验中，在整个BA聚合中改变配体与Cu的相对浓度以捕获释放出的酸。在接下来的八个实验中研究还原剂的浓度对可实现的控制的影响。最后两个实验使用另一还原剂，4-甲氧基酚(MPO)，其在介导ARGET反应方面比肼衍生物的还原性低得多。最佳条件随即扩展至MMA和St的过量还原剂ATRP法。

还原法的机制和与所选还原剂的关联性

Desmarquest研究了通过肼还原CuCl₂的机制和动力学。[Desmarquest，J.P.；Bloch，O.Electrochim.Acta 1968，13，1109-1113]。肼氧化的最终产物是分子氮，该多步法的各个步骤伴以酸的释放。速率决定步骤是第一电子从N₂H₄可逆转移到金属中心，导致生成自由基中间体N₂H₃；其特征在于速率常数k₁＝8×10^-4M^-1s^-1且k_-1＝3×10³M^-1s^-1。PhNHNH₂的氧化导致生成PhN＝NH，再次伴随着酸的释放。[Kosower，E.M.Ace.Chem.Res.1971，4，193-198.]但是，这些氧化还原法的研究因N₂H₄和PhNHNH₂均与Cu^II离子形成络合物的事实而复杂化。[Srivastava，A.K.；Varshney，A.；Jain，P.C.J.Inorg.Nucl.Chem.1980，42，47.]与配体的竞争性络合也意味着催化剂抗离解的稳定性，并且在ICAR ATRP中不需要过量配体的浓度下在ARGET ATRP中可能需要过量配体。回溯前文，在所引用的基于申请09/369,157的专利中公开的催化剂络合物的活化中，三烷基胺的作用可归因于胺的还原性，并因此解决产生更宽MWD的更快反应。

也已经研究MPO及其衍生物被CuCl₂氧化。[Matsumoto，M.；Kobayashi，H.Synth.Commun.1985，15，515.]主要产物是对苯醌，但也形成少量邻氯化酚。尽管尚未详细研究该还原法的动力学，经证实，MPO对CuCl₂的还原在环境温度下相对缓慢。

配体/配体浓度的选择

表11中前六个条目表明，所实现的对聚(丙烯酸丁酯)的分子量分布的控制程度的显著差异其取决于所用配体(PMDETA、Me₆TREN或TPMA)和配体相对于Cu的浓度。例如，在类似转化率下，在使用相对于50ppm CuCl₂过量3倍的TPMA的反应中，与使用Me₆TREN的类似反应相比，PDI，(M_w/M_n)低得多(M_w/M_n＝1.57vs.2.3，条目2 & 4，表11)。但是，在这两个反应中，单体转化率均仅限于35％。在通过一次加入苯基肼活化的这些反应中的头24小时后没有观察到聚合。对于使用肼和相对于Cu过量3倍的TPMA的类似反应(条目12 & 13，表11)，观察到类似结果(转化率限于<35％)。当过量更多时，如使用10倍游离配体，聚合达到高得多的转化率。在1:10的CuCl₂/Me₆TREN和CuCl₂/TPMA介导的反应中，分子量分布受到非常好的控制(M_w/M_n＝1.2-1.3，条目1 & 3，表11)。观察到的分子量也与理论值良好吻合，特别是在TPMA的情况下。

但是，当使用相对于50ppmCu过量10倍的PMDETA时，没有观察到反应。即使与PMDETA一起使用500ppm Cu时，对分子量和分子量分布的控制更差(条目5&6，表11)。可以基于它们抗离解的稳定性来部分合理解释这三种络合物的表现，这可以被这些还原剂可与该催化剂络合的事实进一步结合。观察到50ppm CuCl₂/PMDETA可以介导ICARATRP，但是其不能介导ARGET ATRP，这一观察结果可归因于配体抵抗酸存在下的质子化的稳定性。碱的添加应可克服这一问题。因此，该聚合方法的进一步实施方案包括向聚合介质中加入碱。

通过β^j的值和配体L的碱度定量测定稳定性。在酸的存在下，络合物的稳定性降低α_L倍(L的质子化或其它副反应的量计入考虑)至新的值，称为条件稳定常数β^j，*。如果任何反应组分(单体、溶剂、聚合物、还原剂或其氧化产物，标记为A)与铜离子反应，将与A的这些副反应(通过稳定常数β^j _Cu ^j _Am表征)计入考虑，Cu^j/L的稳定性根据公式(5)另外降低α_Cu ^j倍[Schwarzenbach，G.Die Komplexometrische Titration，第2版；Enke：Stuttgart，1956.以及Ringbom，A.Complexation in AnalyticalChemistry；Interscience：New York，1963.]

${\mathrm{\&beta;}}^{j,*}=\frac{{\mathrm{\&beta;}}^j}{{\mathrm{\&alpha;}}_L{\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{Cu}}^j}}$

${\mathrm{\&alpha;}}_L=1+\frac{\left[H^{+}\right]}{K_{a,r}}+\frac{{\left[H^{+}\right]}^2}{K_{a,r}{K}_{a,r-1}}+...+\frac{\left[H^{+}\right]}{K_{a,r}{K}_{a,r-1}...K_{a,1}}$

${\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{Cu}}^j}=1+{\mathrm{\&beta;}}_{{\mathrm{Cu}}^{j}A}^j\left[A\right]+{\mathrm{\&beta;}}_{{\mathrm{Cu}}^j{A}_2}^j{\left[A\right]}^2+...+{\mathrm{\&beta;}}_{{\mathrm{Cu}}^j{A}_m}^j{\left[A\right]}^m---\left(5\right)$

在副反应的存在下，可以用公式(6)但用新的条件稳定常数β^j，*代替β^j来计算该体系中实际存在的催化剂的量。

$\frac{[{\mathrm{Cu}}^j/L]}{{[{\mathrm{Cu}}^j/L]}_0}=1-\frac{\sqrt{1+{4\mathrm{\&beta;}}^j{[{\mathrm{Cu}}^j/L]}_0}-1}{2{\mathrm{\&beta;}}^j{[{\mathrm{Cu}}^j/L]}_0}---\left(6\right)$

图11显示了由公式5计算的PMDETA、Me₆TREN和TPMA的Cu^II络合物稳定性的pH依赖性(知道可从文献获得的质子化常数)，并表明，碱性配体的络合物在酸性介质中非常大地失稳定，尤其当它们不存在质子化(图12)时的稳定常数相对较低时(例如，PMDETA的Cu^II络合物)。图12还显示了PMDETA为什么不如其它配体那么适用于ARGET ATRP。此外，碱性Me₆TREN的络合物在酸性介质中比不那么碱性的配体TPMA明显更失稳定。从温度和pH稳定性的角度看，TPMA看起来是ARGET反应的优选配体，其中还原反应副产物之一是酸。

