Tổng hợp poly(acrylate) hình sao trên cơ sở glycerol bằng phương pháp ATRP

Việc tạo ra những vật liệu mới, đa năng luôn là mục tiêu của các ngành khoa học, đặc biệt là ngành khoa học nghiên cứu về polymer. Trong số những polymer thông dụng thì polymer sao được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Polymer cấu trúc hình sao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo vật liệu tổ hợp chế tạo màng thẩm thấu lọc khí, lọc chất lỏng, chất dẫn thuốc trong y sinh học. Đối với nền công nghiệp sản xuất polymer thì quá trình polymer hóa gốc tự do thông thường là một quá trình thương mại quan trọng để tổng hợp polymer có phân tử lượng cao, điều kiện phản ứng nhẹ nhàng. Tuy nhiên quá trình này có những hạn chế như kiểm soát kém phân tử lượng, độ đa phân tán, cấu trúc,…. Vì vậy nhiều nghiên cứu về quá trình polymer hóa có kiểm soát đã được thực hiện từ cuối thập niên 90 đến nay. Trong số đó phương pháp trùng hợp gốc tự do chuyển nhượng nguyên tử thuận nghịch (Atom Transfer Radical Polymerization - ATRP) là một phương pháp được sử dụng nhiều trong những năm gần đây. Phương pháp ATRP được sử dụng để tổng hợp polyme có cấu trúc xác định, độ đa phân tán thấp, điều khiển được phân tử lượng, điều kiện polymer hóa không quá khó khăn, triển vọng công nghiệp hóa cao so với các phương pháp polymer hóa có kiểm soát khác. Từ những nhận định trên, phản ứng “Tổng hợp poly(acrylate) hình sao trên cơ sở glycerol bằng phương pháp ATRP” được thực hiện trong đề tài này nhằm mục đích khảo sát điều kiện phản ứng, tổng hợp ra polymer có cấu trúc xác định, điều khiển được độ đa phân tán và phân tử lượng như mong muốn.

Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việc tạo ra những vật liệu mới, đa năng luôn là mục tiêu của các ngành khoa học, đặc biệt là ngành khoa học nghiên cứu về polymer. Trong số những polymer thông dụng thì polymer sao được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Polymer cấu trúc hình sao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo vật liệu tổ hợp chế tạo màng thẩm thấu lọc khí, lọc chất lỏng, chất dẫn thuốc trong y sinh học. Đối với nền công nghiệp sản xuất polymer thì quá trình polymer hóa gốc tự do thông thường là một quá trình thương mại quan trọng để tổng hợp polymer có phân tử lượng cao, điều kiện phản ứng nhẹ nhàng. Tuy nhiên quá trình này có những hạn chế như kiểm soát kém phân tử lượng, độ đa phân tán, cấu trúc,…. Vì vậy nhiều nghiên cứu về quá trình polymer hóa có kiểm soát đã được thực hiện từ cuối thập niên 90 đến nay. Trong số đó phương pháp trùng hợp gốc tự do chuyển nhượng nguyên tử thuận nghịch (Atom Transfer Radical Polymerization - ATRP) là một phương pháp được sử dụng nhiều trong những năm gần đây. Phương pháp ATRP được sử dụng để tổng hợp polyme có cấu trúc xác định, độ đa phân tán thấp, điều khiển được phân tử lượng, điều kiện polymer hóa không quá khó khăn, triển vọng công nghiệp hóa cao so với các phương pháp polymer hóa có kiểm soát khác. Từ những