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青科大沈勇/李志波團(tuán)隊(duì) Angew:雙官能團(tuán)環(huán)內(nèi)酯化學(xué)選擇性開環(huán)聚合制備可循環(huán)聚酯材料
2022-06-15  來源:高分子科技

  化學(xué)可循環(huán)聚合物具有閉合循環(huán)生命周期,在使用生命結(jié)束后可以在特定條件下解聚成原始單體,簡單純化后可重新聚合得到高品質(zhì)聚合物。發(fā)展化學(xué)可循環(huán)聚合物是塑料污染問題的最佳解決方案之一。盡管近年來取得了系列進(jìn)展,但化學(xué)可循環(huán)聚合物仍然面臨著一些挑戰(zhàn),如合成過程能耗高、單體回收選擇性差、效率低,特別是難以實(shí)現(xiàn)聚合物高效循環(huán)和材料性能間的平衡統(tǒng)一。通過在具有合適環(huán)張力的雜環(huán)單體上引入取代基來構(gòu)筑室溫近平衡聚合體系,以實(shí)現(xiàn)溫和條件下的聚合和反向解聚是一種有效的策略,但目前關(guān)于這種方法的報(bào)道并不多見。



  青島科技大學(xué)沈勇/李志波團(tuán)隊(duì)近年來在可循環(huán)高分子方面取得了系列進(jìn)展。他們利用自主研發(fā)的環(huán)狀有機(jī)磷腈超強(qiáng)堿CTPB與脲組成二元催化體系,成功制備得到高分子量聚g-丁內(nèi)酯),實(shí)現(xiàn)了a-亞甲基-γ-丁內(nèi)酯的選擇性開環(huán)聚合和共聚(Polym. Chem. 201910, 1231-1237;CCS Chem.20202, 620-630;Macromolecules202053, 3380-3389)。在之前的工作中,他們利用強(qiáng)堿/脲二元催化劑實(shí)現(xiàn)了生物基δ-己內(nèi)酯的快速可控開環(huán)聚合,制備得到完全可循環(huán)聚酯,但該聚酯結(jié)晶度低、力學(xué)性質(zhì)差,無法作為材料單獨(dú)使用(Angew. Chem. Int. Ed. 202261, e202201407)。通過在六元環(huán)內(nèi)酯母體結(jié)構(gòu)上引入合適的取代基,開發(fā)具有理想材料性能的化學(xué)可循環(huán)聚酯,實(shí)現(xiàn)循環(huán)和性能的平衡統(tǒng)一,具有重要意義。最近,他們?cè)?/span>δ-戊內(nèi)酯的α位引入環(huán)外雙鍵構(gòu)筑得到雙官能度環(huán)內(nèi)酯單體,并且通過篩選合適的強(qiáng)堿/脲二元催化體系,成功實(shí)現(xiàn)了雙官能團(tuán)α-亞甲基-δ-戊內(nèi)酯的化學(xué)選擇性開環(huán)聚合,制備得到可后修飾的化學(xué)可循環(huán)聚酯,該聚酯結(jié)晶度高、力學(xué)性質(zhì)與商品化聚烯烴近似。


  α-亞甲基-δ-戊內(nèi)酯(MVL)可以由生物質(zhì)來源的δ-戊內(nèi)酯(δVL)與甲酸乙酯通過兩步反應(yīng)簡單制備。作為一種雙官能團(tuán)環(huán)內(nèi)酯單體,之前的研究集中于MVL環(huán)外雙鍵加成聚合(VAP,pathway a),而通過開環(huán)聚合制備可回收聚酯仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)(ROP,pathway b)。在前期工作的基礎(chǔ)上,青島科技大學(xué)沈勇/李志波團(tuán)隊(duì)通過使用強(qiáng)堿與一系列具有不同結(jié)構(gòu)和pKa值的脲構(gòu)筑二元催化體系,成功實(shí)現(xiàn)了MVL化學(xué)選擇性開環(huán)聚合,聚合呈現(xiàn)“活性”/可控聚合特征,所得聚合物端基、分子量及分子量分布可控。使用有機(jī)磷腈堿tBu-P2與二元脲U5為催化劑時(shí),制備得到的聚酯P(MVL)ROP分子量高達(dá)74.6 kDa。值得注意的是,高分子量P(MVL)ROP的力學(xué)性能可比擬商品化的等規(guī)聚丙烯(PP)和低密度聚乙烯(LDPE)。此外,通過硫醇-“點(diǎn)擊化學(xué)”反應(yīng)可以對(duì)P(MVL)ROP側(cè)基的雙鍵進(jìn)行后修飾,進(jìn)一步調(diào)控聚酯的性質(zhì)。 



  以辛酸亞錫為催化劑,得到的聚酯產(chǎn)物P(MVL)ROP130 °C下通過減壓蒸餾可以完全解聚回收得到高純度的MVL(產(chǎn)率~96%)。將回收單體使用CaH2簡單干燥后,可以重新聚合得到P(MVL)ROP,從而成功建立單體-聚合物-單體的閉合循環(huán)生命周期。


  該工作通過合理設(shè)計(jì)單體分子結(jié)構(gòu),選擇合適的催化體系,成功實(shí)現(xiàn)了生物基MVL的化學(xué)選擇性開環(huán)聚合,制備得到具有優(yōu)異力學(xué)性質(zhì)的可后修飾可循環(huán)聚酯材料。該工作以研究論文的形式在線發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed.,青島科技大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生李建東為論文第一作者,泰山學(xué)者青年專家沈勇博士和李志波教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金,山東省泰山學(xué)者人才工程以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。


  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202207105

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