一种制备液体聚合物组合物的方法和该组合物的用途的制作方法

专利名称：一种制备液体聚合物组合物的方法和该组合物的用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制备液体聚合物组合物的方法，其中烯属不饱和单体借助含有可转移原子团的引发剂、含有至少一种过渡金属的一种或多种催化剂在可与金属催化剂形成配位化合物的配位体存在条件下进行聚合。本发明还涉及这些聚合物组合物的用途和一种从该聚合物溶液中分离聚合物的方法。
自由基聚合对于制备大量聚合物如PMMA和聚苯乙烯来说是一种重要的工业方法。这里它的不足之处在于聚合物组成、分子量和分子量分布相对难控制。
对这些问题的一种解决办法是由所谓的ATRP方法(＝原子转移自由基聚合)提供。据推测这是一种不受所述机理任何限制的“活性”自由基聚合。在这种方法中过渡金属化合物与带有可转移原子团的化合物反应。由此可转移的原子团转移到过渡金属化合物上，使得金属被氧化。在此反应中形成自由基并加成到烯属基团上。
然而原子团向过渡金属化合物的转移是可逆的，以便原子团转移回到增长的聚合物链上，从而形成可控的聚合体系。相应地，聚合物组成，分子量和分子量分布也得以控制。
此反应方法述于，例如J-S.Wang等，J.Am.Chem.Soc.，Vol.117，pp5614-5615(1995)和Matyjaszewski，Macromolecules，Vol.28，pp7901-7910(1995)。另外，专利申请WO96/30421，WO97/47661，WO97/18247，WO98/40415和WO99/10387公开了上述ATRP的各种方案。
上述机理并非无可争辩。例如，WO97/47661表示该聚合不是经由自由基机理而是经过插入进行。然而，对于本发明而言此差别并不重要，是由于用于WO97/47661中所述反应方法的化合物也用于ATRP中。
已知ATRP聚合方法的不利之处在于必须将所用过渡金属催化剂从聚合物中分离，因为过渡金属会使聚合物和由这些聚合物制成的模制品褪色。另外，每种情况下根据聚合物的用途，金属会有不好的影响。至今为止是通过加入适合的化合物，如甲醇将聚合物从溶液中沉淀出来，然后由过滤或离心分离从含金属溶液中分离出来。另外，过渡金属可由色谱法分离。然而这些方法很难大规模使用，因为耗时又昂贵。
考虑现有技术，现在本发明的任务是得到一种可行的制备基本不含过渡金属化合物的液体聚合物组合物的方法，其中组合物中所含聚合物应有窄的分子量分布。特别是，在分离过渡金属化合物时可避免使用昂贵的方法如色谱法。
另一任务是提供一种成本合理并可用于工业规模生产的方法。另外，应该能够简单容易地用工业用组分来实施该方法。
这些及其它未明确提及的任务，但是可很容易地由导言所讨论的材料获得或导出，通过一种具有权利要求1的全部特征的制备液体聚合物组合物的方法而得以解决。根据本发明的方法适合的改变方案在引用权利要求1的从属权利要求中要求保护。关于聚合物制备方法，权利要求13提供了一种所述任务的解决方法，而权利要求14保护的是据此方法制备的聚合物溶液的一种优选用途。
通过催化剂的过渡金属在聚合之后被氧化并且催化剂接着过滤分离，其中组合物含有一种介电常数≤4的溶剂，可能能够获得一种不易预见的方式来制备基本不含过渡过金属化合物的液体聚合物组合物的方法，其中烯属不饱和单体在可与金属催化剂形成配位化合物的配位体存在下，借助带有可转移原子团的引发剂和一种或多种含有至少一种过渡金属的催化剂进行聚合。此制备方法可在特别合理的成本基础上进行。
由于许多用于ATRP的组合物是非均相体系，如果组合物有介电常数≤4的溶剂，催化剂可用传统的过滤法分离的事实是特别令人惊奇的。如果这些反应混合物进行过滤，就会发现相当一部分过渡金属催化剂没有保留在过滤器上，是由于催化剂颗粒尺寸太小。从组合物中基本完全分离是不可能的。这里要特别牢记的是所得聚合物增高了组合物粘度，使得不能任意地选择过滤器孔的尺寸大小。
通过本发明的方法同时还实现了大量另外的优点。其中—由此法制备的聚合物组合物中聚合物分布窄。
—根据本发明的方法能够很好地控制组合物中所含聚合物的分子量。
—聚合的实施对于压力、温度和溶剂是相对没有问题的，在一定条件下甚至中温也能实现可接受的结果。
—根据本发明的方法副反应低。
—本发明可以令人满意的成本进行。
—借助本发明的方法可生产预定组成和设定结构的聚合物。
任何可自由基聚合单体都可用作本发明单体。
