使用磷氮鎓盐/尿素二元催化剂实现环状酯、环氧树脂和环状酸酐的自切换聚合

《European Polymer Journal》:Self-switchable terpolymerization of cyclic esters, epoxides and cyclic anhydrides using phosphazenium salt/urea binary catalyst

【字体: 时间:2026年04月22日 来源:European Polymer Journal 6.3

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  自切换催化系统高效合成序列可控三嵌段共聚酯

  
郑铮 | 宋家琪 | 任传丽
中国山东省青岛市青岛科技大学高分子科学与工程学院,先进光学聚合物与制造技术国家重点实验室,266042

摘要

自切换聚合已被证明是一种有前景的方法,可以精确控制微观结构并从混合单体合成嵌段共聚物。在这里,我们报道了一种简单的磷杂氮盐/尿素((P4+)2BDM-/U)二元催化系统,用于高选择性地自切换环氧树脂、环状酸酐和rac-乳酸(rac-LA)的聚合。即使催化剂用量较低,(P4+)2BDM-/1-(3,5-双(三氟甲基)苯基)-3-环己基尿素(U4)二元催化系统也能在环氧丙烷(PO)与邻苯二甲酸酐(PA)的环开环交替聚合(ROAC)和rac-LA的环开环聚合(ROP)之间有效切换。通过原位1H NMR和GPC分析探讨了序列控制聚合的机制。研究结果表明,PA的存在与否起到了在ROAC和ROP循环之间切换的作用。因此,该方法提供了一种智能的自切换聚合策略,并制备出了序列可控的三元共聚物PLA-b-P(PA-alt-PO)-b-PLA。对所得共聚物的1H/13C/COSY NMR和凝胶渗透色谱(GPC)表征表明,醚化和酯交换反应被抑制。利用(P4+)2BDM-/U4催化系统,通过各种环氧树脂(PO、CHO和BO)、环状酸酐(PA、DGA、GA和NA)以及rac-LA的耦合,合成了一系列定义明确的三元共聚酯。

引言

由于嵌段聚合物具有多样的宏观性质和可调的功能性,它们已被广泛应用于高价值领域,包括数据存储[1]、防伪技术[2]、药物输送[3]和微电子[2],[4]。传统的嵌段聚合物合成方法是顺序策略,这既费时又费力[5],[6]。相比之下,自切换聚合作为一种有吸引力的替代策略,能够使单体混合物自发转化为序列可控的嵌段共聚物。因此,它具有更高的效率、节省劳动力以及与许多市售单体的兼容性[7],[8],[9]。然而,主要障碍在于这种复杂的策略需要一种能够在一步中自发切换不同聚合机制的单一催化剂。自从Coates等人和Williams等人进行开创性工作以来,一系列基于有机金属的催化剂(包括Zn-、Al-和Cr-基催化剂)已被证明能够高效且选择性地一步合成各种嵌段共聚物[11],[12],[13],[14],[15]。最近,Satoh及其同事开发了一种使用简单碱金属羧酸盐的方法,用于环氧树脂、酸酐和内酯的各种组合的可切换ROAC和ROP,从而合成多嵌段聚酯[9],[16],[17]。另一方面,对无金属聚合物日益增长的需求推动了有机催化自切换聚合的发展,从而避免了不希望出现的金属污染物[18],[19],[20]。已经开发了多种有机催化剂,包括叔胺[21]、磷杂氮碱[22],[23]、季铵盐[24],[25]和路易斯对[26],[27],[28],[29],用于环氧树脂与环状酸酐的ROAC。这些有机催化剂已被证实具有促进自切换聚合的潜力。
内酯的ROP[30],[31],[32],结合环氧树脂和酸酐的ROAC[33],[34],[35],[36],[37],[38],被认为是制备具有优异生物降解性和机械性能的聚酯的有效方法。由于环状酸酐和环氧树脂在ROAC中的丰富可用性,ROP和ROAC的结合显著拓宽了聚合物结构的范围,并使性能可调。因此,涉及环氧树脂、环状酸酐和内酯的有机催化自切换聚合引起了极大的兴趣。例如,Li[39]和Zhao团队[40]分别独立使用了一种简单且温和的磷杂氮碱< />-BuP1,用于环氧树脂、邻苯二甲酸酐(PA)和乳酸(LA)的自切换三元聚合。Wang及其同事利用DBU/BEt3二元催化剂,实现了环氧树脂、酸酐和rac-LA的自切换聚合[41]。Meng等人成功使用了PPNCl/尿素二元催化剂,对各种环氧树脂、酸酐和环状酯的组合进行了高选择性的可切换ROAC和ROP[42]。有机催化系统在环氧树脂、酸酐和内酯的自切换聚合方面取得了实质性进展。然而,同时具有ROP和ROAC活性的有机催化剂仍然很少见,其催化性能和控制能力仍不如基于金属的催化剂。
为了开发一种高活性且控制良好的催化系统,我们最近关注了磷杂氮盐催化剂,这类催化剂具有较大的阳离子、可调的碱性和非亲核特性[43],[44]。我们已经证明,三[三(二甲氨基)磷杂氮基]磷鎓氯化物(P4+Cl-)是一种有效的催化剂,可以控制PO和PA的ROAC[45]。特别是,四[三(二甲氨基)磷杂氮基]磷鎓氯化物(P5+Cl-)/BEt3二元催化剂对环己烯氧化物(CHO)和PA的ROAC表现出极高的催化活性[46],[47]。作为后续研究,我们采用了磷杂氮盐(P4+)2BDM-/尿素二元催化系统来研究环氧树脂、环状酸酐和rac-LA的混合单体的自切换聚合。评估了不同类型的尿素/(P4+)2BDM-配对,以优化催化活性和选择性。该策略为合成序列可控的嵌段共聚物提供了一种便捷的方法(方案1)。