改变还原剂和Cu的浓度

如果使用太少的话，还原剂会迅速消耗，过多可能导致迅速和不受控的聚合或与催化剂的不想要的副反应。胺基配体也可以起到还原剂的作用。[Wang，F.；Sayre，L.M.J.Am.Chem.Soc.1992，114，248-255.]在改变量的N2H4还原剂存在下的BA ARGET ATRP的结果也列在表11中。在对照实验中，在不存在任何其它还原剂的情况下使用10倍过量的Me₆TREN(具有四个能够还原Cu^II的叔胺基团)(条目7，表11)。在这些条件下在烷基卤存在下引发聚合，表明Me₆TREN可以还原Cu^II(在86％的转化率下M_w/M_n>1.8)。在外加还原剂N₂H₄的存在下，对M_w/M_n的控制好得多。在BA的新ERA ATRP中，当在5倍过量的N₂H₄存在下使用相对于Cu过量10倍的TPMA时，也观察到一阶线性动力学。聚合速率随N₂H₄浓度的提高而提高，且一阶动力学保持线性(图8)。

当使用相对于Cu过量10倍的Me₆TREN时，聚合速率类似地随还原剂浓度升高而升高。但是，尽管对分子量和多分散度实现良好的控制，在5、10或100倍过量的N₂H₄存在下没有观察到线性一阶动力学(条目7、8 & 9，表11，图9)。尽管所有五个这些聚合在窄分子量分布、稳定提高的分子量和接近100％的引发效率方面都受到良好的控制，但CuCl₂/Me₆TREN介导体系的动力学不容易解释。这些观察结果可以随Cu与Me₆TREN vs.TPMA的络合物的较低的相对稳定性而变。

其它还原剂的检测

除肼外，用MPO研究另一类有机还原剂。当在90℃下在BA的ARGET ATRP中与CuCl₂/TPMA一起使用10当量的这种还原剂时，没有观察到聚合。使用200当量的MPO时，在32小时内实现16％的转化率(尽管PDI相对较低，条目15和16，表11)。MPO与肼和苯基肼相比作为还原剂的低效性(在聚合速率方面)完全符合这些有机络合物的伏安法数据；酚的氧化波(oxidation wave)的文献值通常比肼衍生物在乙腈中的氧化波更偏向阳性整整一伏特。[Sawyer，D.T.；Sobkowiak，A.；Roberts，J.J.L.；Eds.Electrochemistry for Chemists：第二版；Wiley：New York，1995.]

也检测了如葡萄糖的还原剂。使用葡萄糖作为还原剂的聚合方法在大约500分钟后停止。动力学图和分子量曲线表明，每次ATRP在8-9小时处停止，随后发生苯乙烯的热引发的传统自由基聚合，见图10。加入碱可以通过降低配体的质子化来潜在扩大用葡萄糖作为还原剂的聚合转化率，事实上，三乙胺是有效的。此外，提高配体的浓度也导致更高的转化率。另一种碱，1，4-二叔丁基吡啶可能太弱以致不能实现质子化和聚合，但是该聚合方法仍然在高转化率之前停止。

在这些聚合中，Cu^II的浓度不在极端低的水平上。事实上，Me₆TREN和Cu的稳定常数不是非常高，这使配体浓度在[Cu]低时非常重要。当配体浓度保持恒定时，聚合速率不会随[Cu^II]的变化而改变太多。用苯乙烯作为单体和葡萄糖作为还原剂的ARGET ATRP，Cu(II)的浓度可以降至10ppm或更低，聚合据观察在控制之下；图16。

包含甲基丙烯酸甲酯(MMA)和苯乙烯的ARGET ATRP法

包括在60℃下由EtBrIB引发的MMA的ARGET ATRP法导致观察到的分子量高于理论值，且M_w/M_n～1.6(条目1和2，表12a)。在使用Sn(EH)₂作为还原剂的MMA的ARGET ATRP中观察到更好的控制。在相对于50ppm Cu过量10倍的PhNHNH₂和配体存在下，在90℃下由EtBrIB引发St的聚合(其中热引发应当不明显)。这些反应受到相当好的控制(M_w/M_n～1.3，条目3&4，图12a)。但是，当使用苯基肼作还原剂时，聚合达到有限的转化率。这可能由于苯基肼在空气或紫外光存在下的不稳定性，这使其不能与强氧化剂共存。[http://www.physchem.ox.ac.uk/MSDS/PH/phenylhydrazine.html]

在肼存在下没有观察到苯乙烯聚合。为了证实烷基卤链端与肼反应并在苯乙烯聚合中消耗还原剂的猜测，用溴封端聚苯乙烯的低分子量类似物，即1-苯基乙基溴化物(1-PhEtBr)与N₂H₄和PhNHNH₂一起进行模型动力学研究。亲核取代后接着在DMSO-d₆进行¹H NMR，其中，与N₂H₄的反应经确定明显比与碱性较低的PhNHNH₂的反应快。尽管亲核取代反应在极性较弱的溶剂(DMF/单体)中比在DMSO中慢，这些结果提供了对前述观察结果的令人满意的解释。在N₂H₄存在下，烷基溴低聚引发剂非常快速地与还原剂反应，并在反应的初期将其消耗。结果，基本没有观察到聚合。当使用PhNHNH₂时，模型反应表明取代反应慢得多，这与聚合发生但逐渐减慢并在单体转化完全前停止的观察结果相符。尽管肼的衍生物明显不那么适合苯乙烯的聚合，早期的结果表明Sn(EH)₂或葡萄糖在St ARGET ATRP中是更合适的还原剂，这意味着在选择还原剂时不得不考虑所有的副反应。用不同引发剂进行一系列MMA聚合以确定对聚合的控制程度上是否存在大的差异。当使用类似BrPN的活性极强的引发剂时，MMA的ARGET ATRP受到控制，从而产生具有低PDI和分子量接近理论值的聚合物。(表12b)

包含MAO作为还原剂的ARGET ATRP法

为了确定Cu^(II)/bpy络合物是否能够被甲基铝氧烷(MAO)还原，将所有三种试剂相继加入密封烧瓶中，反应颜色由绿色变成暗褐色，表明MAO将Cu^(II)(绿色)还原成Cu^(I)(暗褐色)。进行两个包含MAO作为还原剂的ARGET ATRP过程。结果显示在下面。