但是，相应于下式的单体特别适合作为本发明的聚合单体。 其中R1*和R2*独立地选自如下基团氢、卤素、CN、带有1-20个，优选1-6个并特别优选1-4个碳原子的线性或支化烷基，可被1至(2n+1)个卤原子取代，其中n是烷基的碳原子数(如CF3)，有2-10个，优选2-6个并特别优选2-4个碳原子的α，β不饱和线性或支化链烯基或炔基，可被1至(2n-1)个卤原子取代，优选氯，其中n是烷基的碳原子数，如CH2＝CCl-，有3-8个碳原子的环烷基，可被1至(2n-1)个卤原子取代，优选氯，其中n是环烷基的碳原子数；C(＝Y*)R5*、C(＝Y*)NR6*R7*、Y*C(＝Y*)R5*、SOR5*、SO2R5*、OSO2R5*、NR8*SO2R5*、PR5*2、P(＝Y*)R5*2、Y*PR5*2、Y*P(＝Y*)R5*2、NR8*2，可用另外的R8*、芳基或杂环基团季铵化，其中Y*可以是NR8*、S或O，优选0；R5*是1-20个碳原子的烷基、1-20个碳原子的烷硫基、OR15(R15是氢或碱金属)、1-20个碳原子的烷氧基、芳氧基或杂环氧基；R6*和R7*独立地为氢或1-20个碳原子的烷基，或者R6*和R7*共同形成2-7个，优选2-5个碳原子的亚烷基，其中它们形成一个3-8元，优选3-6元环，R8*是氢、1-20个碳原子的线性或支化烷基或芳基；R3*和R4*独立地选自如下基团氢、卤素(优选氟或氯)、1-6个碳原子的烷基和COOR9*，其中R9*是氢、碱金属或1-40个碳原子的烷基，或者R1*和R3*可共同形成式(CH2)n′的基团，它可被1-2n′个卤原子或C1-C4烷基取代，或可以形成式C(＝O)-Y*-C(＝O)的基团，其中n′是2-6，优选3或4，Y*如上定义；其中R1*、R2*、R3*和R4*中的至少2个是氢或卤素。
这些单体中特别是乙烯基卤化物如氯乙烯、氟乙烯、1，1-二氯乙烯和1，1-二氟乙烯；乙烯基酯如乙酸乙烯酯；苯乙烯、侧链上有烷基取代基的取代苯乙烯，如α-甲基苯乙烯和α-乙基苯乙烯，环上有烷基取代基的取代苯乙烯如乙烯基甲苯和对甲基苯乙烯，卤代苯乙烯如一氯代苯乙烯、二氯代苯乙烯、三溴代苯乙烯和四溴代苯乙烯；杂环乙烯基化合物如2-乙烯基吡啶、3-乙烯基吡啶、2-甲基-5-乙烯基吡啶、3-乙基-4-乙烯基吡啶、2，3-二甲基-5-乙烯基吡啶、乙烯基嘧啶、乙烯基哌啶、9-乙烯基咔唑、3-乙烯基咔唑、4-乙烯基咔唑、1-乙烯基咪唑、2-甲基-1-乙烯基咪唑、N-乙烯基吡咯烷酮、2-乙烯基吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷、3-乙烯基吡咯烷、N-乙烯基己内酰胺、N-乙烯基丁内酰胺、乙烯基氧杂环戊烷、乙烯基呋喃、乙烯基噻吩、乙烯基硫杂环戊烷、乙烯基噻唑和氢化乙烯基噻唑，乙烯基噁唑和氢化乙烯基噁唑；乙烯基和异戊二烯基醚；马来酸衍生物如马来酐、甲基马来酐、顺丁烯二酰亚胺、甲基顺丁烯二酰亚胺；二烯如二乙烯基苯；和(甲基)丙烯酸酯类。
优选单体是(甲基)丙烯酸酯类。术语(甲基)丙烯酸酯包括甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯及二者的混合物。这些单体在很大程度上都是已知的。这些特别包括，由饱和醇衍生而来的(甲基)丙烯酸酯，如(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸戊酯、(甲基)丙烯酸己酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸庚酯、(甲基)丙烯酸2-叔丁基庚酯、(甲基)丙烯酸辛酯、(甲基)丙烯酸3-异丙基庚酯、(甲基)丙烯酸壬酯、(甲基)丙烯酸癸酯、(甲基)丙烯酸十一烷酯、(甲基)丙烯酸5-甲基十一烷酯、(甲基)丙烯酸十二烷酯、(甲基)丙烯酸2-甲基十二烷酯、(甲基)丙烯酸十三烷酯、(甲基)丙烯酸5-甲基十三烷酯、(甲基)丙烯酸十五烷酯、(甲基)丙烯酸十六烷酯、(甲基)丙烯酸十四烷酯、(甲基)丙烯酸2-甲基十六烷酯、(甲基)丙烯酸十七烷酯、(甲基)丙烯酸5-异丙基十七烷酯、(甲基)丙烯酸4-特丁基十八烷酯、(甲基)丙烯酸5-乙基十八烷酯、(甲基)丙烯酸3-异丙基十八烷酯、(甲基)丙烯酸十八烷酯、(甲基)丙烯酸十九烷酯、(甲基)丙烯酸二十烷酯、(甲基)丙烯酸十六烷基二十烷酯、(甲基)丙烯酸硬脂酰基二十烷酯、(甲基)丙烯酸二十二烷酯和/或(甲基)丙烯酸二十烷基三十四烷酯；由不饱和醇衍生的(甲基)丙烯酸酯如(甲基)丙烯酸油酯，(甲基)丙烯酸2-丙炔酯，(甲基)丙烯酸烯丙酯、(甲基)丙烯酸乙烯酯等。
