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【南京工业大学案例】连续流光诱导可逆加成断裂链转移聚合反应和光介导聚合诱导自组装 2021-09-06

【概述】

微流体技术和光诱导可逆加成断裂链转移聚合(photo-RAFT)及光介导聚合诱导自组装(light-PISA)技术的结合,可以实现传统间歇反应器不具备的独特优势。最近基于微反应器photo-RAFT和light-PISA技术,许多具有精确化学结构的聚合物及具有高阶形貌的先进纳米材料被相继报道。南京工业大学郭凯课题组2020年Chemical Engineering Journal发表Review《Continuous flow photo-RAFT and light-PISA》。


本文主要综述了连续流光诱导聚合、光引发RAFT聚合和光诱导电子/能量转移RAFT聚合反应(PET-RAFT)的研究进展,文中光化学反应有采用荷兰Chemtrix微通道反应器 Labtrix Start进行相关验证实验。此外,先容了微流体中的light-PISA,并指出了目前所面临的挑战。金沙集团娱乐官网在线希翼能在流体化学、聚合物精密合成和纳米科学方面提供有用见解。




【前言】

2020年是聚合物科学100周年的里程碑。Hermann Staudinger于1920年发表的论文über Polymerisation及其后续相关研究成果被认为是“大分子假说”的基础。回顾历史发展,聚合物工业(1870年的胶片,1900年的酚醛树脂)推动了聚合物科学理论的发展,并反过来被这些理论所推动。目前,通过自由基聚合、配位聚合、离子聚合、开环聚合、缩合聚合等方法制备的聚合物已被广泛应用。


当今世界的聚合物材料大多依据自由基聚合(FRP)反应。从化学工程的角度来看,对动量/热量/质量传递及反应过程的深入研究使得自由基聚合成为聚合物工业中最重要的方法。但是高浓度的自由基在使反应速度加快的同时,也会导致其分子量的分散。所以20世纪90年代以来,基于自由基的可逆失活原理,又出现了可控自由基聚合(CRP),也叫可逆失活自由基聚合(RDRP)。它包括原子转移自由基聚合(ATRP)、可逆加成裂解链转移聚合(RAFT)、氮氧化物介导聚合(NMP)等。

图1  三种Photo-RAFT聚合的机理


得益于Rizzardo和Moad等人于1998年开发的高效链转移剂(CTA),RAFT技术可以实现对聚合物化学结构和拓扑结构的有效控制,并且具有“条件温和、单体可选范围广及与其他反应相容性强”的优点。而且基于RAFT的聚合诱导自组装技术(PISA技术)也已经成功用于合成多种常规聚合物及不同形态的高固体浓度新型纳米材料。首先引发剂热激活产生自由基;然后光作为外部刺激,在室温下触发RAFT和PISA反应。


根据机理的不同,photo-RAFT聚合反应可分为三种:(1)光引发-转移-终止聚合(无外源引发剂或催化剂);(2)带有光引发剂的RAFT聚合;(3)光诱导电子/能量转移RAFT聚合(PET-RAFT) (图1)。与热激活方式相比,photo-RAFT和Light-PISA在合成聚合物和纳米材料时具有独特的空间/时间控制优势(尤其是存在高温敏感的官能团时)。但进一步的学术研究和工业应用结果显示,光在反应器中的衰减问题对photo-RAFT和Light-PISA也构成了不小的挑战。


与传统间歇反应器相比,微反应器内部尺寸小(<1000 um),在有机化学和聚合物合成方面具有优势。大的比表面积和连续流动特性可以促进动量/质量/传热传递过程和实现反应过程的高级控制。基于微流体技术的各种聚合反应可以实现更快的聚合速度、更小的分散性和更高的化学选择性。总之,微反应器和Photo-RAFT及Light-PISA的组合为提高光穿透均匀性提供了理想的解决方案。


最近,许多连续流photo-RAFT和Light-PISA的相关研究工作成功制备了多种具有精确微结构的聚合物和具有高阶形貌的先进纳米物。而且可以很容易地实现放大。本文对流体聚合、RAFT和PISA反应进行了综述。重点先容了基于微反应器的光引发-转移-终止聚合、光引发剂的RAFT聚合以及PET-RAFT聚合。然后先容了连续流中出现的Light-PISA反应。提出了该课题未来发展面临的机遇和挑战。金沙集团娱乐官网在线希翼能在流体化学、聚合物精密合成和纳米材料制备等方面提供有用见解。