nhận định trên, phản ứng “Tổng hợp poly(acrylate) hình sao trên cơ sở glycerol bằng phương pháp ATRP” được thực hiện trong đề tài này nhằm mục đích khảo sát điều kiện phản ứng, tổng hợp ra polymer có cấu trúc xác định, điều khiển được độ đa phân tán và phân tử lượng như mong muốn. 2. Luận điểm mới của đề tài Tổng hợp chất khơi mào từ glycerol và 2-bromopropionic acid với sự hỗ trợ của vi sóng. Nguyễn Ngọc Thể 1 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học 3. Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp poly(acrylate) hình sao từ glycerol nhằm tạo ra vật liệu mới với cấu trúc đa hướng, hy vọng sẽ có những tính chất mới ứng dụng trong cuộc sống. 4. Đối tượng nghiên cứu Polymer có cấu trúc hình sao trên cơ sở poly(acrylate). 5. Nội dung nghiên cứu • Tổng hợp chất khơi mào bằng phản ứng ester hóa glycerol và 2-bromopropionic acid. • Tổng hợp poly(acrylate) hình sao bởi quá trình trùng hợp monomer acrylate với chất khơi mào. • Nhận danh, xác định cấu trúc của chất khơi mào và polymer hình sao. • Khảo sát ứng dụng polymer sao làm chất độn gia cường cho PVC nhằm mục đích tăng tính cơ lý của PVC. 6. Phương pháp nghiên cứu • Tổng hợp chất khơi mào bằng phản ứng ester hóa với sự hỗ trợ của vi sóng. • Tổng hợp poly(acrylate) hình sao bằng phương pháp chuyển nhượng nguyên tử thuận nghịch (ATRP). • Nhận danh, xác định cấu trúc của chất khơi mào và polymer hình sao bằng các phương pháp phân tích hiện đại như IR, NMR, GCMS. • Xác định trọng lượng phân tử bằng GPC. • Khảo sát kích thước hạt nano bằng TEM. 7. Dự kiến kết quả đạt được • Tổng hợp được chất khơi mào và xác định cấu trúc của chất khơi mào. • Tổng hợp poly(acrylate) hình sao, xác định cấu trúc của poly(acrylate) hình sao và một số tính chất đặc trưng của nó. • Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, phức, dung môi đến sự hình thành polymer hình sao. • Lập bảng khảo sát tính gia cường của PVC. Nguyễn Ngọc Thể 2 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học TỔNG QUAN Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1. Aleksandra Malinowska sử dụng chất khơi mào hai chất 1,3-bis{1-methyl-1-[(2,2,2- trichloroetoxy)carbonilamino]ethyl}benzen (BI) để tổng hợp poly(methyl methacrylate) (PMMA) ở 90°C. - Khi không có dung môi, methyl methacrylate (MMA) đạt 80% trong 6 h, độ đa phân tán D=1,41. - Trong toluen, phản ứng xảy ra chậm hơn. - Kết quả động học cho thấy phản ứng được kiểm soát kém khi dùng bipyridine (bpy). - Với hexamethyltriethyltetreamine (HMTETA), hiệu suất thu được cao hơn và D thấp hơn (D~1,18-1,21) và quá trình polymer hóa được điều khiển tốt hơn. 2. Claire Keary, Xi Zhang, Thieo E Hogen-Esch và Jin-ShanWang đã tổng hợp polymer khối polystyrene-poly(methyl methacrylate) (PS-PMMA) trong dung môi butyl acrylate ở 110°C. - Khi độ chuyển hóa của monomer đầu tiên <95% thì lượng PS-Br tiếp tục khơi mào tạo polymer khối mới đáng kể. - Methyl methacrylate được cho vào hệ khi độ chuyển hóa của styrene (St) là 80% thì: + Phân tử lượng trung bình số (Mn) tăng từ 2670 lên 6490, D copolymer =1,49 ([St] o =4,36 M; [BnBr] o =[CuCl] o = [HMTETA] o =0,21 M; [MMA] o =4,68 M). + Mn tăng từ 1730 lên 4430, D copolymer =1,76 ([St] o =4,36 M; [BnBr] o =[CuBr] o =[2Bpy] o /3=0,21 M; [MMA] o =4,68 M). - MMA được cho vào hệ khi độ chuyển hóa của St là 90% thì: + Mn tăng từ 1010 lên 3440, D copolymer =1,80 ([St] o =4,36M,BnBr] o = [CuBr] o =[2Bpy] o /3=0,21 M). 