(甲基)丙烯酸的酰胺和腈类如N-(3-二甲基氨基丙基)(甲基)丙烯酰胺、N-(二乙基膦酰基)(甲基)丙烯酰胺、1-甲基丙烯酰基氨基-2-甲基-2-丙醇、N-(3-二丁基氨基丙基)(甲基)丙烯酰胺、N-叔丁基-N-(二乙基膦酰基)(甲基)丙烯酰胺、N，N-双(2-二乙基氨基乙基)(甲基)丙烯酰胺、4-甲基丙烯酰胺基-4-甲基-2-戊醇、甲基丙烯酰氨基乙腈、N-(甲氧基甲基)甲基丙烯酰胺、N-(2-羟乙基)(甲基)丙烯烯酰胺、N-(二甲基氨基乙基)(甲基)丙烯酰胺、N-甲基-N-苯基(甲基)丙烯酰胺、N，N-二乙基甲基丙烯酰胺、N-乙酰基(甲基)丙烯酰胺、N-甲基(甲基)丙烯酰胺、N，，N-二甲基(甲基)丙烯酰胺、N-异丙基(甲基)丙烯酰胺；甲基丙烯酸氨基烷基酯如三(2-(甲基)丙烯酰氧基乙基)胺、(甲基)丙烯酸N-甲基甲酰胺基乙酯、(甲基)丙烯酸3-二乙基氨基丙酯、(甲基)丙烯酸4-二丙基氨基丁酯、(甲基)丙烯酸2-脲基乙酯；其他含氮(甲基)丙烯酸酯如N-((甲基)丙烯酰氧基乙基)二异丁基酮亚胺、2-(甲基)丙烯酰氧基乙基甲基氨基氰、(甲基)丙烯酸氰基甲酯；(甲基)丙烯酸芳香酯如(甲基)丙烯酸苄基酯或(甲基)丙烯酸苯酯，其中每种情况的芳残基可未取代或取代达4次；含羰基的(甲基)丙烯酸酯如(甲基)丙烯酸2-羧基乙酯、N-(2-甲基丙烯酰氧基乙基)-2-吡咯烷酮、N-(3-甲基丙烯酰氧基丙基)-2-吡咯烷酮)、(甲基)丙烯酸羧基甲酯、N-甲基丙烯酰基吗啉、(甲基)丙烯酸噁唑烷基乙酯、N-(甲基丙烯酰氧基)甲酰胺、(甲基)丙烯酸丙酮酯、N-甲基丙烯酰基-2-吡咯烷酮；(甲基)丙烯酸环烷酯如(甲基)丙烯酸3-乙烯基环己酯、(甲基)丙烯酸冰片酯、(甲基)丙烯酸羟烷酯如(甲基)丙烯酸3-羟丙酯、(甲基)丙烯酸3，4-二羟丁酯、(甲基)丙烯酸2-羟乙酯、(甲基)丙烯酸2-羟丙酯、二(甲基)丙烯酸二醇酯如甲基丙烯酸1，4-丁二醇酯、醚醇的甲基丙烯酸酯如(甲基)丙烯酸四氢糠基酯、(甲基)丙烯酸乙烯基氧基乙氧基乙酯、(甲基)丙烯酸甲氧基乙氧基乙酯、(甲基)丙烯酸1-丁氧基丙酯、(甲基)丙烯酸1-甲基-(2-乙烯基氧基)乙酯、(甲基)丙烯酸环己氧基甲酯、(甲基)丙烯酸甲氧基甲氧基乙酯、(甲基)丙烯酸苄氧基甲酯、(甲基)丙烯酸糠基酯、(甲基)丙烯酸2-丁氧基乙酯、(甲基)丙烯酸2-乙氧基乙氧基甲酯、(甲基)丙烯酸2-乙氧基乙酯、(甲基)丙烯酸烯丙基氧基甲酯、(甲基)丙烯酸1-乙氧基丁酯、(甲基)丙烯酸甲氧基甲酯、(甲基)丙烯酸1-乙氧基乙酯、(甲基)丙烯酸乙氧基甲酯；卤代醇的甲基丙烯酸酯如(甲基)丙烯酸2、3-二溴丙酯、(甲基)丙烯酸4-溴苯酯、(甲基)丙烯酸1，3-二氯-2-丙酯、(甲基)丙烯酸2-溴乙酯、(甲基)丙烯酸2-碘乙酯、(甲基)丙烯酸氯甲酯；(甲基)丙烯酸环氧烷酯如(甲基)丙烯酸10，11-环氧十一酯、(甲基)丙烯酸2，3-环氧环己酯、(甲基)丙烯酸2，3-环氧丁酯、(甲基)丙烯酸3，4-环氧丁酯、(甲基)丙烯酸缩水甘油脂；含磷、硼和/或硅的甲基丙烯酸酯如(甲基)丙烯酸2-(二丁基膦酰基)乙酯、硼酸2，3-亚丁基(甲基)丙烯酰基乙基酯，(甲基)丙烯酸2-(二甲基磷酸)丙酯、甲基二乙氧基(甲基)丙烯酰基乙氧基硅烷、(甲基)丙烯酸2-(亚乙基亚磷酸)丙酯、(甲基)丙烯酸二甲基膦基甲酯、(甲基)丙烯酸二甲基膦酰基乙酯、二乙基(甲基)丙烯酰基膦酸酯、(甲基)丙烯酸二乙基磷酸乙酯、二丙基(甲基)丙烯酰基磷酸酯；含硫的甲基丙烯酸酯如(甲基)丙烯酸乙基亚硫酰基乙酯、(甲基)丙烯酸4-氰硫基丁酯、(甲基)丙烯酸乙基磺酰基乙酯、(甲基)丙烯酸氰硫基甲酯、(甲基)丙烯酸甲基亚硫酰基甲酯、双((甲基)丙烯酰基氧基乙基)硫醚；三(甲基)丙烯酸酯如三(甲基)丙烯酸三羟甲基丙酯；(甲基)丙烯酸杂环酯如(甲基)丙烯酸2-(1-咪唑基)乙酯、(甲基)丙烯酸2-(4-吗啉基)乙酯和1-(2-甲基丙烯酰氧基乙基)-2-吡咯烷酮。
特别优选的是由1-40个碳原子，优选6-24个碳原子的饱和醇衍生而来的甲基(丙烯酸酯)，其中醇残基可为线性或支化的。
带有长链醇残基的酯化合物通过，例如将(甲基)丙烯酸酯、富马酸酯、马来酸酯和/或相应的酸与长链脂肪醇反应而得到，其中通常得到酯的混合物，例如带有不同的长链醇残基的(甲基)丙烯酸酯。这些脂肪醇特别是Oxo Alcohol7911和Oxo Alcohol7900、OxoAlcohol1100(Monsanto)；Alphanol79(ICI)；Nafol1620、Alfol610和Alfol810(Condea)；Epal610和Epal810(Ethyl公司)；Linevol79、Linevol911和Dobanol25L(Shell AG)；Lial 125(AugustaMainland)；Dehydad和Lorol(Henkel KGaA)和Linopol7-11和Acropol91(Ugine Kuhlmann)。
