가역적 첨가-단편화 연쇄 이동 중합

class=skin-invert-image|섬네일|right|그림 1. 티오카보닐티오의 구조.

가역적 첨가-단편화 연쇄 이동 중합() 또는 RAFT 중합은 여러 종류의 가역적 비활성화 라디칼 중합 중 하나이다. 이 중합은 티오카보닐티오 화합물(또는 이와 유사한 화합물로, 이하 RAFT제라고 함, 그림 1 참조) 형태의 연쇄 이동제(CTA)를 사용하여 자유 라디칼 중합 동안 생성되는 분자량과 다분산도를 제어한다. 1998년 호주의 연방 과학 산업 연구 기구 (CSIRO)에서 발견된 RAFT 중합은 여러 리빙 중합 또는 제어 라디칼 중합 기술 중 하나이며, 다른 기술로는 원자 이동 라디칼 중합 (ATRP) 및 나이트록사이드 매개 라디칼 중합 (NMP) 등이 있다. RAFT 중합은 다이티오에스터, 티오카밤산염 및 크산틴산염과 같은 티오카보닐티오 화합물을 사용하여 가역적 연쇄 이동 과정을 통해 중합을 매개한다. 다른 제어 라디칼 중합 기술과 마찬가지로, RAFT 중합은 낮은 다분산도 (좁은 분자량 분포)와 미리 선택된 분자량에 유리한 조건에서 수행될 수 있다. RAFT 중합은 선형 블록 공중합체, 빗살형, 별형, 브러시 중합체, 덴드리머 및 가교 네트워크와 같은 복잡한 중합체 구조의 중합체를 설계하는 데 사용될 수 있다.

 개요 
 역사 
첨가-단편화 연쇄 이동 과정은 1970년대 초에 처음 보고되었다. 그러나 이 기술은 비가역적이어서 당시에는 라디칼 중합을 제어하는 데 이동 시약을 사용할 수 없었다. 처음 몇 년 동안 첨가-단편화 연쇄 이동은 말단 기능화 중합체를 합성하는 데 도움이 되는 데 사용되었다.

과학자들은 1980년대에 제어 라디칼 중합에서 RAFT의 잠재력을 깨닫기 시작했다. 거대단량체는 이 시기에 가역적 연쇄 이동제로 알려져 있었지만, 제어 라디칼 중합에 대한 적용이 제한적이었다.

1995년, 연쇄 평형을 위한 "퇴화" 가역 연쇄 이동 단계에서 중요한 진전이 주목을 받았다. 본질적인 특징은 연쇄 이동의 산물이 전구체 이동제와 유사한 활성을 가진 연쇄 이동제라는 것이다.

오늘날 RAFT 중합은 주로 티오카보닐티오 연쇄 이동제에 의해 수행된다. 이는 1998년 리차르도 외 연구진에 의해 처음 보고되었다. RAFT는 단량체 및 용매, 특히 수용액에서 매우 광범위한 기능성에 대해 내성이 있기 때문에 제어 라디칼 중합의 가장 다재다능한 방법 중 하나이다. RAFT 중합은 또한 광범위한 온도 범위에서 효과적으로 수행되었다.

 RAFT의 중요 구성 요소 
섬네일|400px|right|그림 2. RAFT제의 두 가지 예시

일반적으로 RAFT 중합 시스템은 다음으로 구성된다.
 라디칼 공급원 (예: 열화학 개시제 또는 감마선과 일부 시약의 상호작용)
 단량체
 RAFT제
 용매 (단량체가 액체인 경우 엄격하게 필요하지 않음)

온도는 (a) 연쇄 성장이 적절한 속도로 일어나고, (b) 화학 개시제 (라디칼 공급원)가 적절한 속도로 라디칼을 공급하며, (c) 중심 RAFT 평형(나중에 설명)이 허용 가능한 정도로 휴면 상태보다 활성 상태에 유리하도록 선택된다.

