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ACS Materials Lett. | 动态交联网络的设计与应用

英文原题:Unexploited Design and Application of Dynamic Covalent Networks: Phenol-yne Click Reaction and Porous Film Generation

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通讯作者:高飞,江西科技师范大学;陈银军,东华大学;林仰举,斯坦福大学

作者:Wenxiong Zhang (张文雄), Liang Shen (申亮)



背景介绍

“点击”化学反应是由Sharpless在2001年提出的一种经典的高效化学反应,已被广泛应用于有机合成,生物合成,聚合物制备等领域。如经典铜催化叠氮-炔“点击”化学反应被应用于聚合物化学改性和生物大分子(蛋白质,DNA,纤维素等)。目前许多“点击”化学反应被发掘,包括巯基-烯“点击”反应,巯基-炔“点击”反应,Diels-Alder反应等。由于“点击”化学反应的简便性和实用性,叠氮-炔“点击”反应和巯基-烯点击反应常常被用于聚合物材料的功能化和交联,然而这两种 “点击”化学反应产生的共价键是不可逆的键合,进而造成交联聚合物难以分解或回收利用。


将动态共价化学引入到热固性聚合物中是解决交联聚合分解和回收利用的一种最具潜力的策略。由于可逆动态交联作用,聚合物的拓扑网络结构可实现重排,并且在一定外界刺激作用下材料实现回收、再加工和自修复等功能。目前,大量可逆的动态交联反应被用于动态交联网络(DCNs)中,如酯化、转氨基化、硫醇-硫酯交换、硅氧烷-硅醇交换等,但这些生成动态共价键的化学反应往往需要额外输入能量(如热)。“点击”反应作为一种理想的化学反应,具有反应条件适中、反应效率高的特性,因此具备可逆动态作用的“点击”反应将具有更大的应用前景。



文章亮点

前期我们课题组已报道了利用炔-氨“点击”化学反应制备基于烯胺-酮键动态共价键的DCNs(图1a)(ACS Macro Lett. 2021, 10, 1186.),该动态交联材料体系具有良好的重复加工和回收利用功能。受此研究结果的启发,本文进一步研究了基于炔-酚“点击”反应的固化体系,首次发现炔-酚“点击”反应产生的烯醇-酮结构单元具备动态交换活性(图1b),合成了烯醇-酮动态交联网络材料。为了进一步探索炔-酚“点击”反应固化动态交联网络的应用潜力,具备可降解能力的双缩醛基团被糅合至该炔-酚 “点击”交联网络中,合成另一种动态交联网络材料。利用固相融合技术,两种动态交联网络以不同比例熔融共混(课题组前期报道的方法,Mater. Chem. Front. 2020, 4, 2723.),制备出新的动态交联网络,并通过选择性降解技术,制备出拥有吸油功能的多孔聚合物薄膜(图1c所示),同时验证了该多孔聚合物薄膜具备闭环回收利用的能力。

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图1. (a) 基于炔-氨“点击”反应生成烯胺-酮结构单元的动态共价键;(b) 基于炔-酚“点击”反应生成烯醇-酮结构单元的动态共价键;(c)通过固相融合和选择性降解技术制备的多孔聚合物薄膜示意图。


本论文首先通过小分子模型反应证明了烯醇-酮键的动态交换活性。如图2a和2b所示,EPA与过量的对甲基苯酚混合,在180 °C和DABCO的催化作用下,从核磁谱图中可观测到EPA逐渐转化为ETA,证实了烯醇-酮键与苯酚之间的可逆交换反应。为了更好的研究其交换反应动力学,作者研究了不同温度下烯醇-酮键与苯酚的交换动力学过程,即通过核磁谱图定量测定不同反应时间时EPA的浓度,分析EPA浓度与反应时间的关系,获得不同温度的反应速率常数 (如图2c所示)。此外,通过Arrhenius分析求出了交换反应所需的活化能为77±3 kJ/mol (如图2d所示)。


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图2. (a) EPA与对甲基苯酚的可逆交换反应;(b) 不同反应时间下EPA与过量的对甲基苯酚反应的1H NMR谱图;(c) 不同温度下EPA与过量的对甲基苯酚反应中,EPA组分浓度对时间的变化曲线图;(d) Arrhenius方程分析EPA与对甲基苯酚之间的交换反应。


