缓慢引发对环氧树脂聚合反应的影响

《Polymer》:Effects of slow initiation on the polymerization of epoxides

【字体: 时间:2026年04月08日 来源:Polymer 4.5

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  环氧烷基开环聚合中引发剂结构对摩尔质量及分布的影响研究。通过比较不同醇类引发剂在环氧烷基开环聚合中的引发速率差异,结合密度泛函理论计算和聚合动力学模型,揭示了引发剂体积和酸性与其引发效率的关联机制,以及引发速率滞后如何导致分子量分布变宽但幅度有限(?M≤1.36)。研究证实低效引发是分子量偏离理论值的主因,为设计选择性多引发位点反应体系提供新思路。

  
庄卓欣|魏建洲|周玉波|赵俊鹏
华南理工大学材料科学与工程学院,广州,510640,中国

摘要

在聚合物化学的发展历史中,缓慢引发的问题已被广泛记录,但其对聚合物分子量及其分布(ΔM)的影响以及背后的机制仍然理解不足。在这项研究中,我们使用结构多样的醇类作为引发剂,在路易斯对催化体系下对环氧树脂进行了开环聚合(ROP),以阐明缓慢引发的原因及其对聚醚产物特性的影响。通常情况下,与增长链端相比,引发剂的体积更大、酸性更低,这导致实际分子量远高于理论值,同时ΔM也有所增加。密度泛函理论(DFT)计算表明,这些后果是由于脱质子和环氧环开环步骤的延迟所引起的。尽管分子量出现了较大的正偏差(超过10倍),但ΔM的增加却相当有限(仅1.36倍)。无论是单一引发剂还是混合引发剂的情况,模拟结果都与实验数据吻合良好(选择性引发)。除了合理选择引发剂外,这些见解还有助于设计和实现存在多种潜在活性物种时的选择性反应。

引言

利用引发剂的化学结构是定向和高效构建结构化和功能化聚合物的一系列关键策略。然而,当聚合引发速度低于增长速度时,引发剂的结构变化往往会受到限制[[1], [2], [3], [4], [5]]。在这种情况下,只有少量添加的引发剂参与聚合(也称为引发剂效率低),导致分子量分布变宽(或分散度ΔM),分子量偏离由单体与引发剂比例设计的值,甚至由于活性增长物种浓度降低而使大分子结构不明确、末端/悬挂基团功能受损,以及副反应的影响加剧[6,7]。一个典型的例子是通过顺序活性阴离子乙烯基加成聚合合成聚异戊二烯-b-聚苯乙烯(PI-b-PS)嵌段共聚物[8]。PI的烯丙基碳负链端对苯乙烯的反应(引发)的活性远低于PS的苄基碳负链端(增长)[3,9,10],从而产生具有宽且常常多模态分子量分布的产品,其中包含PI均聚物和预期的嵌段共聚物[9]。因此,必须先聚合苯乙烯,然后再加入异戊二烯,才能获得定义明确的嵌段共聚物[9,[11], [12], [13]]。这个例子反映了一个普遍原则:引发剂和增长物种的碱性和/或空间位阻不匹配可能导致阴离子聚合中的缓慢引发。
在阴离子开环聚合(ROP)中也广泛观察到缓慢引发现象,这对相关产品的工业生产和应用带来了显著限制[[14], [15], [16], [17]]。通常由聚环氧乙烷(PEO)和聚丙氧烷(PPO)组成的嵌段共聚醚,具有PEO-b-PPO-b-PEO的三嵌段结构,商品名称为Poloxamer,每年产量达数百万吨,广泛应用于日用化学品、制药、纳米技术和聚氨酯等领域[[18], [19], [20], [21], [22]],这得益于它们的非离子性、柔性链、两亲性、可调极性和水热敏感性,以及单体的大规模工业生产。在工业过程中,通常先生产PPO,然后将其用作环氧乙烷(EO)的开环聚合的宏观引发剂。然而,PPO的次级羟基链端的引发速率略低于PEO的初级羟基链端的增长速率。因此,产物是三嵌段共聚物、二嵌段共聚物和PPO均聚物的混合物,分子量难以控制[17]。这种组成上的异质性可能限制了在高附加值(生物医学)领域中的应用,因为这些领域需要嵌段共聚物结构的精确性。此外,引发剂效率低下也严重阻碍了聚氨酯的形成,因为残留的次级羟基(PPO)链端与异氰酸酯的反应活性相对较低[23,24]。
近年来,路易斯(酸碱)对型催化剂在阴离子ROP中显示出广泛的效能[[25], [26], [27], [28], [29]]。特别是对于环氧树脂的ROP,由有机碱和烷基硼烷型路易斯酸组成的路易斯对对引发剂或环氧单体引入的许多极性/反应性官能团表现出高选择性,同时也具有高催化效率[30,31]。与单组分超碱有机催化剂相比,由相对温和的有机碱和三乙基硼烷(Et3B)组成的路易斯对显示出较低的催化剂残留物细胞毒性,这对生物相关应用非常有利。然而,我们在这项研究发现,当使用比增长链端更高阶的醇类引发剂进行EO和PO的ROP时,缓慢引发现象变得尤为明显,并显著影响分子量和分子量分布。通过结合实验数据、密度泛函理论(DFT)计算以及我们的聚合建模程序[30],我们详细阐述了引发剂结构与引发-增长速率差异之间的关系、这种速率差异对所得聚醚特性的影响,以及主要的机制方面。