RAFT 중합은 기존의 자유 라디칼 중합에 적절한 RAFT제를 일정량 첨가하여 수행할 수 있다. 일반적으로 동일한 단량체, 개시제, 용매 및 온도를 사용할 수 있다.

아조비스아이소부티로니트릴 (AIBN) 및 4,4'-아조비스(4-사이아노발레르산) (ACVA), 또한 4,4'-아조비스(4-사이아노펜탄산)이라고도 불리는 4,4'-아조비스(4-사이아노펜탄산)과 같은 라디칼 개시제가 RAFT에서 개시제로 널리 사용된다.

그림 3은 AIBN을 개시제로, 두 가지 RAFT제를 사용하여 폴리메타크릴산 메틸 및 폴리아크릴산의 RAFT 중합을 시각적으로 설명한다.

섬네일|400px|center|그림 3. 두 가지 RAFT 중합에서 주요 시약과 생성물의 예.

RAFT 중합은 다른 제어 라디칼 중합과 비교하여 광범위한 단량체와의 호환성으로 잘 알려져 있다. 이러한 단량체에는 (메트)아크릴레이트, (메트)아크릴아마이드, 아크릴로나이트릴, 스타이렌 및 유도체, 뷰타다이엔, 아세트산비닐 및 N-비닐피롤리돈이 포함된다. 이 과정은 또한 NMP 또는 ATRP에 비해 온도 또는 불순물 수준과 같은 광범위한 반응 매개변수에서도 사용하기에 적합하다.

RAFT제의 Z 및 R 그룹은 여러 가지 고려 사항에 따라 선택되어야 한다. Z 그룹은 주로 S=C 결합의 안정성과 첨가 라디칼(Polymer-S-C•(Z)-S-Polymer, 메커니즘 섹션 참조)의 안정성에 영향을 미친다. 이는 결과적으로 사전 평형 및 주 평형에서 기본 반응의 위치와 속도에 영향을 미친다. R 그룹은 사전 평형의 오른쪽이 선호되도록 라디칼을 안정화할 수 있어야 하지만, 새로운 중합체 사슬의 성장을 재개시할 수 있을 만큼 불안정해야 한다. 따라서 RAFT제는 단량체 및 온도와 함께 고려하여 설계되어야 한다. 이 두 매개변수 모두 RAFT 평형의 동역학 및 열역학에 강력하게 영향을 미치기 때문이다.

 생성물 
RAFT 중합의 원하는 생성물은 일반적으로 한쪽 끝에 R 그룹이 있고 다른 쪽 끝에 다이티오카보네이트 부분이 있는 선형 중합체이다. 그림 4는 RAFT 중합의 주요 및 부수 생성물을 보여준다. 다른 모든 생성물은 (a) 이라디칼 종결 반응 또는 (b) 그림에서 I로 표시된 개시제 조각에서 유래하는 화학종의 반응에서 발생한다. (범주 (a)와 (b)는 교차한다.)

원하는 생성물에 대한 선택성은 중합 중에 전달되는 자유 라디칼의 양에 대한 RAFT제의 농도를 증가시킴으로써 높일 수 있다. 이는 직접적으로 (즉, RAFT제 농도를 증가시킴으로써) 또는 개시제의 분해 속도나 농도를 감소시킴으로써 수행할 수 있다.

섬네일|628px|center|그림 4. RAFT 중합의 주요 생성물(왼쪽) 및 발생 빈도 감소 순으로 배열된 기타 부산물.

 RAFT 메커니즘 
 동역학 개요 
섬네일|624px|그림 5. RAFT 과정의 단순화된 메커니즘

RAFT는 RAFT제에 의해 매개되는 기존의 라디칼 중합을 포함하는 리빙 중합의 한 유형이다. 단량체는 라디칼 중합이 가능해야 한다. RAFT 중합에는 개시, 사전 평형, 재개시, 주 평형, 전파 및 종결의 여러 단계가 있다.

이제 그림 5를 통해 메커니즘을 더 자세히 설명한다.