3. László Garamszegi và cộng sự đã tổng hợp PS với chất khơi mào 1-phenylethyl bromua, tỷ lệ các chất [CKM]:[CuBr]:[PMDETA]:[St]=1:1:3:39 ở 110°C. - Kết quả polymer có D hẹp và tốc độ polymer hóa nhanh, Mn=2200 (D=1,16), 4500 (D=1,17), 17500 (D=1,14). Nguyễn Ngọc Thể 3 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học 4. Vivek và R. Dhamodharan tổng hợp PMMA từ chất khơi mào cumyl bromua, CuBr:PMDETA:PhCBr(CH 3 ) 2 :MMA=0,3639:0,3639: 0,0964:39,36, t° phòng. - Phản ứng xảy ra nhanh, trong 1,5 h đã đạt 71,49%, Mn= 8100, D=1,24. 5. Tzong-Liu Wang và cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của chất khơi mào với phản ứng tổng hợp PMMA ở 80°C, trong dung môi acrylonitrile (AN), 20 h, xúc tác CuCl/Bpy, nồng độ các chất là [MMA] o =3,0M, [CKM] o =[CuCl] o =[Bpy] o /2=0,03 M. - Khi chất khơi mào là 1-phenilethyl bromua, Mn=6108, D=1,17; H>99%. - Khi khơi mào bằng methyl-2-bromopropionate, Mn=4229, D=1,24; H=41,1%. - Trường hợp không dung môi, chất khơi mào là phenilrthyl bromua ở 40°C, nồng độ các chất là [MMA] o =9,99 M, [CKM] o =[CuCl] o =[Bpy] o /2=0,1 M, sau 1 h Mn=8743, D=1,45; sau 5 h Mn=15321, D=1,36. 6. Một số tài liệu khác: - J. Wootthikanokkhan, M. Peesan, P. Phinyocheep: tổng hợp polyme methyl methacrylate (MMA), ethyl acrylate (EA) và isoprene sử dụng xúc tác CuBr/N,N,N’,N’,N’’-pentamethy diethylenetriamine và chất khơi mào ethyl bromopropionate. - Wenjian Xu, Xiulin Zhu, Zhenping Cheng, Gaojian Chen, Jianmei LuAtom: tổng hợp polymer n-octyl acrylate từ chất khơi mào ethyl-2-bromobutyrate và chất xúc tác CuBr/2,2’-bipyridine (bpy) dưới sự chiếu xạ của vi sóng ở 76,8°C. - Youliang Zhao1, Yongming Chen, Chuanfu Chen, Fu Xi: tổng hợp các poly(tert- butyl acrylate) (PTBA) hình sao với sự khác nhau về số lượng và chiều dài các cánh bằng phương pháp ATRP. Tình hình nghiên cứu trong nước 1. Đỗ Thị Vi Vi tổng hợp PMMA với chất khơi mào methyl 2,3-dibromo-2- methylpropionate, phản ứng được trong môi trường khí nitrogen ở 70°C, CuBr:Cu:PMDETA:CKM:MMA=1,05:1:1,05:1:100. + Sau 5h phản ứng, H=38,6%, Mn=39859, D=5,07, f=0,1. + Sau 6h phản ứng, H=45,7%, Mn=61002, D=4,8, f=0,08. Tổng hợp PS với chất khơi mào BnBr ở t° khác nhau, môi trường khí nitrogen và dung môi toluene. Với tỷ lệ các chất CuBr:Cu:PMDETA:CKM:St:toluene=1:1:2:1:20:40. Nguyễn Ngọc Thể 4 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học + Ở t° phòng sau 24 h, PS thu được có Mn=2394, D=1,17, f=0,453,H=43,9%. + Ở 80°C sau 7 h, PS thu được có Mn=6358, D=1,21, f=0,227, H=63,7%. 