前述烯属不饱和单体可单独或作为混合物使用。在本发明方法一个优选实施方案中，至少50wt％单体，优选至少60wt％单体，特别优选大于80wt％单体是(甲基)丙烯酸酯，相对于烯属不饱和单体而言。另外，可在聚合过程中改变单体组成以得到限定结构如嵌段共聚物。
另外，优选含有至少60wt％，特别优选大于80wt％的带有至少6个C原子的烷基或杂烷基链的(甲基)丙烯酸酯的单体组合物，相对于烯属不饱和单体总重而言。
除(甲基)丙烯酸酯外，同样有长链醇残基的马来酸酯和富马酸酯也是优选的。
因此，例如，特别优选的单体组合物包括下列烯属不饱和单体a)、60-100wt％，特别是80-100wt％的一种或多种式(I)的(甲基)丙烯酸酯
其中R是氢或甲基，R1代表有6-40个碳原子、优选6-24个碳原子的线性或支化烷基残基，R2和R3独立地代表氢或式COOR’基团，其中R’是氢或有6-40个碳原子的线性或支化烷基残基，b)、0-40wt％，特别是0.5-20wt％的一种或多种式(II)的(甲基)丙烯酸酯 其中R代表氢或甲基，R4代表有1-5个碳原子的线性或支化烷基残基，c)、0-40wt％，特别是0.5-20wt％的一种或多种式(III)的(甲基)丙烯酸酯 其中R代表氢或甲基，R5代表有2-20，特别是2-6个碳原子的已被-OH基团取代的烷基残基，或者是式(IV)的烷氧基化残基 其中R6和R7独立地代表氢或甲基，R8代表氢或有1-40个碳原子的烷基残基，n代表1-60的整数，d)、0-40wt％，特别是0.5-20wt％的一种或多种式(V)的(甲基)丙烯酸酯 其中R代表氢或甲基，X代表氧或式-NH-或-NR10-的氨基，其中R10代表有1-40个碳原子的烷基残基，R9代表有2-20个碳原子，优选2-6个碳原子的已被至少一个-NR11R12基团取代的线性或支化烷基残基，其中R11和R12相互独立地代表氢、有1-20个，优选1-6个碳原子的烷基残基，或者其中R11和R12，与氮原子和任选的另一氮或氧原子一起形成5或6元环，可选择地用C1-C6烷基取代，和e)、0-40wt％，特别是0.5-20wt％的一种或多种共聚单体，其中数值wt％在每种情况下是相对于烯属不饱和单体的总重。
这些单体的例子上面已给出。
共聚单体是可与式I、II、III和/或V的(甲基)丙烯酸酯共聚的烯属不饱和单体。除苯乙烯外，有分散活性的单体也特别优选作为共聚单体，如前述杂环乙烯基化合物。
所述单体借助带有可转移原子团的引发剂进行聚合。通常这些引发剂可用式Y-(X)m描述，Y代表核心分子，其中它可能形成自由基，X代表可转移原子或可转移原子团，m是1-10范围的整数，取决于基团Y的官能度。若m＞1，各种可转移原子团X可具有不同的含义。若引发剂官能度＞2，得到的是星形聚合物。优选的可转移原子或原子团是卤素如Cl、Br和/或I。
如前所述，据推测基团Y形成自由基，用作起始分子，其中这些自由基加成到烯属不饱和单体上。因此基团Y优选有可稳定自由基的取代基。其中取代基特别是-CN、-COR和CO2R，其中每种情况下R是烷基和/或芳族残基，芳族和/或杂芳族基团。
烷基残基是有1-40个C原子的饱和或不饱和、支化或线性烃残基，如甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、2-甲基丁基、戊烯基、环己基、庚基、2-甲基庚烯基、3-甲基庚基、辛基、壬基、3-乙基壬基、癸基、十一烷基、4-丙烯基十一烷基、十二烷基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基、十八烷基、十九烷基、二十烷基、二十六烷基二十烷基、二十二烷基和/或二十烷基三十四烷基。
芳基残基是芳环上有6-14个C原子的环状芳香残基。这些残基可被取代。取代基例如1-6个C原子的线性和支化烷基，如甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、2-甲基丁基或己基；环烷基如环戊基和环己基；芳族基团如苯基或萘基；氨基、醚基、酯基和卤化物。
其中芳族残基例如苯基、二甲苯基、甲苯基、萘基或联苯基。
术语“杂芳基”指杂芳环体系，其中至少一个CH基团被N代替或两个相邻CH基团被S、O或NH代替，如噻吩、呋喃、吡咯、噻唑、噁唑、吡啶、嘧啶和苯并[a]呋喃残基，这些残基同样可有前述取代基。
