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蘇州大學(xué)郎建平教授團(tuán)隊(duì) JACS:配位聚合物單晶平臺(tái)中光控高分子聚合反應(yīng)、測(cè)定高聚物的單晶結(jié)構(gòu)、奇妙的光致機(jī)械運(yùn)動(dòng)
2024-09-04  來(lái)源:高分子科技

  眾所周知,通過(guò)常規(guī)溶液反應(yīng)很難制備高分子聚合物的單晶并測(cè)定其單晶結(jié)構(gòu)。然而,在配位聚合物單晶平臺(tái)內(nèi)則可能利用烯烴分子間特定排列引發(fā)光化學(xué)高分子聚合反應(yīng)來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。目前,在已知的少數(shù)幾種固態(tài)反應(yīng)中,烯烴[2 + 2]光環(huán)加成反應(yīng)被廣泛研究。根據(jù)Schmidt規(guī)則,相鄰的烯烴鍵平行排列,且距離小于4.2 ?,即可能在固態(tài)下發(fā)生[2 + 2]光化學(xué)環(huán)加成反應(yīng)。通過(guò)氫鍵、π-π 相互作用、配位鍵等弱分子間作用力實(shí)現(xiàn)烯烴分子間特定排列來(lái)發(fā)生[2 + 2]光化學(xué)環(huán)加成反應(yīng)已有不少報(bào)道,但發(fā)生光化學(xué)高分子聚合反應(yīng)比較罕見(jiàn)。多烯烴分子由于其復(fù)雜多變的排列方式,通過(guò)[2 + 2]光環(huán)加成反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)烯烴光化學(xué)聚合反應(yīng)顯得極其挑戰(zhàn)性。



  日前,蘇州大學(xué)的郎建平教授團(tuán)隊(duì)與其合作者報(bào)道了在三烯配位聚合物單晶平臺(tái)上分步光二聚引發(fā)的光化學(xué)聚合反應(yīng)形成一維高分子聚合物鏈,并測(cè)定了其單晶結(jié)構(gòu),在該聚合反應(yīng)過(guò)程同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了其單晶和薄膜具有十分有趣的光致機(jī)械運(yùn)動(dòng)。該研究以題為Photodimerization-Triggered Photopolymerization of Triene Coordination Polymers Enables Macroscopic Photomechanical Movements的論文發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. (2024DOI: 10.1021/jacs.4c07453)。蘇州大學(xué)曹晨為論文第一作者,蘇州大學(xué)郎建平教授/葛宇博士、淮陰師范學(xué)院劉東教授為論文共同通訊作者,該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。


  首先,研究人員制備了兩種三烯配位聚合物12,測(cè)定了它們的單晶結(jié)構(gòu),其中化合物1的結(jié)構(gòu)中相互平行的烯烴雙鍵的間距分別為3.620 ?4.486 (1和圖2)。然后,在420 nm光照射下,化合物1中每對(duì)符合Schmidt規(guī)則間距為3.620 ?的烯鍵間發(fā)生了[2 + 2]光化學(xué)環(huán)加成反應(yīng)(2a),通過(guò)單晶到單晶的轉(zhuǎn)變,將該配位聚合物結(jié)構(gòu)中兩個(gè)相鄰的一維Z形鏈連接成一維階梯狀鏈1a。在11a的光二聚反應(yīng)過(guò)程中,最初相距較遠(yuǎn)且不符合Schmidt規(guī)則的烯鍵間距離(4.486 ?)被拉近至3.567 ?,從而滿(mǎn)足后續(xù)[2 + 2]光環(huán)加成反應(yīng)的要求(3)。在進(jìn)一步的光刺激下,1a中相鄰烯烴配體經(jīng)歷了基于[2 + 2]光環(huán)加成的單晶到單晶的光化學(xué)聚合反應(yīng),并轉(zhuǎn)化為一維高分子聚合物(poly-otpdpvdcbp(2a),這些產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)均通過(guò)單晶X-射線(xiàn)衍射確定的。化合物2在紫外光照射下顯示出類(lèi)似的結(jié)構(gòu)變化(2b)。最后,化合物12的單晶在不同波長(zhǎng)光照下均可發(fā)生彎曲、跳躍、開(kāi)裂和移動(dòng)等光致機(jī)械運(yùn)動(dòng)。1和聚乙烯醇制備的復(fù)合薄膜(1-PVA)展示出有趣的光波長(zhǎng)依賴(lài)性的光致機(jī)械運(yùn)動(dòng)(4),甚至可在液體表面上實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)游泳行為(5)。這項(xiàng)工作提供了一種通過(guò)調(diào)控使引入配位聚合物單晶平臺(tái)中的光惰性烯烴能夠進(jìn)行光二聚反應(yīng)的有用方法,開(kāi)辟了一條利用烯烴配位聚合物單晶平臺(tái)合成并確定高分子聚合物單晶結(jié)構(gòu)的新途徑,同時(shí)也為開(kāi)發(fā)智能的光致機(jī)械復(fù)合薄膜器件打下了基礎(chǔ)。


1. 在配位聚合物單晶平臺(tái)中相鄰三烯分子通過(guò)分步[2+2]光環(huán)加成的光二聚觸發(fā)的光聚合反應(yīng)的示意圖。


2. 在化合物(a)(b)結(jié)構(gòu)中,通過(guò)[2 + 2]光環(huán)加成引發(fā)光聚合反應(yīng)過(guò)程。


3.化合物1中光活性烯鍵的[2 + 2]光環(huán)加成反應(yīng)誘導(dǎo)的初始光惰性烯鍵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的示意圖。


4. 1-PVA 在不同波長(zhǎng)的光照下的光致機(jī)械運(yùn)動(dòng):(a) 365 nm; (b) 385 nm; (c) 420 nm; (d) 450 nm光。


5. 復(fù)合薄膜1-PVA365 nm紫外光照下于丙酮液體表面“游泳”行為。


  總之,上述工作是在郎建平教授近期提出的配位聚合物單晶平臺(tái)(Chem. Soc. Rev.2024, 53, 5227-5263)的理念基礎(chǔ)上合成1D高分子聚合物并測(cè)定其單晶結(jié)構(gòu)的又一研究進(jìn)展。高分子聚合物的難結(jié)晶性往往給其結(jié)構(gòu)研究帶來(lái)極大困擾,為此該團(tuán)隊(duì)在幾年前發(fā)展了基于配位聚合物單晶平臺(tái)通過(guò)[2+2]環(huán)加成反應(yīng)的光化學(xué)高分子聚合方法,研究了配位聚合物結(jié)構(gòu)中烯烴分子對(duì)的排列構(gòu)型對(duì)合成1D高分子聚合物的影響,探索了高聚物在配位聚合物單晶平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式與轉(zhuǎn)化規(guī)律。在過(guò)去的幾年中,該團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了一系列多烯烴配位聚合物單晶平臺(tái)來(lái)精確合成1D高聚物鏈(Sci. China Chem. 2022651867-1872;Angew. Chem. Int. Ed. 202362e202302429)。這些配位聚合物單晶平臺(tái)不僅提供了合成一維高分子聚合物的新方法,而且展示了基于光化學(xué)聚合反應(yīng)將配位聚合物的微小晶格膨脹或收縮放大為宏觀(guān)光致機(jī)械運(yùn)動(dòng),為推動(dòng)配位聚合物光致驅(qū)動(dòng)器在微機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向(Angew. Chem. Int. Ed. 202362e202302429202463,e202409472)。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c07453

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