原子移動ラジカル重合

原子移動ラジカル重合（ATRP ）は、可逆的不活性化ラジカル重合の一例です。その類似体であるATRA（原子移動ラジカル付加）と同様に、ATRPは遷移金属 触媒で炭素-炭素結合を形成する手段です。この方法による重合は、原子移動ラジカル付加重合（ATRAP ）と呼ばれます。名前が示すように、原子移動ステップは、均一なポリマー鎖の成長を担う反応において重要です。ATRP（または遷移金属媒介リビングラジカル重合）は、1995年に澤本光夫^[1]とKrzysztof MatyjaszewskiおよびJin-Shan Wangによって独立して発見されました。 ^{[2] [3]}

次の図は典型的な ATRP 反応を示しています。

ATRP では通常、遷移金属錯体を触媒として、アルキルハライドを開始剤 (RX) として使用します。さまざまな遷移金属錯体、つまり Cu、Fe、Ru、Ni、および Os が、ATRP の触媒として使用されています。ATRP プロセスでは、休止状態にある種が遷移金属錯体によって活性化され、1 つの電子移動プロセスによってラジカルを生成します。同時に、遷移金属はより高い酸化状態に酸化されます。この可逆的なプロセスにより、ラジカル濃度が非常に低い側に主にシフトする平衡が急速に確立されます。ポリマー鎖の数は、開始剤の数によって決まります。成長中の各鎖は、モノマーとともに増殖してリビング/休止状態にあるポリマー鎖 (RP _n -X) を形成する確率が同じです。その結果、分子量が似ていて分子量分布が狭いポリマーを調製できます。

ATRP反応は、モノマーまたは開始剤に存在するアリル基、アミノ基、エポキシ基、ヒドロキシ基、ビニル基などの多くの官能基を許容するという点で非常に堅牢である。 ^[5] ATRP法は、調製が容易であること、市販の安価な触媒（銅錯体）、ピリジンベースのリガンド、および開始剤（アルキルハロゲン化物）の点でも有利である。^[6]

原子移動ラジカル重合には、モノマー、開始剤、触媒、リガンド、溶媒という 5 つの重要な可変要素があります。次のセクションでは、各要素が重合全体に及ぼす影響について詳しく説明します。

ATRP で一般的に使用されるモノマーは、成長ラジカルを安定化できる置換基を持つ分子です。たとえば、スチレン、(メタ)アクリレート、(メタ)アクリルアミド、アクリロニトリルなどです。^{[7] ATRP は、成長ラジカルの濃度がラジカル停止速度とバランスが取れている場合に、}数平均分子量が高く分散度の低いポリマーをうまく生成します。ただし、成長速度は個々のモノマーごとに異なります。したがって、重合の他のコンポーネント (開始剤、触媒、リガンド、溶媒) を最適化して、休止状態の種の濃度が成長ラジカルの濃度よりも高くなり、反応が遅くなったり停止したりしない程度に低くすることが重要です。^{[8] [9]}

成長するポリマー鎖の数は開始剤によって決まる。低分散性と制御された重合を保証するには、開始速度は伝播速度と同じか、できれば伝播速度よりも速くなければならない^[10]理想的には、すべての鎖が非常に短時間で開始され、同じ速度で伝播する。開始剤は、通常、伝播ラジカルの骨格に似た骨格を持つアルキルハライドが選択される。^[8]アルキル臭化物などのアルキルハライドは、アルキル塩化物よりも反応性が高い。どちらも分子量制御が良好である。^{[8] [9]}開始剤の形状または構造はポリマー構造に影響を与える。たとえば、単一のコアに複数のアルキルハライド基を持つ開始剤は、星のようなポリマー形状をもたらす可能性がある。^[11]さらに、α官能化ATRP開始剤は、さまざまな鎖末端基を持つヘテロテレケリックポリマーを合成するために使用できる^[12]

触媒は、活性種と不活性種の間の平衡定数を決定するため、ATRPの最も重要な要素です。この平衡が重合速度を決定します。平衡定数が小さすぎると重合が阻害されたり遅くなったりする可能性がありますが、平衡定数が大きすぎると鎖長の分布が広くなります。^[9]

