Высокомолекулярные соединения (серия Б), 2019, T. 61, № 2, стр. 99-115

Полимеризация виниловых мономеров в присутствии 4,6-ди-трет-бутил-N-(2,6-диизопропилфенил)-О-иминобензохинона

О. С. Лизякина a, Л. Б. Ваганова a*, М. Г. Чегерев b, А. В. Пискунов b, Д. Ф. Гришин a

a Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, Россия

b Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук
603950 Нижний Новгород, ул. Тропинина, 49, Россия

* E-mail: vaganova_lb@mail.ru

Поступила в редакцию 28.06.2018
После доработки 17.10.2018
Принята к публикации 31.10.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучены особенности радикальной полимеризации ряда виниловых мономеров в присутствии 4,6-ди-трет-бутил-N-(2,6-диизопропилфенил)-о-иминобензохинона. Установлено влияние указанного соединения на кинетические закономерности синтеза полимеров при различных значениях температуры, а также их молекулярно-массовые характеристики. Определены оптимальные условия получения соответствующих полимеров и блок-сополимеров с участием 4,6-ди-трет-бутил-N-(2,6-диизопропилфенил)-о-иминобензохинона в широком диапазоне молекулярных масс и составов.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из актуальных задач химии высокомолекулярных соединений является разработка эффективных методов направленного синтеза полимеров с заданным составом и свойствами в условиях радикального инициирования. Для ее решения в последние годы активно применяют концепцию контролируемой радикальной полимеризации, в том числе методы обратимого ингибирования. В качестве агентов, способных регулировать молекулярно-массовые характеристики полимеров по данному механизму, предложено задействовать ряд органических и металлоорганических соединений [1, 2]. В частности, весьма широкое распространение получили нитроксильные и пространственно-затрудненные углерод-центрированные радикалы как регуляторы молекулярно-массовых характеристик полимеров [3, 4].

Ингибиторы фенольного типа как источники феноксильных радикалов также можно рассматривать в качестве агентов, способных целенаправленно изменять кинетические параметры полимеризации и регулировать молекулярную массу и полидисперсность полимеров [5]. При этом, как правило, здесь имеются в виду бинарные системы на основе хинонов или комплексов металлов с хиноновыми лигандами [6, 7]. Примеров непосредственного использования хинонов и их производных в индивидуальном состоянии для проведения радикальной полимеризации в контролируемом режиме в литературе приведено мало [5].

В работах [8, 9] для целенаправленного изменения молекулярно-массовых характеристик полимеров впервые был апробирован ряд N-(арил)-о-иминохинонов различного строения. Указанные соединения являются структурными аналогами о-хинонов и активно применяются как редокс-активные лиганды в химии координационных соединений [10]. Показано, что N-(2,6-диалкилфенил)-о-иминобензохиноны способны проводить радикальную полимеризацию метилметакрилата в режиме обратимого ингибирования. При этом 4,6-ди-трет-бутил-N-(2,6-диизопропилфенил)-о-иминобензохинон можно назвать наиболее эффективным в плане получения ПММА c заданными молекулярно-массовыми характеристиками [8, 9]:

Цель настоящей работы – изучение и проведение сравнительного анализа процессов радикальной полимеризации виниловых мономеров различного строения с участием 4,6-ди-трет-бутил-N-(2,6-диизопропилфенил)-о-иминобензохинона (imQ), а также выявление факторов, влияющих на его эффективность в качестве регулятора молекулярно-массовых характеристик конкретных полимеров.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объектами исследования в данной работе служили эфиры акриловой и метакриловой кислот, а также стирол, акрилонитрил и N-винилпирролидон. Инициатором выступал ДАК.

Мономеры, инициатор и применяемые растворители очищали общепринятыми способами [1113]. о-Иминохинон получали по методике, описанной в работе [14]. Физико-химические константы всех использованных соединений соответствовали литературным данным.

Образцы для полимеризации готовили следующим образом: раствор мономера с ДАК и imQ в расчетном соотношении помещали в стеклянные ампулы, трижды дегазировали, перемораживая ампулы в жидком азоте. Остаточное давление составляло ~1.3 Па. Ампулу отпаивали и помещали в термостат на строго заданное время.

Контроль кинетики полимеризации осуществляли гравиметрическим методом. Для очистки полимеров от остатков мономера, инициатора и imQ образцы переосаждали из раствора в хлористом метилене (или ДМФА) в соответствующий осадитель, затем сушили в вакууме до постоянной массы.

Образцы полимеров для дальнейшего применения в качестве макроинициатора получали при различном соотношении мономер : ДАК : imQ при температуре 70°С. Навеску дважды переосажденного полимера помещали в ампулу и добавляли необходимое количество свежеперегнанного мономера. Концентрация макроинициатора в смеси составляла 10–20 и 20–25 мас. % для постполимеризации и блок-сополимеризации соответственно. После гомогенизации системы ампулу трижды дегазировали, перемораживая в жидком азоте, после чего отпаивали. Постполимеризацию и блок-сополимеризацию проводили при температуре синтеза макроинициатора.

Молекулярно-массовые характеристики полимеров определяли методом ГПХ [15]. Анализ образцов полиакрилатов, полиметакрилатов, полистирола и продуктов их сополимеризации осуществляли на установке “Knauer” с каскадом линейных колонок 103–105 Å (“Phenomenex”, США). В качестве детектора использовали дифференциальный рефрактометр “RI Detektor K-2301” и УФ-детектор “UV Detektor K-2501”. Элюентом служил ТГФ (25.0 ± 0.1°С). Для калибровки применяли узкодисперсные стандарты ПММА и ПС.

Анализ образцов ПАН, поли-N-винилпирролидона (ПВП) и продуктов сополимеризации ПММА с акрилонитрилом и N-винилпирролидоном проводили на установке “Knauer” с линейной колонкой 105 Å. В качестве детектора использовали дифференциальный рефрактометр “RI Detektor K-2300”. Элюентом служил раствор LiBr 0.01 моль/л в ДМФА (40.0 ± 0.1°С). Для калибровки применяли узкодисперсные стандарты ПММА.