개시: 반응은 AIBN과 같은 분해되는 라디칼 개시제일 수 있는 자유 라디칼 공급원에 의해 시작된다. 그림 5의 예에서, 개시제는 두 조각(I•)으로 분해되어 단일 단량체 분자와 반응하여 길이 1의 전파 (즉, 성장) 중합체 라디칼인 P1•를 생성한다.

전파: n개의 단량체 단위를 가진 활성 (라디칼) 형태의 전파 라디칼 사슬 Pn•는 단량체 M에 첨가되어 더 긴 전파 라디칼 Pn+1•를 형성한다.

RAFT 사전 평형: n개의 단량체 단위를 가진 중합체 라디칼(Pn)은 RAFT제와 반응하여 RAFT 첨가 라디칼을 형성한다. 이것은 시작 종 또는 라디칼 (R•) 및 중합체 RAFT제 (S=C(Z)S-Pn)를 생성하기 위해 양방향으로 단편화 반응을 겪을 수 있다. 이는 중간 RAFT 첨가 라디칼이 R 그룹 (R•) 또는 중합체 종 (Pn•) 중 하나를 잃을 수 있는 가역 단계이다.

재개시: 이탈 그룹 라디칼 (R•)은 다른 단량체 종과 반응하여 또 다른 활성 중합체 사슬을 시작한다.

주요 RAFT 평형: 이것은 RAFT 과정에서 가장 중요한 부분으로, 빠른 교환 과정을 통해 현재의 라디칼 (따라서 중합체 사슬 성장을 위한 기회)은 아직 종결되지 않은 모든 종 (Pn• 및 S=C(Z)S-Pn) 사이에 "공유"된다. 이상적으로 라디칼은 균등하게 공유되어 사슬이 성장할 수 있는 동등한 기회를 가지며 좁은 PDI를 갖는다.

종결: 활성 형태의 사슬은 이중 라디칼 종결이라는 과정을 통해 더 이상 반응할 수 없는 사슬, 즉 죽은 중합체를 형성한다. 이상적으로, RAFT 첨가 라디칼은 종결 반응을 겪지 않도록 충분히 방해받는다.
섬네일|Video 1. RAFT 중합의 시각적 표현 (주요 RAFT 평형 단계). 녹색: CTA (RAFT제); 파란색: 단량체; 노란색: 개시된 중합체 사슬
이 과정의 시각적 표현은 비디오 1에서 볼 수 있다.

 주 RAFT 평형의 열역학 
주 RAFT 평형(그림 5)의 위치는 RAFT 첨가 라디칼(Pn-S-C•(Z)-S-Pm)과 그 단편화 생성물, 즉 S=C(Z)S-Pn 및 중합체 라디칼(Pm•)의 상대적 안정성에 의해 영향을 받는다. RAFT 첨가 라디칼 형성이 충분히 열역학적으로 유리하면 활성 종, Pm•의 농도가 감소하여 RAFT제가 없는 동등한 중합과 비교하여 단량체가 중합체로 전환되는 속도 감소도 관찰된다. 이러한 중합을 속도 지연 RAFT 중합이라고 한다.

RAFT 중합의 속도, 즉 단량체가 중합체로 전환되는 속도는 주로 전파 반응(그림 5)의 속도에 따라 달라진다. 개시 및 종결 속도는 전파 속도보다 훨씬 높기 때문이다. 전파 속도는 활성 종 P•의 농도 [P•]에 비례하는 반면, 2차 반응인 종결 반응의 속도는 [P•]2에 비례한다. 이는 속도 지연 RAFT 중합 동안 종결 생성물의 형성 속도가 사슬 성장 속도보다 더 크게 억제된다는 것을 의미한다.

속도 지연이 없는 RAFT 중합에서 활성 종 P•의 농도는 RAFT제가 없는 동등한 기존 중합에서의 농도에 가깝다.

