特定位点功能化二氧化碳共聚物的可控合成

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二氧化碳/环氧化物共聚物具有可降解的优势,是解决环境污染、化石原料巨量消耗等问题的有效途径。自1969年日本的Inoue教授发现二氧化碳与环氧化物可以发生共聚合反应生成聚碳酸酯后,历经50余年的发展,包括催化剂结构优化、环氧单体种类扩展、聚合条件改善等方面在内的合成方法学已被广泛研究,随着合成技术的不断优化,二氧化碳共聚物产品正逐步走向国民生活。但是,受亲水性差等固有性质的影响,二氧化碳基共聚物的应用领域尚且十分局限。此外,在对材料性能高需求的今天,将材料变得“智能”已然成为现今研究的热点。随着学科交叉的深入,越来越多的有关二氧化碳聚合物的改性方法被报道。总体来看,其改性多为更换环氧化物种类、修饰侧基的方法,虽然赋予了二氧化碳基聚合物更多更优异的性质,但也在一定程度上损失了聚合物的固有性质。相比之下,关于对聚合物进行链端或链中进行特定位点修饰方案的研究仍显不足,而此方法将极大程度地保留二氧化碳聚合物的原有特征,是聚合物功能化的重要途径。本研究利用二氧化碳/环氧化物共聚反应中活性种与休眠种之间可进行快速转化的“不死聚合”特征,设计合成了一系列结构可控的特定位点功能化二氧化碳基共聚物。本研究所取得的主要成果如下:1.共轭聚电解质在发光二极管、太阳能电池方面应用广泛,但是由碳-碳偶联的聚合方式制备的共轭聚电解质分子量不能得以有效调控,使得其分子量与性能间的关系尚不明确。因此,为解决这一问题,我们提出了合成分子量可调且具有荧光特性聚电解质的新策略:即将二氧化碳不死聚合与AIE技术相结合。一方面不死聚合为合成分子量可控且结构明确二氧化碳/环氧化物共聚物提供理论基础,另一方面聚合物端基TPE的引入赋予了聚电解质荧光特性。此种具有AIE特性的聚电解质通过用于Zn2+检测,建立了聚电解质结构和性能关系,将聚电解质的自聚装行为可视化。结果表明,聚电解质自组装行为与其分子量息息相关,当聚合物主链分子量小于6000 g mol-1时,纳米颗粒因Zn2+渗入颗粒内部空隙而收缩;若骨架分子量大于7000 g mol-1,两个或更多纳米颗粒在Zn2+的作用下更倾向于互相结合。本工作的方法不仅可拓展CO2共聚物的应用范围且为提升材料在检测或其他领域的性能提供了一种可行方案。2.在不死聚合体系中加入功能化链转移剂是制备特定位点功能化聚合物的主要方式,但一些溶解性较差或具有化学惰性的链转移剂容易导致聚合失控或终止反应。为此我们提出链转移催化剂(CTC)的设计策略:将催化剂与链转移剂结合在一个分子中,在CTC发挥其催化功能时,也同步激活链转移反应。本研究利用单官能CTCOH合成了分子量为1000至16800 g mol-1的PO/CO2共聚物,验证了链转移催化剂的设计理念。紧接着,从聚合物应用的角度出发,将聚合单体种类扩展,制备得到侧基含双键的卟啉功能化PVCHC,其可通过“点击”化学对产物进行侧基后修饰。针对此新型催化剂,提出了一种链间动态网络的链转移机理。以链转移催化剂制备特定位点功能化聚合物的策略巧妙地将功能基团与材料本身的优势结合起来,拓展了卟啉与聚碳酸酯的应用范围。3.三嵌段聚合物可将不同种类链段的优势结合起来从而展现出更加独特的优异性能,但是在一个反应体系中只通过一种催化剂实现多种单体的顺序插入尚存在困难。因此,本研究利用机理转换聚合原理,以于聚合物端基引入SalenCo催化剂的方法可控合成聚酯-聚碳酸酯-聚丙烯酸甲酯三嵌段共聚物。首先采用SalenCo(Ⅲ)Cl/DBU双组元催化体系利用PA与CO2插入速率的不同实现单体的顺序插入从而制得聚酯-聚碳酸酯二嵌段共聚物;然后于体系内充入CO生成Co-C键将SalenCo催化剂固定于聚合物链端,并以此功能化的聚合物催化丙烯酸甲酯聚合为聚合物增加聚丙烯酸酯段。此方法具有操作简单且对产物结构调控灵活多样的优势。总而言之,本研究丰富了 CO2基共聚物的物理及化学性质,对特定位点功能化聚合物的设计具有一定的启示作用。
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