2. Phạm Lê Phong, Hoàng Ngọc Cường: thực hiện phản ứng điều chế polyetylen glycol diacrylat và copolyme hóa với metyl metacrylat. - Tổng hợp polyetylen glycol diacrylat (PEGDA) từ PEG400 và acryloyl clorua. Phản ứng giữa PEG400 và lượng thừa acryloyl clorua xúc tác bằng trietylamin tạo thành PEGDA. Điều kiện phản ứng tổng hợp PEGDA đã được tối ưu nhằm sử dụng lượng acryloyl clorua tối thiểu trong thời gian ngắn nhất. Cấu trúc của PEG400 và PEGDA lần đầu tiên được xác định chi tiết bằng phổ MS cho thấy hầu hết các phân tử PEGDA đều có hai nhóm acrylat ở hai đầu mạch. Cấu trúc này còn được xác định bằng phổ NMR, IR. - Phản ứng (co)polyme hóa mạch gốc tự do của PEGDA với MMA được thực hiện không dung môi, do đó độ nhớt của phản ứng cao và độ chuyển hóa không thể đạt được 100%. Các tính chất của sản phẩm như độ tan, độ trương, hầu như khác với những gì dự đoán. Hầu hết các tính chất này do PEG quyết định. Các mắt xích PEG trong PEGDA đóng vai trò như là chất hóa dẻo, tuy nhiên nhờ sự khâu mạng mà giảm đáng kể độ tan trong dung môi. 3. Nguyễn Thị Bích Hạnh thực hiện phản ứng tổng hợp polyacrylate hình sao bằng phương pháp ATRP. - Tổng hợp chất khơi mào triglyceride bằng cách ester hóa glycerol và 2-bromopropionic acid. Phản ứng đạt hiệu suất khá cao trên 90%, sản phẩm tinh khiết. - Tổng hợp thành công PMA từ chất khơi mào trên với khối lượng phân tử khác nhau và độ đa phân tán tương đối cao (1,47-3,99), hiệu suất phản ứng tương đối cao (trên 90%). - Tạo được silica biến tính với ATPES, gắn thành công PMA lên silica biến tính. - Khảo sát tính cơ lý của polyester, nhựa acrylic làm răng giả khi trộn với PMA. Nguyễn Ngọc Thể 5 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học NỘI DUNG Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái quát về phương pháp trùng hợp polymer có kiểm soát Sau một thời gian dài gặp khó khăn trong việc điều khiển những phản ứng trùng hợp gốc tự do, vì sự tắt mạch ngẫu nhiên dẫn đến độ đa phân tán cao, phân tử lượng khó kiểm soát, vào năm 1945, Kharash đã nghiên cứu thành công quá trình trùng hợp polymer có kiểm soát đầu tiên. Năm 1959, M. Szwarc đưa ra quá trình trùng hợp anion sống và định nghĩa quá trình polymer hóa có kiểm soát là một quá trính phát triển mạch polymer không có sự chuyền mạch và tắt mạch. Hiện nay, thuật ngữ “Trùng hợp gốc tự do có kiểm soát” (CRP) hay “Trùng hợp gốc tự do sống” (LRP) được sử dụng để miêu tả quá trình polymer hóa điều khiển được phân tử lượng và độ đa phân tán, có sự chuyền mạch và tắt mạch không đáng kể. Sơ đồ phản ứng trùng hợp gốc tự do có kiểm soát Nguyễn Ngọc Thể 6 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học Phương pháp trùng hợp polymer có kiểm soát Hiện nay có nhiều phương pháp tổng hợp polymer có kiểm soát như: - Trùng hợp anion sống. - Trùng hợp cation sống. - Trùng hợp gốc tự do sống: + NMP (Nitroxide-Mediated Polymerization). + ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization). + RAFT (Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer). 