连续流光引发-转移-终止聚合

表1  连续流Photo-RAFT聚合总结


Photo-RAFT技术已成为聚合物合成的有效合成方法。表1汇总了典型的链转移剂、引发剂、光催化剂,及相关文献报道的单体、反应条件(光源和反应时间)、产物分子量和分散性结果。相关化学结构如图2所示。

图2  单体、CTA、光引发剂和光催化剂的结构


光引发-转移-终止聚合反应的一大特点是:无需外源引发剂和催化剂。通常在紫外线的照射下,CTA发生光裂解,产生碳中心自由基,从而引发单体的聚合(图1)。CTA既作为链转移剂,也作为 链终止剂参与聚合反应。随着反应的发生,CTA逐渐降解,这会导致聚合控制不良,尤其是在高转化率时。最后利用可见光介导聚合反应,有效控制分子量的分散度。Johnson等人以二苄基2,2’-(硫代羰基双(磺酰胺基))双(2-甲基丙酸)为CTA,利用连续流反应器提高了N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、丙烯酸叔丁酯(tBA)、乙二醇甲醚丙烯酸酯(EGMEA)和N, N-二甲基丙烯酰胺 (DMA)之间的UV介导聚合反应的速率(图3A)。他们设计了装置A,将Halar管(内径为0.762 mm)包裹在紫外灯(Amax = 352 nm)上(图3B)。


UV灯的开/关可以控制聚合继续进行和停止(图3D)。与间歇反应相比,连续流聚合速率增加了四倍(转化率74%,240分钟→转化率80%,60分钟)。但辐射时间较长时(>30 min),聚合度(DP = 500)提高,分散度也增加。这是由于UV辐射造成了不可逆的BTMP分解。为此,他们增加了紫外灯到反应器的距离,以降低光的强度。通过装置B(图3C),NIPAM在30分钟内的转化率为50%,得到了分布较窄的PNIPAM (M= 26.9 kg/mol, D=1.10)产物。通过调节辐射时间(即停留时间),分子量线性增大至41.6 kg/mol(图3F),同时分散度低于1.2(图3E)。而且在流动条件下, 400 min可得到2.95 g PDMA (M= 24.9 kg/mol, D=1.11)。这表明:通过延长停留时间可实现过程放大。


图3  (A)以BTMP为CTA,在乙腈(MeCN)中紫外光照射下进行光引发-转移-终止聚合。(B) photo-CRP的连续流动设置A。 (C) photo-CRP的连续流量设置B。(D)流动条件下photo-CRP的“开”/“关”实验。(E) ln([M]0/[M]t)随辐射时间(流动中的停留时间)的变化,其中[M]0和[M]t分别是时间点0和t处单体的浓度。(F) Mn及Mw/Mn与单体转化率之间的关系。基于异戊二烯和苯乙烯的聚合物,如聚(苯乙烯-二戊二烯-b-苯乙烯)(SIS),是一类具有广泛应用的弹性体材料。


工业上,这类聚合物主要通过阴离子聚合或乳液自由基聚合来生产。考虑到其热激活机理,Junkers等人在微反应器中进行了超快高温紫外线介导的异戊二烯和苯乙烯共聚反应(图4)。在120-145 ℃的温度下,通过控制紫外光的照射强度(Amax = 365 nm),调节异戊二烯的传递速率。与相同温度下的常规聚合相比,连续流聚合将反应时间从几天缩短到了几分钟(转化率78%,100分钟,145℃)。当微反应器的停留体积从19.5 μL增加到2 mL时,可以达到每天100 g到100 kg的高产量制备。


另外,该微反应器可以实现异戊二烯和苯乙烯的嵌段共聚,成功制得了二嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚异戊二烯(PS-b-PI, Mn= 17.3 kg/mol, D=1.42)和三嵌段共聚物PS-b-PI-b-PS (Mn = 25.4 kg/mol, D=1.57)。后来,Junkers等人又采用连续流反应器研究了甲基丙烯酸酯的可见光催化聚合反应。制作了一个气密性的全氟烷氧基管状微反应器(ID = 0.75 mm)。以LED蓝光为光源(max = 450 nm),减缓了三硫代碳酸盐(TTC)的分解。停留时间在60 min以内,甲基丙烯酸甲酯实现了完全转化。产物分子量大于10 kg/mol),且相对分散范围较窄(D-1.20-1.30)。作为链延伸和嵌段共聚物合成的关键,端基的保护度也较高。而且该连续流反应可在12 h内收集约25 g的二嵌段共聚物。