Продукты взаимодействия imQ и инициатора получали таким образом: навески imQ (230 мг, 0.58 ммоля) и ДАК (в мольном соотношении imQ : ДАК = 1.0 : 1.0, 1.0 : 1.5 или 1.0 : 2.0) смешивали в ампуле, добавляли 3 мл растворителя (ацетонитрила, бензола или толуола). Ампулу с раствором трижды дегазировали, отпаивали и помещали в термостат при температуре 90 или 110°С. По истечении заданного времени ампулу вскрывали и удаляли растворитель. Продукты реакции анализировали методом времяпролетной масс-спектрометрии. Регистрацию масс-спектров проводили на приборе “Bruker Microflex LT” с использованием матрично-активированной лазерной десорбцией–ионизацией с матрицей транс-2-[3-(4-трет-бутилфенил)-2-метил-2-пропенил-иден]малонитрил (DCTB) в линейном режиме при положительных значениях потенциала. Исследуемый образец (~1 мг) растворяли в 100 мкл ТГФ. Полученный раствор (~1 мкл) наносили на подложку из нержавеющей стали и сушили на воздухе, после чего регистрировали спектр. Экспериментальные данные обрабатывали с помощью программного обеспечения “Bruker flexControl” и “flexAnalysis”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для оценки влияния imQ на кинетические особенности радикальной полимеризации и молекулярно-массовые характеристики были выбраны полимеры акриловых (метилакрилат, бутилакрилат) и метакриловых (метилметакрилат ММА, н-бутилметакрилат БМА, н-октилметакрилат ОМА) эфиров, а также стирол, акрилонитрил и N-винилпирролидон. Поведение данных мономеров при радикальном инициировании полимеризации существенно отличается [16]. Закономерности полимеризации указанных мономеров в условиях обратимого ингибирования, например с участием нитроксилов, также различные [3]. В частности, ТЕМПО и его аналоги успешно регулируют синтез ПС и неэффективны в синтезе полиметакрилатов. В этой связи, исследование особенностей полимеризации мономеров различного строения в присутствии imQ, который был успешно применен для синтеза ПММА с относительно низкой полидисперсностью, представляет несомненный интерес.

Полимеризация акриловых и метакриловых эфиров

Полимеризация акриловых мономеров, инициируемая ДАК, уже при 50–70°С проходит с очень высокой скоростью (рис. 1а, кривая 1). Получаемые при этом образцы полиакрилатов характеризуются высокими значениями молекулярной массы и полимодальностью кривых ММР (табл. 1).

Рис. 1.

Временные зависимости ln[m0]/[m] мономеров бутилакрилата (а – 1, 3; б – 2, 5) и БМА (а – 2, 4; б – 1, 3, 4). Т = 70 (а) и 90°С (б); инициатор 0.1 мол. % ДАК. Концентрация imQ, мол. %: а – 0 (1, 2) и 0.1 (3, 4); б – 0 (1), 0.1 (2, 3) и 0.2 (4, 5).

Таблица 1.

Влияние imQ на молекулярно-массовые характеристики полиметакрилатов (концентрация ДАК 0.1 мол. %)

Мономер Т, °С Концентрация imQ, мол. % Время, ч Выход полимера, % Мn × 10–3 Đ
Метилакрилат 50 0.1 40 0
70 0.1 8 2 132 22.89
Бутилакрилат 50 0 0.25 25 1900 3.52
0.1 60 2 9.1 2.12
70 0 0.25 61 65.2 51.14
0.1 10 9 34.0 5.92
90 0 0.05 50 47.8 13.89
0.1 1 63 103 3.88
0.2 1 2 4.2 1.61
ММА 50 0 6 88 717 2.75
0.1 60 10 16.0 1.43
70 0 2 94 435 7.57
0.1 10 61 71.4 1.45
0.2 10 24 28.4 1.51
90 0 0.75 95 119 4.99
0.1 1 47 54.1 1.63
0.2 1 34 30.0 1.59
БМА 70 0 3 87 373 3.18
0.1 10 24 75.6 1.40
0.2 10 7 32.5 1.53
90 0 0.67 91 187 2.40
0.1 1 35 117 1.34
0.2 1 28 59.4 1.54
ОМА 70 0 4 94 1089 3.96
0.1 15 67 163 1.63
0.2 15 39 104 1.71

Введение imQ в систему приводит к уменьшению конверсии мономера за заданный промежуток времени. Значения среднечисленных молекулярных масс Мn и коэффициентов полидисперсности Ð полиакрилатов также понижаются (табл. 1).

Рассмотрим подробнее закономерности полимеризации акриловых и метакриловых эфиров с участием imQ при различных значениях температуры. Так, введение imQ при 50°С уже в эквимольном соотношении с инициатором практически полностью ингибирует процесс полимеризации метилакрилата и бутилакрилата (табл. 1). При температуре 70°С использование imQ в равномольном соотношении с инициатором при полимеризации бутилакрилата влечет появление длительного периода индукции, гель-эффект несколько сглаживается (рис. 1а, кривые 1 и 3). В случае синтеза полибутилакрилата при 90°С (соотношение imQ : ДАК = 1 : 1) гель-эффект отсутствует (рис. 1б, кривая 2), конверсия бутилакрилата при этом достигает 90%. Однако при увеличении концентрации imQ появляется период индукции, а предельная степень превращения мономера понижается до ~50%.

При полимеризации метакриловых эфиров в аналогичных условиях скорость процесса также значительно понижается. Выход ПММА при температуре 50°С при эквимольном соотношении imQ : ДАК составляет ~10% за 60 ч (табл. 1). В интервале 70–90°С процессы полимеризации метакриловых эфиров с участием imQ отличаются от синтеза полиакрилатов (рис. 1). Так, imQ уже в эквимольном соотношении с инициатором полностью подавляет гель-эффект при полимеризации ММА [8, 9]. Скорость полимеризации и предельные степени превращения понижаются в соответствии с увеличением концентрации imQ как для ММА, так и для БМА и ОМА. Предельная степень превращения при 70°С БМА составляет ~90%, ОМА ~80% при соотношении imQ : ДАК = = 1 : 1. При температуре 90°С общая скорость полимеризации ММА уменьшается пропорционально росту концентрации imQ.