可用于本发明的引发剂可以是在聚合条件下有可自由基转移的一个或多个原子或原子团的任何化合物。
适合的引发剂包括下式的这些R11R12R13C-XR11C(＝O)-XR11R12R13Si-XR11R12N-XR11N-X2(R11)nP(O)m-X3-n(R11O)nP(O)m-X3-n和(R11)(R12O)P(O)m-X，其中X选自Cl、Br、I、OR10，[其中R10是1-20个C原子的烷基，其中每个氢原子可独立地被卤素代替，优选氯或氟，2-20个C原子的链烯基，优选乙烯基，2-10个C原子的炔基，优选乙炔基，苯基，它可被1-5个卤原子或1-4个C原子的烷基取代，或芳烷基(芳基取代的烷基，其中芳基是苯基或取代苯基，烷基是1-6个C原子的烷基如苯基)]，SR14、SeR14、OC(＝O)R14、OP(＝O)R14、OP(＝O)(OR14)2、OP(＝O)OR14、O-N(R14)2、S-C(＝S)N(R14)2、CN、NC、SCN、CNS、OCN、CNO和N3，其中R14代表芳基或带有1-20个，优选1-10个碳原子的线性或支化烷基，其中两个R14基团存在时可一起形成5、6或7元杂环；R11、R12和R13独立地选自如下基团氢、卤素、带有1-20个，优选1-10个并特别优选1-6个C原子的烷基、3-8个C原子的环烷基、R8*3Si、C(＝Y*)R5*、C(＝Y*)NR6*R7*，其中Y*、R5*、R5*、R7*如上述定义，COCl、OH(优选残基R11、R12和R13之一是OH)、CN、带有2-20个，优选2-6个碳原子的链烯基或炔基，并特别优选烯丙基或乙烯基、环氧烷基、缩水甘油基、2-6个C原子的亚烷基或亚烯基，可被环氧烷基或缩水甘油基、芳基、杂环基、芳烷基、芳烯基(芳基取代的链烯基，其中芳基如上述规定，链烯基是乙烯基，被一个或两个C1-C6烷基和/或卤原子，优选氯，所取代)取代，1-6个C原子的烷基，其中一个或多达全部氢原子，优选1个，被卤素取代(如果一个或多个氢原子被代替，优选氟或氯，而如果一个氢原子被代替，优选氟、氯或溴)、1-6个C原子的烷基，它具有的1-3个取代基(优选1个)选自C1-C4烷氧基、芳基、杂环基、C(＝Y*)R5*(其中R5*如上述定义)、C(＝Y*)NR6*R7*(其中R5*和R7*如上述定义)、环氧烷基和缩水甘油基取代(优选不多于2个的残基R11、R12和R13是氢，特别优选最多一个残基R11、R12和R13是氢)；m是0或1；和m＝0，1或2。
其中特别优选的引发剂是苄基卤化物如对氯甲基苯乙烯、α-二氯二甲苯、α、α-二氯二甲苯、α、α-二溴二甲苯和六(α-溴甲基)苯、苄基氯、苄基溴、1-溴-1-苯基乙烷和1-氯-1-苯基乙烷；α位卤化的羧酸衍生物如2-溴丙酸丙基酯、2-氯丙酸甲酯、2-氯丙酸乙酯、2-溴丙酸甲酯、2-溴异丁酸乙酯；甲苯磺酰卤如对甲苯磺酰氯；烷基卤化物如四氯甲烷、三溴甲烷、1-乙烯基乙基氯、1-乙烯基乙基溴；磷酸酯的卤素衍生物如二甲基五氯化磷。
引发剂一般使用浓度范围是10-4-3mol/l，优选范围10-3-10-1mol/l，特别优选范围5×10-2-5×10-1mol/l，这并不表示任何限制。若单体全部转化，聚合物分子量由引发剂与单体之比得到。优选此比率范围是10-4∶1到0.5∶1，特别优选的范围是1×10-3∶1到5×10-2∶1。
包括至少一种过渡金属的催化剂用于实施聚合。这里可以使用任何可与引发剂或有可转移原子团的聚合物链产生氧化还原循环的过渡金属化合物。在此循环中可转移原子团和催化剂可逆地形成化合物，其中过渡金属氧化态上升或下降。可推测是自由基被释放或被俘获，以使自由基浓度保持很低。但是，通过将过渡金属化合物加成到可转移原子团上能够或便于将烯属不饱和单体插入到Y-X或Y(M)z-X键中，其中Y和X具有上述含义，M表示单体，z代表聚合度。
优选的过渡金属是Cu、Fe、Co、Cr、Ne、Sm、Mn、Mo、Ag、Zn、Pd、Pt、Re、Rh、Ir、In、Yb和/或Ru，以适当的氧化态使用。这些金属可单独使用或混合使用。据推测这些金属催化了聚合的氧化还原循环，例如氧化还原对Cu+/Cu2+或Fe2+/Fe3+是活性的。因此，金属化合物以卤化物如氯化物或溴化物，以烷氧化物、氢氧化物、氧化物、硫酸盐、磷酸盐或六氟磷酸盐或三氟甲烷硫酸盐的形式加到反应混合物中。其中优选的金属化合物Cu2O、CuBr、CuCl、CuI、CuN3、CuSCN、CuCN、CuNO2、CuNO3、CuBF4、Cu(CH3COO)Cu(CF3COO)、FeBr2、RuBr2、CrCl3和NiBr2.
