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GTRP的帽子戲法 - 上海交大朱晨教授 Angew:通過官能團遷移自由基聚合制備可降解和序列可控的脂肪族聚砜
2025-02-07  來源:高分子科技

  利用乙烯基單體通過自由基聚合是目前制備聚烯烴材料的一種有效途徑。通過簡單的側基改變即可獲得性能滿足實際應用需求的多類產品。然而,全碳鏈結構使得聚烯烴材料不僅面臨難降解困難的環保壓力,同時也進一步阻礙其功能化的應用。雜原子尤其是硫元素,引入聚合物主鏈可形成含硫聚合物,例如聚砜。此類聚合物的特點是可降解,具有制造光刻膠、高折射率樹脂和緩釋材料的潛力。


  各類烯烴與SO2共聚是一直以來制備脂肪族聚砜最為常用的方法。然而,受天花板溫度Tc(超過該溫度發生解聚)的影響,烯烴SO2共聚多在低溫(< -40 ℃)下進行。SO2的腐蝕性也對聚合設備提出了更高的要求。此外,不同類型烯烴立體電子效應的差異有時會導致交替序列不可控,例如苯乙烯/SO2共聚體系。由于缺乏極性官能團,此類脂肪族聚砜在常見有機溶劑中的溶解度很差,進而阻礙鏈增長過程并最終得到低分子量和寬分布的聚合物。環狀乙烯基砜(CVS)作為一種單體,可通過無SO2策略制備脂肪族聚砜。然而,此類聚砜仍存在溶解性差、序列不可控、分子量低和主鏈新生成C=C導致耐熱性差等缺點。因此,合成序列可控的高分子量脂肪族聚砜仍然是一個艱巨的挑戰。


  針對以上問題,上海交通大學朱晨教授團隊設計了一種含遷移基團的烯基砜單體,利用砜自由基介導的基團轉移自由基聚合(GTRP)方法成功制備了一系列序列可控的高分子量脂肪族聚砜。這種新型聚合物的折射率和阿貝數與市售聚碳酸酯 PC) 相當,并且可以在強堿性條件下完全降解。相關成果以“Preparation of Degradable and Sequence-Controlled Aliphatic Polysulfones by Group Transfer Radical Polymerization”為題發表在期刊Angewandte Chemie International Edition


1 砜自由基介導的GTRP方法制備脂肪族聚砜


  烯基砜單體在BEt3/TBPB的引發下表現出高的轉化率。1H NMR13C NMRCOSYHSQCHMBC等確定了脂肪族聚砜的主鏈結構,證明了聚合機理為砜自由基介導的GTRP過程。同時,Maldi-TOF表明乙基自由基和苯基自由基為鏈引發自由基。底物拓展部分表明苯并噻唑、苯并噁唑、1-甲基苯并咪唑、嘧啶、呋喃、苯并呋喃和炔基等基團可通過1415遷移模式得到序列可控的脂肪族聚砜。其中,部分高活性的單體(M3M6M9)所得聚合物的數均分子量可超過10萬。


 不同遷移基團在1415遷移模式下制備脂肪族聚砜


  為了更深入地了解砜自由基介導的GTRP過程,作者對聚合機理進行DFT計算。結果表明該過程是一個吉布斯自由能顯著下降的過程,在熱力學上更為有利。相反,砜自由基脫除SO2作為可能的競爭反應途徑則在熱力學上是不利的。單一途徑的聚合機理再次證明聚合物結構序列可控。


3 砜自由基介導的GTRP過程的DFT計算


  最后,作者對P1的光學性能進行測試,發現其折射率和阿貝數與商用聚碳酸酯Panlite® SP-3810相當。更為重要的是在室溫下,該類聚合物可在強堿存在條件下完全降解。


4 脂肪族聚砜性能測試


  綜上所述,朱晨團隊利用含遷移基團的烯基砜單體通過GTRP策略開發了一種合成脂肪族聚砜的實用方法。該方法可以制備一系列ABC序列的高分子量脂肪族多聚砜。DFT計算表明不脫砜的Smiles重排在GTRP過程中起到關鍵作用。所得的脂肪族聚砜表現出與市售聚碳酸酯相當的折射率和阿貝數,并在室溫的強堿性條件下完全可降解。


  上海交通大學朱晨教授論文通訊作者。上海交通大學博士研究生高可雄、博士后王先津、中科院上海有機所博士后吳桐坤為論文共同第一作者。中科院長春應化所簡忠保教授提供了P1阿貝數和折射率的測試數據。本研究得到了國家自然科學基金(221712012237118522401184)、中央高校基本科研業務費(23X01030159924X010301678)、上海市學術/科技學科帶頭人計劃(23XD1421900)的支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202500153

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(責任編輯:xu)
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