金属触媒にはいくつかの要件があります。

1. 1つの電子によって区別される2つのアクセス可能な酸化状態が必要である
2. 金属中心はハロゲンに対して適度な親和性を持つ必要がある
3. 金属の配位圏は、酸化されるとハロゲンを収容できるように拡張可能である必要がある。
4. 遷移金属触媒は、増殖ラジカルとの不可逆的なカップリングや触媒ラジカル終結などの重大な副反応を引き起こさない。

最も研究されている触媒は銅を含む触媒であり、幅広いモノマーの重合に成功し、最も汎用性が高いことが示されています。

ATRP 反応で最も重要な側面の 1 つは、従来の銅ハロゲン化物触媒と組み合わせて触媒複合体を形成するために使用される配位子の選択です。配位子の主な機能は、選択された溶媒に銅ハロゲン化物を可溶化し、銅の酸化還元電位を調整することです。^[13]これにより、ハロゲン交換反応の活性とダイナミクス、および重合中のポリマー鎖のその後の活性化と不活性化が変化し、反応の速度論と重合の制御の程度に大きく影響します。モノマーの活性と触媒の金属の選択に基づいて、異なる配位子を選択する必要があります。銅ハロゲン化物が主に触媒として使用されるため、アミンベースの配位子が最も一般的に選択されます。活性の高い触媒複合体は反応中の不活性化剤の濃度を高めるため、反応中の触媒濃度を低下させる可能性のある方法として、活性の高い配位子が研究されています。ただし、触媒が活性すぎると、制御が失われ、結果として得られるポリマーの多分散性が増加する可能性があります。

トルエン、1,4-ジオキサン、キシレン、アニソール、DMF、DMSO、水、メタノール、アセトニトリル、またはモノマー自体（バルク重合と呼ばれる）が一般的に使用されます。

• 原子移動ラジカル重合における反応

  開始

  ${\displaystyle {\begin{array}{ll}{\color {Blue}{\ce {R}}}{-}{\color {Red}{\ce {X}}}+{\color {Green}{\ce {Cu^{I}}}}{\color {Red}{\ce {X}}}/{\ce {L}}\ {\overset {k_{a,0}}{\underset {k_{d,0}}{\ce {<<=>}}}}\ {\color {Green}{\ce {Cu^{II}}}}{\color {Red}{\ce {X2}}}/{\ce {L}}+{\color {Blue}{\ce {R}}}^{\cdot }&K_{\ce {ATRP,0}}={\frac {k_{a,0}}{k_{d,0}}}\\{\color {Blue}{\ce {R}}}^{\cdot }{\ce {+M->[k_{\ce {add}}]}}{\color {Blue}{\ce {R}}}{\ce {-P1^{.}}}\\2{\color {Blue}{\ce {R}}}^{\cdot }{\ce {->[k_{t,0}]}}{\begin{Bmatrix}{\color {Blue}{\ce {R}}}{-}{\color {Blue}{\ce {R}}}\\{\ce {or}}\\{\color {Blue}{\ce {R}}}^{=}+{\color {Blue}{\ce {R}}}{\ce {H}}\end{Bmatrix}}\end{array}}}$

  準定常状態

  ${\displaystyle {\begin{array}{ll}{\color {Blue}{\ce {R}}}{\ce {-P_{\mathit {n}}}}{-}{\color {Red}{\ce {X}}}+{\color {Green}{\ce {Cu^{I}}}}{\color {Red}{\ce {X}}}/{\ce {L}}\ {\overset {k_{a}}{\underset {k_{d}}{\ce {<<=>}}}}\ {\color {Green}{\ce {Cu^{II}}}}{\color {Red}{\ce {X2}}}/{\ce {L}}+{\color {Blue}{\ce {R}}}{\ce {-P_{\mathit {n}}^{.}}}&{\begin{array}{l}{\ce {ATRP}}\\{\ce {activation/deactivation}}\\{\ce {equilibrium}}\\K_{\ce {ATRP}}={\frac {k_{a}}{k_{d}}}\end{array}}\\\left.{\begin{aligned}{\color {Blue}{\ce {R}}}{\ce {-P_{\mathit {n}}^{.}}}+{\ce {M}}\ &{\ce {->[k_{p}]}}{\color {Blue}{\ce {R}}}{\ce {-P_{{\mathit {n}}+1}^{.}}}\\2{\color {Blue}{\ce {R}}}{\ce {-P_{\mathit {n}}^{.}}}\ &{\ce {->[k_{t}]}}{\begin{Bmatrix}{\color {Blue}{\ce {R}}}{\ce {-P_{\mathit {n}}-P_{\mathit {n}}}}{-}{\color {Blue}{\ce {R}}}\\{\ce {or}}\\{\color {Blue}{\ce {R}}}{\ce {-P_{\mathit {n}}^{=}}}+{\color {Blue}{\ce {R}}}{\ce {-P_{\mathit {n}}-H}}\end{Bmatrix}}\quad \end{aligned}}\right\}&{\begin{array}{l}{\text{Same as conventional}}\\{\text{radical polymerization}}\end{array}}\end{array}}}$