反应条件^a)

BA/EtBrIB/Cu^(II)/TPMA   Cu   时间   转化率   Mn_th    Mn_GPC   M_w/M_n

       /MAO            ppm    (h)    (％)

A)   200/1/1/2/1      5000    3       79     20,200   21,00   01.32

B)  200/1/0.1/0.2/1   500     5       85     21,700   22,700   1.1

a)BA；丙烯酸丁酯，EtBrIB；2-溴异丁酸乙酯，温度：60℃，

使用苯甲醚作为内标(internal standard)(BA的10体积％)

用较低铜含量，更好地控制该反应，且转化率与时间遵循线性升高，最终分子量接近理论值，并表现得相当窄(在85％转化率下PDI＝1.10)。这些结果表明MAO是用于ARGET ATRP的良好还原剂，并应在减少量的Cu和MAO下发挥作用。

实施例12.通过ICAR和ARGET ATRP制成的PSt-b-PBA的合成

包含试剂比率[St]₀:[EtBrIB]₀:[CuCl₂]₀:[TPMA]₀＝200:1:0.01:0.01；[St]₀＝5.82M的聚合方法在60℃在50体积％苯甲醚中进行，提供具有11100分子量和M_w/M_n 1.12的大分子引发剂。这种大分子引发剂随后使用ARGET ATRP用BA扩增，从而使新链的生成最少化，使用[BA]₀:[PSt]₀:[CuCl₂]₀:[Me₆TREN]₀:[PhNHNH₂]₀＝400:1:0.02:0.1:0.1；[BA]₀＝5.88M；和60℃的反应温度，在20体积％DMF存在下。两个聚合均用50ppm铜催化剂进行。使用具有50ppm铜的ARGET ATRP，用BA使聚苯乙烯大分子引发剂增链经证实非常有效，且最终嵌段共聚物具有M_n’GPC＝65300，M_n，th＝52900，M_w/M_n＝1.19。聚合物的GPC迹线在每一合成步骤后是单峰的并表明这些技术可用于制造嵌段共聚物。

实施例13.不同单体的(共)聚合和制备高MW聚合物的能力的例证

在聚合介质中具有低至或低于10ppm的低铜催化剂浓度的ATRP法可以抑制与过渡金属络合物的一种或两种氧化态相关的一些副反应并能够制备更高分子量的共聚物。这一实施例证实了低催化剂浓度的这种优点。

对比操作：通过ATRP的苯乙烯和丙烯腈的共聚(图13a中的量条目2)

在Schlenk烧瓶中加入Me₆TREN配体(7.2微升，0.031毫摩尔)和溴化铜(II)(0.64毫克，2.87微摩尔)，然后加入苯甲醚(5.52毫升)并将内容物搅拌。当该体系变均匀时，在烧瓶中加入苯乙烯(4.0毫升，0.0349毫摩尔)、丙烯腈(1.52毫升，0.0231毫摩尔)和2-溴异丁酸乙酯(8.12微升，0.0553毫摩尔)。在三个冷冻-泵-解冻循环后，在烧瓶中填入氮，然后在将混合物浸在液氮中的同时，加入4.11毫克(0.0287毫摩尔)CuBr。将烧瓶用玻璃塞密封，排空，并用氮气回填四次。在将反应混合物熔化并将烧瓶内容物升温至室温后，取出初始样品，并将密封烧瓶置于80℃的恒温油浴中。以定时间隔取出样品并通过气相色谱法(GC)和凝胶渗透色谱法(GPC)分析以跟踪该反应的进程。通过打开烧瓶并使催化剂暴露在空气中，停止聚合。两个催化体系的聚合物的总多分散性都低，尤其是在共聚的适中阶段中，这表明对反应的良好控制。

SAN的ARGET ATRP的考虑因素：通过ARGET ATRP的苯乙烯和丙烯腈的共聚(对图13b中的条目4适当的量)

在干燥Schlenk烧瓶中加入苯乙烯(4.0毫升，0.0349毫摩尔)、丙烯腈(1.52毫升，0.0231毫摩尔)和苯甲醚(4.22毫升)。然后加入CuCl₂络合物(0.223毫克，1.66微摩尔)/Me₆TREN(0.38微升，1.66微摩尔)在苯甲醚(0.8毫升)中的溶液和EBiB(8.12微升，0.0553毫摩尔)引发剂。将所得混合物通过四个冷冻-泵-解冻循环脱气。在将混合物熔化后，加入Sn(EH)₂(8.95微升，0.0278毫摩尔)和Me₆TREN(6.36微升，0.0278毫摩尔)在苯甲醚(0.5毫升)中的吹扫溶液。取出初始样品，并将密封烧瓶置于80℃的恒温油浴中。以定时间隔取出样品并通过气相色谱法(GC)和凝胶渗透色谱法(GPC)分析以跟踪该反应的进程。通过打开烧瓶并使催化剂暴露在空气中，停止聚合。

对所有实验使用苯乙烯和丙烯腈的共沸进料比。为了检查催化剂络合物对反应的一些作用，对于通过ATRP合成SAN，使用两种催化剂体系；溴化铜(I)分别与dNbpy和Me₆TREN的络合物。由于Cu^I与dNbpy的络合物的活性比Me₆TREN基铜络合物低大约10,000倍，在图13a条目2中使用的dNbpy/Cu^I催化剂的量明显高于条目1中所用的Me₆TREN基络合物的浓度以提供足够迅速的聚合速率。此外，在使用Me₆TREN作为络合剂的反应中，加入10％去活化剂以由于持续自由基作用而提高引发剂效率。

