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  二氧化碳、二硫化碳、氧硫化碳、異氰酸酯和異硫氰酸酯等常常被看成是含雜原子的、特殊的累積二烯烴或連二烯。其中二氧化碳、二硫化碳和氧硫化碳等雜連二烯與環(huán)氧單體的共聚已成為高分子合成領(lǐng)域制備雜鏈聚合物的重要途徑，如聚（硫代）碳酸酯等。不同的雜原子賦予了雜連二烯不同的反應(yīng)活性和潛在用途。然而，異氰酸酯和異硫氰酸酯因?yàn)樘厥獾姆磻?yīng)活性，其與環(huán)氧單體的共聚反應(yīng)至今仍是挑戰(zhàn)。

  上海交大熊輝明教授課題組立足于這兩類(lèi)雜連二烯，考慮其不同的親電性和潛在的聚合機(jī)理，利用路易斯酸堿對(duì)和鋰鍵，分別實(shí)現(xiàn)了異氰酸酯和異硫氰酸酯與環(huán)氧單體的連鎖共聚合。在異氰酸酯和環(huán)氧單體的共聚反應(yīng)研究中，課題組利用鎓鹽/有機(jī)鋁路易斯酸堿對(duì)，通過(guò)陰離子聚合成功實(shí)現(xiàn)了異氰酸酯和環(huán)氧單體的共聚，合成了一類(lèi)分子量較高（M_n ~98.3 kg/mol）、分布窄（D：1.08 - 1.27）和端基明確的聚氨（脲）酯，如圖1所示。這類(lèi)雜鏈聚合物實(shí)際上也是一類(lèi)新型的聚氨酯。傳統(tǒng)的聚氨酯是通過(guò)多元異氰酸酯和多元醇縮合聚合而成。通過(guò)環(huán)氧單體和異氰酸酯連鎖聚合制備聚氨酯的探索自上世紀(jì)60年代首次報(bào)道，但未取得成功。異氰酸酯與二氧化碳和二硫化碳等雜連二烯單體相比，具有更高的活性，容易自聚形成三聚體或與環(huán)氧形成惡唑烷酮小分子，故異氰酸酯和環(huán)氧單體的連鎖聚合具有挑戰(zhàn)性。

圖1. 路易斯酸堿對(duì)作用下異氰酸酯和環(huán)氧單體的共聚。

  鎓鹽鹵化物（NOct₄Br, NBu₄Br, NBu₄Cl）是一類(lèi)弱路易斯堿，可作為陰離子引發(fā)劑。弱堿性能有效抑制異氰酸酯的均聚。同時(shí)，其大位阻的反離子可保護(hù)鏈末端的陰離子活性中心，減少回咬副反應(yīng)的發(fā)生。三異丁基鋁作為路易斯酸，一方面可活化環(huán)氧單體；另一方面，在共聚過(guò)程中可與鏈末端和單體發(fā)生協(xié)同配位，促進(jìn)異氰酸酯和環(huán)氧單體共聚反應(yīng)的進(jìn)行。推測(cè)的機(jī)理如圖2所示：首先環(huán)氧單體在三異丁基鋁的活化下被鎓鹽NOct₄Br引發(fā)開(kāi)環(huán)；異氰酸酯單體因其高活性更易與氧負(fù)離子鏈末端反應(yīng)生成氨酯結(jié)構(gòu)；在三異丁基鋁的協(xié)同配位作用下，活化的環(huán)氧單體與氮負(fù)離子鏈末端反應(yīng)，異氰酸酯的均聚受到抑制，異氰酸酯和環(huán)氧單體傾向交替共聚從而生成以氨酯結(jié)構(gòu)為主的共聚物。該聚合反應(yīng)呈現(xiàn)準(zhǔn)活性的特點(diǎn)。

圖2. 聚氨酯的聚合過(guò)程。(a) 二元異氰酸酯與二元醇縮合聚合制備傳統(tǒng)聚氨酯；（b）路易斯酸堿對(duì)作用下異氰酸酯和環(huán)氧單體發(fā)生陰離子連鎖聚合制備新型聚氨酯；（c）活性共聚反應(yīng)過(guò)程；（d）鏈末端回咬過(guò)程。