• 他の連鎖切断反応（）も考慮する必要があります。${\displaystyle k_{tx}}$

通常の ATRP におけるラジカル濃度は次の式で計算できます。

${\displaystyle [{\ce {R-P}}_{n}^{\bullet }]=K_{{\ce {ATRP}}}\cdot [{\ce {R-P}}_{n}{\ce {-X}}]\cdot {\frac {{\ce {[Cu^{I}X/L]}}}{{\ce {[Cu^{II}X2/L]}}}}}$

ラジカル濃度を調整するには、K _ATRP値を知ることが重要です。K _ATRP値は、アルキルハライドのホモ開裂エネルギーと、異なる配位子を持つ Cu 触媒の酸化還元電位に依存します。2 つのアルキルハライド (R 1 -X と R 2 -X) と 2 つの配位子 (L 1 と L 2 ) を考えると、^異なるアルキル^ハライドと^配位子の^{組み合わせ}は 4 つあります。K ij _{ATRP は、}^{R i} -X と L ^jのK _ATRP値を指します。これらの 4 つの組み合わせのうち 3 つがわかっている場合、4 つ目の組み合わせは次のように計算できます。

${\displaystyle K_{\mathrm {ATRP} }^{22}={\dfrac {K_{\mathrm {ATRP} }^{12}\times K_{\mathrm {ATRP} }^{21}}{K_{\mathrm {ATRP} }^{11}}}}$

異なるアルキルハライドと異なるCu触媒のK _{ATRP値は文献に}記載されています。^[14]

溶媒はK _ATRP値に大きな影響を与えます。同じアルキルハライドと同じCu触媒の場合、K _{ATRP値は溶媒の極性とともに劇的に増加します。} ^[15]重合は溶媒/モノマー混合物中で行われ、徐々に溶媒/モノマー/ポリマー混合物に変化します。反応媒体を純粋なメチルアクリレートから純粋なジメチルスルホキシドに切り替えると、K _{ATRP値は10000倍も変化する可能性があります。} ^[16]

不活性化速度係数k _d値は、低分散性を得るために十分に大きくなければならない。k _dを直接測定することは不可能ではないが困難である。ほとんどの場合、k _{d は}既知のK _ATRPとk _aから計算できる。^{[14] [17] [18]非常に低い}k _d値を示すCu錯体は、ATRP反応での使用は推奨されない。

${\displaystyle \sum [{\color {Red}{\ce {X}}}]={\ce {Constant}}}$

${\displaystyle \underbrace {{[{\color {Blue}{\ce {R}}}{-}{\color {Red}{\ce {X}}}]_{0}}-{[{\color {Blue}{\ce {R}}}{-}{\color {Red}{\ce {X}}}]}_{t}-{[{\color {Blue}{\ce {R}}}{-}{\ce {P}}_{\mathit {n}}{-}{\color {Red}{\ce {X}}}]}_{t}} _{\begin{matrix}{\text{Loss of chain}}\\{\text{end functionality}}\end{matrix}}=\underbrace {({[{\color {Green}{\ce {Cu^{I}}}}{\color {Red}{\ce {X}}}/{\ce {L}}]}_{t}+2{[{\color {Green}{\ce {Cu^{II}}}}{\color {Red}{\ce {X2}}}/{\ce {L}}]}_{t})-({{[{\color {Green}{\ce {Cu^{I}}}}{\color {Red}{\ce {X}}}/{\ce {L}}]_{0}}+2[{\color {Green}{\ce {Cu^{II}}}}{\color {Red}{\ce {X2}}}/{\ce {L}}]_{0}})} _{{\text{Change in }}{\ce {[Cu^{I}X/L]}}{\text{ and }}{\ce {[Cu^{II}X2/L]}}}+\underbrace {{[{\color {Orange}{\ce {RA}}}{-}{\color {Red}{\ce {X}}}]}_{t}} _{\begin{matrix}{\text{X transfer in}}\\{\text{activator}}\\{\text{regeneration}}\end{matrix}}}$