图4  异戊二烯和苯乙烯在连续流反应器中的光引发-转移-终止聚合3 连续流光引发RAFT聚合


与光引发-转移-终止聚合相比,RAFT聚合的区别在于起始自由基是光引发剂生成的,而不是来自CTA的降解。I型光引发剂通过单分子裂解反应生成自由基,而II型光引发剂通过与氢供体(胺或硫醇)的双分子反应生成自由基。Gardiner等人以偶氮双(环己烷腈)(Vazo88)、2-苄基-2-(二甲氨基)-1-[4-(4-吗啉基)苯基]-1-丁酮(Irgacure 369)和苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧化膦(Irgacure 819,TPO)为光引发剂,CDPTA为CTA,利用Vapourtec光流反应器(ID = 1.3 mm,停留体积= 10 mL)在紫外线照射下进行(甲基)丙烯酸酯和丙烯酰胺的RAFT聚合。在330 ~ 380 nm(滤光片4)的波长范围内诱导DMA聚合,得到了相应聚合物产物(Mn= 10.0 ~ 17.6 kg/ mol, D=1.14 ~ 1.60)。


随着波长范围的扩大,聚合速率提高,分散度也随之扩大。高负载光引发剂和CTA时([DMA]:[CTA]:[光引发剂]= 100:2:2),30℃下仅需5分钟即可完成聚合,而heat- RAFT工艺需要更多的时间和更高的温度(>100C)。Junkers等人采用另一系列的光引发剂,以2-(十二烷基硫代硫代丙酸)(DOPAT)为CTA,(图5A),利用玻璃芯片微反应器(荷兰Chemtrix,停留体积为19.5 uL)与紫外灯(max =365 nm) (图5B)进行丙烯酸正丁酯(nBA)的RAFT聚合过程。研究发现:最佳反应条件([安息香] : [DoPAT]= 0.25: 1, 60 C, 30 mW/cm2)下,20分钟内的单体转化率可达85%。而且由于光引发剂分解速率的不同,安息香、2,2-二甲氧基-2-苯乙酮(DMPA)、Irgacure 819和2-羟基-4’-(2-羟基乙氧基)-2-甲基丙苯酮(Irgacure 2959)表现出来不同的动力学曲线(图5C)。


图5  (A) 以DoPAT为CTA,在乙酸正丁酯(BuAc)中紫外光照射下用光引发剂进行RAFT聚合合成PnBA。(B) 所用微流反应器(Chemtrix Labtrix Start)示意图。(C) 不同光引发剂对应的nBAPhoto-RAFT聚合动力学一级图。


Cheng等人提出用光引发剂改进连续流RAFT聚合。比如,水溶性的2,2'-偶氮双[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐(AIBI)在可见光(max = 390-630 nm)照射下可同时作为光引发剂和氧清除剂,从而可以省去预脱氧的步骤(图6A)。他们以4-氰-4(乙基硫代硫代硫代)戊酸(CETP)为CTA,对比了聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯(PEGMA)聚合反应在连续流反应器和间歇反应器中的差别。


连续流聚合反应中,分子量随单体转化率线性增加,分散度保持在1.3以下(图6D)。在配有紫色LED灯(Amax=390 nm, 4.92 mW/cm2)(图6B)的石英管微反应器(ID = 2 mm)中,随着流速的增加,聚合速度也加快。与小玻璃瓶中的反应常数(KaPP = 0.63 × 10-3/s)相比,连续流的表观聚合常数提高到1.01×10-3/s(图6C)。此外,反应时间从30 min(间歇反应器)减少到8 min(微反应器)(图6C)。这是由于连续流反应器中光可以均匀而有效的穿透流动相。最终得到了纯度较高的PPEGMA (Mn= 15.1kg/mol, D=1.11),单体转化率约为85.5%。


图6  (A) 以CETP为CTA,AIBI为光引发剂,在水中进行无脱气蓝光辐射RAFT聚合合成PPEGMA。(B) 连续管式反应器中可见光控制RAFT聚合的示意图。(C) PEGMA在管式反应器和间歇反应器中可见光控制RAFT聚合的动力学一级图。(D) 管式反应器和间歇反应器中,PEGMA可见光控制RAFT聚合的数均分子量(Mn)及分散度(Mw/Mn)与转化率的关系