  在異硫氰酸酯與環(huán)氧單體的連鎖共聚反應(yīng)中，鋰鍵發(fā)揮了重要作用。在醇鋰的引發(fā)下，異硫氰酸酯和環(huán)氧單體實(shí)現(xiàn)了完美的交替共聚，生成了主鏈結(jié)構(gòu)為-OC(=N-Ph)S-，分布窄、端基明確的羰亞胺聚酯，如圖3所示。選擇醇鋰的原因：1. 異硫氰酸酯與二氧化碳和異氰酸酯等雜連二烯相比，其親電性較低，需要較強(qiáng)堿性的引發(fā)劑如醇鋰，而鎓鹽類(lèi)弱堿無(wú)法引發(fā)聚合；2. 鋰離子作為最小的單價(jià)金屬陽(yáng)離子，可與N和S等雜原子形成較強(qiáng)的鋰鍵，從而活化異硫氰酸酯單體；3. 正是鋰離子和氧負(fù)離子之間較強(qiáng)的相互作用，使得環(huán)氧單體的均聚受到了抑制，促使了交替共聚的發(fā)生。

圖3. 叔丁醇鋰作用下異硫氰酸酯和環(huán)氧單體的交替共聚。

  他們的工作表明異硫氰酸苯酯（PIT）、異硫氰酸異丙酯（IPIT）與1.2-環(huán)氧丁烷(BO)、環(huán)氧環(huán)己烷（CHO）可在叔丁醇鋰作用下進(jìn)行完美交替共聚。與異氰酸酯共聚體系不同，在環(huán)氧單體與異硫氰酸酯的聚合過(guò)程中，氧負(fù)離子選擇性進(jìn)攻異硫氰酸酯上的C=S雙鍵，從而生成-OC(=N-Ph)S-的主鏈結(jié)構(gòu)，推測(cè)的聚合機(jī)理如圖4所示。氧負(fù)離子與鋰離子之間因存在較強(qiáng)的締合作用，致使其無(wú)法打開(kāi)環(huán)氧單體，而是選擇進(jìn)攻異硫氰酸酯單體中受到鋰鍵活化的C=S雙鍵。生成的硫負(fù)離子相較于氧負(fù)離子電負(fù)性減弱，與鋰離子的締合作用變?nèi)�，故其可以與環(huán)氧單體發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，異硫氰酸酯在此條件下無(wú)法發(fā)生均聚，由此促成了兩種單體的完美交替共聚。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚合過(guò)程中無(wú)鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)發(fā)生，所制備的聚合物端基明確，末端的巰基基團(tuán)可進(jìn)一步官能化。在聚合過(guò)程中，回咬生成五元氧硫雜環(huán)小分子的副反應(yīng)得到了有效的抑制（< 5%），聚合物的轉(zhuǎn)化率通常可以達(dá)到95%以上。聚合動(dòng)力學(xué)顯示聚合物數(shù)均分子量與轉(zhuǎn)化率呈線性關(guān)系，結(jié)合嵌段聚合物P(PIT-alt-BO)-b-P(IPIT-alt-PO)的成功制備，表明了聚合的活性特征。

圖4. 異硫氰酸酯和環(huán)氧單體交替共聚反應(yīng)過(guò)程。

  第一個(gè)工作以“Quasi-Living Copolymerization of Aryl Isocyanates and Epoxides”為題發(fā)表在ACS Macro Letters 2020, 9, 1542?1546。第二個(gè)工作近期以“Alternating Chain Growth Copolymerization of Isothiocyanates and Epoxides”為題發(fā)表在Macromolecules（DOI：10.1021/acs.macromol.1c01561）。博士生宋立島是兩篇論文的第一作者，熊輝明教授是通訊作者。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（nos. 22075175 and 21790345）的資助。

  原文鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.0c00696

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.1c01561

  下載：“Quasi-Living Copolymerization of Aryl Isocyanates and Epoxides”和“Alternating Chain Growth Copolymerization of Isothiocyanates and Epoxides”