优选的ATRP催化剂对烷基和烷基上的氢原子具有低亲合力以抑制副反应在过渡金属调控的聚合中的影响。在铜介导的苯乙烯的ATRP中，由于消除HX而引起的末端卤素官能度的损失造成链官能度的损失和随后造成对反应的控制的损失。[Matyjaszewski，K.；Davis，K.；Patten，T.E.；Wei，M.Tetrahedron 1997，53，15321-15329.]用模型化合物进行的研究证实，铜II络合物的存在引起消除反应。这种方法在溴调控的ATRP中比在氯转移体系中更显著，并在极性化合物存在下更显著。在SAN共聚的情况下，芳基腈单体的高极性加剧了这种特定的副反应。另一副反应是由于聚合自由基在铜^II催化剂作用下的单电子氧化以形成碳阳离子，这随后消除了产生不饱和端基的质子。该反应可以在烃溶剂中进行。另一方面，Lazzari[Lazzari，M.；Chiantore，O.；Mendichi，R.；Lopez-Quintela，M.A.Macromolecular Chemistry and Physics 2005，206，1382-1388]提出通过与质子源反应来进行的苯乙烯基的还原形成可能导致休眠链的阴离子中间体。此外，还存在必须考虑的与丙烯腈自由基相关的副反应。根据之前的研究，丙烯腈自由基可以容易地与铜I络合物反应形成碳阴离子和铜^II。碳阴离子非常不稳定并经历链转移终止。另外，铜中心可以通过氰基与单体或聚合物链配位，这导致其去活化或降低其有效浓度。但是，基于Baumann等人计算出的共聚参数[Baumann，M.；Roland，A.-L；Schmidt-Naake，G.；Fischer，H.MacromolecularMaterials and Engineering 2000，280/281，1-6]，正是主要以活性态存在的苯乙烯基(r_S＝0.47±0.05，r_AN＝0.03±0.03)和该自由基典型的副反应被认为是链去活化的主要原因。所有前述反应都可能在各种程度上发生，导致不如理想的活性性能。

共聚的实验数据列在表13a和17b中，图17显示了在dNbpy和Me₆TREN/Cu^I存在下的SAN聚合的半对数动力学图。dNbpy和Me₆TREN都没有在ATRP聚合过程中提供恒定数量的生长的自由基，因为可以观察到与直线的严重偏差(图17)。单体转化分别在大约50％和60％停止，表明活性物质去活化。但是，这两个催化体系的聚合物的总多分散性都低，尤其是在共聚的适中阶段中，这表明对反应的某些方面的良好控制。由SEC迹线的形状清楚看出两个催化体系的活性物质的去活化(图18)。初始窄对称峰损失其规整度并看出显著的低分子量肩部。随着分子量升高，曲线的尾部和不规则形状持续。但是，必须要指出，总控制程度保持令人满意。

表13a 通过ATRP^a制成的SAN共聚物的实验条件和性质

 

条目	Sty/AN	EBiB	CuBr	CuBr2	配体	时间(h)	转化率(％)	Mn(×10-3)	Mw/Mn
										1	600/390	1	0.5	0.05	0.055(Me6TREN)	117.6	56.0	48.1	1.18
2	600/390	1	4	-	8(dNbpy)	117.6	46.9	47.1	1.20

^a反应在苯甲醚中在80℃下进行。[Sty]＝3.17M。

看起来不可能通过添加增加量的Me₆TREN/Cu^I加速反应速率来抑制副反应。实际上，反应速率最初明显更快速，但同时，也提高了生长的自由基的不可逆终止的速率。在具有极低引发效率的低转化率下，反应停止。

通过ATRP合成SAN：

ARGET ATRP的主要优点在于，该体系包含少量催化剂的连续再生以保持控制。在多数体系中，这意味着催化剂溶解度问题和提纯问题容易克服。用2-溴异丁酸乙酯(EBiB)作为引发剂和用Me₆TREN/Cu作为催化剂，进行苯乙烯和丙烯腈的ARGET ATRP。通过ARGET ATRP制成的SAN共聚物的实验条件和性质显示在图13b中。为了优化铜的量，评测三种不同浓度的催化剂：相对于单体为10，30和50ppm(图13b，条目3-5)。在50摩尔％引发剂下，还原剂Sn(EH)₂的量保持恒定。在不同铜浓度下，所有上述反应的动力学图显示在图19中。如预期的那样，随着铜浓度提高，聚合速率显著提高。可以看出与直线动力学图的略微偏差，这意味着在反应过程中该体系中存在的自由基数量在一定程度上改变，但保持控制。共聚物样品的理论分子量与由GPC分析获得的值没有显著差异。这些结果与来自使用相同单体/引发剂摩尔比时的正常ATRP的结果明显不同。图21显示了含30ppm催化剂的体系的整个分子量分布超较高分子量的平滑转移：参见图19。

当以较高DP为目标时，(DP_n＝1650)，聚合更慢。图17显示了相对于单体使用30ppm铜时苯乙烯和丙烯腈的共聚的动力学图，以及在该体系中形成的聚合物的分子量和多分散度。尽管该动力学图表现出与直线特性的极小偏差且分子量仅与理论值略微不同，观察到在转化率下分子量分布的持续提高。在SEC迹线上可以看出多分散度的提高，其拖尾到低分子量物类，这意味着不能完全忽略由各种终止反应形成休眠链且在这些条件下不能在良好控制聚合的情况下实现高单体转化率。

对于目标DP甚至更高，DP_n＝3300的反应，观察到类似表现。在这种反应中，由于反应介质中引发剂的极高稀释度而使用更高浓度的铜催化剂(相对于单体为50ppm)和还原剂，但在动力学图上观察到甚至与直线的更明显偏差，即使理论分子量和获自GPC测量的分子量之间差异可忽略，但仍然在单体转化率仍然相对较低时观察到分子量分布的提高。

降低溶剂量以提高单体转化速率并保持对反应的控制(图3b，条目8-9)。在这些实施例中单体的实际浓度分别等于3.17M和5.07M并使用30ppm催化剂。在比较反应的动力学图时，观察到反应速率的显著不同。在较高单体浓度，5.07M下，单体转化率达到70％，并在获得高分子量聚合物M_n＝211,800的同时，分子量分布比所需的分布宽，M_w/M_n>1.4，但仍然在对受控反应预期的范围内。也检测出与理论分子量的一定偏差，这表明通过与催化剂的副反应使自由基在一定程度上去活化。

当铜的量降至10ppm时，将单体浓度保持在相同水平5.07M，动力学图是线性的，这表明生长的自由基的恒定数量(图13b，条目10)。对于分子量等于166,200的SAN，与理论分子量的偏差也更小，且分子量分布低至1.26。

在受控自由基聚合中获得高分子量SAN共聚物，这导致下述结论——在该实施例中所用的催化剂的极低浓度显著抑制了生长的自由基与铜物类的副反应，这导致制成界限分明的高分子量线型共聚物。

由大分子引发剂共聚SAN：

对于苯乙烯和丙烯腈的共聚，也使用大分子引发剂。所用大分子引发剂是含有末端2-溴异丁酸酯基团的聚(环氧乙烷)基大分子引发剂。反应条件显示在图13b，条目13中。该动力学图的线性特征表明在反应介质中生长的物类的恒定数量，在最多20％单体转化率后，单体消耗速率降低。由于存在大分子引发剂，仅在聚合的早期阶段观察到理论分子量和通过GPC测得的分子量之间的轻微差异，分子量分布在聚合的各个阶段保持低，这意味着对该方法的高控制程度。