连续流PET-RAFT聚合

PET-RAFT聚合正朝着“制造绿色和精密聚合物”的方向发展。Boyer等人对PET-RAFT聚合的发展做出了开创性的贡献。与传统的光引发-转移-终止聚合和光引发RAFT聚合相比,PET-RAFT聚合只需要低能量的可见光。这样就可以实现更高水平的时空、波长和强度控制。光氧化还原催化剂在可见光照射下进入激发态,然后通过PET过程还原RAFT剂,形成自由基(图1)。基态分子氧(1o)通过三重态-三重态亲和(TTA)转变为单重态(o)的能力导致PET-RAFT聚合具有出色的耐氧性。它简化了聚合过程,为行业的大规模生产降低了成本。铱和钌配合物是最原始的光氧化还原催化剂。后来又有一系列的有机染料,如四苯基卟啉锌(ZnTPP),被用于PET-RAFT聚合。


最近,Boyer等人报道了一种pH响应的有机光催化剂,并将其用于pH和光的双门控聚合反应。丰富的催化剂可选性,超低的催化剂浓度和催化剂可回收性为PET-RAFT聚合带来了显著的绿色和可持续性。此外,PET-RAFT聚合还具有单体可选范围大、分子量小、分散性好、选择性强、端基保持度高、与其他合成条件相容性好等优点。2016年,Boyer等人以ZnTPP为光氧化还原催化剂将二甲基亚砜(DMSO)中耐氧PET-RAFT聚合从间歇反应器首次转移到连续流反应器中(图7)。通过TTA生成单重态氧并与DMSO反应,使聚合过程具有良好的耐氧性。聚四氟乙烯管状反应器(容积为8.7 mL, ID为1.5 mm)上安装了600个低能LED灯(Amax = 560 nm)。


无需预先脱气,停留60 min,实现了92%的单体转化率,得到了聚(N, N-二乙基丙烯酰胺)(PDEAm)(最高为14.2kg/ mol, D<1.12)。接着又在集成微反应器系统中进行嵌段共聚。1h后的第一单体(DEAm)转化率达到88% (Mn=7.4 kg/mol, D=1.06)。再将第二单体溶液(DMA/DMSO)泵入微反应器进行链延伸。最终得到了PDEAm-co-PDMA的产物为嵌段梯度共聚物(M= 22.5 kg/mol, D=1.06)。第一单体的转化率为98%,第二单体的转化率达到75%。

图7  以DoPAT为CTA,ZnTPP为光催化剂,在DMSO中绿光照射下进行不脱气连续流动PET-RAFT聚合合成PDEAm


后来,Boyer等人又在绿光(Amax = 530 nm)之下,以曙红Y (EY)和三乙醇胺(TEtOHA)为催化剂,开发了另一种连续流耐氧水性PET-RAFT聚合工艺。反应器装置由PFA管(ID = 0.75 mm)和PEEK混合器(外径(OD) = 1.59 mm)组成(图8C)。EY和TEtOHA在不脱氧的情况下,可在10分钟内实现95%的DMA转化,分散度为1.3。通过将目标DP从100增加到1000,可获得82.7 kg/mol的PDMA (D=1.81),停留时间为10 min,无抑制期(转化率为83%)。Mn与转化率之间呈线性关系,Mn与Mn,th之间有很好的相关性。


这表明可以良好地控制反应过程。接着换用其他丙烯酸酯和丙烯酰胺,如2-羟乙基丙烯酸酯(HEA)和n-羟乙基丙烯酰胺(HEAA)。以DMA和2-n-(丁基三硫代碳酸酯)丙酸(BTPA)分别为单体和CTA进行链延伸(图8A)。在三个连续反应器(分别为0.5、1和3 mL)中(图8B),将流速调整为0.05、0.1和0.3 mL/min,PDMA100-b-PDMA50-b-PDMA50和PDMA10-b-PDMA10-b-PDMA10通过PET-RAFT水溶液聚合法制备PDMA10(图8D)。理论上,可在24 h内得到300 g三嵌段共聚物。


图8  (A) 以BTPA为CTA,EY/TEtOHA为催化体系,在绿光照射下进行PET-RAFT聚合合成三嵌段共聚物。(B) 三个反应器直接耦合的流动反应器设置。(C) 带有注射泵的反应器1、带有注射泵的反应器2、微混合器三通和背压调节器(40 psi)的光流反应器装置。(D)水性RAFT光聚合合成三嵌段共聚物PDMA-b-PDMA-b-PDMA过程中,均聚物(DP10)和嵌段共聚物(DP20)扩链后的MWD演变。


