双环异硫脲/卤化镁双催化体系催化环酯均聚及其共聚合研究

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本文使用价格低廉的原料经过一步反应合成产率较高、易于纯化的三种双环异硫脲(ITUs),分别是2,3,5,6-四氢咪唑并[2,1-b]噻唑(ITU 1),2,3,6,7-四氢-5H-噻唑并[3,2-a]嘧啶(ITU 2)和3,4,7,8-四氢-2H,6H-嘧啶并[2,1-b][1,3]噻嗪(ITU 3),并将其协同卤化镁(Mg X2)组成一种新型高选择性双催化体系用于催化内酯开环聚合(ROP)。主要工作如下:(1)应用ITUs/Mg X2双催化体系,以苄醇(BnOH)为引发剂,在二氯甲烷(DCM)溶剂中催化ε-己内酯(ε-CL)ROP。主要研究了ITUs和Mg X2种类及二者摩尔比、催化剂用量、引发剂用量、聚合温度、时间和单体浓度对单体转化率以及聚己内酯(PCL)的分子量(Mn)和分子量分布(PDI)的影响。聚合结果得出三种ITUs的活性顺序为:ITU 2>ITU 3>ITU 1;Mg X2的活性顺序为:Mg I2>Mg Br2>Mg Cl2。ITU 2/Mg I2双催化体系催化效果最佳,最佳聚合条件:[e-CL]0/[ITU 2]0/[Mg I2]0/[BnOH]0=100:1:1:1,[e-CL]0=2.0 M,在DCM中25°C下聚合6 h。ε-CL的转化率高达99%,PCL的Mn和PDI分别为25.5 kg/mol和1.14。动力学研究和后聚合实验表明ITU 2/Mg I2双催化体系催化ε-CL聚合具有活性聚合特征。利用高温凝胶色谱(GPC)、核磁共振技术(1H和13C NMR)、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)以及基质辅助激光解析飞行时间质谱(MALDI-To F MS)等测试手段对PCL的微观结构和热性能进行了表征。利用1H和13C NMR推测ITU 2/Mg I2催化ε-CL聚合机理为双催化机理。其中,ε-CL通过羰基氧和环内烷氧与Mg I2配位,使自身羰基活化,ITU 2通过氢键活化醇羟基。活化的苄醇氧负离子亲核进攻单体羰基碳,使ε-CL开环生成聚合前驱体。聚合前驱体端基被ITU 2活化后生成聚合活性种,继续进攻单体,进而完成ε-CL的开环聚合。(2)ITU2/Mg I2协同BnOH催化ε-癸内酯(ε-DL)在甲苯中聚合,优化了聚合温度和时间、催化剂用量、引发剂用量以及单体浓度等聚合条件。得出ε-DL聚合最佳条件为:[e-DL]0/[ITU 2]0/[Mg I2]0/[BnOH]0=100:1:1:1,[e-DL]0=2.0 M,在甲苯中50°C下聚合3 h。最佳条件下单体基本完全转化(99%),所得聚癸内酯(PDL)的Mn和PDI分别为28.1 kg/mol和1.18。1H NMR和MALDI-To F MS谱图证实合成的PDL是以Bn O/H为端基的链状结构,没有环状副产物生成,说明ITU 2/Mg I2双催化体系催化ε-DL聚合的可控性较高。后聚合实验表明ε-DL聚合反应具有活性聚合的特征。利用DSC和TGA对PDL的热性能进行了分析。(3)在BnOH存在下,利用ITU 2/Mg I2双催化体系催化ε-DL和ε-CL开环共聚。首先进行了二者无规共聚的条件优化,得出无规共聚最优条件为:[e-DL+ε-CL]0/[ITU 2]0/[Mg I2]0/[BnOH]0=100:1:1:1,[e-DL+ε-CL]0=2.0 M,在甲苯中50°C下聚合40 min。通过调控单体/引发剂摩尔比可以实现Mn可预期的聚合物合成。改变共聚单体的初始投料比制备了系列不同组成的无规共聚物P(DL-co-CL)s,1H NMR分析表明P(DL-co-CL)s中两种单体的含量与初始投料比接近。另外,在[e-DL]0/[ITU 2]0/[Mg I2]0/[BnOH]0=50:1:1:1,[e-DL]0=1.0 M,50°C下使e-DL先聚合完全,然后向聚合体系中加入e-CL,得到结构和端基明确的链状嵌段共聚物PDL-b-PCL。(4)为进一步扩大ITUs基双催化体系的应用,将ITU 2/Mg I2双催化体系协同BnOH用于δ-戊内酯(δ-VL)均聚,生成了Mn可控、PDI较窄的目标聚合物。然后进行了δ-VL和e-DL的共聚合研究,利用一锅加料法和分步加料法,分别制备了二者的无规共聚物P(VL-co-DL)和二嵌段共聚物PDL-b-PVL。DSC、1H和13C NMR证明一锅加料法合成了完全无规共聚物,分步加料法得到了结构明确的嵌段共聚物。
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