由二和三官能引发剂合成SAN：

使用单官能引发剂(EtBriBu)和PEO大分子引发剂开发出的反应条件用在一系列与多官能引发剂的反应中。在应该提供相同数量的生长自由基的每一体系中使用催化剂和引发剂的相同浓度。对于所有引发剂，聚合速率相同，表明每一引发位点独立地参与聚合。但是，当对于具有不同官能度的引发剂，活性物类的浓度保持恒定时，每一体系的单体/引发剂比率改变，这导致聚合过程中绝对分子量的不同变化速率。在由二和三官能引发物类合成的SAN的情况下，仅在较高分子量下观察到与理论值的显著偏差。但是，聚合物的多分散度在整个反应中保持低M_w/M_n<1.3，表明在反应的各个阶段的良好控制。使用三重检测器SEC，测量(支化)PSAN和PEO嵌段聚合物的绝对分子量。使用THF中线型PSAN溶液的已知浓度测定聚合物的值dn/dc。对于具有某种组成(苯乙烯＝60％)的SAN共聚物，dn/dc的值已知并等于0.157。PEO₅₀₀₀-b-PSAN的嵌段聚合物含有少于5重量％PEO部分以致获自3D-SEC的结果仍然可靠。此外，该设备也产生数均特性粘度。表12比较了通过正常GPC和3D-SEC测得的数据。

表12.由单-、二-和三官能引发剂以及PEO基大分子引发剂制成的SAN共聚物的相对和绝对分子量数据

^a用线型聚苯乙烯标准品通过SEC测量。

^b通过三重检测SEC测得，且SAN共聚物(60％苯乙烯)的dn/dc值测得为0.157毫升/克。

^c通过3D-SEC测得的数均特性粘度。

任何共聚物的标准GPC和3D-SEC之间没有显著差异，这意味着获自标准GPC的结果可靠。使用在线粘度计测得的数均特性粘度的变化对应于线型和星形聚合物的预期趋势：星形聚合物的粘度低于具有类似分子量的线型聚合物。

ARGET ATRP能够显著降低反应中所用的催化剂络合物的量，并且由于通过该体系中铜物类的绝对浓度的降低限制抑制副反应，能够合成高分子量聚合物。在显著程度上避免生长的自由基与催化剂之间的副反应。该体系中存在的铜物类的量可以低至10ppm而不损失控制，这使该方法非常可用于工业规模的生产。与单-、二-和三官能引发剂、低分子量引发剂和大分子引发剂的聚合导致形成具有受控构造的界限分明的聚合物。

SiO₂-PSAN的合成：

SiO₂-Br(20nm):Sty/AN/SiO₂-Br/CuCl₂/Me₆TREN/Sn(EH)₂＝2000:1300:1:0.10:1.0:1.0，在苯甲醚(单体的1体积当量)，在80℃下。Cu：30ppm。在42.4小时获取的样品的SEM迹线在低多分散度下对称，表明在聚合过程中没有偶联反应。从我们之前的实践中，引发剂对SAN在小二氧化硅粒子上的聚合的效率为大约30％。在42.4小时的转化率估计为大约14％，这提供了分子量为127,000且PDI为1.3的束缚链(由裂解聚合物测得)。但是，当将反应驱动至更高转化率时，如在溶液聚合中使用多官能引发剂常见的那样，多分散度提高并观察到一些不溶凝胶，表明已经发生一些交联。可以通过ARGET ATRP法制备复合结构。

如其它专利申请中公开的那样，细乳液ATRP的使用能够在充分分散的液滴中区分多官能引发剂并由于自由基在给定液滴中的低瞬时浓度而降低交联。

通过ARGET ATRP进行HEMA-TMS：

以适合用作聚合接枝的骨架的高分子量聚合物为目标，进行HEMA-TMS的几种聚合。过去，当以极高分子量为目标时，选择p(HEMA-TMS)RAFT作为适当的CRP。在这一系列操作中，单体与引发剂的比率为10,000比1，并改变催化剂、锡和溶剂的量以找出最佳条件。最佳条件是HEMA-TMS:EBiB:CuCl₂:Me₆TREN:Sn(EH)₂＝10,000:1:2:25:25，在50％苯甲醚中，在50℃下。最终聚合物具有M_n＝2.45x10⁶和M_w＝5.27 x10⁶以及1.63的PDI。

在反应早期 ，可能存在一些初始引发剂/引发剂终止反应，其导致比所选转化率的目标值更高的实际分子量。如下所述，可以通过连续加入还原剂来避免这种现象，所述还原剂能够实现更慢的活化/引发程序和随后提高的聚合速率。

通过ATRP的高分子量聚丙烯腈(PAN)

PAN不可溶于单体和多数有机溶剂，例如THF、苯甲醚、甲醇、丙酮。通常，当以高Mn为目标时，也会获得高PDI，并存在单体消耗的非线性第一阶动力学图(ln(M₀/M)vs.t)和通过GPC(DMF)的不足的Mn表征。较宽的PDI可归因于副反应。

·副反应2：太快活化(比标准ATRP引发剂EBiB快～10倍)→太多终止

·副反应2：通过铜^I将自由基还原成阴离子：R^*+Cu^I→R^-，导致链端损失。

·副反应3：与单体或聚合物上的氰基配位的Cu中心，导致催化剂损失：P-Br+R-CN→P-CN-R

检查下列变量并将最佳试剂用粗体标示。

·溶剂：DMF、EC、DMSO

·引发剂：BPN、CPN、BAN、CAN

·还原剂：Sn(EH)₂、抗坏血酸、葡萄糖、苯基肼

·温度：65，55，40，25℃

·Cu^IICl₂的量：100，75，50，25，10ppm

最初，丙烯腈的ARGET聚合缓慢，因此在添加抗坏血酸的情况下和在较高温度下检查反应。抗坏血酸的添加导致快速反应，而较高温度没有显著优点。Sn(EH)₂在55℃下的使用导致产生具有可接受的PDI的聚合物。在GPC曲线中长尾部的存在导致较宽PDI，这归因于初始分子量的迅速提高。使用ClPN以及Sn(EH)₂和随后使用DlPN/BrAN以及葡萄糖，在25ppm Cu下减慢引发，但这导致具有较差控制的较慢反应！