但是，也可用高氧化态的化合物，例如CuO、CuBr2、CuCl2、CuCl3、FeBr3。在这些情况下，反应可借助经典的自由基形成剂如AIBN来引发。由于与经典自由基形成剂产生的自由基反应，所以过渡金属化合物首先被还原。这是可逆的ATRP，如Wang和Matyjaszewski在大分子(Macromolecules)(1995)28卷，PP7572-7573中进行了描述。
聚合反应组合物中存在的活性催化剂的量可在很宽的范围内变化。本发明中聚合反应的进行特别有利地是所用活性过渡金属催化剂的量＞200ppm，基于聚合反应组合物的总重量减去其中可能存在的实际释放出催化剂活性部分的来源部分。例如如果在零氧化态的铜作为催化剂活性部分的来源存在下进行聚合，则在聚合反应期间在聚合反应组合物中以氧化态(I)和(II)，优选氧化态(I)的氧化铜存在的铜的量是很有意义的(有活性)。氧化态(II)的铜的量由于所用测定方法与氧化态(I)的铜一起被平衡。
为了测定过渡金属按本发明有关的量(浓度)，根据过渡金属来源的性质例如采用下列途径。
如果由金属例如铜作为来源开始，可在聚合反应结束后从组合物中除去金属源，例如从混合物中取出或过滤分离。在剩下的组合物中可任选在实施本身已知的溶解之后例如通过原子吸收谱(AAS)或原子发射谱(AES)测定金属的量。根据这些方法可测定聚合反应过程中从金属源释放(氧化)出的各氧化态的金属的量和其浓度。
如果由过渡金属化合物(例如铜盐或铁盐)作为来源开始，则测量出起始重量并由此推导出体系中存在的有关氧化态的过渡金属最大量就足够了。
如上所述，过渡金属可以零氧化态金属，特别是与上述化合物的混合物用于催化剂，例如WO98/40415中所示。在这些情况下，转化反应速率可得以提高。据推测以这种方式通过使高氧化态的过渡金属与金属态过渡金属成比例提高了催化活性过渡金属化合物的浓度。
过渡金属与引发剂的摩尔比一般范围是0.0001∶1-10∶1，优选范围0.001∶1-5∶1，特别优选范围0.01∶1-2∶1，这并不表示有任何限制。
聚合在能与金属催化剂形成配位化合物的配位体存在的条件下发生。这些配位体尤其起到了提高过渡金属化合物溶解性的作用。配位体另一重要的功能在于避免了稳定的有机金属化合物的形成。这一点特别重要，因为这些稳定的化合物在所选择的反应条件下不聚合。另外，据推测配位体便于可转移原子团的夺取。
这些配位体是实际上已知的，例如记述于WO97/18247和WO98/40415中。这些化合物一般有一个或多个氮、氧、磷和/或硫原子，由此键合上金属原子。许多这些配位体一般可用式R16-Z-(R18-Z)m-R17表示，其中R16和R17独立地表示H、C1-C20烷基、芳基、杂环基，可任选被取代。这些取代基特别包括烷氧基残基和烷氨基残基地。R16和R17可任选形成饱和环、不饱和环或杂环。Z表示O、S、NH、NR19或PR19，其中R19与R16有同样的含义。R18独立地表示有1-40个C原子，优选2-4个C原子的二价基团，可以是线性、支化或环状的，如亚甲基、亚乙基，亚丙基或亚丁基。烷基和芳基含义见上述。杂环残基是4-12个C原子的环状残基，其中环的一个或多个CH2基团被如O、S、NH和/或NR的杂原子基团取代，其中残基R与R16有相同的含义。
另一组适合的配位体可用下式表示 其中R1、R2、R3和R4独立地表示H、C1-C20烷基、芳基、杂环基和/或杂芳基残基，其中残基R1和R2或R3和R4共同形成饱和或不饱和环。
优选的配位体是含N原子的螯合配位体。
其中优选的配位体特别是三苯基磷烷、2，2-联吡啶、烷基-2，2-联吡啶如4，4-二-(5-壬基)-2，2-联吡啶，4，4-二-(5-庚基)-2，2-联吡啶、三(2-氨基乙基)胺(TREN)、N，N，N′，N′，N″-五甲基二亚乙基三胺、1，1，4，7，10，10-六甲基三亚乙基四胺和/或四甲基亚乙基二胺。其它优选的配位体例如述于WO97/47661中。该配位体可单独或混合使用。
这些配位体可就地与金属化合物形成配位化合物或者可先将其制成配位化合物然后加到反应混合物中。
配位体与过渡金属的比例取决于配位体的齿数和过渡金属的配位数。一般摩尔此范围是100∶1-0.1∶1，优选6∶1-0.1∶1，特别优选3∶1-0.5∶1，这并不代表任何限制。
在每种情况下根据所需聚合物溶液选择单体、过渡金属催化剂、配位体和引发剂。据推测过渡金属配位体配合物和可转移原子团之间高的反应速率常数对窄的分子量分布很重要。若此反应速率常数太低，自由基浓度则太高，就会发生典型的终止反应，引起宽分子量分布。交换速率，例如，取决于可转移原子团、过渡金属、配位体和过渡金属化合物阴离子。例如，专业人员将在WO98/40415中找到选择组分的有价值的建议。
作为制备方法的一个步骤，聚合可在有或无溶剂下进行。该方法特征在于催化剂从液体组合物中过滤分离，该液体组合物具有一种介电常数≤4，优选≤3并特别优选≤2.5的溶剂。此值在20℃测定，专业人士会在Ullmann的工业化学百科全书(Encyclopedia of IndustrialChemistry)1966，卷II/2，PP455-479中找到关于测量的有价值的建议。
因此，适宜的溶剂可在过滤前但在聚合后加入，或者在介电常数≤4的溶剂存在下进行聚合。这里术语溶剂要广义理解。聚合后留在组合物中的未反应单体例如也可充当溶剂。
优选在非极性溶剂中聚合。其中溶剂是烃溶剂如芳香族溶剂如甲苯、苯和二甲苯，饱和烃类如环己烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、十二烷，也可是支化形式。这些溶剂可单独和作为混合物使用。特别优选的溶剂是矿物油和合成油及其混合物。其中特别优选矿物油。
