光熱聚合是一種依賴于光熱效應(yīng)而非光化學途徑的特殊光聚合方式,理論上適用于所有熱引發(fā)的聚合系統(tǒng)。然而,外源性光熱劑可能會破壞聚合過程,導致不可控的聚合物結(jié)構(gòu)和復雜的產(chǎn)物分離。因此,開發(fā)一種兼具光熱效應(yīng)和催化能力的“二合一”光熱催化劑對光熱聚合的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。
近期,中國科學院長春應(yīng)用化學研究所王獻紅團隊通過使用可見光作為外部刺激,開發(fā)了一種用于二氧化碳(CO2)和環(huán)氧化物的光熱開環(huán)共聚(PROCOP)策略,并展示出光熱增強的聚合活性(圖 1)。作為概念驗證,本工作合成一系列鋁卟啉配合物作為兼具光熱轉(zhuǎn)換和催化性能的“二合一”光熱催化劑,通過對其光物理性能的考察(圖 2a),最終選擇波長為635 nm的可見光作為激發(fā)光源。在測試條件下,鋁卟啉光熱催化劑均表現(xiàn)出良好的光熱溫度和光熱轉(zhuǎn)換效率(Tmax = 43-64 °C,η = 23%–53%;圖 2b,2c)。篩選出氯取代鋁卟啉(CAT-Cl),對其重點考察濃度、光源功率和光熱轉(zhuǎn)換循環(huán)等影響因素(圖 2d-2f),結(jié)果表明“二合一”光熱體系具有可調(diào)控、穩(wěn)定高效的光熱性能,為實施CO2與環(huán)氧化物的光熱聚合奠定基礎(chǔ)。采用自行設(shè)計的耐壓聚合裝置進行光熱聚合(圖 3a), 結(jié)果表明,均相鋁卟啉配合物在可見光(λ= 635 nm)照射下以高聚合物選擇性(>99%)成功地在65-90 °C引發(fā)了CO2和環(huán)氧環(huán)己烷(CHO)的交替共聚。值得注意的是,與熱驅(qū)動開環(huán)共聚(TROCOP)相比,可見光照射顯著提高了鋁卟啉催化劑的催化活性,其PROCOP的TOF值是TROCOP的1.6-1.8倍(圖 3b),并且保持高聚合物化學結(jié)構(gòu)選擇性(>99%,圖 3c)。此外,基于反應(yīng)器合適的散熱性能,實現(xiàn)了對于熱驅(qū)動聚合具有挑戰(zhàn)性的“ON-OFF”可切換的光熱開環(huán)共聚,充分展示了良好的時間可控性(圖 3d)。這項研究工作不僅是首次實施光誘導的CO2/環(huán)氧化物共聚,而且開發(fā)的基于鋁卟啉作為光熱催化劑的“二合一”策略還適用于內(nèi)酯的開環(huán)聚合、環(huán)氧化物和酸酐的共聚,以及嵌段共聚物的合成等其他系統(tǒng)。該工作以“Two-in-One: Photothermal Ring-opening Copolymerization of CO2 and Epoxides”為題發(fā)表在《ACS Macro Lett.》上(ACS Macro Lett. 2022, 11, 941)。文章第一作者是中國科學院長春應(yīng)用化學研究所卓春偉博士,通訊作者為劉順杰研究員、王獻紅研究員。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
該工作是團隊近期關(guān)于利用鋁卟啉光學性能進行高分子催化聚合的最新探索。此外,該團隊始終致力于環(huán)境友好型鋁卟啉配合物催化CO2與環(huán)氧化物共聚的相關(guān)研究,并于近期在聚合鋁卟啉催化劑的設(shè)計與應(yīng)用方面取得一系列研究成果(ACS Catal. 2019, 9, 8669;ACS Catal. 2022, 12, 481;CCS Chem. 2022, DOI: 10.31635/ccschem.022.202201952)
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.2c00365
下載:Two-in-One: Photothermal Ring-opening Copolymerization of CO2 and Epoxides
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