聚烯烴占據(jù)了全球合成高分子的半壁江山,其中以聚乙烯用量最大。從日常生活中涉及的涂料、粘合劑和膜材料,到工業(yè)生產(chǎn)和航空航天涉及的高性能結(jié)構(gòu)材料,都能看到聚乙烯的身影,這主要得益于其優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能和高度穩(wěn)定的碳?xì)浠瘜W(xué)組成,但同時(shí)也帶來(lái)了潛在的高分子廢棄物污染的問(wèn)題。從分子層面對(duì)聚乙烯材料進(jìn)行重新思考和設(shè)計(jì)是解決高分子廢棄物污染的重要思路。羰基作為最常見(jiàn)的光敏基團(tuán),其微量摻入聚乙烯主鏈會(huì)顯著改善其環(huán)境耐久性和表面性能,并可以賦予其特殊的光降解性。實(shí)現(xiàn)羰基微量摻入到聚乙烯主鏈極其困難,一方面一氧化碳對(duì)過(guò)渡金屬催化具有毒化作用, 此外,一氧化碳的遷移插入是動(dòng)力學(xué)極其有利的過(guò)程,容易形成交替結(jié)構(gòu)聚酮。因此,開(kāi)發(fā)對(duì)一氧化碳耐受性的催化劑至關(guān)重要。
2021年,大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉野教授發(fā)現(xiàn)具有膦-磷酰胺的陽(yáng)離子鈀配合物可以實(shí)現(xiàn)乙烯/一氧化碳的非交替共聚,得到加工性好、熔點(diǎn)低、溶解性好的聚酮樹(shù)脂(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 10743)。此外,此類(lèi)膦-磷酰胺的陽(yáng)離子鎳配合物可以實(shí)現(xiàn)乙烯/一氧化碳的高效交替共聚,得到可以媲美工業(yè)鈀催化劑的轉(zhuǎn)化數(shù)(31150 g (g Ni)-1)(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204126, VIP, TOP5%)。這些結(jié)果表明,鎳/鈀螯合膦-磷酰胺的配體骨架對(duì)一氧化碳耐受性良好。通過(guò)在乙烯聚合體系中引入少量一氧化碳,所有的膦-磷酰胺陽(yáng)離子鈀/鎳催化劑均可成功制備主鏈羰基含量為~1 mol%的功能化聚乙烯。特別是,在膦和芳基胺上都有強(qiáng)的給電子取代基鈀催化劑,可以得到羰基完全孤立均勻分布、且分子量高達(dá)100 kg/mol的羰基聚乙烯產(chǎn)品。差示掃描量熱儀和廣角X射線衍射實(shí)驗(yàn)表明,這種羰基功能化的聚乙烯材料的熱力學(xué)性質(zhì)和結(jié)晶行為與高密度聚乙烯(HDPE)基本相同。同時(shí),拉伸性能實(shí)驗(yàn)表明這種羰基聚乙烯其彈性模量達(dá)859 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到518%,可媲美商品化的HDPE。此外,聚乙烯主鏈上羰基的少量插入不僅能夠有效抑制鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng),提高產(chǎn)品分子量和熔融溫度,同時(shí)還可以通過(guò)光降解反應(yīng)來(lái)顯著降低其在環(huán)境中的耐受性,是一種綠色聚乙烯產(chǎn)品。
此陽(yáng)離子型鎳/鈀配位的膦-磷酰胺催化劑,在各種一氧化碳比例下都具有優(yōu)秀的催化活性和效率,得到交替和非交替聚酮,以及主鏈羰基聚乙烯產(chǎn)品。而對(duì)于膦酚鎳催化劑,在一氧化碳比例高(>2.6%)的條件下,完全失活,無(wú)法得到聚酮產(chǎn)品;對(duì)于膦磺酸鈀催化劑,其制備非交替聚酮的效果較差,且制備羰基聚乙烯的分子量較低;對(duì)于dppp衍生物-Pd催化劑,只能制備交替聚酮,無(wú)法得到非交替聚酮和羰基聚乙烯。此結(jié)果表明,陽(yáng)離子型鎳/鈀螯合的膦-磷酰胺型配合物是一種極其罕見(jiàn)的高效烯烴/一氧化碳聚合催化劑。
以上研究成果以“Carbonyl functionalized polyethylene materials via Ni-and Pd- diphosphazane monoxide catalyzed nonalternating copolymerization”為題,發(fā)表在Journal of Catalysis 2023, 417, 334–340上,大連理工大學(xué)化工學(xué)院陳世瑜和宋宇航是該論文的共同第一作者,通訊作者是大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉野教授,該項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(NSFC, Grants 52273004)的支持。
劉野 簡(jiǎn)介
劉野,大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員,博士生導(dǎo)師. 2008年于大連理工大學(xué)化工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位,2014年于大連理工大學(xué)獲得應(yīng)用化學(xué)工學(xué)博士學(xué)位(導(dǎo)師:呂小兵教授),并留校任教至今。2016年至2018年在德國(guó)康斯坦茨大學(xué)從事洪堡博士后研究(合作導(dǎo)師:Stefan Mecking).主要研究方向?yàn)楦叻肿雍铣苫瘜W(xué)、可循環(huán)高分子、羰化聚合和不對(duì)稱(chēng)配位催化聚合等。
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