可切換聚合:是利用不同聚合反應(yīng)單體在不同反應(yīng)條件下的活性差異,并在同一催化劑的作用下,直接構(gòu)筑序列可調(diào)控高分子材料的聚合方法。這種方法,避免了聚合物分離、純化或后修飾等諸多繁瑣步驟,在熱塑性彈性體、硬質(zhì)塑料、形狀記憶材料的高效制備領(lǐng)域顯示出了極具潛力的應(yīng)用前景。 目前,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種金屬和無(wú)金屬催化劑并實(shí)現(xiàn)了從環(huán)氧化物/環(huán)狀酸酐、環(huán)氧化物/二氧化碳、環(huán)氧化物/內(nèi)酯、環(huán)氧化物/二氧化碳/環(huán)狀酸酐、環(huán)氧化物/二氧化碳/內(nèi)酯,以及環(huán)氧化物/環(huán)狀酸酐/內(nèi)酯等多種單體混合物中可控地制備各種富氧嵌段共聚物高分子材料。
盡管可切換聚合已取得了諸多進(jìn)展,但從環(huán)氧化物混合體系中特異性選擇結(jié)構(gòu)不同的環(huán)氧單體,進(jìn)而制備序列可控、性能各異的嵌段共聚物材料還未曾有過(guò)報(bào)道。造成這一問(wèn)題的困境在于:環(huán)氧化物盡管結(jié)構(gòu)不同,但其環(huán)張力卻非常相近(即:具有相似的反應(yīng)活性),導(dǎo)致難以從環(huán)氧化物混合體系中特異性識(shí)別單一聚合單體,生成無(wú)規(guī)共聚物高分子材料。
近日,浙江大學(xué)高分子系伍廣朋、楊貫文團(tuán)隊(duì)利用他們近年開(kāi)發(fā)的雙功能有機(jī)硼氮催化劑,利用環(huán)氧單體在不同氣氛下(二氧化碳/氮?dú)猓┑拇呋匦裕瑢?shí)現(xiàn)了環(huán)氧化物混合體系下的精準(zhǔn)聚合,得到了系列序列可控的富氧型嵌段聚合物高分子材料。如:在惰性氣氛下,催化劑可專一性地開(kāi)環(huán)聚合環(huán)氧丙烷得到聚環(huán)氧丙烷(PPO),待環(huán)氧丙烷完全反應(yīng)完后,通過(guò)引入二氧化碳進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了環(huán)氧環(huán)己烷/二氧化碳的共聚生成聚環(huán)己烯碳酸酯(PCHC)嵌段,從而高效制備了PPO-b-PCHC嵌段共聚物材料(圖 1)。
圖 1. 在有機(jī)硼氮催化劑作用下,以二氧化碳/氮?dú)鉃榍袚Q響應(yīng)條件,選擇性聚合特定環(huán)氧化物,制備序列可控的聚醚/聚碳酸酯嵌段共聚物。
MALDI-TOF結(jié)果顯示,催化劑在環(huán)氧環(huán)己烷存在下,可以專一性地生成不含任何環(huán)氧環(huán)己烷序列的聚環(huán)氧丙烷鏈段。核磁氫譜、DOSY譜圖和凝膠滲透色譜(GPC)證明PPO-b-PCHC嵌段共聚物的高效構(gòu)筑結(jié)果(圖2)。
圖 2. (A) 核磁監(jiān)控聚合反應(yīng)過(guò)程;(B) 不同反應(yīng)時(shí)間得到的聚合物GPC譜圖;(C) 嵌段聚合物的DOSY譜圖。
除此之外,作者還發(fā)現(xiàn),通過(guò)控制二氧化碳引入的時(shí)機(jī),PPO/PCHC的嵌段共聚物還可以相反的順序合成。在二氧化碳存在下,催化劑更傾向于催化二氧化碳與環(huán)氧環(huán)己烷的共聚生成PCHC;切換氣氛為氮?dú)猓呋瘎﹦t選擇性催化環(huán)氧丙烷生成PPO。通過(guò)二氧化碳/氮?dú)鈿夥盏暮?jiǎn)單切換,作者實(shí)現(xiàn)了PPO/PCHC多嵌段聚合物的成功構(gòu)建(圖 3)。
圖 3. (A) 原位紅外檢測(cè)PPO/PCHC的生成;(B) 不同反應(yīng)時(shí)間獲得聚合物的GPC圖。
圖4. 有機(jī)硼氮催化劑選擇性聚合PO/CHO的機(jī)理推導(dǎo)。
最后,作者將此催化策略應(yīng)用于不同端位環(huán)氧化物/內(nèi)環(huán)氧化物的組合,成功制備了多種聚醚/聚碳酸酯嵌段共聚物。此外,作者還用環(huán)狀酸酐代替了二氧化碳制備了系列聚醚-聚酯嵌段共聚物(圖5),實(shí)現(xiàn)了有機(jī)硼氮催化體系和可切換催化策略的普適性研究。這一方法為精確合成含氧共聚物提供了一種簡(jiǎn)便方法,為制備具有高附加值的富氧材料提供了新的研究思路。
圖5. 利用有機(jī)硼催化劑從不同環(huán)氧化物混合物中制備序列可控的富氧嵌段共聚物。
論文信息和鏈接:
Sequence-Reversible Construction of Oxygen-Rich Block Copolymers from Epoxide Mixtures by Organoboron Catalysts, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144 (43), 19896–19909.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c07857
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