用葡萄糖作为还原剂进行一系列实验。在作为溶剂的DMSO中，在40-65℃下获得最佳结果。这种反应中所用的试剂摩尔比为：

AN:BrPN:CuCl2:TPMA:葡萄糖＝4000:1:0.2:2.2:2，在DMSO中(单体的2.5体积当量)，在40℃下。

这是反应中50ppm Cu的当量。显著的是，反应介质和产物均无色。通过NMR估测在166小时反应后的转化率为～69％。GPC表明，测得的Mn/3接近基于转化率数据的理论分子量。对于此操作，在图18中可以看出GPC迹线的清晰转移。这一实施例表明，还原剂应该与配体和单体匹配。样品的Mn/3为135,000，且该聚合物具有1.18的PDI，这表明在聚合过程中几乎没有终止，因为当反应温度降低时，链转移反应速率也在显著程度上降低。

通过ARGET ATRP的PBA-b-PSAN

PBA-Br:Sty:AN:CuCl₂:Me₆TREN:Sn(EH)₂＝1:2000:1300:0.1:1:1，在苯甲醚(单体的1体积当量)中，在80℃下。Mn 250,000 PDI 1.22。

实施例14.带有附加官能团的单体的聚合

通过AGET ATRP制备AMPSA₂₇BA₄₆₈AMPSA₂₇：

需要AMPSA基嵌段共聚物作为用于制备挠性导电聚合物的模板剂(templating agent)，但是它们通过标准ATRP技术进行的制备符合对AMPSA嵌段的MW的限制。在对标准ATRP反应中的AMPSA₂₇BA₄₆₈AMPSA₂₇制备开发的条件下进行下列实施例。这种AGETATRP的条件与AMPSA的“常规”ATRP聚合中所用的类似，除了其它组分外还添加一定比例的抗坏血酸。在这种类型的反应中，添加的还原剂的作用是通过终止反应再生所形成的任何过量Cu^II。

图式2.通过AMPSA使二官能大分子引发剂增链

一般程序：

在Schlenk烧瓶中加入AMPSA(16.6克)，以及8.2克PBA大分子引发剂(MW 60,000克/摩尔)并脱气30分钟。然后加入脱气的三丁胺(19.2毫升)和脱气的DMF(48毫升)，然后搅拌直至AMPSA和PBA溶解，然后再脱气20分钟。在单独的Schlenk烧瓶中加入氯化铜(79.2毫克)、抗坏血酸(47毫克)和bpy(87.6毫克)，通过3个真空泵送和氮气吹扫循环去除氧。然后在该混合物中加入脱气的DMF(3毫升)，并将其搅拌10分钟以形成铜络合物。然后在反应烧瓶中加入一部分铜络合物溶液(1毫升)，然后脱气数分钟。将烧瓶下降到60℃油浴中，并使反应运行过夜。通过加入DMF和暴露在空气中，将反应猝灭。将DMF/聚合物溶液缓慢倒入水中，将所得胶束溶液通过透析提纯2天。根据所得产品的DMF GPC分析，将二官能大分子引发剂用聚AMPSA增链。在使该聚合物通过Dowex离子交换柱后，由于三丁铵抗衡离子的损失，分子量降低(洗脱体积提高)。通过DMF GPC，大分子引发剂的分子量为60,000克/摩尔，同时最终含酸嵌段共聚物具有82,000克/摩尔的分子量以及1.13的PDI。根据元素分析，这种聚合物是27重量％AMPSA，具有AMPSA₅₃BA₄₆₈AMPSA₅₃的DP，即略低于通过传统ATRP法制成的聚合物中存在的AMPSA量的两倍。

这种新型活化程序减少了副反应并提供适用于制备具有良好机械性质的模板化导电聚合物的具有更高AMPSA含量的材料。

NIPAAm的AGET ATRP：

当使用溶剂，例如2-丙醇时，TPMA据发现是在水中的NIPAAm的AGET ATRP的有效配体。可以驱动聚合至>90％转化率并可以获得低的多分散度的聚合物。当在2-丙醇中的比率是NIPAAm(200)、甲基氯丙酸酯(1)、TPMA(1)、CuCl₂(1)、抗坏血酸(0.5)时，在Mn＝20,000且PDI＝1.16下实现91％转化率。为了试图获得更高分子量聚合物，NIPAAm与其它试剂的摩尔比升至500。与1.7毫升2-丙醇和0.3毫升水一起使用1.0克NIPAAm以助于溶解抗坏血酸。将NIPAAm、CuCl₂和TPMA真空干燥20分钟。加入1.2毫升2-丙醇和MCP。将其用氮气鼓泡40分钟。在单独的烧瓶中，将抗坏血酸在真空下干燥并与0.5毫升2-丙醇和0.3毫升水混合，并用氮气鼓泡40分钟。将烧瓶合并以启动反应。在5小时后获得42,000的分子量，且该聚合物表现出1.10的PDI。

OEOMA 475在水中的AGET ATRP，目标DP＝1000：

以高分子量聚合物，即DP＝1000为目标，研究使用溴官能化PEO5000引发剂的OEOMA 475的AGET ATRP。在第一组实验中，还原剂(抗坏血酸)的量从CuBr₂的10摩尔％变成30摩尔％。结果概括在下表条目1-3中。提高抗坏血酸的量导致更高的转化率。当抗坏血酸仅以Cu^II的10摩尔％或15摩尔％添加时，反应在第一阶动力学图中达到如平稳段所示的有限转化率。分子量随转化率线性提高，并观察到窄的多分散度和单峰分布。但是，在使用30％抗坏血酸时，尽管实现更高转化率，但多分散度更宽并在GPC迹线上观察到肩部(shoulder)。

表13a OEOMA 475在水中在30℃下的AGET ATRP

 

实验	[CuBr2](mM)	[Asc.Ac.](mM)	[AscAc]0/[CuBr2]0(％)	时间min.	转化率(％)	Mn，th(g/mol)	Mn，exp(g/mol)	PDI
									1	0.32	0,032	10	30	38	186000	135000	1.24
2	0.32	0,048	15	60	47	228400	170000	1.24
									3	0.32	0,096	30	90	86	414000	364000	1.86

反应条件：[OEOMA 475]/[PEO5000-Br]/[CuBr₂]/[TPMA]＝1000/1/0.5/0.5。

对于所有实验，水/单体比率(v/v)＝2.5

在第二组实验中，降低水/单体比率(v/v)，由此提高催化剂在介质中的浓度。选择15％的抗坏血酸/CuBr₂摩尔比，因为这种条件看起来在之前的实验中提供了聚合速率与控制之间的良好平衡。结果概括为下表中的条目4-6。降低水/单体比率(v/v)导致更高的转化率。一阶动力学图是线性的，但仍然观察到平稳段。分子量随转化率线性提高，观察到单峰分布，且多分散度即使在高转化率下也保持相当低。

