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長(zhǎng)春應(yīng)化所陳學(xué)思院士課題組龐烜研究員團(tuán)隊(duì) Macromolecules:利用可逆的羰基化反應(yīng)精確合成富氧多嵌段共聚物
2023-03-20  來(lái)源:高分子科技


  合成序列可控的多嵌段聚合物(MBC)具有重大的意義。其關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于如何以簡(jiǎn)單的手段控制聚合物組成以及嵌段的序列順序。主要由環(huán)狀單體的開(kāi)環(huán)聚合(ROP)或開(kāi)環(huán)共聚合(ROCOP)制備的富氧可降解聚酯是石油衍生材料的重要替代品,但在實(shí)際應(yīng)用中,單一的聚合物因其性能受限而無(wú)法獲得更多的應(yīng)用,由多元單體混合物合成富氧多嵌段共聚物有望獲得更好的物理與加工性能。近些年,可切換催化成為一種將不同聚合途徑結(jié)合起來(lái)的方便工具。然而,通過(guò)切換過(guò)程合成精確序列結(jié)構(gòu)的富氧MBC往往需要多個(gè)切換過(guò)程和長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)。直到現(xiàn)在,制備MBC最常用的方法是使用二醇對(duì)二嵌段或三嵌段共聚物進(jìn)行擴(kuò)鏈,但這可能會(huì)產(chǎn)生具有低分子量和混合端基的聚合物鏈。


  為了確保多重開(kāi)-關(guān)過(guò)程的有效性,需要單一、高效、穩(wěn)定的活性位點(diǎn)和可靠的可逆反應(yīng)機(jī)制。最近,中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所陳學(xué)思院士課題組烜研究員團(tuán)隊(duì)基于錳金屬化合物的可逆羰基化反應(yīng),使用單希夫堿錳金屬催化劑(salen-Mn)設(shè)計(jì)了一種可重復(fù)切換的催化體系,并成功用于合成富氧多嵌段聚酯。在前期工作中,該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了在適當(dāng)?shù)臈l件下,可以將CO2可逆地插入和脫吸附錳醇鹽(Mn-OR)錳氧鍵以實(shí)現(xiàn)碳酸錳(Mn-OCOOR)和Mn-OR物種之間的可逆轉(zhuǎn)變,進(jìn)而可以對(duì)環(huán)酯的ROP“開(kāi)關(guān)調(diào)控(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 9274–9278;Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e20211753 )。而CO2和金屬中心之間的這種相互作用實(shí)質(zhì)上是錳金屬醇鹽的可逆原位羧化,賦予salen-Mn催化劑潛在的多重切換能力。


  自從1969Shohei InoueCO2和酸酐之間的化學(xué)相似性的啟發(fā)下首次實(shí)現(xiàn)了CO2和環(huán)氧化物的共聚后,這兩種單體與環(huán)氧化物的開(kāi)環(huán)共聚(ROCOP)。


1. 基于CO2和酸酐化學(xué)相似性的Mn醇鹽活性物種的羧基化和多重切換過(guò)程。


  反應(yīng)一直被一起討論。特別是,在經(jīng)典的金屬絡(luò)合物體系中,酸酐與金屬中心的配位和開(kāi)環(huán)會(huì)生成具有類(lèi)似于金屬碳酸鹽的羰基端基的金屬羧酸鹽(Mn-OCOR)。這揭示了將酸酐、環(huán)氧化物和丙交酯的三元體系用于多嵌段共聚的可能性(圖1)。該體系的優(yōu)點(diǎn)在于,整個(gè)過(guò)程,包括引發(fā)步驟、活性物種的可逆轉(zhuǎn)變和鏈生長(zhǎng)都是原位發(fā)生的,避免了鏈轉(zhuǎn)移劑或助催化劑的參與,三次添加不同的酸酐即可以獲得分子量高達(dá)45.8 kDa五組分7嵌段共聚物。這種策略可以為選擇性聚合機(jī)制和序列明確的富氧多嵌段共聚物的合成開(kāi)辟一個(gè)簡(jiǎn)單的途徑。理論計(jì)算研究了由CO2和酸酐插入Mn-OR鍵生成Mn-OCOR活性種調(diào)節(jié)的LA 聚合的機(jī)制普遍性(圖2,這種機(jī)制理論上有潛力適用于其他類(lèi)酸酐單體,包括O-羧基環(huán)內(nèi)酸酐以及N-羧基環(huán)內(nèi)酸酐。


2. CO2和酸酐插入Mn-OR鍵形成的不同過(guò)渡態(tài)的優(yōu)化幾何TS結(jié)構(gòu)(距離以?為單位)和能量分解分析(kcal/mol)。


  該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃的共同資助支持。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.macromol.3c00154

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