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广东工业大学张震 Macromolecules:双金属接力催化的多组分聚合
2022-06-28  来源:高分子科技

  双金属接力催化反应是有机合成领域的一种新型反应模式,它利用金属与金属催化剂的接力催化策略,将多步反应在“一锅法”中实现,无需分离中间产物,能显著地提高反应效率,十分适合经不稳定中间体的反应。然而它需要维持每步反应中不同金属催化剂各自的催化活性,并确保不同金属具有良好的相容性,因此,双金属接力催化体系的设计难度较大。通常双金属接力催化反应只使用两组分,三组分或更多组分的双金属接力过程会增加反应的复杂性,对催化体系的设计和使用提出了极高的要求。另一方面,多组分聚合因为具有反应高效、原子经济性高、操作简单、产物结构多样化、环境友好等优点,成为制备复杂多功能聚合物的一种有效工具,逐渐发展成为高分子科学前沿的一个新兴领域。将双金属接力催化策略引入高分子合成领域,并探索新的多组分聚合模式对于合成具有新颖结构和特殊功能的先进聚合物材料具有重要意义。


  近期,广东工业大学张震副教授研究小组连续报道了铜/铑双金属接力催化的多组分聚合反应(Macromolecules 202255, 643-651Macromolecules 2022, DOI: 10.1021/acs.macromol.2c01167)。研究发现,经由铑卡宾中间体的双金属接力催化的多组分聚合反应能简便制备结构新颖的聚磺酰烯胺(图1)。该聚合反应利用双炔、对甲苯磺酰叠氮和双亲核试剂,或者双磺酰基叠氮、(取代)苯乙炔和双亲核试剂作为单体,串联进行铜催化的炔基-叠氮点击化学反应和经由铑卡宾中间体的13-亲核插入反应,顺利合成了一系列新颖结构的聚磺酰烯胺,其磺酰烯胺基团位于侧链或主链。多组分小分子模板反应验证了该双金属接力催化体系切实可行。经过条件优化,一系列双醇、双酚、双羧酸类亲核试剂都适用于该双金属接力催化的多组分聚合反应,合成的聚磺酰烯胺的绝对分子量(Mw,MALLS高达264.7 kDa,且所合成的聚磺酰烯胺都具有大的Stokes位移,且由于共轭基团影响使得其发射的荧光波长在482-535nm间可调。此外,聚磺酰烯胺带有的大量磺酰仲胺基团可以引发氮杂环丙烷的阴离子开环聚合,以“grafting from”接枝方法制备刷状聚合物。


 图1. 双金属接力催化合成聚磺酰烯胺路线示意图及反应机理


  共轭聚合物因其在光电领域的广泛应用而备受关注。其中,带有咪唑结构的共轭聚合物具有酸碱反应、金属配位等特殊性质。传统上,共轭聚咪唑的合成采用过渡金属催化的二卤代咪唑偶联聚合反应,所合成的聚合物结构种类有限,且难以制备高分子量聚合物。近日,双金属接力催化的多组分聚合策略成功用于了合成交叉共轭聚咪唑类型高分子(图2)。在该聚合反应中,铜首先催化双炔基化合物和磺酰叠氮化合物进行“点击化学”反应生成双(三氮唑),随后双(三氮唑)中间体在铑催化下开环生成铑卡宾中间体,铑卡宾中间体继而与双氰基化合物进行周环反应生成磺酰咪唑结构。该方法规避了合成复杂的芳香杂环单体;制备的一系列共轭聚咪唑结构新颖、分子量高(Mw,MALLS高达375.8 kDa);并且仅通过改变氰基和炔基化合物的结构就可以简便调节聚合物的主链结构,从而调节聚合物的发光性能(图3)。


 图2. 双金属接力催化合成聚咪唑类型共轭聚合物


 图3. 合成的聚咪唑的荧光发射光谱图示例及其CIE色度图


  以上工作的第一作者为广东工业大学轻工化工学院2019级硕士生王莹同学,文章通讯作者为广东工业大学轻工化工学院张震副教授。本工作感谢广东省自然科学基金、聚合物成型加工工程教育部重点实验室(华南理工大学)开放课题及广东工业大学“青年百人”等项目的大力支持。


  文章信息:

  1.Wang, Y.; Zhang, Z.* Multicomponent Synthesis of Imidazole-Based Cross-Conjugated Polymers via Bimetallic Cu(I)/Rh(II) Relay Catalysis. Macromolecules, 2022, DOI: 10.1021/acs.macromol.2c01167.

  2.Wang, Y.; Zhu, L.; Chen, W.; Zhou, Z.; Zhang, Z.*; Hadjichristidis, N. Bimetallic Cu(I)/Rh(II) Relay Catalysis for Multicomponent Polymerization through Carbene Intermediates. Macromolecules, 2022, 55, 643–651.


  原文链接:

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.1c02130

  https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c01167

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(责任编辑:xu)
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