借鑒光合作用并結(jié)合傳統(tǒng)RAFT聚合的光致電荷/能量轉(zhuǎn)移-可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移(PET-RAFT)聚合技術(shù),因其能耗低,反應(yīng)條件溫和以及組分、時空和序列可控等優(yōu)勢而獲得廣泛關(guān)注。然而,PET-RAFT光催化劑受限于種類較少、價格昂貴,如果不能在聚合后將其分離出來再次使用,會導(dǎo)致實驗成本偏高;另外,如何實現(xiàn)多種外界刺激響應(yīng),得到結(jié)構(gòu)序列精準(zhǔn)調(diào)控的聚合物是目前PET-RAFT聚合領(lǐng)域亟待解決的問題。
針對這些問題,武漢大學(xué)蔡韜副研究員課題組引入新型聚合物復(fù)合催化劑載體,通過對聚合物分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計和表面光催化劑負載,成功實現(xiàn)了PET-RAFT聚合在多重外部刺激開關(guān)下的邏輯控制。該團隊以Fe3O4@aSiO2 Janus納米粒子為模板接枝光催化劑卟啉鋅(ZnTPP),該Janus粒子的幾何結(jié)構(gòu)對光催化效果有促進,同時復(fù)合催化劑可通過外部磁鐵吸附分離出聚合體系,輕松實現(xiàn)對光和磁的雙重外部刺激響應(yīng)的PET-RAFT聚合。之后,該團隊還設(shè)計合成了hPGM-ZnTPP空心納米粒子,載體中引入的聚甲基丙烯酸使得溶液 pH 值對聚合反應(yīng)具有調(diào)節(jié)作用:處于堿性環(huán)境時,聚合速率比在酸性或中性環(huán)境時更快。研究發(fā)現(xiàn),納米級聚合物載體在各種溶液中的優(yōu)異分散性,可以讓水溶性差的光催化劑實現(xiàn)在水中的多相催化。另外,載體的使用不僅可以減少聚合產(chǎn)物的污染,還可以通過離心重復(fù)回收實現(xiàn)循環(huán)利用,實驗發(fā)現(xiàn)復(fù)合光催化劑在多次重復(fù)使用后依然保持著良好的催化活性。
圖1. (a)在磁場下聚合反應(yīng)的時間控制;(b)不同溶液pH下的表觀聚合速率常數(shù)。(Reprinted with permission from Macromolecules, 2018, 51, 7974). Copyright (2018) American Chemical Society.
在前期工作基礎(chǔ)上,該團隊進一步研究了聚合物載體的性質(zhì)對聚合速率多重環(huán)境響應(yīng)性的影響。近期,通過金屬配位作用將順-雙(2,2''-聯(lián)吡啶)二氯化釕(Ru(bpy)2Cl2)絡(luò)合到帶聯(lián)吡啶單元的聚合物載體上,得到的hHPGE-PFPPNRu納米粒子具有和商品化光催化劑Ru(bpy)3Cl2相似的催化活性,可作為PET-RAFT聚合的多相催化劑。
圖2. (a) hHPGE-PFPPNRu復(fù)合納米粒子的結(jié)構(gòu)示意圖;(b)表面結(jié)合金屬釕(Ⅱ)-聯(lián)吡啶的復(fù)合催化劑用于PET-RAFT聚合的原理圖。
這種方法的新穎之處在于首次實現(xiàn)了在光和溫度雙重外界刺激下調(diào)控活性/可控自由基聚合反應(yīng)。表面修飾了溫度響應(yīng)型聚合物聚(N-異丙基丙烯酰胺)后,其在最低共溶溫度(LCST)上下的形貌變化對PET-RAFT聚合速率有較大影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)光催化劑濃度分別為20ppm、5ppm和1ppm 時,40℃下反應(yīng)的表觀聚合速率常數(shù)(kap)值分別比25℃時增加了56%、62%和69%。這說明hHPGE-PFPPNRu納米粒子可以實現(xiàn)聚合過程中光源“開”/“關(guān)”和溫度“高于”/“低于”LCST兩種外界刺激的“AND”邏輯控制。這一系列工作為探索多重刺激響應(yīng)調(diào)控聚合的普適性方法提供了新思路。
圖3. 不同濃度hHPGE-PFPPNRu復(fù)合納米粒子在不同溫度下水相PET-RAFT聚合N,N-二甲基丙烯酰胺(DMA)的動力學(xué)分析。(a)不同反應(yīng)溫度和催化劑濃度下kap對比圖;(b)光源“開”/“關(guān)”和溫度“高于”/“低于”PNIPAM的LCST時的“AND”邏輯控制;(c) 四種物質(zhì)的紫外-可見吸收光譜圖;(d) hHPGE-PFPPNRu納米粒子在不同溫度下的動態(tài)激光散射圖
以上相關(guān)成果分別發(fā)表在Nanoscale (Nanoscale, 2019, 11, DOI: 10.1039/c9nr04664j; Nanoscale, 2018, 10, 19254), Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 6173)和Macromolecules (Macromolecules, 2018, 51, 7974)上。論文的第一作者為武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院碩士研究生黃婭,通訊作者為蔡韜副研究員,共同通訊作者為武漢大學(xué)李雪副研究員與華東理工大學(xué)張斌副教授。
論文鏈接:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nr/c9nr04664j
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/nr/c8nr05476b
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta00905a
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b01735
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