Влияние imQ на молекулярно-массовые характеристики полиакрилатов и полиметакрилатов различно (табл. 1; рис. 2, 3).

Рис. 2.

Зависимость Mn образцов ПБА от конверсии мономера Р. Т = 70 (1) и 90°С (2, 3); инициатор 0.1 мол. % ДАК. Концентрация imQ 0.1 (1, 2) и 0.2 мол. % (3).

Рис. 3.

Зависимости Mn (1–4) и Ð (1'–4') ПММА (а) и ПОМА (б) от конверсии мономера. Т = 70°С; инициатор ДАК 0.1 (1, 1', 2, 2'), 0.2 (3, 3') и 0.4 мол. % (4, 4'). Концентрация imQ 0.1 (1, 1'), 0.2 (2, 2', 3, 3') и 0.4 мол. % (4, 4').

Зависимость среднечисленной ММ полибутил-акрилата от конверсии мономера в условиях эквимольного соотношения инициатор : добавка при 70°С имеет S-образный вид (рис. 2, кривая 1). При этом кривые ММР полибутилакрилата полимодальны вне зависимости от конверсии мономера, а значения Ð ~ 5–6.

При температуре 90°С характер изменения молекулярно-массовых характеристик полибутил-акрилата от конверсии зависит от соотношения imQ : ДАК. Так, при эквимольном количестве добавки и инициатора наблюдается линейный рост ММ полибутилакрилата с увеличением конверсии (рис. 2, кривая 2) в интервале (60–120) × 103. С увеличением концентрации imQ зависимость Мn от конверсии бутилакрилата приобретает S-образный вид (рис. 2, кривая 3), значения ММ составляют от нескольких тысяч на начальных и более 500 тыс. на предельных конверсиях. При этом на начальном этапе Ð образцов полибутилакрилата имеют значения ~1.7 и возрастают до 4–5 к предельным конверсиям.

В отличие от полиакрилатов, кривые ММР образцов полиметакрилатов, получаемых с участием imQ, унимодальны во всем интервале используемых значений температуры, соотношений добавка : инициатор и достигаемых конверсий мономеров.

При полимеризации ММА введение imQ уже в эквимольном соотношении с инициатором позволяет наблюдать пропорциональный рост ММ образцов ПММА с увеличением конверсии (рис. 3а). При повышении концентрации imQ линейный рост Мn сохраняется. Образцы ПММА вплоть до глубоких степеней превращения имеют значения Ð ~ 1.4–1.8 как при 70°С (рис. 3а, кривые 1'–4'), так и при 90°С. Среднечисленная ММ образцов ПБМА и полиоктилметакрилат (ПОМА) (рис. 3б) также пропорционально увеличивается с ростом конверсии мономера вне зависимости от используемой концентрации imQ (рис. 3б, кривые 1–4). Значения Ð для ПБМА составляют ~1.3–1.5, а для ПОМА ~ 1.3–1.8 (рис. 3б, кривые 1'–4').

Следует отметить, что при увеличении количества вводимой добавки с сохранением эквимольного соотношения imQ : инициатор наблюдается понижение темпов нарастания ММ полиметакрилатов (рис. 3, кривые 1, 3 и 4).

Появление периода индукции, а также скачкообразное увеличение Мn и полимодальность образцов при полимеризации акрилатов с участием imQ указывают на его необратимое взаимодействие с инициирующими или олигомерными радикалами. Вероятно, при полимеризации акриловых эфиров imQ проявляет свойства сильного ингибитора. Радикальная полимеризация метакриловых эфиров в аналогичных условиях с участием imQ протекает в режиме обратимого ингибирования.

Полимеризация стирола

Влияние imQ на кинетические закономерности полимеризации стирола и молекулярно-массовые характеристики ПС отличается как от синтеза полиакрилатов, так и полиметакрилатов. В частности, более существенными факторами оказываются температура процесса и концентрация инициатора в системе.

При инициируемой ДАК полимеризации стирола общая скорость процесса при 70°С с введением imQ понижается пропорционально его концентрации (рис. 4); предельная степень превращения стирола при эквимольном количестве imQ и инициатора составляет ~60%. При температуре 90°С наблюдаются аналогичные закономерности. Важно, что при двукратном увеличении концентрации imQ относительно ДАК только при 70°С появляется период индукции (рис. 4, кривая 3). При температуре 110°С imQ понижает скорость полимеризации как с участием ДАК, так и автополимеризации стирола. Предельная степень превращения стирола при этом остается ~80% для инициируемых процессов и уменьшается до ~60% для процессов без инициатора.

Рис. 4.

Зависимость ln[m0]/[m] стирола от времени его полимеризации при 70°С; инициатор 0.1 мол. % ДАК. Концентрация imQ 0 (1), 0.1 (2) и 0.2 мол. % (3).

Молекулярно-массовые характеристики ПС и их изменение по ходу полимеризации также определяются концентрацией imQ и инициатора (рис. 5). Так, при эквимольном соотношении imQ : ДАК во всем исследуемом интервале температуры (70–110°С) значение Мn ПС пропорционально возрастает с увеличением конверсии (кривые 2, 3). Интересно, что при повышении концентрации imQ значения ММ образцов ПС снижаются только при 110°С (кривые 3, 5). В интервале 70–90°С при увеличении количества imQ численные значения ММ образцов ПС оказываются выше, чем для образцов, полученных при их эквимольном соотношении, рост же ММ незначителен (кривые 2, 4), при этом значение Ð не превышает 2.0.

Рис. 5.

Зависимость Mn образцов ПС от конверсии мономера. Т = 110 (1, 3, 5) и 70°С (2, 4). Концентрация ДАК 0 (1) и 0.1 мол. % (2–5), imQ 0.1 (1–3) и 0.2 мол. % (4, 5).

Значения Ð образцов ПС, полученных в условиях инициирования ДАК, при равномольном соотношении imQ : инициатор при 70°С монотонно возрастают в пределах ~1.7–3.0. С повышением концентрации imQ или температуры процесса интервал изменения данных величин составляет ~1.6–2.0.