图9  合成半氟嵌段共聚物的连续流装置


Chen等人报道了半氟化(甲基)丙烯酸酯在微反应器(ID = 0.762 mm)中连续流Photo-RAFT聚合工艺(图9)。以半氟三硫代碳酸酯(TTC-2F)为CTA,10-苯基吩噻嗪衍生物(PTH-2)为催化剂,暴露在白色LED灯(Amax = 400 - 750 nm)下30min之后,实现完全转化,得到了窄分散的聚(丙烯酸六氟丁酯)(PHFBA)(Mn=4.7kg/mol, D = 1.06)。丙烯酸甲酯(MA)在80%的转化率下进行扩链反应得到PHFBA-b-PMA (Mn=10.8 kg/mol, D=1.07)(图9)。还研究了混合对流动反应器中PET-RAFT聚合链延伸的影响(图10A)。


如图10B所示,Y型混合器的混合效率较低,嵌段共聚物扩链后的分散度大致为1.30-1.89。而通过填料塞混合器混合,马上就会形成均匀的混合物(图10C)。对多种CTA和单体而言,填料塞混合器的分散性度均比Y型混合器要低(图10D)。当改变CTA和单体之间的流速比(1:2,1:1,5:1)时,填料塞混合器中的分子量(Mn = 14.6-15.2 kg/mol)和分散度(D-1.20-1.26)几乎不变,而Y型混合器则存在较为明显的偏差(图10E)。而且对每个流量比而言,填料塞混合器的分散度都小于Y型混合器的分散度(图10E)。这主要是得益于填料塞混合器的高混合效率。


图10  (A) 通过Photo-CRP进行链延伸的连续流装置。(B) 使用Y型混合器时的混合行为。(C)使用SiO2填充混合器时的流动混合行为。(D) 用常规混合器或填充塞混合器时的macro-CTA1、macro-CTA2和macro-CTA3嵌段共聚物表征。(E) 不同流量比的扩链实验结果分子量分布(MWD)对高分子材料的性能有显著影响,所以MWD控制引起了越来越多的关注。


Boyer等人报道了一种通过连续流PET-RAFT聚合控制MWD形状的方法。以DMSO中ZnTPP催化的以DoPAT为CTA的DMA聚合反应为目标研究模型。PDMA的分子量可以比较容易地通过调节光强、CTA浓度和低速率来控制。然后收集和混合这些单组分的聚合物,可形成特定的MWD。通过改变停留时间分布、光变化(Amax = 460,530, 630 nm)及流动中的化学物质浓度来调控MWD的形状。

图11  全连续和柱塞流流型及相应产品


管式微反应器中的层流分布(Re<2000)会导致混合效率低下。相比之下,柱塞流过程实现了更强的质量/热量传递,使得聚合物组成更加一致(图11)。Boyer等人在柱塞流体系的基础上,开发了一种改进的方案,用于制备具有可控MWD和组分梯度的共聚物。聚合体系与前文研究相似(图12A)。采用的微反应器(ID=3.18 mm)也设计了更大的容积(52000 μL),以实现更快的流速(433.3 L/min)和更大和合成规模。相对较大的雷诺数(1929.5 vs 1-4.1)可以使流体剖面接近过渡流,从而避免完全连续流动下的分散问题(图12B)。设计的MWD在目标分子量范围(15.0-35.6 kg/mol, 15.0-63.2 kg/mol)内具有相同的响应(图12C)。


更重要的是,通过向第一嵌督鹕臣庞槔止偻谙啐入第二单体溶液,可选择性地延长所得分离聚合物部分的链段,以产生具有组成梯度的嵌段共聚物(图12 d和E)。GPC上定制MWD向单峰峰值的移动证实:具有不同分子量的所有单个组分选择性扩链后获得了相似的分子量(图12F)。而且GPC上单峰峰型转变为扩宽型(图12F)的事实也进一步证明了MWD的可控性。总之成功连续制备了具有可控MWD的聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)-b-聚(N-丙烯酰吗啉)(PDMA-b-PNAM)和聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)-b-聚(丙烯酸苄酯) PDMA-b-PBzA共聚物。

图12  (A) 以BTPA为CTA,ZnTPP为光催化剂,在DMSO中绿光照射下PET-RAFT聚合DMA;(B) PDMA的定制MWD;(C) 由四种不同分子量的聚合物组成的定制MWD 1及由六种不同分子量的聚合物组成的定制MWD 2;(D) 通过PET-RAFT聚合将链延伸至PDMA-b-PDMA;(E) 通过单程流动过程定制产物成分和MWD;(F)最初广泛分布的缩小和最初狭小分布的扩大。聚合过程中会观察到粘度的增长,特别是对于高固相含量的聚合物。