주 RAFT 평형과 그에 따른 반응의 속도 지연은 온도와 화학적 요인 모두에 의해 영향을 받는다. 고온은 첨가 라디칼 Pn-S-C•(Z)-S-Pm보다 단편화 생성물의 형성을 선호한다. 페닐기와 같은 라디칼 안정화 Z-그룹을 가진 RAFT제는 첨가 라디칼을 선호하며, 라디칼 안정화 특성이 부족한 단량체, 예를 들어 아세트산비닐을 가진 전파 라디칼도 마찬가지이다.

 추가적인 메커니즘적 고려 사항 
메커니즘 측면에서 이상적인 RAFT 중합은 여러 특징을 가지고 있다. 사전 평형 및 재개시 단계는 중합 초기에 완료되어 반응의 주요 생성물(RAFT 중합체 사슬, RAFT-Pn)이 거의 동시에 성장하기 시작한다. 주 RAFT 평형의 정방향 및 역방향 반응은 빠르며, 사슬 간에 동등한 성장 기회를 선호한다. 중합 과정 동안 개시제에 의해 시스템에 전달되는 총 라디칼 수는 RAFT제 분자 수에 비해 적으며, 이는 재개시 단계에서 R 그룹 개시 중합체 사슬이 개시 단계에서 형성된 개시제 조각 함유 사슬보다 시스템 내 사슬의 대부분을 형성함을 의미한다. 이는 개시제가 중합 동안 시작 시점뿐만 아니라 지속적으로 분해되고, 개시제 분해에서 발생하는 중합체 사슬은 좁은 길이 분포를 가질 수 없기 때문에 중요하다. 이러한 메커니즘적 특징은 단량체가 중합체로 전환되는 정도에 따라 평균 사슬 길이가 선형적으로 증가하도록 이어진다.

다른 제어 라디칼 중합(예: ATRP)과 달리, RAFT 중합은 이중 라디칼 종결 반응을 줄여서 분자량의 제어된 진화와 낮은 다분산도를 달성하는 것이 아니라(위에서 설명했듯이 일부 시스템에서는 이러한 반응이 어느 정도 감소될 수 있지만), 대부분의 중합체 사슬이 거의 동시에 성장을 시작하고 중합 동안 동일한 성장을 경험하도록 보장함으로써 달성한다.

 RAFT제에서 Z 및 R 그룹의 역할 
Z 및 R 그룹에 대한 지침은 그 기능과 중합해야 하는 단량체의 유형에 따라 달라진다.

R 그룹:

 Pn에 비해 좋은 균일 이탈 그룹이어야 한다 (주 평형을 매크로-CTA 및 R 라디칼 쪽으로 이동시킨다).
 중합을 효율적으로 재개시해야 한다.

Z 그룹 선택이 영향을 미치는 요소:

 중간 종의 티오카보닐에 전파 중합체의 첨가 속도
 중간 라디칼의 단편화 속도

섬네일|그림 6. 반응성 감소 순으로 나열된 RAFT제의 가능한 R 그룹. 권장 단량체: 1-3: MMA, HPMAM; 4: MMA, HPMAM (부분 제어); 1-10: St, MA, AM, AN; 4, 6 및 9: VAc, NVP, NVC; 1-3, 5, 7, 8 및 10: VAc, NVP, NVC (부분 제어)
섬네일|그림 7. 반응성 감소 순으로 나열된 RAFT제 Z 그룹. 권장 단량체: 1-4: MMA, HPMAM; 5: MMA, HPMAM (부분 제어); 7-11: VAc, NVP; 1-6: St, MA, AM, AN; 7-10: St, MA, AM, AN (부분 제어)

중합될 단량체를 기반으로 R 및 Z 그룹 선택에 대한 지침이 제공되었으며, 이는 그림 6 및 7에 요약되어 있다. 단량체는 활성도가 높은 MAM과 활성도가 낮은 LAM으로 나눌 수 있다. MAM은 활성도가 낮은 전파 라디칼 종을 생성하는 반면, LAM은 그 반대이다. 따라서 MAM은 활성도가 높은 RAFT 시약을 필요로 하고, LAM은 활성도가 낮은 시약을 필요로 한다.

