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GTRP的帽子戲法 - 上海交大朱晨教授 Angew:通過(guò)官能團(tuán)遷移自由基聚合制備可降解和序列可控的脂肪族聚砜
2025-02-07  來(lái)源:高分子科技

  利用乙烯基單體通過(guò)自由基聚合是目前制備聚烯烴材料的一種有效途徑。通過(guò)簡(jiǎn)單的側(cè)基改變即可獲得性能滿足實(shí)際應(yīng)用需求的多類產(chǎn)品。然而,全碳鏈結(jié)構(gòu)使得聚烯烴材料不僅面臨難降解困難的環(huán)保壓力,同時(shí)也進(jìn)一步阻礙其功能化的應(yīng)用。雜原子尤其是硫元素,引入聚合物主鏈可形成含硫聚合物,例如聚砜。此類聚合物的特點(diǎn)是可降解,具有制造光刻膠、高折射率樹(shù)脂和緩釋材料的潛力。


  各類烯烴與SO2共聚是一直以來(lái)制備脂肪族聚砜最為常用的方法。然而,受天花板溫度Tc(超過(guò)該溫度發(fā)生解聚)的影響,烯烴SO2共聚多在低溫(< -40 ℃)下進(jìn)行。SO2的腐蝕性也對(duì)聚合設(shè)備提出了更高的要求。此外,不同類型烯烴立體電子效應(yīng)的差異有時(shí)會(huì)導(dǎo)致交替序列不可控,例如苯乙烯/SO2共聚體系。由于缺乏極性官能團(tuán),此類脂肪族聚砜在常見(jiàn)有機(jī)溶劑中的溶解度很差,進(jìn)而阻礙鏈增長(zhǎng)過(guò)程并最終得到低分子量和寬分布的聚合物。環(huán)狀乙烯基砜(CVS)作為一種單體,可通過(guò)無(wú)SO2策略制備脂肪族聚砜。然而,此類聚砜仍存在溶解性差、序列不可控、分子量低和主鏈新生成C=C導(dǎo)致耐熱性差等缺點(diǎn)。因此,合成序列可控的高分子量脂肪族聚砜仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。


  針對(duì)以上問(wèn)題,上海交通大學(xué)朱晨教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種含遷移基團(tuán)的烯基砜單體,利用砜自由基介導(dǎo)的基團(tuán)轉(zhuǎn)移自由基聚合(GTRP)方法成功制備了一系列序列可控的高分子量脂肪族聚砜。這種新型聚合物的折射率和阿貝數(shù)與市售聚碳酸酯 PC) 相當(dāng),并且可以在強(qiáng)堿性條件下完全降解。相關(guān)成果以“Preparation of Degradable and Sequence-Controlled Aliphatic Polysulfones by Group Transfer Radical Polymerization”為題發(fā)表在期刊Angewandte Chemie International Edition


1 砜自由基介導(dǎo)的GTRP方法制備脂肪族聚砜


  烯基砜單體在BEt3/TBPB的引發(fā)下表現(xiàn)出高的轉(zhuǎn)化率。1H NMR、13C NMR、COSY、HSQCHMBC等確定了脂肪族聚砜的主鏈結(jié)構(gòu),證明了聚合機(jī)理為砜自由基介導(dǎo)的GTRP過(guò)程。同時(shí),Maldi-TOF表明乙基自由基和苯基自由基為鏈引發(fā)自由基。底物拓展部分表明苯并噻唑、苯并噁唑、1-甲基苯并咪唑、嘧啶、呋喃、苯并呋喃和炔基等基團(tuán)可通過(guò)1,41,5遷移模式得到序列可控的脂肪族聚砜。其中,部分高活性的單體(M3、M6M9)所得聚合物的數(shù)均分子量可超過(guò)10萬(wàn)。


 不同遷移基團(tuán)在1,41,5遷移模式下制備脂肪族聚砜


  為了更深入地了解砜自由基介導(dǎo)的GTRP過(guò)程,作者對(duì)聚合機(jī)理進(jìn)行DFT計(jì)算。結(jié)果表明該過(guò)程是一個(gè)吉布斯自由能顯著下降的過(guò)程,在熱力學(xué)上更為有利。相反,砜自由基脫除SO2作為可能的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)途徑則在熱力學(xué)上是不利的。單一途徑的聚合機(jī)理再次證明聚合物結(jié)構(gòu)序列可控。


3 砜自由基介導(dǎo)的GTRP過(guò)程的DFT計(jì)算


  最后,作者對(duì)P1的光學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其折射率和阿貝數(shù)與商用聚碳酸酯Panlite® SP-3810相當(dāng)。更為重要的是在室溫下,該類聚合物可在強(qiáng)堿存在條件下完全降解。


4 脂肪族聚砜性能測(cè)試


  綜上所述,朱晨團(tuán)隊(duì)利用含遷移基團(tuán)的烯基砜單體通過(guò)GTRP策略開(kāi)發(fā)了一種合成脂肪族聚砜的實(shí)用方法。該方法可以制備一系列ABC序列的高分子量脂肪族多聚砜。DFT計(jì)算表明不脫砜的Smiles重排在GTRP過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。所得的脂肪族聚砜表現(xiàn)出與市售聚碳酸酯相當(dāng)?shù)恼凵渎屎桶⒇悢?shù),并在室溫的強(qiáng)堿性條件下完全可降解。


  上海交通大學(xué)朱晨教授論文通訊作者。上海交通大學(xué)博士研究生高可雄、博士后王先津、中科院上海有機(jī)所博士后吳桐坤為論文共同第一作者。中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所簡(jiǎn)忠保教授提供了P1阿貝數(shù)和折射率的測(cè)試數(shù)據(jù)。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(22171201、2237118522401184)、中央高;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(23X01030159924X010301678)、上海市學(xué)術(shù)/科技學(xué)科帶頭人計(jì)劃(23XD1421900)的支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202500153

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