部分内容

磷杂氮盐(P4+)2BDM

的合成方法 磷杂氮盐P4+Cl-可以使用我们之前报道的方法[45]制备。通过P4+Cl?与苯二甲甲醇钠盐(Na2BDM)之间的阴离子交换来制备(P4+)2BDM-催化剂:将P4+Cl-(596 mg,1 mmol)溶解在4 mL无水THF中,在N2下加入Na2BDM(182.13 mg,1 mmol)。混合物搅拌2小时后过滤掉氯化钠。滤液即为THF中的(P4+)2BDM-催化剂溶液(浓度为0.125 M)。1H NMR(400 MHz,CDCl3

使用(P4+)2BDM-/尿素二元催化系统进行PO/PA/rac-LA的三元聚合

最初,使用1,4-苯二甲甲醇(BDM)作为引发剂,在100°C下,评估了磷杂氮盐P4+Cl-对PO、PA和rac-LA三元聚合的催化效果,进料比为[PO]0/[PA]0/[rac-LA]0/[P4+Cl-/[BDM]0 = 250/50/50/0.1/1。然而,P4+Cl-未能促进自切换聚合,因为氯离子可能没有足够的亲核性来触发rac-LA的ROP。已经证明,醇盐活性物种可以成功实现这一过程

结论

总之,我们开发了一种无金属的(P4+)2BDM-/U二元催化系统,用于环氧树脂、环状酸酐和rac-LA的自切换共聚。特别是,(P4+)2BDM-/U4催化剂在PO/PA/rac-LA的三元聚合中表现出最高的活性和优异的选择性。所得共聚物的GPC、1H/13C/DOSY分析表明,成功合成了分散度狭窄的序列可控的三元共聚物PLA-b-P(PA-alt-PO)-b-PLA。

CRediT作者贡献声明

郑铮:撰写 – 原始草稿、方法学、实验研究。宋家琪:实验研究、数据分析。任传丽:撰写 – 审稿与编辑、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,这些关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢山东省自然科学基金ZR2024MB019)的财政支持
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