1.2 Phản ứng trùng hợp polymer theo cơ chế trùng hợp chuyển nhượng nguyên tử thuận nghịch (ATRP) ATRP được Krzystof Matyjaszewski và cộng sự nghiên cứu thành công vào năm 1995, là quá trình trùng hợp có kiểm soát theo cơ chế gốc tự do, gốc khơi mào sinh ra từ phản ứng thuận nghịch giữa chất khơi mào (CKM) (RX=haloalkan) và phức kim loại chuyển tiếp (KLCT). Thành phần của ATRP ATRP là một tổng thể của: - Monomer chủ yếu là các dẫn xuất của vinyl như (meth)acrylate, (buth)acrylate, styrene,… - Chất khơi mào với một hoặc nhiều halogen có thể chuyển nhượng. - Xúc tác (tổ hợp của một dạng KLCT với một số ligand phù hợp). - Ngoài ra, còn phải quan tâm đến dung môi, chất phụ gia và nhiệt độ phản ứng. 1.2.1 Cơ chế ATRP a. Cơ chế ATRP thông thường Trong đó: M t : Kim loại chuyển tiếp; M: Monomer; Y: Ligand k act : Hằng số cân bằng của quá trình hoạt hóa Nguyễn Ngọc Thể 7 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học k deact : Hằng số cân bằng của quá trình ức chế k p : Hằng số cân bằng của quá trình phát triển mạch k t : Hằng số cân bằng của quá trình tắt mạch Động học của quá trình ATRP Xét hệ khơi mào gồm chất khơi mào RX, monomer M, xúc tác KLCT M t có số oxi hóa n, ligand L: Các quá trình xảy ra : Khơi mào Phát triển mạch Tắt mạch thuận nghịch Gốc tự do hoặc dạng hoạt hóa được sinh ra bởi quá trình oxi hóa thuận nghịch, xúc tác bởi phức KLCT, tạo ra một halogen nguyên tử X, từ dạng không hoạt động R-X. Quá trình này xảy ra với một hằng số cân bằng của quá trình hoạt hóa (k act ) và quá trình ức chế (k deact ). Mạch polymer phát triển khi ta thêm tiếp monomer vào với hằng số cân bằng của quá trình phát triển mạch (k p ). Phản ứng tắt mạch (với hằng số cân bằng k t ) chỉ xuất hiện trong ATRP, chiếm tỷ lệ rất thấp trong phản ứng trùng hợp polymer. b. Cơ chế ATRP ngược Chất khơi mào gốc tự do cổ điển (ví dụ như các peroxide…) được dùng với KLCT ở dạng oxi hóa cao của nó (CuBr 2 ). Chất khơi mào cung cấp gốc tự do để chuyển kim loại chuyển tiếp trở về trạng thái oxy hóa thấp. Nguyễn Ngọc Thể 8 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học Các quá trình xảy ra: Khơi mào: Phát triển mạch: Gần đây ATRP ngược đã thành công khi sử dụng hệ Cu hay Fe đồng pha và không đồng pha trong dung dịch và trong hệ nhũ tương. Các CKM và xúc tác ở đây không nhạy với không khí, vì vậy dễ dàng chọn xúc tác và phù hợp với sản xuất công nghiệp. 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng ATRP - Monomer. - Chất khơi mào. - Xúc tác. - Dung môi. - Nhiệt độ và thời gian phản ứng. 1.2.