 반응 성분 간의 중요 비율 
RAFT 합성 동안 반응 성분 간의 일부 비율은 중요하며 일반적으로 원하는 중합도 및 중합체 분자량을 제어하거나 설정하는 데 사용될 수 있다. 다음 모든 비율은 초기 몰에 대한 상대적인 값이다.

 단량체 대 RAFT 시약: 예상 중합도 (즉, 각 중합체 사슬의 단량체 단위 수)를 제공하며 방정식 (1) (아래 참조)을 사용하여 중합체의 분자량을 추정하는 데 사용할 수 있다.
 RAFT 시약 대 개시제: 중합체 사슬의 말단 그룹을 결정한다. α 말단의 경우, 이 비율은 R 그룹 (그림 5의 4단계)에서 유래한 사슬 수와 개시제 (그림 5의 2단계)에서 유래한 사슬 수의 비율을 제공한다. ω 말단의 경우, 휴면 중합체 사슬 (말단에 티오카보닐티오를 가진 사슬)과 죽은 사슬의 비율을 제공한다.
 단량체 대 개시제: 전파 속도가 단량체 농도 및 개시제 농도의 제곱근에 비례하는 다른 라디칼 중합 기술과 유사하다.

방정식 (1):

여기서 MWn은 중합체의 분자량, M0 및 Mt는 각각 단량체의 초기 및 최종 몰, RAFT0는 RAFT제의 초기 몰, MWM은 단량체의 분자량, MWRAFT는 RAFT제의 분자량이다. M0 - Mt는 M0*X (여기서 X는 전환율)로 다시 쓸 수 있으며, 이를 통해 전환율을 기반으로 중합체의 평균 분자량을 추정할 수 있다.

 Enz-RAFT 
섬네일|upright=2|포도당 산화효소(GOx)는 용액에서 산소를 제거하여 RAFT 중합이 개방된 용기에서 진행될 수 있도록 한다.
Enz-RAFT는 개방된 용기에서 산소에 민감한 중합을 제어할 수 있게 하는 RAFT 중합 기술이다. Enz-RAFT는 1~4 μM의 포도당 산화효소를 사용하여 시스템에서 용존 산소를 제거한다. 탈기 과정이 중합과 분리되므로 개시제 농도를 줄일 수 있어 높은 제어력과 말단 그룹의 정확성을 확보할 수 있다. Enz-RAFT는 다양한 유기 용매 시스템에서 사용할 수 있으며, 최대 80%의 tert-부탄올, 아세토나이트릴 및 다이옥세인에서 높은 활성을 보인다. Enz-RAFT를 사용하면 중합에 사전 탈기가 필요하지 않아 이 기술은 RAFT에 의한 대부분의 중합체 제조에 편리하다. 이 기술은 임페리얼 칼리지 런던에서 몰리 스티븐스 연구실의 로버트 채프먼과 애덤 고믈리에 의해 개발되었다.

 응용 
섬네일|400px|그림 8. RAFT 과정을 통해 접근 가능한 복잡한 구조.
RAFT 중합은 제어된 분자량과 낮은 다분산 지수 (많은 단량체의 경우 1.05~1.4)를 가진 광범위한 중합체를 합성하는 데 사용되었다.

RAFT 중합은 다른 제어 라디칼 중합과 비교하여 광범위한 단량체와의 호환성으로 잘 알려져 있다. RAFT에 의해 중합될 수 있는 일부 단량체에는 스타이렌, 아크릴레이트, 아크릴아마이드 및 많은 비닐 단량체가 포함된다. 또한 RAFT 과정은 블록, 그라디언트 공중합체, 통계적, 빗살형, 브러시, 별형, 고분기 및 네트워크 공중합체와 같은 특정 거대 분자 중합체 구조를 가진 중합체의 합성을 허용한다. 이러한 특성으로 인해 RAFT는 많은 유형의 중합체 합성에 유용하다.

