化學(xué)可循環(huán)聚合物是一類具有閉合循環(huán)生命周期的聚合物材料,在使用生命結(jié)束后可以在特定條件下解聚成原始單體,簡單純化后可重新聚合得到高品質(zhì)聚合物材料。發(fā)展化學(xué)可循環(huán)聚合物被認(rèn)為是目前塑料污染問題的最佳解決方案。盡管近年來取得了系列進(jìn)展,但化學(xué)可循環(huán)聚合物仍然面臨著一些挑戰(zhàn),如聚合物合成過程能耗高、單體回收選擇性差、效率低,特別是難以實現(xiàn)聚合物高效循環(huán)和材料性能間的平衡統(tǒng)一。通過在具有合適環(huán)張力的雜環(huán)單體上引入取代基來構(gòu)筑室溫近平衡聚合體系,以實現(xiàn)溫和條件下的聚合和反向解聚是一種有效的策略,但目前關(guān)于這種方法的報道并不多見。
青島科技大學(xué)化工學(xué)院沈勇、李志波團(tuán)隊在前期的工作中實現(xiàn)了生物基δ-己內(nèi)酯的快速可控開環(huán)聚合,制備得到完全可循環(huán)的聚酯,但該聚酯結(jié)晶度低、力學(xué)性質(zhì)差,無法作為材料單獨使用(Angew. Chem. Int. Ed.2022,61, e202201407)。通過優(yōu)化取代基結(jié)構(gòu)開發(fā)具有理想材料性能的化學(xué)可循環(huán)聚酯,實現(xiàn)材料循環(huán)和性能的平衡統(tǒng)一,具有重要意義。在本工作中,他們使用強(qiáng)堿/脲二元催化體系,成功實現(xiàn)了雙官能團(tuán)α-亞甲基-δ-戊內(nèi)酯的化學(xué)選擇性開環(huán)聚合,制備得到可后修飾的化學(xué)可循環(huán)聚酯,該聚酯結(jié)晶度高、力學(xué)性質(zhì)與商品化聚烯烴近似。
α-亞甲基-δ-戊內(nèi)酯(MVL)可以由生物質(zhì)來源的δ-戊內(nèi)酯(δVL)與甲酸乙酯通過兩步反應(yīng)簡單制備。作為一種雙官能團(tuán)環(huán)內(nèi)酯單體,之前的研究集中于MVL的環(huán)外雙鍵加成聚合(VAP,pathway a),而通過開環(huán)聚合制備可回收聚酯仍然是一個挑戰(zhàn)(ROP,pathway b)。在前期工作的基礎(chǔ)上,青島科技大學(xué)沈勇副教授和李志波教授通過使用強(qiáng)堿與一系列具有不同結(jié)構(gòu)和pKa值的脲構(gòu)筑二元催化體系,成功實現(xiàn)了MVL的化學(xué)選擇性開環(huán)聚合,聚合呈現(xiàn)“活性”/可控聚合特性,所得聚合物端基、分子量及分子量分布可控。使用有機(jī)磷腈堿tBu-P2與二元脲U5為催化劑時,制備得到的聚酯P(MVL)ROP分子量高達(dá)74.6 kDa。值得注意的是,高分子量P(MVL)ROP表現(xiàn)為韌性塑料,其力學(xué)性能與商品化的等規(guī)聚丙烯(PP)和低密度聚乙烯(LDPE)相當(dāng)。此外,通過硫醇-烯“點擊化學(xué)”反應(yīng)可以對P(MVL)ROP側(cè)基的雙鍵進(jìn)行后修飾,進(jìn)一步調(diào)控聚酯的性質(zhì)。
以辛酸亞錫為催化劑,得到的聚酯產(chǎn)物P(MVL)ROP在130 °C下通過減壓蒸餾可以完全解聚回收得到高純度的MVL(產(chǎn)率~96%)。將回收單體使用CaH2簡單干燥后,可以重新聚合得到P(MVL)ROP,從而成功建立“單體-聚合物-單體”的閉合循環(huán)生命周期。
該工作成功實現(xiàn)了生物基MVL的化學(xué)選擇性開環(huán)聚合,制備得到具有優(yōu)異力學(xué)性質(zhì)的可后修飾可循環(huán)聚酯材料。該工作以研究論文的形式在線發(fā)表于Angew.Chem. Int. Ed.(論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202207105),青島科技大學(xué)為論文的唯一單位,化工學(xué)院碩士研究生李建東為論文的第一作者,泰山學(xué)者青年專家沈勇博士和李志波教授為論文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金,山東省泰山學(xué)者人才工程以及國家重點研發(fā)計劃項目的資助。
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