Молекулярная масса ПС, получаемого в результате автополимеризации стирола при 110°С, практически не зависит от конверсии и составляет порядка (230.0–250.0) × 103. Значения Ð монотонно возрастают в пределах ~1.8–2.9. При проведении полимеризации в присутствии imQ значения Мn ПС оказываются ниже, чем для образцов без его участия. Следует отметить, что до конверсии ~20% наблюдается рост ММ, однако с течением времени синтеза ММ выходит на постоянное значение (рис. 5, кривая 1). Значения же Ð остаются ~1.8–2.0.

Таким образом, в процессе радикальной полимеризации стирола imQ взаимодействует с растущими радикалами, однако в качестве регулятора молекулярно-массовых характеристик ПС он малоэффективен.

Полимеризация акрилонитрила и N-винилпирролидона

Полимеризация акрилонитрила, инициируемая 0.1 мол. % ДАК, в растворе ДМСО при 70°С менее, чем за 3 ч протекает до конверсии ~90% (рис. 6, кривая 1). При введении в систему imQ в эквимольном соотношении с инициатором наблюдается появление периода индукции. При этом предельная конверсия акрилонитрила понижается до ~55% (кривая 4).

Рис. 6.

Зависимость ln[m0]/[m] акрилонитрила от времени его полимеризации при 70°С. Концентрация ДАК 0.1 (1, 2, 4, 5) и 0.2 мол. % (3); imQ 0 (1, 2), 0.1 (4, 5) и 0.2 мол. % (3). Растворители ДМСО (1, 4) и ДМФА (2, 3, 5); соотношение акрилонитрил : растворитель = 1 : 2.

В растворе ДМФА при температуре 70°С и использовании imQ также появляется период индукции, а предельная степень превращения акрилонитрила не превышает ~35% (рис. 6, кривая 5). В случае двукратного увеличения концентрации ДАК и imQ закономерности, связанные с периодом индукции и уменьшением максимального выхода ПАН, сохраняются (кривая 3).

Скорость полимеризации акрилонитрила как с участием imQ, так и без него в ДМСО выше, чем в среде ДМФА (рис. 6, кривые 1, 2 и 4, 5). Как и следовало ожидать, увеличение соотношения растворитель : акрилонитрил приводит к увеличению времени синтеза и уменьшению предельных степеней превращения акрилонитрила.

Полимеризация винилпирролидона в массе при 70°С, инициируемая 0.1 мол. % ДАК, характеризуется высокой скоростью и наличием гель-эффекта (рис. 7, кривая 1). При осуществлении данного процесса в среде ДМФА (соотношение винилпирролидон : ДМФА = 1 : 2) предельная конверсия винилпирролидона понижается до ~80% (кривая 2).

Рис. 7.

Зависимость ln[m0]/[m] винилпирролидона от продолжительности его полимеризации при 70°С. Инициатор 0.1 мол. % ДАК. Концентрация imQ 0 (1, 2), 0.1 (3, 4) и 0.2 мол. % (5, 6). Полимеризация в массе (1, 3, 6) и в ДМФА (2, 4, 5). Объемное соотношение винилпирролидон : ДМФА = 1 : 2.

Использование imQ уже в эквимольном соотношении с инициатором в процессах полимеризации винилпирролидона и в массе, и в ДМФА приводит к возникновению периода индукции (рис. 7, кривые 3 и 4). Полимеризация в массе характеризуется ярко выраженным автоускорением (кривая 3). В случае же растворной полимеризации с участием imQ ярко выраженное автоускорение не наблюдается (кривая 4), при этом предельная степень превращения винилпирролидона не превышает 70%.

Увеличение концентрации imQ влечет понижение максимального выхода ПВП до ~20% вне зависимости от проведения процесса в массе или растворе (рис. 7, кривые 5 и 6).

Молекулярная масса образцов ПАН, полученных в среде ДМСО с использованием 0.1 мол. % ДАК при 70°С, не зависит от конверсии мономера и составляет ~110.0 × 103. При введении imQ в эквимольном соотношении с инициатором значения ММ понижаются до ~70.0 × 103, при этом с ростом конверсии акрилонитрила данные величины также не изменяются. Значения Ð для образцов ПАН, синтезированных как в присутствии одного инициатора, так и с использованием imQ, остаются на уровне ~1.7–1.8.

ПАН, полученный с участием 0.1 мол. % ДАК в среде ДМФА при 70°С, характеризуется незначительным понижением Мn с ростом конверсии мономера (рис. 8, кривая 4). Такое изменение ММ типично для данного полимера, синтезированного в среде ДМФА в условиях радикального инициирования. Вероятно, это обусловлено частичным сшиванием полимера, а также может быть связано с реакцией передачи цепи на растворитель. Молекулярные массы образцов ПАН, синтезированного в присутствии imQ, практически не отличаются от аналогичных величин для полимеров, полученных при участии только одного инициатора (кривые 4 и 5), Ð остаются на уровне 1.6–1.7. Значение Мn полимеров, полученных в условиях кратного увеличения концентрации imQ и ДАК, имеет чуть меньшие показатели, при этом также наблюдается ее незначительное уменьшение в течение синтеза (кривая 6).

Рис. 8.

Зависимость Mn образцов ПВП (1–3) и ПАН (4–6) от конверсии мономеров; Т = 70°С. Концентрация ДАК 0.1 (1–5) и 0.2 мол. % (6), imQ 0 (2, 4), 0.1 (1, 3, 5) и 0.2 мол. % (6). Полимеризация в массе (1) и в ДМФА (2–6). Объемное соотношение мономер : : ДМФА = 1 : 2.

Предельная степень превращения акрилонитрила при радикальной полимеризации в ДМФА с использованием ДАК при температуре 90°С составляет ~40%, а при 110°С ~ 25%. Молекулярная масса образцов ПАН при 90°С незначительно увеличивается в интервале (12.0–15.0) × 103. При температуре 110°С значение Мn образцов ПАН не зависит от конверсии мономера и составляет ~10.0 × 103. Введение imQ в эквимольном соотношении с инициатором при 90–110°С не оказывает существенного влияния ни на общую скорость полимеризации акрилонитрила, ни на степень превращения мономера. Молекулярно-массовые характеристики ПАН при полимеризации с участием imQ также практически не изменяются.