原子移動ラジカル重合におけるハロゲンの保存

鎖末端官能基の高レベルの保持が通常望まれます。しかし、¹ H NMR および質量分析法に基づく鎖末端官能基の損失の測定では、正確な値を提供することはできません。その結果、ATRP におけるさまざまな鎖切断反応の寄与を特定することは困難です。ATRP における 1 つの単純なルールは、ハロゲン保存の原則です。^[19]ハロゲン保存とは、反応システム内のハロゲンの総量が一定のままでなければならないことを意味します。このルールから、鎖末端官能基の保持レベルは多くの場合正確に決定できます。鎖末端官能基の損失を正確に決定することで、ATRP における鎖切断反応のさらなる調査が可能になりました。^[20]

ATRPは、さまざまな化学官能基を持つ多種多様なモノマーの重合を可能にし、 イオン重合よりもこれらの官能基に対する耐性が高いことが証明されています。低い多分散度（1.05-1.2）を維持しながら、分子量、分子構造、ポリマー組成の制御が向上します。重合後にポリマー鎖の末端に残るハロゲンにより、重合後の鎖末端をさまざまな反応性官能基に簡単に変更することができます。多機能開始剤を使用すると、下腕スターポリマーとテレケリックポリマーの合成が容易になります。外部可視光刺激ATRPは応答速度が速く、官能基耐性に優れています。^[21]

ATRP の最も重大な欠点は、反応に必要な触媒の濃度が高いことです。この触媒は、通常、ハロゲン化銅とアミンベースのリガンドで構成されています。重合後にポリマーから銅を除去する作業は面倒で費用がかかることが多く、商業分野での ATRP の使用が制限されています。^[22]しかし、研究者は現在、触媒濃度の必要性を ppm に制限する方法を開発しています。ATRP は、通常、凍結ポンプ解凍サイクルを必要とする、伝統的に空気に敏感な反応でもあります。しかし、電子移動によって生成される活性剤 (AGET) ATRP などの技術は、空気に敏感ではない潜在的な代替手段を提供します。^[23]最後の欠点は、水性媒体で ATRP を実行するのが難しいことです。

通常の ATRP では、ラジカルの濃度はK _ATRP値、休止状態の種の濃度、[Cu ^I ]/[Cu ^II ] 比によって決まります。原則として、Cu 触媒の総量は重合速度論に影響を与えません。ただし、鎖末端の官能基が失われると、Cu ^{I はゆっくりと、しかし不可逆的に Cu II}に変換されます。したがって、初期の [Cu ^I ]/[I] 比は通常 0.1 ～ 1 です。通常 ppm レベルの非常に低濃度の触媒を使用する場合、CEF の損失を補い、重合を継続するのに十分な量の Cu ^{I を再生するために、活性剤再生プロセスが一般的に必要になります。ICAR ATRP、ARGET ATRP、SARA ATRP、} e ATRP、および光誘起 ATRPなど、いくつかの活性剤再生 ATRP 方法が開発されました。活性剤再生プロセスは鎖末端機能の損失を補うために導入されるため、活性剤再生の累積量は鎖末端機能の損失の総量とほぼ等しくなるはずです。

連続活性剤再生用開始剤 (ICAR) は、従来のラジカル開始剤を使用して活性剤を連続的に再生し、必要な活性剤濃度を数千 ppm から 100 ppm 未満に下げる技術であり、産業上重要な技術となっています。

^{電子移動により再生される活性剤 (ARGET) は、Cu I}の再生に非ラジカル形成還元剤を使用します。優れた還元剤 (ヒドラジン、フェノール、糖、アスコルビン酸など) は、Cu ^IIとのみ反応し、反応混合物中のラジカルや他の試薬とは反応しません。

