利用廉價(jià)、無毒和可再生的二氧化碳(CO2)制備高分子材料是一個(gè)經(jīng)久不衰的主題。目前利用CO2制備得到的高分子僅限于聚碳酸酯、聚氨酯和聚脲等,因此,開發(fā)新型CO2聚合反應(yīng)并制備新型高分子材料具有重要意義。
五元環(huán)狀碳酸酯(5CC)是一類重要的化工產(chǎn)品,具有溶解性好、沸點(diǎn)高、毒性低等優(yōu)點(diǎn),在有機(jī)和高分子合成等方面具有廣泛應(yīng)用。在已報(bào)道文獻(xiàn)中,5CC基聚合物合成路線繁瑣,產(chǎn)率較低。因此,開發(fā)一種新型簡便、高效制備5CC基功能聚合物的聚合反應(yīng)至關(guān)重要。
近期,華南理工大學(xué)唐本忠院士團(tuán)隊(duì)秦安軍教授等建立了高效的CO2和炔類單體的聚合反應(yīng)并“一鍋法”制備了5CC基聚合物。如圖1所示,作者通過系統(tǒng)的條件優(yōu)化,建立了鈀催化的常壓CO2、炔丙醇和鹵代芳烴單體的聚合。該聚合反應(yīng)具有很高的反應(yīng)活性,可在30分鐘內(nèi)以95%的產(chǎn)率得到分子量高達(dá)42500的聚合物。
圖1. 鈀催化的CO2和炔類單體的新型聚合反應(yīng)
作者與浙江大學(xué)凌君教授等合作通過密度泛函理論(DFT)和在線紅外光譜(in situ FT-IR)對(duì)聚合反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探究(圖2和3)。結(jié)果表明三種單體在聚合過程中存在協(xié)同效應(yīng),鹵代芳烴單體在環(huán)狀碳酸酯成環(huán)過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。
圖2. 密度泛函理論計(jì)算
圖3. 在線紅外光譜監(jiān)測(cè)分步反應(yīng)
所得5CC基聚合物可以與胺類化合物進(jìn)一步高效反應(yīng),區(qū)域選擇性開環(huán)得到氨酯類聚合物,反應(yīng)效率接近100%(圖4)。由于單體普適性廣,作者還制備了具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)和手性特性的5CC基聚合物。此外,作者還利用多官能單體策略構(gòu)筑了超支化5CC基聚合物,并制備得到了多孔聚合物。
圖4. 5CC基聚合物的區(qū)域選擇性開環(huán)
相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Macromolecules (2019, DOI: 10.1021/acs.macromol.9b00898)上。第一作者為華南理工大學(xué)宋波博士和浙江大學(xué)博士生白天聞,通訊作者為華南理工大學(xué)唐本忠院士、秦安軍教授和浙江大學(xué)凌君教授。
“綠色單體”是一類豐富、廉價(jià)、無毒、可再生的聚合單體,包括日常生活中的水(H2O)、氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)以及其他易得天然有機(jī)化合物。目前,唐本忠院士團(tuán)隊(duì)秦安軍教授等已經(jīng)成功開發(fā)出H2O,O2和CO2參與的基于三鍵單體的新型聚合反應(yīng)(Macromolecules, 2017, 50, 8554–8561; Macromolecules, 2018, 51, 42–48;Macromolecules, 2018, 51, 7013–7018)。
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