矿物油是基本已知且有市售的。通常由石油或原油经蒸馏和/或精炼并任选另外的纯化和加工方法而得，特别是原油或石油的高沸点馏分称为矿物油。通常，矿物油的沸点在5000Pa下高于200℃，优选高于300℃。由页岩油低温蒸馏、硬煤焦化、褐煤在隔绝空气下蒸馏及硬煤或褐煤氢化来制备同样可以。一小部分矿物油也可由植物来源(如西蒙得木、菜子油)或动物来源(如蹄油)的原材料获得。因此，每种情况下根据来源，矿物油呈现不同量的芳族、环状、支化和线性烃。
通常，区分为原油或矿物油中的石蜡基馏份、环烷烃馏份和芳族馏份，其中术语石蜡基馏份代表长链或高度支化的异烷烃，环烷烃馏分代表环烷烃。另外，每种情况下根据来源和加工，矿物油显示出不同分数的正烷烃、低度支化的异烷烃、所谓的单甲基支化石蜡、和带有杂原子，特别是O、N和/或S的化合物，这归因于极性。
优选的矿物油中正烷烃分数少于3wt％，含O、N和/或S化合物的分数少于6wt％。芳香化合物和单甲基支化石蜡的分数通常在每种情况下都在0-30wt％范围。根据一个有益的方面，矿物油主要包含环烷烃和石蜡基烷烃，一般有多于13，优选多于18并特别优选多于20个碳原子。这些化合物的分数一般≥60wt％，优选≥80wt％，不受此任何限制。
对特别优选的矿物油的分析，用传统的方法如脱脲和硅胶上的液相色谱来进行，例如显示了如下组分，其中百分数是相对于相关的矿物油总重而言大约18-31个C原子的正烷烃；0.7-1.0％，18-31个C原子的低支化烷烃1.0-8.0％，14-32个C原子的芳香化合物0.4-10.7％，20-32个C原子的异-和环-烷烃60.7-82.4％，极性化合物0.1-0.8％，损失6.9-19.4％。
关于矿物油分析的有价值的建议及具有其它组成的矿物油一览表可在ullmann的工业化学百科全书中找到，CD-ROM第5版，1997，词条“润滑剂和相关产品”下。
合成油特别是有机酯、有机醚如硅油，和合成烃，特别是聚烯烃。大部分合成油都比矿物油有点贵，但具有性能上的优点。要解释这一点可参阅基本油类型的5API分类(API美国石油研究院)，这些基本油类可特别优选用作溶剂。
这些溶剂在过滤前或过滤过程中使用，优选用量1-99wt％，特别优选5-95％，非常特别优选10-60wt％，相对于混合物总重而言。过滤过程中组合物也可有更高介电常数的溶剂，但这些溶剂的用量要限制在它们不能对催化剂分离产生任何不能接受的不利影响。极性溶剂(介电常数＞4)与非极性溶剂(介电常数≤4)的比率通常少于1∶1，优选1∶2，特别优选1∶3，这并不意味着有任何限制。然而这里还是应考虑介电常数的差异。
聚合可在常压、减压或高压下进行。聚合温度也并不严格。但是，一般范围是-20-200℃，优选0-130℃，特别优选60-120℃，这并不表示任何限制。
借助此方法可由简单的途径得到预定结构的聚合物。这些可能性来自聚合方法的“活的”特性。这些结构特别包括嵌段共聚物、梯度共聚物、星形共聚物、高度支化聚合物、带有活性端基的聚合物和接枝共聚物。由此方法制得的聚合物分子量范围一般是1000-1000000g/mol，优选10×103-500×103g/mol，特别优选20×103-300×103g/mol，这并不代表任何限制。该值是基于组合物中多分数性聚合物的重均分子量。
ATRP相对于传统自由基聚合法特别的优点在于可以制得窄分子量分布的聚合物。并不代表任何限制，根据本发明方法生产的聚合物呈现多分散性，Mw/Mn范围是1-12，优选1-4.5，特别优选1-3，更特别优选1.05-2。
过渡金属的氧化态在聚合后上升。通过氧化过渡金属，每种情况下根据配位体的选择，催化剂溶解度下降，使得过渡金属可过滤分离，如果其介电常数≤4的溶剂存在的话。
过渡金属的氧化可用已公知的氧化剂如氧气、H2O2或臭氧。优选用大气中的氧气氧化催化剂。过渡金属或过渡金属化合物完全氧化是不必的。许多情况下组合物和空气接触几分钟就足以保证过渡金属化合物的充分沉积。
过滤是基本已知的，例如述于Ullmann的工业化学百科全书，第5版，词条“过滤”下。在本发明范围内过滤要理解为将固体颗粒借助可渗透液体而阻隔固体的多孔层(过滤剂)从液体中分离。据推测分离是由于尺寸差异。
过滤剂特别包括疏松或致密的固体层如沙床、焦炭床层、硅藻土床层、塑料床；由石英、耐火土、碳、塑料构成的多孔石；由纤维素衍生物、塑料，金属纤维，天然纤维，合成纤维和玻璃纤维的织物或无纺织物构成的过滤膜；金属粉末的烧结材料、瓷质玻璃粉末等。
为提高过滤结果，可使用基本已知的助滤剂如絮凝剂，它通过ζ(zeta)电位影响颗粒过滤能力。
公知的过滤方法特别包括筛选法，特别是用膜和微过滤器，其中形成滤饼的滤饼过滤法，深床过滤法，其中固体沉积在过滤器上。过滤可间歇或连续进行，连续过滤通常在过滤过程中需清扫过滤器，例如在交叉流过滤中。
过滤元件的类型并不严格。专业人士根据他的知识会选择适当的一种。公知的过滤元件包括袋滤机，带滤机，筒滤机，盘滤机、压滤机、鼓滤机、叶滤机和泵滤机。
一个重要的过滤元素是压力差，它使液体通过过滤介质。此压差可由工业上已知的任何途径产生。其中特别是泵，它既可产生过压又可产生真空压。另外，液体也可直接穿过过滤器。每种情况根据粘度，高度差要足以使组合物流过过滤器。
过滤装置已公众并商品化。优选组合物纯化压差范围0.1-50bar，优选1-10bar，特别优选1.5-2.5bar，过滤器筛子尺寸0.01μm-1mm，优选1-100μm，特别优选10-100μm。这些数据作为出发点，因为纯化也取决于溶剂粘度和沉淀粒径。
过滤的温度范围类似于聚合，其上限取决于聚合物稳定性。下限要看溶液粘度。
此法室温或更高温度下制备的液体聚合物组合物例如可用作润滑油添加剂而无需另外纯化。另外，聚合物可从组合物中分离。