Полученный в массе в присутствии ДАК при 70°С ПВП характеризуется высокими значениями ММ. В случае растворной полимеризации молекулярная масса ПВП остается практически постоянной (рис. 8, кривая 2), при этом наблюдается монотонное увеличение Ð в интервале 2.2–3.0. Образцы ПВП, синтезированного в присутствии imQ в ДМФА, характеризуются меньшими значениями ММ в сравнении с образцами, полученными в массе. При этом молекулярные массы образцов с участием imQ практически не отличаются от аналогичных характеристик полимеров, синтезированных с участием только одного инициатора (кривые 2 и 3). Вне зависимости от способа проведения полимеризации значения Ð образцов ПВП, полученных с участием imQ, остаются в пределах 2.0–2.5.

Таким образом, imQ при полимеризации акрилонитрила и N-винилпирролидона выступает в качестве ингибитора и не оказывает существенного влияния на молекулярно-массовые характеристики ПАН и ПВП. Численные значения ММ полимеров в значительной степени определяются природой используемых растворителей.

Взаимодействие 4,6-ди-трет-бутил-N-(2,6-диизопропилфенил)-о-иминобензохинона с инициирующими радикалами в немономерных средах

Согласно полученным результатам, imQ либо позволяет проводить полимеризацию виниловых мономеров в регулируемом режиме, либо ингибирует процесс. Понижение скорости процессов и в том, и в другом случае указывает на взаимодействие инициирующих или олигомерных радикалов с imQ.

Используемый в работе imQ является структурным аналогом классического ингибитора 3,5-ди-трет-бутил-о-хинона [17]. Общую схему реакции imQ с радикалами можно представить как последовательное акцептирование с образованием эфира соответствующего о-аминофенола (APR2) (схема 1). Наличие о-иминосемихинонов (imSQR) в среде метилметакрилата зафиксировано ранее методом ЭПР [8].

Схема 1.

При полимеризации метакриловых эфиров высокие значения конверсии мономеров, линейный рост ММ макромолекул и относительно низкие Ð свидетельствуют об обратимом взаимодействии производных imQ и растущих радикалов (схема 2).

Схема 2.
Схема 3.
Схема 4.

Известно из работ [14, 18, 19], что при нагревании о-иминохиноны склонны к внутримолекулярной циклизации с образованием феноксазинов (схема 3 ), которые необратимо димеризуются. Данная реакция наиболее вероятна в неполярных средах при высоких значениях температуры. Согласно полученным данным, даже при 90–110°С в ряде случаев ингибирующая способность imQ сохраняется.

Логично предположить, что взаимодействие растущих радикалов возможно и с феноксазиновой формой imQ. В частности, при наличии в системе радикалов возможен отрыв от циклической формы изопропильного заместителя (схема 3).

Феноксазинильный радикал может вступать и в дальнейшие реакции (схема 4).

Способность феноксазинильных радикалов влиять на скорость полимеризации и молекулярно-массовые характеристики ПММА показана в работе [9].

С помощью времяпролетной масс-спектрометрии были охарактеризованы продукты взаимодействия imQ с ДАК в различных средах. Так, после прогревания в толуоле при 90°С в течение 6 ч при эквимольном соотношении imQ : ДАК удалось зафиксировать лишь один продукт с m/z = 380.2. Данный сигнал относится, по-видимому, к 4,6-ди-трет-бутил-N-(2,6-диизопропилфенил)-о-аминофенолу (APH2):

Очевидно, что при использовании в качестве реакционной среды толуола последний выступает в качестве активного передатчика цепи и взаимодействует с imQ с образованием о-аминофенола. Замена растворителя на менее склонный к реакциям отрыва водорода бензол должна способствовать реакции imQ именно c цианизопропильными радикалами.

Действительно, при анализе продуктов реакции в среде бензола при 90°С (соотношение imQ : : ДАК = 1.0 : 1.5) в спектре MALDI-TOF обнаружены четыре основных пика (рис. 9). Первый продукт с m/z = 380.2 является о-аминофенолом APH2. Второй (449.3 m/z), третий (516.3 m/z) и четвертый (583.3 m/z) продукты являются производными imQ, содержащими один, два и три цианизопропильных радикала в своем составе. Аналогичное сочетание пиков от продуктов реакции зафиксировано при взаимодействии imQ с ДАК в среде бензола и при 110°С (мольное соотношение imQ : ДАК = 1 : 2, время синтеза 2 ч).

Рис. 9.

Спектр MALDI-TOF продуктов взаимодействия imQ и ДАК в бензоле. T = 90°C; время реакции 6 ч; эквимольное соотношение imQ : ДАК.

Продукты взаимодействия imQ с ДАК, вероятно, представляют собой производные о-аминофенола вида APRH, APR2 и APR3:

В ацетонитриле в результате реакции imQ с ДАК получен только один продукт с m/z = 449.5, т.е. производное с одним цианизопропильным радикалом (APRH).

Присутствие в качестве продуктов реакции производных аминофенола, содержащих несколько цианизопропильных радикалов, подтверждает их ступенчатое взаимодействие с imQ. Схему образования продукта, содержащего три инициирующих радикала, можно представить как последовательное присоединение их к различным резонансным формам imSQR (схема 5).

Схема 5.

Возможность присоединения алкильных радикалов в положение 5 о-иминохинонового кольца была ранее продемонстрирована в реакциях комплексов непереходных металлов, содержащих восстановленную форму imQ [2023].

Таким образом, состав продуктов взаимодействия imQ и ДАК зависит от реакционной среды. Влияние imQ на кинетические закономерности полимеризации различных виниловых мономеров и молекулярно-массовые характеристики полимеров, скорее всего, также связано как с побочными реакциями самого imQ, так и с различными продуктами взаимодействия imQ и инициатора.

Постполимеризация и блок-сополимеризация

Для подтверждения протекания полимеризации метакриловых мономеров с участием imQ по схеме 2, полученные полимеры были апробированы в роли макроинициаторов в процессах постполимеризации и блок-сополимеризации (табл. 2, 3; рис. 10–12).

Таблица 2.

