单质硫的多组分聚合合成功能聚硫代酰胺

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工业硫磺产量巨大,易燃易氧化的特性使其不宜长期储存,因此单质硫的消耗利用成为了亟需解决的问题。目前常用的熔融扩散法和反硫化法往往在高温下才能将单质硫转化为溶解性差且结构不规整的含硫材料,从而造成其在合成和应用方面都有一定的局限性。近年来,具有操作简单、反应高效温和、产物结构多样等优势的多组分聚合(MCPs)逐渐发展成为一种高效转化单质硫的方法。在合成的众多含硫聚合物中,存在大量氢键、硫、氮原子的聚硫代酰胺是一类有望在金属配位材料以及光学材料方面发挥独特作用的含硫高分子材料。本论文致力于开发新的转化单质硫为聚硫代酰胺类功能高分子的多组分聚合方法,并对所得聚合产物性质应用进行探索和拓展。首先,针对目前聚硫代酰胺只能在高温下合成的问题,我们开发了一种新的无催化的室温下转化单质硫为聚硫代酰胺的多组分聚合。我们通过吡啶基活化炔单体,实现了其与单质硫、脂肪胺在室温下向功能聚硫代酰胺的高效转化(yield=98%,Mw=35 400g/mol);并通过苯基炔与吡啶基活化炔单体进行对比研究,证明了吡啶基团活化炔的多组分聚合可以在更低的温度和更稀的浓度下以更高产率(98%)和更高分子量(Mw=95100 g/mol)得到吡啶基聚硫代酰胺。由于硫代酰胺和吡啶基团对于重金属离子独特的配位能力,我们利用所合成的吡啶基聚硫代酰胺对Hg2+进行了吸附,富集效率可达98.59%,优于之前报道的聚硫脲的汞吸附性能。我们还发现所得硫代酰胺类化合物和聚合物在紫外光照下呈现光致发光增强的特性。另一方面,目前单质硫的多组分聚合主要适用于脂肪胺,所得聚硫代酰胺结构有限。为使亲核性较弱的芳香胺适用于单质硫的多组分聚合,从而构筑刚性更强的聚硫代酰胺材料,我们开发了一种碱催化的、全商品化单体芳香胺、单质硫和芳香醛的多组分聚合,合成刚性结构的功能聚硫代酰胺。通过一系列条件优化得到了8种具不同结构、硫代酰胺基团直接与芳环相连的聚硫代酰胺,其产率最高可达98%,重均分子量最大为55 800g/mol。所得聚硫代酰胺具有良好的热稳定性,失重5%时的热分解温度可达到427 oC,在800 oC时的残炭率可高达70%。根据硫原子本身对于金离子较强的结合能力,我们将本章中合成的芳香型聚硫代酰胺用作金离子富集,其富集效率>99.99%,富集容量达605 mg?Au3+/g。综上,针对目前利用单质硫制备聚硫代酰胺的两个问题,我们分别设计开发了通过吡啶基活化炔单体实现室温下合成聚硫代酰胺的多组分聚合,以及碱催化的芳香胺参与的多组分聚合。由此高产率、高分子量地得到了多种结构明确的聚硫代酰胺,并进一步丰富了单质硫参与的多组分聚合,为构筑含硫功能高分子材料提供了便捷、经济、高效的合成策略。
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