表15b OEOMA 475在水中在30℃下的AGET ATRP

 

实验	[CuBr2](mM)	[Asc.Ac.](mM)	水/单体(v/v)	时间(min.)	转化率(％)	Mn，th(g/mol)	Mn，exp(g/mol)	PDI
									4	0.444	0.067	1.5	60	66	319000	196000	1.3
5	0.368	0.0553	2	60	70	338000	223000	1.37
									6	0.32	0.048	2.5	60	47	228400	170000	1.24

反应条件：[OEOMA475]/[PEO5000-Br]/[CuBr₂]/[TPMA]＝1000/1/0.5/0.5。

对于所有实验，[Asc Ac]₀/[CuBr₂]₀＝15％。

在第三组实验中，连续加入还原剂。在聚合过程中在0时间和以规则时间间隔加入抗坏血酸。结果概括在表15c，条目7-9中。在以CuBr₂的15摩尔％加入抗坏血酸以启动聚合时，在30分钟后反应达到有限转化率，每30分钟加入相同量。如预期的那样，一阶动力学图是线性的，并在2小时内实现76％转化率。分子量随转化率线性提高，观察到单峰分子量分布，并在多分散度升至1.49时，GPC曲线仍然相当窄和对称。

当水/单体比率从2.5降至2.0体积时，在保持相同条件的情况下，一阶动力学图仍然是线性但在GPC迹线中观察到双峰性。

表15c OEOMA 475在水中在30℃下的AGET ATRP

 

实验	[CuBr2](mM)	[Asc.Ac.](mM)	[AscAc]0/[CuBr2]0(％)	时间(min.)	转化率(％)	Mn，th(g/mol)	Mn，exp(g/mol)	PDI
									7	0.32	0.048	15	60	47	228400	170000	1.24
8	0.32	0.048	4x15	120	76	367000	280000	1.49
									9	0.368	0.0553	3x15	90	75	361000	230000	1.47

反应条件：[OEOMA 475]/[PEO5000-Br]/[CuBr₂]/[TPMA]/[Asc Ac]₀＝1000/1/0.5/0.5/0.075

连续或逐渐添加还原剂因此能够控制整个反应过程中的还原速率并因此控制Cu^I与Cu^II比率，并获得更高分子量材料。

实施例15.“从平面上接枝”的简单程序的开发

该实施例的主要目标是指定和显示用不同单体从平面上接枝用的非常简单的程序。初始目标是在可以简单覆盖并用封口膜(parafilm)隔绝的培养皿(例如陪替氏培养皿)中在室温下在有限量空气存在下进行AGET或ARGET ATRP。在第一实验中，使用陪替氏培养皿，覆盖并用封口膜隔绝。即使在将所有试剂用N₂脱气并加入更高量的还原剂Sn(EH)₂后也不发生聚合。

在称重皿中进行下一组实验，该称重皿配有ground盖并比陪替氏培养皿深。这种类型的烧瓶允许容易地到达内容物但可以用液体填充至接近顶部，然后按类似方式密封到商业反应器上。该反应WJ-04-71的条件，和结果如下所示。

反应条件

 

样品	单体	引发剂	CuII	配体	还原剂	T[℃]
							WJ-04-71	nBA(DP＝600)	EtBrIB(1eq.)	CuCl2(1eq.)	Me6TREN(1eq.)	Sn(EH)2(0.5eq.)	r.t.

溶剂：苯甲醚/丙酮0.05/0.05体积当量vs.M

在49.5小时后加入1.5当量的Sn(EH)₂。

将所有试剂在称皿中混合在一起并用N₂鼓泡20分钟。接着，提取初始样品，然后加入还原剂并将反应器密封。在49.5小时后，打开反应器并提取试样。(表16中的时间0样品)。为了检测聚合是否可以继续，将反应混合物用N₂再鼓泡，并加入额外量Sn(EH)₂。在95小时后停止反应，束缚聚合物的分子量提高，同时PDI保持低，由此表明已经进行两个相继的受控ARGET ATRP聚合。

表16：结果

实施例15中反应器的每次打开导致空气的进入，这会消耗催化剂和还原剂，但是，聚合物分子量在没有任何拖尾迹象的情况下移向较高分子量。聚合受到充分控制，分子量接近理论值并观察到低PDI(1.28)。这一实施例表明，可以由固体平面进行ATRP，并可以通过添加过量还原剂来补偿少量空气的初始存在。

此外，束缚链的连续再生表明，束缚(tethered)嵌段共聚物可以通过该程序制备和/或可以改变末端官能度以加上附加的响应性官能度。

实施例16.不形成酸的还原反应

较宽范围的还原剂的检查的结果表明，在某些情况下，使用在氧化时不会释放酸的试剂进行还原是有利的。这类还原剂的实例是紫精(viologens)和亚硫酸盐。紫精(其经受电子转移而非使用抗坏血酸、2，3-二甲氧基-5-甲基-1，4-氢醌、维生素E类似物Trolox时看出的氢转移)的还原性质容易通过改变分子上的取代基来调节。这与图式1相比的改变在于，X原子或基团不再导致形成酸，这降低了与形成酸的还原剂相关的副反应并如在ICAR ATRP中所展示的允许反应在不存在过量配体的情况下进行。

Claims (36)

1.一种聚合方法，包括

使聚合介质中的可自由基(共)聚合单体聚合，该聚合介质包含:

一种或多种可自由基(共)聚合单体；

能够参与与ATRP引发剂的单电子氧化还原反应的过渡金属催化剂络合物；

自由基引发剂；和

ATRP引发剂；(其中过渡金属催化剂络合物在聚合介质中的浓度低于100ppm)。

2.权利要求1的聚合方法，其中过渡金属在聚合介质中的浓度低于50ppm。

3.权利要求1的聚合方法，其中过渡金属在聚合介质中的浓度低于10ppm。

4.权利要求1的聚合方法，其中过渡金属催化剂络合物是(拟)卤素转移剂。

5.权利要求1的聚合方法，其中可自由基聚合单体选自下式的单体:

