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通过合理的分子设计以及化学合成路线,我们合成出了侧链带手性液晶基元的聚乙炔。改变液晶基元与主链间的距离可以得到具有不同间隔基长度的聚合物PA3BPO5和PA9BPO5。我们详细考察了其本体的相行为及相结构。结果表明由于主链与侧链间的相互作用,PA3BPO5在低温时形成准长程有序的具有“受挫”分子排列特征的高级有序近晶相。而在升高温度时逐渐向近晶C相转变。对于PA9BPO5,由于主链和液晶基元间的距离较长,二者之间不能发生偶合作用,因此从低温到高温,样品依次进入了近晶E相,近晶B相以及近晶A相。同时我们发现,在主链的吸收区间(>300nm)并没有Cotton效应。这说明主链并没有受到侧链尾部手性碳原子的影响而形成螺旋构象。这可能是由于手性中心与主链的距离太远,不对称信息不能传递到主链所致。
为了使主链具有单一螺旋构象的聚乙炔,我们改进了分子结构,合成出了手性中心位于主链和侧链间隔基上的聚合物:聚[(R)-2-(4’-(戊氧基)联苯-4-氧基)丙基-4-乙炔基苯甲酸酯](P1)。CD光谱以及紫外光谱的实验结果表明,在手性中心的诱导下,聚合物主链上某一方向的螺旋构象占优。较大的侧基对稳定主链的单一螺旋构象十分有利。溶剂对于聚合物主链的构象有一定的影响:(1)相比于甲苯或者四氢呋喃,在氯仿中聚合物主链采取了一种较为伸展的构象;(2)在混合溶剂中,增加不良溶剂含量会导致激子偶合效应出现,通过激光光散射以及CD光谱强度对浓度依赖性的实验,我们发现激子偶合效应是由单个分子链间不同片段的相互作用产生的,而不是因为分子间发生了聚集而产生的。
进一步的研究发现,聚合物侧基刚性与体积的大小会对主链的螺旋方向产生很大的影响。固定侧链间隔基上的手性中心与主链的距离,我们改变了间隔基外的侧链基团R的刚性与体积,得到聚合物:聚[(R)-2-(4-(戊氧基)苯氧基)丙基_4-乙炔基苯甲酸酯](P4)和聚[(R)-2-(4-叔丁氧基苯氧基)丙基-4-乙炔基苯甲酸酯](P5)。在极性较小的溶剂中,R为联苯或对叔丁基苯的P1、P5与R为对戊氧基苯的P4采取了完全相反的主链螺旋构象。而对于侧基较小P4,可以通过改变溶剂的极性来调控聚乙炔主链的螺旋方向。我们认为,聚合物主链螺旋方向发生反转的机理是由侧基的体积和刚性大小来控制的。P4在不同溶剂中的螺旋反转可以由此机理来解释:即在极性溶剂中,由于溶剂分子与聚合物侧链上的某些极性官能团相互作用,增大了侧基的体积,从而导致螺旋反转现象的发生。
最后我们设计并合成了一系列主链与手性中心距离不同的聚乙炔。研究结果表明,随着主链与手心中心距离的逐渐增加,主链在CD光谱中的Cotton效应会逐渐减弱。同时,我们发现主链的螺旋方向不会因间隔基中碳原子数目的奇偶不同而有所反转。