 블록 공중합체 
다른 리빙 라디칼 중합 기술과 마찬가지로 RAFT는 한 단량체 중합체를 두 번째 유형의 중합체로 사슬 연장하여 블록 공중합체를 생성할 수 있다. 이러한 중합에서는 첫 번째 단량체용 RAFT제도 두 번째 단량체에 적합해야 한다는 추가적인 과제가 있어, 특성이 매우 다른 단량체의 블록 공중합은 어렵다.
섬네일|그림 9. 블록 공중합체 중합을 위한 매크로-R 그룹의 반응성 감소 순서: 권장 단량체: 1-2: MMA, HPMAM; 1-5: St, MA, DMAm; 6: St, MA, DMAm (부분 제어); 1-2 및 4-8: NVC, NVP, VAc; 3: NVC (부분 제어)
블록 공중합체의 경우, 두 번째 블록을 중합하기 위한 매크로-R제를 선택하는 데 다른 지침이 존재한다 (그림 9).

이작용기 R 그룹 또는 이작용기 Z 그룹을 가진 대칭 트라이티오카보네이트를 사용하여 다중 블록 공중합체도 보고되었다.

 별형, 브러시 및 빗살형 중합체 
섬네일|400px|그림 10. RAFT R-그룹 접근 방식 vs. Z-그룹 접근 방식.

여러 다이티오 부분을 가진 화합물(종종 다기능 RAFT제라고 함)을 사용하면 별형, 브러시 및 빗살형 중합체가 형성될 수 있다. 별형 중합체를 예로 들면, RAFT는 R-그룹 또는 Z-그룹이 별의 코어를 형성할 수 있다는 점에서 다른 형태의 리빙 라디칼 중합 기술과 다르다 (그림 10 참조). R-그룹을 코어로 활용하면 ATRP 또는 NMP를 사용할 때와 유사한 구조가 생성되지만, Z-그룹을 코어로 사용할 수 있다는 점은 RAFT를 독특하게 만든다. Z-그룹이 사용될 때 반응성 중합체 팔은 성장 중에 별의 코어에서 분리되며, 연쇄 이동을 겪으려면 다시 코어에서 반응해야 한다.

 스마트 재료 및 생물학적 응용 
단량체 선택 및 반응 조건에 대한 유연성 덕분에 RAFT 과정은 생체 재료 생성을 위한 다른 형태의 리빙 중합과 유리하게 경쟁한다. 온도 및 pH 감도와 같은 독특한 특성을 가진 새로운 유형의 중합체를 구축할 수 있다.

특정 재료 및 응용 분야에는 중합체-단백질 및 중합체-약물 접합체, 효소 활성 매개, 분자 인식 과정, 그리고 신체의 특정 부위에 약물을 전달할 수 있는 중합체 미셀이 포함된다.
RAFT는 또한 중합체 표면, 예를 들어 중합체 미소구체에 중합체 사슬을 접목하는 데 사용되었다.

 다른 제어 중합과 비교한 RAFT 

 장점 
중합은 광범위한 용매(물 포함), 넓은 온도 범위, 높은 작용기 허용도 및 금속이 없는 상태에서 수행될 수 있다. 2014년 현재 상업적으로 이용 가능한 RAFT제의 범위는 라디칼 중합을 겪을 수 있는 거의 모든 단량체 계열을 포함한다.

 단점 
특정 RAFT제는 제한된 수의 단량체에만 적합하며, RAFT제의 합성은 일반적으로 다단계 합성 과정과 후속 정제를 필요로 한다. RAFT제는 장기간 불안정할 수 있으며, 다이티오에스터 부분의 점진적인 분해로 인해 작은 황 화합물이 생성되어 색상이 강하고 자극적인 냄새가 날 수 있다. 결과 중합체에 황과 색상이 존재하는 것은 일부 응용 분야에서 바람직하지 않을 수 있지만, 이는 추가적인 화학적 및 물리적 정제 단계를 통해 어느 정도 제거될 수 있다.

 같이 보기 
 유리기 (화학)
 공중합체
 리빙 중합
 원자 이동 라디칼 중합
 NMP

 각주 

분류:고분자화학