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浙江大學(xué)張興宏/張成建團(tuán)隊 Nat. Commun.:合成結(jié)構(gòu)明確的可化學(xué)回收聚硫酯
2025-03-01  來源:高分子科技

  硫酯鍵是一類重要的有機(jī)基團(tuán),在生物系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。聚硫酯憑借其獨特的性能,在響應(yīng)材料、生物醫(yī)用材料和可降解材料等方面有廣泛的應(yīng)用前景。然而,目前合成聚硫酯的方法主要依賴于二羧酸和二硫醇的縮聚反應(yīng),所用的硫醇劇毒且惡臭,還會產(chǎn)生廢水和廢酸等。另一種較為通用的方法是利用硫代環(huán)內(nèi)酯的開環(huán)聚合,然而硫代環(huán)內(nèi)酯的合成繁瑣,單體種類還較少,聚合物結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控受限。


  近期,浙江大學(xué)張成建研究員和張興宏教授在《Nature. communications》上發(fā)表了題為Precise placement of thioester bonds into sequence-controlled polymers containing ABAC-type units的文章。該工作以單硫代環(huán)狀酸酐、二丙烯酸酯和二醇/二胺為單體,一步聚合得到了高分子量的結(jié)構(gòu)明確的聚硫酯(圖1單體原料來源廣泛,聚合反應(yīng)無需催化劑、或使用有機(jī)催化劑,反應(yīng)條件溫和,迅速高效,是原子經(jīng)濟(jì)性的聚合反應(yīng)。該方法實現(xiàn)了多種單硫代環(huán)狀酸酐,二丙烯酸酯,二醇/二胺的逐步聚合,得到了多種不同結(jié)構(gòu)、不同性能的聚合物,產(chǎn)物分子量最高可達(dá)17萬。


1. 聚硫酯的合成新方法及與巰基縮聚、開環(huán)聚合方法的對比。


  由于產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的多樣性,這些聚合物表現(xiàn)出了廣泛可調(diào)的性能。首先,這些聚合物表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性,長碳鏈的聚合物熱分解溫度均大于300 °C(圖2a)。同時,含有長碳鏈或草酰胺基團(tuán)的聚合物是半結(jié)晶的(圖2c)。其中,長碳鏈的聚合物結(jié)構(gòu)類似線形聚乙烯,鏈內(nèi)含有較低密度的硫酯鍵和酯鍵,推測因碳鏈的規(guī)整排列導(dǎo)致結(jié)晶。而含有草酰胺基團(tuán)的聚合物則存在氫鍵,推測由氫鍵誘導(dǎo)結(jié)晶。它們的熔點在43 ~ 98 °C間可調(diào)但拉伸強(qiáng)度最高為25 MPa斷裂伸長率僅為34%,與商用聚乙烯尚有差距。同時,由于鏈內(nèi)存在可降解的酯鍵和硫酯鍵,這些聚合物可通過簡單的醇解進(jìn)行化學(xué)回收(圖2d)。


2. 以二醇為原料的聚合物的性能及其回收。


  該工作以二胺為單體,與硫代環(huán)狀酸酐、二丙烯酸酯發(fā)生逐步聚合反應(yīng),得到了系列鏈間有大量氫鍵相互作用的聚合物,由此提高了熱性能和力學(xué)性能,最高的熔點達(dá)133 ,超過高密度聚乙烯(圖3c。而其他由柔性鏈或大空間位阻的二胺合成的聚合物為無定形態(tài),由于鏈內(nèi)存在可作為物理交聯(lián)點的氫鍵,一些無定形聚合物表現(xiàn)為熱塑性彈性體(圖3b當(dāng)采用含氧或硅等雜原子二胺時,則可分別得到力學(xué)性能可媲美高密度聚乙烯的熱塑性塑料以及彈性回復(fù)率高達(dá)99%的熱塑性彈性體(圖3d)。


3. 以二胺為原料合成得到的系列聚合物及性能。


  綜上,該工作發(fā)展了一種簡單通用的合成方法,得到了多種結(jié)構(gòu)明確的新型聚硫酯材料,單體原料來源廣泛,合成方法簡單,產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性能豐富,具有化學(xué)可回收性,也為合成可循環(huán)聚合物的合成提供了新思路。


  此項工作由第一作者夏燕妮完成,通訊作者分別為張成建研究員和張興宏教授。作者感謝國家自然科學(xué)基金委青年學(xué)生基金、面上項目等的資助以及生物基運(yùn)輸燃料技術(shù)全國重點實驗室的支持。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-57208-8

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