这不仅会造成流动反应器的堵塞,而且会造成较宽的停留时间分布。管中心的层流层分子量低(停留时间短),而反应器壁上的流体分子量高(停留时间长),这导致聚合物分散高。为此,Chen等人将液到鹕臣庞槔止偻谙啐入PFA管状微反应器(ID=1.0 mm),开发了一种滴流式PET-RAFT聚合工艺。在完全连续流动操作(40 L/min)下,随着ZnTPP催化DMA (IDMA]:[CTA]: [ZnTPP1 = 200: 1:01 in DMSO)聚合的固体浓度从18 wt%提高到48 wt%,分散度增加到1.30-1.68(图13A)。


可见,滴流反应器可以在相同的停留时间(25分钟)内实现高固相浓度(48-78 wt%)、相似转化率(>80%)和窄分散(<1.26)的聚合反应。还使用了其他丙烯酸酯和酰基酰胺,如HEAA和2-羧乙基丙烯酸酯(CEA)。在不同浓度(48-78 wt%)和规模(3.4 g/60 min PDMA (Mn=17.5 kg/mol)之间实现了自动切换(Mn = 17.5 kg/mol, ?=1.21)。不同时间的一系列样品对每种浓度表现出完全相同的分子量和分散性(图13D)。利用这种自动滴流系统,可在高浓度固体(高达99%)条件下制备聚合物。



图13  (A) 以4-氰基-4(己基硫氧甲基硫基)戊酸(CHP)为CTA,ZnTPP为光催化剂,在DMSO中绿光照射下PET-RAFT聚合DMA;(B) 聚合的流动反应器装置;(C) 流动反应器装置的光学照片;(D) 不同浓度和规模之间的自动切换。


为了实现大规模且稳定的聚合物生产,Boyer等人研究了流动PET-RAFT聚合,并比较了两种流动模式(全连续流动和柱塞流动)的差异。在四种市售有机染料中,以红色素E (EB)为光催化剂,BTPA为CTA,在不脱气的情况下进行聚合反应(图14A)。反应器的停留体积为28.2 mL,停留时间为4 h(总运行时间为12 h)。当[DMA]:[IDMA]:[BTPA] =199.4:1,50 ppm EB, VDMA/VDMSO=30/70时,这两种流动模式表现出明显的差异。在完全连续流操作下,初期的分子量保持相对恒定。但当收集时间达到570分钟后,分子量急剧增加,分散度也变宽(图14B)。


相比之下,柱塞流操作的产物分子量(Mn= 21.9±0.3 kg/mol)和分散度(D=1.09-1.12)从起始到结束几乎没有变化(图14C)。此外,在相同的停留时间下,柱塞流比完全连续模式(Mn= 19.4 kg/mol, D=1.41 vs Mn= 22.1 kg/mol, B-1.09)获得了更高、更一致的单体转化率(图14D)。这主要得益于段塞流的循环流特性及透光均匀性。而层流则导致了停留时间分布和透光梯度,特别是对于高粘度的反应混合物。考虑到柱塞流的优势,该小组又开发了一种高通量合成具有抗菌性能的共聚物的工艺。在初步的小试研究后探索了构效关系,最后实现了柱塞流PET-RAFT聚合的大规模生产(27.2 g/d)。


图14  (A) 以BTPA为CTA,EB为光催化剂,在二甲基亚砜中进行PET-RAFT聚合,在绿光照射下合成PDMA;(B) 全连续过程中Mn和?随时间的变化以及不同时间采样点处的GPC结果;(C) 柱塞流过程中Mn和?随时间的变化以及不同时间采样点处的GPC结果;(D) 全连续和柱塞流过程的瞬时单体转化率及过程累积MWD的GPC结果。


连续流Light-PISA聚合

两亲性嵌段共聚物在溶液中的自组装可以形成各种纳米材料。传统的选择性溶剂透析方法耗时长(几天),且固体含量低(<5%),限制了纳米物的大规模制备。针对这些问题,聚合诱导自组装(PISA)已成为高效制备不同形貌的高浓度纳米物的替代方案。通常,水溶性前体是通过与亲水性单体聚合来实现链伸长的(对应的聚合物是疏水的),从而原位生成两亲性嵌段共聚物,然后自组装成球形(S)、蠕虫(W)、囊泡(V)等高阶形貌的纳米物。


PISA聚合通常在几分钟到几小时内完成,固体含量也可高达50%。理论上,所有可控聚合都可以应用PISA工艺。其中,RAFT聚合由于单体范围广、条件温和,是目前应用最广泛的PISA方法。最初,大多数案例都是间歇反应器和微反应器中的thermal-RAFT PISA反应。而最近,photo-RAFT和微流体技术被引入开发连续流Light-PISA工艺。