部分内容摘录

化学品

环氧乙烷(EO;Aldrich,99%)和聚丙氧烷(PO;Aldrich,99%)在使用前用氢化钠(NaH)干燥,然后通过冷冻蒸馏转移到带刻度的储存瓶中。四氢呋喃(THF;广州化学试剂,AR级)在使用前依次用分子筛(4 ?)、CaH2和nBuLi(Energy,2.5 M)干燥。1-甲基环戊醇(MCPeOH;Energy,98%)、2,4-二甲基-3-戊醇(DMPeOH;Energy,99.5%)、3-戊醇(Energy,97%)、1,12-十二烷二醇(DCO,Energy,98%)分别经过两次共沸干燥。

建模方法

根据DFT计算和我们的先前报告[40],链增长的动力学方程为Rp = kp[EP][Et3B][ACEp],其中ACEp是增长过程中的活化链端浓度(例如图3a中的IN1-PGME)。因此,链引发的动力学方程为Ri = ki[EP][Et3B][ACEi]。动力学常数比(kp/ki)被用作建模的变量。
聚合物链数设为1,000,000,聚合度也作为另一个变量。代码与我们的类似。

结果与讨论

首先在室温(约25-27°C)下使用tBuP2(方案1)和Et3B作为催化剂,MeOH作为引发剂(表1中的PO-1)进行PO的ROP。目标聚合度(DP)为200,[MeOH]0/[tBuP2]0/[Et3B]0的比设置为1/0.05/0.15,这已被证明可以在催化剂经济性和聚合速率之间取得良好平衡[31]。PO在48小时内完全消耗。产物显示出可控的分子量(Mn,SEC = 16.0 kg mol^-1)。

结论

研究了有机路易斯对催化的环氧树脂ROP中缓慢引发的影响。当引发剂是高阶醇时,由于其较低的酸性和较大的体积,引发速度远低于增长速度,导致较高的(不受控制的)分子量、较高的分散度以及更多的杂质引发的副产物。特别有趣的是,即使kp/ki比率很高,分散度的增加也非常有限(ΔM→1.3)。

CRediT作者贡献声明

庄卓欣:撰写——原始草稿,研究,数据分析。魏建洲:撰写——原始草稿,研究。周玉波:撰写——原始草稿,研究,数据整理。赵俊鹏:撰写——审稿与编辑,验证,监督,资金获取,概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢国家自然科学基金(编号:52373005)和广东省分子聚集体发光重点实验室(编号:2023B1212060003)的财政支持。
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