Постполимеризация метакриловых мономеров (Т = 70°С, время 5 ч)

Мономер Характеристики макроинициатора [Макро-инициатор], мас. % Характеристики продуктов постполимеризации
imQ/ДАК* время, ч Mn × 10–3 Đ конверсия мономера, % Mn × 10–3 Đ
ММА 1 : 1 6 42.8 1.32 20 40 98.8 1.29
12 76.6 1.39 10 10 184 10.79**
20 25 162 6.25**
2 : 2 12 41.7 1.36 10 26 132 1.59
10*** 35 199 1.96
20 30 103 1.41
20*** 40 140 1.56
4 : 4 12 28.7 1.38 10 25 106 1.55
20 35 65.8 1.45
8 : 8 12 16.9 1.50 10 31 84.9 1.47
20 32 53.6 1.37
БМА 1 : 1 12 86.9 1.29 10 5 150 14.0**
2 : 2 12 55.9 1.36 10 16 92.2 2.72**
20 29 106 1.91**
4 : 4 12 32.1 1.46 10 20 72.0 2.54**
20 41 55.3 2.05**
8 : 8 12 22.6 1.48 10 35 64.5 2.06**
20 41 48.1 1.88
ОМА 2 : 2 8 72.7 1.52 20 22 102 5.07**

* Концентрация кратна 0.1 мол. %.

** Две моды.

*** Время синтеза постполимеров 10 ч.

Таблица 3.

Блок-сополимеризация метакриловых мономеров (Т = 70°С, концентрация макроинициаторов 20 мас. %)

Характеристики макроинициатора Характеристики продуктов блок-сополимеризации
мономер 1 imQ/ДАК, мол. %/мол. % время, ч Mn × 10–3 Ð мономер 2 время, ч конверсия мономера 2, % Mn × 10–3 Ð
ММА 0.1 : 0.1 6 42.8 1.32 ЭМА 5 43 99.1 1.66
БМА 5 23 105.0 1.42
ОМА 5 28 124.0 1.55
0.2 : 0.2 12 41.7 1.36 Метилакрилат 15 17 56.6 2.02*
Стирол 15 5 51.8 1.80*
ММА/стирол (аз.)** 15 7 46.7 1.62
БМА 2 14 45.9 1.54
0.4 : 0.4 12 23.8 1.69 Акрилонитрил*** 15 2 24.8 2.07*
Акрилонитрил в ДМФА*** 15 12 23.4 5.73*
Винилпирролидон*** 16 13 50.1 3.85*
0.4 : 0.4 12 28.7 1.38 Метилакрилат 15 12 56.2 5.66*
ЭМА 5 46 72.9 1.69
БМА 5 53 109.0 1.36
ОМА 5 65 73.8 1.69
0.8 : 0.8 12 15.8 1.56 Акрилонитрил*** 15 3 28.3 2.48*
Акрилонитрил в ДМФА*** 15 11 20.5 3.61*
Винилпирролидон*** 16 22 30.7 3.75*
0.8 : 0.8 12 16.9 1.50 Метилакрилат 15 5 36.0 4.15*
Стирол 15 14 34.7 2.41*
ММА/стирол (аз.)** 15 16 19.6 1.41
ЭМА 5 50 52.6 1.60
БМА 5 39 75.1 1.34
БМА 0.8 : 0.8 12 22.6 1.48 Стирол 5 8 27.6 1.77
ММА 5 31 50.6 1.67
ЭМА 5 58 85.7 2.01*
ОМА 5 30 87.6 1.40
ЦМА 5 47 78.6 1.70
ОМА 0.2 : 0.2 8 72.7 1.52 ММА 5 18 145.0 2.76*
БМА 5 17 113.0 2.60*
0.4 : 0.4 12 60.0 1.51 ММА 5 23 96.4 3.11*
БМА 5 4 82.4 2.98*
ЦМА 5 4 72.4 1.85

* Две моды.

** Концентрация макроинициатора 25 мас. %.

*** ММР образцов ПММА и продуктов его сополимеризации определены в 0.01 моль/л растворе LiBr в ДМФА.

Рис. 10.

Кривые ММР образцов ПММА-инициатора (1) и продуктов его постполимеризации (2–4) при 70°С. ПММА получен в присутствии 0.4 мол. % imQ и 0.4 мол. % ДАК, Mn = 18.8 × 103, Ð = 1.4. Массовое соотношение ПММА : ММА = 0.2; время постполимеризации 1 (2), 2 (3) и 3 ч (4); конверсия ММА 30 (2), 38 (3) и 45 мас. % (4).

Рис. 11.

Кривые ММР образцов ПММА-инициатора (1) и продуктов его сополимеризации с мономером 2 – азеотропом ММА : стирол (2, 4) и стирол (3, 5) при 70°С. ПММА получен в присутствии 0.8 мол. % imQ и 0.8 мол. % ДАК, Mn = 16.9 × 103, Ð = 1.5. Массовое соотношение ПММА : мономер 2 = 0.25 (2, 4) и 0.2 (3, 5). Время синтеза 15 ч; конверсия мономера 2 – 16 (2, 4) и 14 мас. % (3, 5). Детекторы – рефрактометр (13) и УФ (4, 5).

Рис. 12.

Кривые ММР продуктов сополимеризации при 70°С макроинициаторов на основе ПММА (а) с мономерами ЭМА (2), БМА (3), ОМА (4) и ПОМА (б) с мономерами ММА (2), БМА (3), ЦМА (4). Кривые 1: а – ПMМА получен в присутствии 0.1 мол. % ДАК и 0.1 мол. % imQ, Mn = 42.8 × 103, Đ = 1.32; б – ПОМА получен в присутствии 0.4 мол. % ДАК и 0.4 мол. % imQ, Mn = 60 × 103, Đ = 1.51. Количество макроинициатора 20 мас. % от мономера 2; время сополимеризации 2 (а) и 5 ч (б); конверсия мономера 2: а – 43 (2), 23 (3) и 28 мас. % (4); б – 23 (2) и 4 мас. % (3, 4).

Как следует из табл. 2, образцы ПММА и ПБМА, синтезированные с участием imQ, при добавлении новой порции метилметакрилата и бутилметакрилата соответственно способны к реинициированию полимеризации.

