微波辅助共轭聚合物合成的条件优化及机理研究

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微波作为一种能量提供方式,被广泛应用于有机化学、聚合物化学、杂环化学、材料科学、生物化学、医药化学、纳米技术、组合化学以及绿色化学等方面,其主要特征是大幅度加速反应,缩短反应时间。微波加速化学反应基于微波介电加热效应。这种现象由已知频率和温度下,材料吸收微波能量并将其转变为热的能力(损耗因子tan)决定。微波中的电场部分通过偶极极化和离子导电两种加热机理与材料分子直接发生相互作用,从而产生热。微波加热不但可以有效地减少反应时间,而且可以提高反应的产率、减少副反应、抑制热分解、减小环境污染、提高反应重复性等。早期由于缺少有效的参数控制系统,微波辅助合成存在可控性及重复性差的问题。近年来随着在微波领域研究的深入及研制出专业的微波合成仪,微波合成技术有了突飞猛进的发展。共轭聚合物因其在有机发光二极管、太阳能电池和有机场效应晶体管等方面具有潜在应用而备受关注。共轭聚合物的质量,包括分子量以及结构缺陷,强烈的影响其光电性能。通常使用金属催化偶联反应制备共轭聚合物,但在常规供热方式下,聚合反应大多需要在较高温、较长时间情况下完成。在这样的反应环境下,实现高质量共轭聚合物的可控合成是一种挑战。采用微波加热技术是近些年发展起来的共轭聚合物合成的新方法,国际上已有一些研究组开展了这方面的工作,取得了一些重要的进展。但微波聚合不同于常规聚合,不同反应的最佳反应条件可能相差较大。因此,对共轭聚合物合成中的微波反应条件进行系统的研究具有重要的指导意义。基于微波技术在有机合成中的诸多优点及巨大潜力,结合共轭聚合物合成中亟待解决的关键问题。本论文以微波为热源,经典的蓝光聚合物—聚芴为研究对象,重点开展了以下几方面研究:首先,在微波辅助条件下,仔细的研究了Suzuki聚合反应。通过对反应过程中的仪器参数(微波反应模式、微波功率、反应温度和反应时间)以及反应体系内部参数(溶剂种类、催化剂种类及其浓度、反应原料之间的投料比和氧气)的调节,最终得出聚合反应的最佳条件(Coupling SPS模式,150W,130°C,14min,以THF为有机溶剂,1mol%的PdCl2(dppf)为催化剂)。与常规热聚合相比,聚合物分子量有了近一倍的提高,且反应时间缩短了两个数量级。在调节过程中发现,选择恰当的反应模式至关重要。通过GPC、核磁、红外等手段分析了聚合物材料的分子量及结构,发现精确的控制仪器参数可以保证聚合物具有较为精确的结构。过高的微波功率、反应温度以及较长的反应时间均会导致不溶凝胶的生成。对微波促进Suzuki聚合反应的机理进行了推测,通过微波热效应中的几点因素,微波强烈的加速Suzuki聚合反应中的慢反应步骤。研究微波辅助Yamamoto聚合反应时发现,与常规热聚合相比,在缩短了聚合时间的同时,省去了聚合前对催化剂的活化过程,在很大程度上提高了合成的效率。根据反应条件设置的不同,反应模式可能改变其自身的加热方式,且无论Yamamoto聚合反应条件多剧烈,都无不溶的凝胶生成。随后,对微波辅助Suzuki聚合反应中出现的不溶凝胶进行了研究。经过元素分析及XPS测试,确定了不溶凝胶仅由C、H、O三种元素组成。对热性质方面进行测试后发现,不溶凝胶具有极高的热分解温度(730°C),且在25°C~300°C之内没有观察到玻璃化转变温度。从红外光谱中观察到了羟基、芴酮、C-O-C结构的特征峰。结合各测试结果,猜测微波条件过于剧烈时,H2O可能参加Suzuki聚合反应。最后,利用微波合成技术,研究了非富电体系的FeCl3辅助氧化偶联聚合。对微波功率、反应温度、反应时间、溶剂种类、溶剂体积及单体浓度等方面因素进行了调节,最佳的反应条件为20W,50°C,25min,以4mLCHCl3为溶剂,单体浓度为0.05M。与前两种聚合反应相比,使用廉价催化剂的同时节省了合成单体所需的时间。通过GPC测试证明,获得聚合物的数均分子量最高可达63K,且XPS测试中未检测到Fe元素的存在。研究过程中发现,使用微波、选择恰当的溶剂体积对于获得高分子量、窄分子量分布的聚合物至关重要,且FeCl3必须以固体形式存在时,聚合才能发生。
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