因此溶剂或残余单体可蒸馏分离。另外聚合物可以从组合物中沉淀分离。
本发明通过实施例和对比例在下面更详细地说明，但并不将本发明限于这些例子。
实施例1-4和对比例1根据下面的总步骤进行所有的聚合实验。
ATRP聚合实验在一四颈圆底烧瓶中进行，装有Saeber搅拌器、加热罩、氮气入口和快速冷却系统。单体混合物和相关溶剂按表1所示量放于反应烧瓶中，加入干冰并导入氮气惰化。然后加入相应量的催化剂，CuBr或CuCl和配位体(五甲基二亚乙基三胺(PMDETA)。
加热到90℃后加入相应适量引发剂(2-溴导丁酸乙酯，(EBiB)或对甲苯磺酰氯(pTSCT))。反应烧瓶中的温度升至100℃。大约20小时反应时间后冷却混合物到室温。然后过滤反应混合物以分离出过渡金属催化剂。使用带可加热金属套的Seitz压滤机(EF14/2型，1990年制造)和表2所列各类型的Seitz深床过滤机。在100℃和2bar超压下进行过滤。用GPC和AAS分析所得滤液以鉴定所得聚合物及过渡金属浓度。
每种情况组分所用量给于表1。表1中SM920特指Shell AG所生产的一种矿物油，G07是一种萘基矿物油，同样来自She11 AG。PAO2特指Chevron公司的以聚α-烯烃为基础的合成油。根据本发明的溶剂混合物(SM920和G07/PAO2)分别有介电常数2.1和2.2。MMA指甲基丙烯酸甲酯。DPMA由Dobanol25L(Shell AG)与甲基丙烯酸甲酯反应得到。SMA由Dehydad(Henkel KGaA)与甲基丙烯酸甲酯反应得到。在这些反应中所产甲醇分离出来。DMAPMA特指甲基丙烯酸N，N-二甲基氨基丙酯。单体混合物介电常数3.0。对比例中所用乙酸丁酯介电常数为4.5。
结果按所得聚合物的数均分子量Mn和多分散性PDI(Mw/Mn)和滤液的Cu含量归纳于表2。
表1
表权利要求
1.一种制备液体聚合物组合物的方法，其中烯属不饱和单体借助含有可转移原子团的引发剂、含有至少一种过渡金属的一种或多种催化剂在可与金属催化剂形成配位化合物的配位体存在条件下进行聚合，其特征在于催化剂的过渡金属在聚合后被氧化，然后过滤分离催化剂，其中组合物具有一种介电常数≤4的溶剂。
2.如权利要求的方法，特征在于在介电常数≤3的溶剂存在下进行过滤。
3.如权利要求1或2的方法，特征在于溶剂用量范围是1-99wt％，相对于液体组合物总重而言。
4.如权利要求3的方法，特征在于溶剂用量范围是5-95wt％，相对于液体组合物总重言。
5.如权利要求4的方法，特征在于溶剂用量范围是10-60wt％，相对于液体组合物总重言。
6.如前述权利要求一项或多项的方法，特征在于矿物油和/或合成油用作溶剂。
7.如前述权利要求一项或多项的方法，特征在于催化剂用大气氧进行氧化。
8.如前述权利要求一项或多项的方法，特征在于所用单体是至少60wt％(甲基)丙烯酸酯、富马酸酯和/或马来酸酯，相对于烯属不饱和单体总重而言。
9.如权利要求8的方法，特征在于聚合的单体组合物有a)60-100wt％的一种或多种式(I)的(甲基)丙烯酸酯 其中R是氢或甲基，R1是6-40个碳原子的线性或支化烷基，R2和R3相互独立是氢或式-COOR′的基团，其中R′是氢或6-40个碳原子的线性或支化烷基，b)、0-40wt％的一种或多种式(II)的(甲基)丙烯酸酯 其中R代表氢或甲基，R4代表有1-5个碳原子的线性或支化烷基残基，c)、0-40wt％的一种或多种式(III)的(甲基)丙烯酸酯 其中R代表氢或甲基，R5代表有2-20个碳原子的已被-OH基团取代的烷基残基，或者是式(IV)的烷氧基化残基 其中R6和R7独立地代表氢或甲基，R8代表氢或有1-40个碳原子的烷基残基，n代表1-60的整数，d)、0-40wt％的一种或多种式(V)的(甲基)丙烯酸酯 其中R代表氢或甲基，X代表氧或式-NH-或-NR10-的氨基，其中R10代表有1-40个碳原子的烷基残基，R9代表有2-20个碳原子，优选2-6个碳原子的已被至少一个-NR11R12基团取代的线性或支化烷基残基，其中R11和R12相互独立地代表氢、有1-20个，优选1-6个碳原子的烷基残基，或者其中R11和R12，与氮原子和任选的另一氮或氧原子一起形成5或6元环，可选择地用C1-C6烷基取代，和e)、0-40wt％的一种或多种共聚单体，其中数据wt％在每种情况下是相对于乙烯基不饱和单体的总重。
10.如前述权利要求一项或多项的方法，特征在于所用催化剂为Cu2O、CuBr、CuCl、CuI、CuN3、CuSCN、CuCN、CuNO2、CuNO3、CuBF4、Cu(CH3COO)或Cu(CF3COO)。
11.如前述权利要求一项或多项的方法，特征在于使用至少一种含有N原子的螯合配位体。
12.如前述权利要求一项或多项的方法，特征在于使用一种具有Cl、Br、I、SCN和/或N3的引发剂。
13.聚备聚合物的方法，特征在于从根据权利要求1-12一项或多项的方法得到的聚合物溶液中分离出聚合物。
14.根据权利要求1-13一项或多项的方法得到的聚合物组合物作为润滑油添加剂的用途。
全文摘要
本发明涉及一种制备液体聚合物组合物的方法，其中烯属不饱和单体借助含有可转移原子团的引发剂、含有至少一种过渡金属的一种或多种催化剂在可与金属催化剂形成配位化合物的配位体存在条件下进行聚合，其特征在于催化剂的过渡金属在聚合后被氧化，然后过滤分离催化剂，其中组合物具有一种介电常数≤4的溶剂。
文档编号C08F6/12GK1399649SQ00816195
公开日2003年2月26日 申请日期2000年11月18日 优先权日1999年11月30日
发明者S·卢斯, B·艾森伯格, M·穆勒 申请人:罗麦斯添加剂有限公司