Установлено, что за одинаковый промежуток времени конверсия добавленного мономера увеличивается с ростом концентрации макроинициатора и, как правило, снижается ММ продукта постполимеризации. Данный факт указывает на возобновление полимеризации мономера именно за счет используемых образцов ПММА и ПБМА. Отметим, что ММ получаемых продуктов постполимеризации увеличивается вне зависимости от ММ изначального макроинициатора.

В случае бимодальности кривых ММР продуктов постполимеризации мода с меньшей ММ либо точно соответствует ММР макроинициатора, либо незначительно смещена в область больших ММ, мода с большей ММ относится к образующимся постполимерам. Появление высокомолекулярной моды подтверждает линейное удлинение части макромолекул макроинициатора. Увеличение времени синтеза приводит к росту конверсии добавленного мономера и смещению высокомолекулярной моды в область больших ММ (табл. 2). Наличие пика, соответствующего кривой ММР изначального образца макроинициатора, указывает на образование “мертвого” полимера на стадии его получения или при дальнейшей постполимеризации.

Использование в роли макроинициатора образцов полиметакрилатов, синтезированных при кратном увеличении количества ДАК и imQ относительно мономера, позволило получить унимодальные продукты постполимеризации (рис. 10, кривые 2–4). Таким образом, эффективность реинициирования процесса зависит от характеристик используемого полиметакрилатного инициатора, условий его получения и времени синтеза. Путем варьирования ММ макроинициатора и условий синтеза можно добиться унимодальных узкодисперсных постполимеров, что позволяет наращивать ММ в широком диапазоне. Сохранение унимодальности кривых ММР и низких Ð указывает на высокую эффективность эфирных производных imQ, содержащих полиметакрилатный радикал, в роли макроинициатора для постполимеризации.

В случае же ПС-инициаторов продукты постполимеризации бимодальны вне зависимости от ММ используемых в качестве макроинициатора образцов и условий процесса. Получить унимодальные постполимеры не удалось даже при кратном увеличении количества imQ при синтезе макроинициатора. По-видимому, это связано с протеканием ряда побочных реакций при полимеризации стирола с участием imQ.

Интересные закономерности обнаружены при изучении реинициирующей способности образцов полиметакрилатов, синтезированных с использованием imQ, и в процессах блок-сополимеризации (табл. 3). В качестве макроинициатора при этом также апробировались образцы ПММА, ПБМА и ПОМА. Гомополимеризация соответствующих мономеров, согласно полученным результатам, с участием imQ проходит в режиме обратимого ингибирования (см. выше).

Как следует из данных табл. 3, образцы полиметакрилатов способны к реинициированию полимеризации различных мономеров. При концентрациях макроинициатора 5–10 мас. %, аналогично процессам постполимеризации, конверсии добавляемых мономеров невелики. Кривые ММР продуктов блок-сополимеризации бимодальны вне зависимости от природы макроинициатора и добавленного мономера. Мода с меньшей ММ, как правило, соответствует кривой ММР используемого макроинициатора; мода с большей ММ, предположительно, относится к образующимся блок-сополимерам. Увеличение концентрации макроинициатора приводит к увеличению скорости полимеризации и понижению значений ММ образующегося продукта. В дальнейшем будет использована наиболее оптимальная концентрация макроинициатора в мономере 20–25 мас. %.

Возможность реинициирования процесса полимеризации акриловых эфиров рассмотрена на примере метилакрилата (табл. 3). Согласно полученным результатам, конверсия добавляемого мономера невелика, а растворимые продукты сополимеризации характеризуются полимодальностью кривых ММР.

При реинициировании полимеризации акрилонитрила образцами ПММА в массе мономера значения конверсии акрилонитрила также крайне низкие, а кривые ММР продуктов сополимеризации бимодальны. Возможно, это связано с ограниченной растворимостью продукта сополимеризации в акрилонитриле. Проведение процесса в растворе ДМФА позволяет увеличить конверсию акрилонитрила, однако кривые ММР остаются бимодальными. Аналогичные закономерности можно наблюдать и в случае прививки винилпирролидона к ПММА.

Таким образом, получение блок-сополимеров с заданными молекулярно-массовыми характеристиками при прививке к полиметакрилатам метилакрилата, акрилонитрила и винилпирролидона затруднительно. Это связано с тем, что гомополимеризация рассматриваемых мономеров с участием imQ проходит в неконтролируемом режиме.

Несколько другие закономерности обнаруживаются при синтезе сополимеров со стиролом. При реинициировании полимеризации стирола его конверсия невысока, а кривые ММР продукта сополимеризации являются бимодальными вне зависимости от концентрации полиметакрилатного макроинициатора и его характеристик. При увеличении концентрации макроинициатора в мономере до 20–25 мас. % количество заполимеризовавшегося стирола растет, однако кривые ММР остаются бимодальными. Применение УФ-детектора при анализе продуктов сополимеризации полиметакрилатов со стиролом позволяет наблюдать появление полимера, содержащего звенья стирола. Кривая ММР унимодальна и совпадает с высокомолекулярной модой кривой ММР продукта сополимеризации, что однозначно указывает на получение именно блок-сополимеров ПММА–блок–ПС (рис. 11). Бимодальность кривых продуктов сополимеризации в случае прививки стирола к образцам ПММА является следствием того, что для него характерна худшая регулируемость процесса с участием imQ, чем для ММА (см. выше).

Согласно литературным данным [24], сополимеризация азеотропной смеси, один из мономеров которой полимеризуется в контролируемом режиме, подчиняется тем же закономерностям, что и гомополимеризация мономера, способного к регулируемой полимеризации. Использование образцов ПММА, полученных с участием imQ, для инициирования полимеризации азеотропной смеси стирола с метилметакрилатом приводит к синтезу продукта с унимодальными кривыми и относительно узким ММР (табл. 3). Анализ их молекулярно-массовых характеристик с использованием УФ-детектора подтвердил появление одной широкой моды, которая соответствует смещенной моде кривой блок-сополимера ПММА–блок–поли(метилметакрилат–со-стирол), зафиксированной RI-детектором (рис. 11, кривые 2 и 5).