其中R1和R2独立地选自H、卤素、CN、CF₃、具有1至20个碳原子的直链或支链烷基、具有2至10个碳原子的不饱和直链或支链链烯基或炔基、被卤素取代的具有2至6个碳原子的不饱和直链或支链链烯基、C₃-C₈环烷基、苯基，该苯基可任选在苯基环上具有1至5个选自C₁-C₆烷基、C₁-C₆链烯基、C₁-C₆-烷氧基、卤素、硝基、羧基、C₁-C₆烷氧羰基、用C₁-C₆-酰基、氰基和苯基保护的羟基、杂环基、C(＝Y)R⁵、C(＝Y)NR⁶R⁷、YCR⁶R⁷R⁸和YC(＝Y)R⁸的取代基；其中Y可以是NR⁸或O；R⁵是具有1至20个碳原子的烷基、具有1至20个碳原子的烷氧基、芳氧基或杂环氧基；R⁶和R⁷独立地为H或具有1至20个碳原子的烷基，或R⁶和R⁷可以连接在一起以形成具有2至5个碳原子的亚烷基，由此形成3-至6-元环；且R⁸是H、直链或支链C₁-C₆烷基或芳基；且

R³和R⁴独立地选自H、卤素、C₁-C₆烷基和COOR⁹，其中R⁹是H、碱金属或C₁-C₆烷基；或

R¹和R³可以连接形成式(CH2)n’的基团或式C(＝O)-Y-C(＝O)的基团，其中n’是2至6，基团(CH2)n’可以被1至2n’个卤素原子或C₁-C₄烷基取代，Y如上定义；且R¹、R²、R³和R⁴中的至少两个为H或卤素。

6.权利要求1的聚合方法，其中可自由基聚合单体选自C₁-C₂₀醇的(甲基)丙烯酸酯、丙烯腈、C₁-C₂₀醇的氰基丙烯酸酯、C₁-C₆醇的二脱氢丙二酸二酯、乙烯基吡啶、乙烯基N-C₁-C₆-烷基吡咯、乙烯基噁唑、乙烯基噻唑、乙烯基嘧啶和乙烯基咪唑、乙烯基酮，其中烷基的α-碳原子不带氢原子，和在乙烯基部分上带有C₁-C₆-烷基和在苯基环上带有1至5个选自C₁-C₆烷基、C₁-C₆链烯基、C₁-C₆炔基、C₁-C₆-烷氧基、卤素、硝基、羧基、C₁-C₆烷氧羰基、用C₁-C₆-酰基、氰基和苯基保护的羟基、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2-乙基己酯和苯乙烯取代基的苯乙烯。

7.权利要求1的聚合方法，其中聚合介质进一步包含溶剂。

8.权利要求1的聚合方法，其中聚合介质进一步包含水，且聚合方法是悬浮聚合方法、乳液聚合方法、细乳液聚合方法或微乳液聚合方法之一。

9.权利要求1的聚合方法，其中过渡金属催化剂络合物包含配体。

10.权利要求9的聚合方法，其中过渡金属催化剂络合物的稳定常数大于10⁸。

11.权利要求10的聚合方法，进一步包括形成具有小于2.0的分子量分布的聚合物。

12.权利要求10的聚合方法，其中过渡金属配体的稳定常数小于10⁸。

13.权利要求12的聚合方法，进一步包括形成具有小于1.5的分子量分布的聚合物。

14.权利要求1的聚合方法，其中将自由基引发剂在聚合过程中一开始、缓慢、相继或连续添加到聚合方法中。

15.权利要求1的聚合方法，其中聚合反应的速率至少部分由自由基引发剂决定。

16.权利要求1的聚合方法，其中过渡金属催化剂络合物的Katrp值高于10^-8。

17.一种聚合方法，包括:

使一种或多种可自由基(共)聚合单体在下列物质存在下聚合:

至少一种过渡金属催化剂络合物；和

ATRP引发剂；和

还原剂；

其中过渡金属催化剂络合物与ATRP引发剂上存在的可自由基转移的原子或基团的摩尔数相比较以少于10^-3摩尔存在。

18.权利要求17的聚合方法，其中还原剂包含能够将过渡金属催化剂还原一个氧化态的化合物。

19.权利要求18的聚合方法，其中聚合方法是悬浮聚合方法、乳液聚合方法、细乳液聚合方法或微乳液聚合方法之一。

20.权利要求18的聚合方法，其中还原剂选自SO₂、亚硫酸盐、亚硫酸氢盐、硫代亚硫酸盐、硫醇、羟胺、胺、肼(N₂H₄)、苯基肼(PhNHNH₂)、腙、氢醌、食品防腐剂、类黄酮、β胡萝卜素、维生素A、α-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、亚硝酸盐、亚硝酸盐、糊精、醛、甘氨酸和过渡金属盐。

21.权利要求17的聚合方法，其中聚合在聚合介质中进行且该反应中过渡金属的浓度低于100ppm。

22.权利要求21的聚合方法，其中该反应中过渡金属的浓度低于50ppm。

23.权利要求21的聚合方法，其中该反应中过渡金属的浓度低于10ppm。

24.权利要求17的聚合方法，其中过渡金属催化剂络合物是(拟)卤素转移剂。

25.权利要求17的聚合方法，其中通过去活化剂状态的过渡金属催化剂络合物被还原剂还原而原位产生活化剂状态的过渡金属催化剂络合物。

26.权利要求17的聚合方法，其中过渡金属催化剂络合物包含过渡金属和配体。

27.权利要求17的聚合方法，其中配体和过渡金属形成过渡金属催化剂络合物，其中较高氧化态是有效的去活化剂。

28.权利要求26的聚合方法，其中过渡金属催化剂络合物的条件稳定常数大于10⁶。

29.权利要求17的聚合方法，其中选择过渡金属络合物上的配体和还原剂以控制所形成的聚合物的PDI。

30.权利要求17的聚合方法，其中还原剂连续或周期性添加到聚合中。

31.权利要求17的聚合方法，其中选择配体以提供在酸存在下的稳定络合物。

32.权利要求17的聚合方法，其中通过还原剂将去活化剂状态的过渡金属催化剂络合物还原成活化剂状态的过渡金属催化剂络合物不会导致酸的形成。

33.权利要求17的聚合方法，其中还原剂和催化剂络合物用于从反应介质或反应环境中去除氧。

34.权利要求33的聚合方法，其中配体存在量为从大于相对于过渡金属的化学计量量至相对于过渡金属的化学计量量的10倍。

35.权利要求33的聚合方法，其中配体存在量为从大于相对于过渡金属的化学计量量至相对于过渡金属的化学计量量的3倍。

36.权利要求17的聚合方法，其中还原剂和催化剂络合物用于从反应介质或反应环境中去除氧。

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