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp ATRP a. Ưu điểm của phương pháp ATRP - Phản ứng đơn giản. - Sử dụng chất xúc tác là các muối KLCT rẻ (CuBr, CuBr 2 , FeCl 2 , FeCl 3 …), bền. - Thực hiện phản ứng ở nhiệt độ phòng đến khoảng ∼100°C. - Có thể chủ động thực hiện phản ứng trong điều kiện có dung môi hoặc không có dung môi. - Kiểm soát được động học phản ứng và hình thái học phân tử. - Polymer tạo thành có nhóm halogen cuối mạch dễ biến tính thành các nhóm chức mong muốn khác. Nguyễn Ngọc Thể 9 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học b. Nhược điểm của phương pháp ATRP - Chưa tạo được polymer có phân tử lượng lớn. - Chỉ áp dụng được trên các polymer họ vinyl như các dẫn xuất của acrylat, styren… - Khó thực hiện được cho các monomer tạo môi trường acid như acid acylic, acid metacrylic… 1.3 Sản phẩm từ ATRP Mặc dù ATRP được phát minh cách đây không lâu nhưng những loại vật liệu được tổng hợp từ kỹ thuật này rất đa dạng như copolyme khối, copolymer ghép, polymer hình sao, polymer khâu mạch, polymer dạng lưới, nhánh cây… Nguyễn Ngọc Thể 10 [...]... nhiệt độ, phức, dung môi đến sự hình thành polymer hình sao 2.6 Khảo sát tính gia cường của PVC Nguyễn Ngọc Thể 13 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học KẾT LUẬN Trên cơ sở tham khảo một số tài liệu và lập quy trình thực nghiệm như trên, tôi đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp poly(acrylate) hình sao bằng phương pháp chuyển nhượng nguyên tử thuận nghịch (ATRP) với thời gian dự định từ 1/9/2010 đến 1/9/2011... lại bằng nước, HBr 1%, acetone Rút áp suất kém làm khô CuBr 2.3 Tổng hợp chất khơi mào Nguyễn Ngọc Thể 12 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học 2.4 Tổng hợp poly(acrylate) hình sao từ chất khơi mào 7 1 Ống sinh hàn 2 Nhiệt kế 3 Cá từ 4 Bình cầu hai cổ 5 Nồi cách thủy 6 Máy khuấy từ có gia nhiệt 7 Bong bóng Hình hệ thống phản ứng tạo polymer 2.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, phức, dung môi đến sự hình. .. chân không OV-01, lò vi sóng - Cân phân tích điện tử 4 số lẻ: PRECISA XB 220A e.3 - Phổ IR được đo trên máy IR – Vector 22 Brucker (Đức) - Máy Brucker – 500 MHz đo phổ NMR 13C – NMR và 1H – NMR - Máy cô quay Buchi Rotavapor R-200, Heating Bath B-490 (Đức) - Máy Agilent 1100 đo trọng lượng phân tử bằng phương pháp (GPC) - Máy đo phổ khối Agilent 6410 Triple Quad GC/MS, máy đo TGA TA Q500 - Máy đo độ cứng... ATS-SPA MILANO/ITALIA 2.1.3 Hóa chất - Acid sunfuric, glycerol (hóa chất TKTQ) - 2-Bromopropionic acid (Đức), nước cất, khí nitrogen - Methanol, acetone, n-hexan, NaHCO3, CHCl3, HCl, HBr, CuO, Na2SO3, NaCl, NaOH (hóa chất TKTQ), tetraethelen pentamine, silica gel - PVC (hóa chất công nghiệp) Nguyễn Ngọc Thể 11 Đề cương luận văn thạc sĩ hóa học 2.2 Tổng hợp CuBr 36 g HBr 48% Cho từ từ 10 g CuO Khuấy nhẹ . nghiệp hóa cao so với các phương pháp polymer hóa có kiểm soát khác. Từ những nhận định trên, phản ứng Tổng hợp poly(acrylate) hình sao trên cơ sở glycerol bằng phương pháp ATRP được thực hiện. cấu trúc hình sao trên cơ sở poly(acrylate). 5. Nội dung nghiên cứu • Tổng hợp chất khơi mào bằng phản ứng ester hóa glycerol và 2-bromopropionic acid. • Tổng hợp poly(acrylate) hình sao bởi. đích tăng tính cơ lý của PVC. 6. Phương pháp nghiên cứu • Tổng hợp chất khơi mào bằng phản ứng ester hóa với sự hỗ trợ của vi sóng. • Tổng hợp poly(acrylate) hình sao bằng phương pháp chuyển nhượng