Реинициирование полимеризации метакриловых эфиров образцами полиметакрилатов позволяет синтезировать широкий спектр блок-сополимеров. Наряду с уже указанными ММА, БМА и ОМА, получены блок-сополимеры с этилметакрилатом (ЭМА) и цетилметакрилатом (ЦМА) (табл. 3; рис. 12). Конверсии добавляемых метакриловых эфиров выше, чем других мономеров вне зависимости от характеристик макроинициатора.

Сохранение унимодальности ММР и низких значений Đ продукта сополимеризации зависит от сочетания природы мономера макроинициатора и прививаемого метакрилового эфира. Образцы ПММА, полученные при участии imQ, позволяют синтезировать блок-сополимеры с унимодальным ММР и значениями Đ ~ 1.3–1.5 (табл. 3) всех использованных метакриловых эфиров. Образцы же ПОМА дают возможность получить унимодальные продукты сополимеризации только с ЦМА. С увеличением размера спиртового остатка происходит явное понижение эффективности полиметакрилатов, используемых в качестве макроинициатора. Следует отметить, что это связано как с различной регулирующей способностью imQ при гомополимеризации метакриловых эфиров, так и с методикой выделения макроинициатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что характер влияния 4,6-ди-трет-бутил-N-(2,6-диизопропилфенил)-о-иминобензохинона на кинетические закономерности радикальной полимеризации виниловых мономеров и молекулярно-массовые характеристики полимеров существенно зависит от температурных условий протекания процесса, соотношения инициатор : о-иминобензохинон : мономер и природы мономера. В случае эфиров метакриловой кислоты полимеризация проходит в режиме обратимого ингибирования. Благодаря используемому 4,6-ди-трет-бутил-N-(2,6-диизопропилфенил)-о-иминобензохинону удается синтезировать блок-сополимеры на основе виниловых мономеров в широком диапазоне молекулярных масс, причем в ряде случаев с относительно невысокими коэффициентами полидисперсности и многообразным составом.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 18-73-10092) и частично (синтез блок-сополимеров) в рамках госзадания Министерства образования и науки (код проекта 4.5706.2017/БЧ).

Авторы выражают признательность И.Д. Гришину за регистрацию и интерпретацию спектров MALDI-TOF, а также обсуждение полученных результатов.

Список литературы

  1. Fukuda T., Goto A. // Polym. Sci., Compr. Ref. 2012. V. 37. № 3. P. 119.

  2. Allan L.E.N., Perry M.R., Shaver M.P. // Prog. Polym. Sci. 2012. V. 37. № 3. P. 127.

  3. Nicolas J., Guillaneuf Y., Lefay C., Bertin D., Gigmes D., Charleux B. // Prog. Polym. Sci. 2013. V. 38. P. 63.

  4. Chernikova E.V., Pokataeva Z.A., Garina E.S., Lachinov M.B., Golubev V.B. // Macromol. Chem. Phys. 2001. V. 202. P. 188.

  5. Kolyakina E.V., Grishin D.F. // Russ. Chem. Rev. 2011. V. 80. № 7. P. 683.

  6. Caille J.R., Debuigne A., Jérôme R. // J. Polym. Sci., Polym. Chem. 2005. V. 43. № 13. P. 2723.

  7. Vaganova L.B., Maleeva A.V., Piskunov A.V., Grishin D.F. // Russ. Chem. Bull., Int. Ed. V. 60. № 8. P. 1620.

  8. Vaganova L.B., Lizyakina O.S., Chegerev M.G., Pisku-nov A.V., Grishin D.F. // Polymer Science B. 2017. V. 59. № 5. P. 506.

  9. Grishin D.F., Vaganova L.B., Lizyakina O.S., Pisku-nov A.V., Chegerev M.G. // Dokl. Chemistry. 2017. V. 475. Part 1. P. 149.

  10. Broere D.L.J., Plessius R., van der Vlugt J.I. // Chem. Soc. Rev. 2015. V. 44. P. 6886.

  11. Энциклопедия полимеров. М.: Советская энциклопедия, 1972. Т. 1.

  12. Синтезы органических препаратов / Под ред. Б.А. Казанского М.: Иностр. лит., 1953.

  13. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. М.: Мир, 1976.

  14. Abakumov G.A., Druzhkov N.O., Kurskii Yu.A., Shavyrin A.S. // Russ. Chem. Bull., Int. Ed. 2003. V. 52. № 3. P. 712.

  15. Беленький Б.Г., Виленчик Л.З. Хроматография полимеров. М.: Химия, 1978.

  16. Moad G., Solomon D.H. The Chemistry of Radical Polymerization. Oxford: Elsevier, 2006.

  17. Grishin D.F., Shchepalov A.A., Cherkasov V.K. // J. Polym. Sci., Polym. Phyz. 2005. V. 47. № 9. P. 928.

  18. Abakumov G.A., Druzhkov N.O., Kurskii Yu.A., Abakumova L.G., Shavyrin A.S., Fukin G.K., Poddelskii A.I., Cherkasov V.K., Okhlopkova L.S. // Russ. Chem. Bull., Int. Ed. 2005. V. 47. № 11. P. 2571.

  19. Mishchenko O.G., Spirina I.V., Maslennikov S.V., Piskunov A.V., Meshcheryakova I.N., Panteleev S.V., Kroik R.V. // Russ. J. Gen. Chem. 2014. V. 84. № 4. P. 642.

  20. Chegerev M.G., Piskunov A.V. // Russ. J. Coord. Chem. 2018. V. 44. № 4. P. 258.

  21. Piskunov A.V., Chegerev M.G., Fukin G.K. // J. Organomet. Chem. 2016. V. 803. № 1. P. 51.

  22. Piskunov A.V., Ershova I.V., Fukin G.K., Shavyrin A.S. // Inorg. Chem. Commun. 2013. V. 38. № 12. P. 127.

  23. Piskunov A.V., Meshcheryakova I.N., Fukin G.K., Shavyrin A.S., Cherkasov V.K., Abakumov G.A. // Dalton Trans. 2013. V. 42. № 29. P. 10533.

  24. Zaremski M.Yu., Plutalova A.V., Lachinov M.B., Golubev V.B. // Macromolecules. 2000. V. 33. P. 4365.

Дополнительные материалы отсутствуют.