图15  (A) 以mPEG-CDTPA为CTA,在绿光照射下在水中进行光引发聚合合成PDMA-b-PHPMA;(B) 用于合成PEG-B-PHPMA纳米颗粒的能够监测颗粒形态的反应器装置;(C) 以BTPA为CTA,EY/TEtOHA为催化体系,在绿光照射下PET-RAFT聚合一锅法合成PDMA-b-(PDAAM-co-PDMA);(D) 耦合两个反应器的流动反应器装置示意图及PDMA-b-(PDAAM-stat-PDMA)纳米颗粒的TEM照片,该合成以17.5 wt%固体含量延伸PDMAA和DP200、DP400和DP600(BW=分支蠕虫,HBW=高度分支蠕虫,V=囊泡)。


Zetterlund等人2018年开创了连续流Light-PISA技术。以聚乙二醇(PEG)封端的三硫代碳酸酯(mPEG-CDTPA)为CTA,甲基丙烯酸羟丙基酯(HPMA)在蓝光(Amax = 460 nm)下发生水性光引发-转移-终止聚合,形成PEG-b-PHPMA纳米颗粒(图15A)。光强(0.8 mW/cm2和1.6 mW/cm2)、固含量(15-20 wt %)和停留时间(15-90 min)对PISA的影响研究结果表明:强光强可以加快聚合速度;高固含量可以使1mL PFA管式反应器(ID=1 mm)中出现纯囊泡状纳米颗粒。在最佳工艺条件(1.6 mW/cm2, 20 wt%固含量)下,微反应器停留75 min,间歇反应器停留6 h,可获得单体完全转化的PEG-b-PHPMA (Mn=58.0 kg/mol, D=1.62)。


通过增加HPMA的DP,观察到了蠕虫状到囊泡状的形态演变 (50 - 200 nm)。有趣的是,连续流动过程中获得的空心斑片状囊泡(DP = 400),在相同条件额间歇式反应器中无法获得(图15B)。这是由于流动状态下的反应条件更加精确。通过连续流动PET-RAFT PISA合成PDMA-b-(PDAAM-co-PDMA)纳米颗粒时也观察到了这一现象。虽然通过增加流速没有显著的形态变化,但使用微流体技术的一大优势是可以通过简单地增加停留体积来监测形态演变(图15B),并且可以通过延长周期来扩大产量。


后来,他们又通过尝试了更多的方法来扩展了连续流photo-RAFT反应,如PET-RAFT聚合工艺。以曙红Y/三乙基乙醇胺为催化剂,在绿光(max = 530 nm)多级流反应器中,不分离CTA,连续进行DMA的PET-RAFT水溶液聚合及随后的双丙酮丙烯酰胺(DAAM)/DMA的链延伸(图15C和D)。加快了聚合速度,形成了片状囊泡和放大合成,并有效地制备了基于聚丙烯酰胺的纳米颗粒。


他们还将研究范围从水系扩展到了醇系。低极性醇(乙醇/共溶剂)介质中,蓝光(Amax = 460 nm)条件下,通过光致发光技术制备了不同形貌的聚(聚乙二醇)甲基丙烯酸甲酯-b-聚甲基丙烯酸苄酯(PPEGMA-b-PBzMA)纳米粒子。意外的是,加入一系列光引发剂或者增加光强,都未能提高聚合速率。除TPO光引发剂外,只有使用丙烯酸酯基的大分子CTA和丙烯酸酯单体才能实现快速聚合。


PISA技术的难点之一是对氧气的高灵敏性。所用PISA过程通常需要脱气,且在惰性气氛中进行。在这方面,Tan等人开发了一种可以在水和有机介质及广泛的温度范围内进行的耐氧Light-PISA工艺。其原理为双波长光诱导脱氧和I型光引发。以曙红Y和ZnTPP为光氧化还原催化剂,以苯基-2,4,6三甲基苯甲酰膦酸钠(SPTP)和TPO分别为水和醇/水环境中的I型光引发剂。他们设计了管式反应器系统,其中绿色LED灯包裹在两个结晶盘的外层,紫色LED包裹在第二个结晶盘的内层(图16D)。