典型的な SARA ATRP では、補助活性剤と還元剤 (SARA) の両方としてCu ^{0 を使用します。Cu 0 は}アルキルハライドを直接、しかしゆっくりと活性化できます。Cu ^{0 はCu II をCu I}に還元することもできます。両方のプロセスは Cu ^I活性剤の再生に役立ちます。Mg、Zn、Fe などの他のゼロ価金属も、Cu ベースの SARA ATRP に使用されています。

e ATRPでは、活性剤 Cu ^{Iは電気化学プロセスによって再生されます。e} ATRPの開発により、還元プロセスの正確な制御と重合の外部制御が可能になります。e ATRP プロセスでは、酸化還元反応に 2 つの電極が関与します。Cu ^{II種はカソードで Cu I}に還元されます。アノード コンパートメントは通常、ガラス フリットと導電性ゲルによって重合環境から分離されています。または、反応混合物に直接浸漬される犠牲アルミニウム対電極を使用することもできます。

ATRP における遷移金属触媒の直接光還元および/またはアルキルハライドの光補助活性化は、このような手順により、他の添加剤なしで ppm レベルの触媒を使用して ATRP を実行できるため、特に興味深いものです。

逆 ATRP では、触媒はより高い酸化状態で添加されます。鎖は従来のラジカル開始剤 (AIBN など) によって活性化され、遷移金属によって不活性化されます。転移可能なハロゲンの供給源は銅塩であるため、遷移金属と同等の濃度で存在する必要があります。

ラジカル開始剤と活性（酸化状態の低い）触媒の混合物により、標準的な逆ATRPでは不可能なブロック共重合体（ホモポリマーが混入）の生成が可能になります。これは、SR&NI（同時逆開始および通常開始ATRP）と呼ばれます。

電子移動によって生成される活性剤は、低原子価金属の再生剤として、新しい鎖を開始できない還元剤（有機ラジカルの代わりに）を使用します。例としては、金属銅、スズ（II）、アスコルビン酸、またはトリエチルアミンがあります。これにより、遷移金属の濃度を低くすることができ、水性媒体または分散媒体でも可能になる場合があります。

この技術は、固体支持体上の様々な異なる金属/酸化状態を活性剤/不活性剤として使用し、毒性や感受性を低減できる可能性がある。^{[24] [25]}例えば、鉄塩はアルキルハライドを効率的に活性化できるが、はるかに低い濃度（3～5モル％）で存在できる効率的なCu(II)不活性剤が必要である。

最終製品に微量金属触媒が残留するため、バイオメディカルや電子工学の分野でのATRPの応用は限られていました。2014年、クレイグ・ホーカーと同僚は10-フェノチアジンの光酸化還元反応を伴う新しい触媒システムを開発しました。金属を使わないATRPはメタクリレートの制御された重合が可能であることが実証されています。^[26]この技術は後にマティヤシェフスキーらによってアクリロニトリルの重合にまで拡張されました。^[27]

メカノ/ソノATRPは、超音波撹拌などの機械的力を外部刺激として使用し、ATRPにおける活性剤の（再）生成を誘発する。Esser-Kahnらは、チタン酸バリウムの圧電性を利用してCu(II)種を還元するメカノATRPの最初の例を示した。 ^[28] Matyjaszewskiらはその後、ナノメートルサイズおよび/または表面機能化チタン酸バリウムまたは酸化亜鉛粒子を使用することでこの技術を改良し、ppmレベルの銅触媒で優れた重合速度と制御、および時間制御を実現した。^{[29] [30]}圧電粒子に加えて、水と炭酸塩がメカノ/ソノATRPを媒介することが判明した。機械化学的に均質化された水分子はモノマーへのラジカル付加を受け、それが今度はCu(II)種を還元する。 [ ^31]不溶性の炭酸塩の存在下では機械的に不安定なCu(II)-炭酸塩錯体が形成され、溶媒分子であるジメチルスルホキシドが酸化されてCu(I)種と二酸化炭素が生成される。^[32]

^{ファビオ・ディ・レナ[33]}とニコ・ブルンス^{[34]の研究チームによって、}金属酵素が初めてATRP触媒として並行して、また独立して使用されました。この先駆的な研究は、生体触媒による可逆的不活性化ラジカル重合という新興分​​野への道を開いた。^{[35] [36]}

• ポリスチレン
• ポリ（メチルメタクリレート）
• ポリアクリルアミド

• ヘテロポリマー
• ラジカル（化学）
• 可逆的付加−開裂連鎖移動重合
• ニトロキシド媒介ラジカル重合

• ATRPについて - Matyjaszewski Polymer Group