对以mPEG-CETP为CTA的HPMA水溶液RAFT聚合反应而言,[IHPMA]:[mPEG-CETP]:[Eosin Y]:[AscA]:[SPTP]= 300:1:0.05:1:1/3)时(图16A),单次紫光照射(Amax =405 nm, 1.0 mW/cm2)半小时后单体转化率仅为36% (图16B)。这是由于氧的抑制作用。相反,在绿光照射15分钟后,在紫光照射15分钟内就获得了差不多的单体转化率(图16B)。均相和非均相两阶段半对数图显示,在保持分子量低分散性的情况下,实际分子量与理论分子量一致(图16C)。随着停留时间的增加,分子量随转化率线性增长(图16E),GPC轨迹向更高的分子量移动(图16F)。


结果表明,曙红Y/抗坏血酸(AscA) (Amax = 530 nm)光诱导脱氧是有效的,可使后续与SPTP光引发剂(Amax-405 nm)的RAFT聚合速率加快。这一方法也被证明适用于醇类系统。在两个反应器中,通过调节固含量和PHPMA的DP,观察到了不同的形貌(图16G和H)。而且,在间歇式反应器中很容易形成更高阶的形貌(图16H)。例如,在流动系统中只得到球状,而固体含量为15%、DP为198的釜式反应器可以得到囊泡和蠕虫状。反应器类型对嵌段共聚物的组成没有影响。微反应器内的流体动力学和间歇式反应器内的搅拌区别是造成上述形貌差异的主要原因。




图16  (A) 以mPEG-CETP为CTA,EY/AscA为催化体系,SPTP为I型光引发剂,紫光和蓝光辐射下PET-RAFT聚合合成PEG-b-PHPMA;(B) 通过双/单波长光辐射([HPMA]:[mPEG-CETP]:[Eosin Y]:[AscA]:[SPTP]=300:1:0.05:1:1/3)在连续流反应器中进行的HPMA(15%w/w)水性光PISA的聚合动力学;(C)在连续流反应器中进行的HPMA(15%w/w)的双波长水性光PISA图;(D) 用于双波长Light-PISA的流动反应器的照片和示意图;(E) 水性双波长光PISA中Mn和Mw/Mn随单体转化率的变化;(F) HPMA(15%w)双波长水性光PISA形成的二嵌段共聚物的GPC结果;(G) 连续流反应器中双波长水性光PISA制备的mPEG-PHPMA二嵌段共聚物纳米物体的TEM照片;(H) 间歇反应器中用双波长水性光PISA制备的mPEG-PHPMA二嵌段共聚物纳米物体的TEM照片。


总结和展望

目前连续流Photo-RAFT和Light-PISA技术的相关研究主要集中在将微反应器与光化学组合起来。与间歇反应器相比,连续流反应器中的Photo-RAFT和Light-PISA反应表现出诸多优点,如:更快的表观聚合速率、更容易扩大规模和更多的高阶形貌。在这些成果的鼓舞下,金沙集团娱乐官网在线将在基础研究和工程研究方面付出更多努力,以推动连续流Photo-RAFT和Light-PISA反应的工业化。从化学工程的角度看,流动动力学参数是非常理想的。


在微流动条件下,Photo-RAFT反应的速率系数、扩散限制和链长依赖关系等需要通过实验和模拟共同来研究。流动模式的数学模型是描述聚合和自组装过程的必需环节。在人工智能(AI)的协助下,金沙集团娱乐官网在线希望开发出更好的建模策略。微反应器的放大效应在聚合动力学领域也是一个重要的研究课题。Guo等人发现了一个有趣的现象,即:随着光诱导有机催化ATRP微反应器内径的减小,表观聚合速率先增加后略有下降。这表明:并不是所有的微反应器的特征尺寸越小,性能越好。与完全连续流相比,柱塞流表现出有趣的结果,值得更密切的关注。


为了开发新型功能聚合物和纳米物,更多类型的Photo-RAFT和Light-PISA工艺应该被研究。葡萄糖氧化酶(GOx)或吡喃糖2-氧化酶(P20x)作为光酶催化剂、氟化交替共聚物的光合作用和光控HAT-RAFT被认为是未来微反应器的研究目标。混合单体原料的选择性共聚是制备嵌段和多嵌段共聚物的长期挑战。而通过在连续流中耦合Photo-RAFT、正交聚合和外部刺激,有望实现这一目标。微反应器中的Light-PISA被证明可以获得更均匀的纳米结构和更新颖的形貌。形态的演变对于深入理解PISA及其潜在应用(如药物输送)具有重要意义。流动条件可能有助于捕获其中间形态及其演化情况。金沙集团娱乐官网在线相信连续流Photo-RAFT和Light-PISA领域将出现越来越多有趣的研究发现。


参考文献:[1] Continuous flow photo-RAFT and light-PISA[J]. Chemical Engineering Journal, 2020:127663.


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