其次,利用炔-酚“点击”反应作者制备了两种新型的动态交联网络。如图3a所示,BPA与两种丙炔酸酯交联剂 (HDDP and TMPTP) 混合,在DABCO催化作用下发生苯酚-炔点击反应,制备BPA-TH动态交联网络。另一方面,为合成可降解动态交联网络材料,选用一种可降解的缩醛单体VPV,以其代替BPA,通过相同的合成路线,制备出可降解的VPV-TH。由于苯酚与烯醇-酮基团之间的动态交换反应,两种聚合物材料在热压下均可重塑成型,获得均匀透明的聚合物薄膜 (如图3b所示)。动态力学分析 (DMA) 和拉伸试验也证实了BPA-TH和VPV-TH在3次重塑后依然具有优良的力学性能 (如图3c所示)。与此同时,在不同温度下的典型应力松弛试验也证明了两种聚合物材料的动态性能 (如图3e和3f所示)。两种DCNs的松弛时间均随着温度的升高而减小,材料的松弛时间和温度呈线性关系,并与Arrhenius方程相吻合。


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图3. (a)基于炔-酚“点击”反应制备两种动态交联网络的合成路线;(B) BPA-TH的重塑过程示意图;(C) BPA-TH和VPV-TH重塑前后的应力-应变曲线;(D) BPA-TH和VPV-TH的归一化应力松弛曲线;(E) BPA-TH和VPV-TH的 Arrhenius分析。


为了扩展动态交联网络材料的应用范围,通过固相融合法(课题组前期报道的方法,Mater. Chem. Front. 2020, 4, 2723.),将BPA-TH和VPV-TH两种材料以不同比例混合,制备出新的动态交联网络薄膜材料(1B1V-THS、2B1V-THS和3B1V-THS)。由于VPV-TH聚合物中的缩醛结构单元具有降解功能,因此通过选择性刻蚀该类新型动态交联网络薄膜材料可用于多孔聚合物薄膜制备。如图4a所示,1B1V-THS组分在0.1 M盐酸溶液中完全降解后,成功获得孔隙率达到46%的多孔聚合物薄膜。图4b的扫描电镜图展示了聚合物薄膜的孔隙大小分布情况,聚合物薄膜的孔隙率随着VPV-TH组分分数的降低而降低。同时,在吸附能力测试中,多孔聚合物膜表现出优异的吸收能力(如图4d所示),在完成吸附实验后,多孔聚合物薄膜可回收再利用,并且在多次回收利用过程中薄膜的吸附能力没有明显的衰退。相较具有较大孔隙率的气凝胶,该多孔聚合物膜具备力学性能好、可回收利用和自修复功能等优势,为制备多孔材料提供一种全新的策略。

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图4. (a) 1B1V-THS的降解实验流程图;(b) 和(c)1B1V-THS降解后的SEM图;(d) 3B1V-THS、2B1V-THS和BPA-TH的吸油率以及1B1V-THS闭环回收前后的吸油测定。



总结/展望


综上所述,本文首次证明了炔-酚“点击”反应生成了烯醇-酮动态共价键,通过小分子模型证明其动态交换活性。其次,通过炔-酚“点击”固化反应制备了一种新型动态交联网络材料,并展示出良好的可重复加工功能。同时通过在骨架上嵌入缩醛基团,合成了一种可降解的动态交联网络。此外,利用固相融合法和选择性降解技术制备了多孔聚合物薄膜,多孔聚合物薄膜的孔隙率可达46%。最后该多孔聚合物薄膜被应用于吸油能力测试并证实其回收利用功能。该点击化学反应及其产物可逆动态反应为制备具有可回收的多孔聚合物材料提供一种新的途径,并拓展了动态交联聚合物材料的应用领域。


相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上,江西科技师范大学硕士研究生张文雄为文章第一作者,江西科技师范大学高飞副教授、东华大学陈银军教授和斯坦福大学林仰举博士为论文的通讯作者。


通讯作者信息:

高飞  江西科技师范大学

高飞,男,现任江西科技师范大学副教授、江西省高层次高技能领军人才。2016年在厦门大学获得高分子化学与物理专业博士,目前主持国家自然科学基金2项目,省级科研项目4项(其中重点2项),在Nature Communications, Angwante Chemie, ACS Materials Letters, ACS Macro Letters等杂志上发表SCI论文30余篇。主要从事功能高分子材料的研究。

陈银军  东华大学

陈银军,男,现任东华大学材料科学与工程学院、纤维材料改性国家重点实验室特聘研究员,主要从事刺激响应功能高分子材料的设计合成与应用、功能纤维的制备、加工与智能织物等应用研究。

林仰举  斯坦福大学

林仰举,男,本科及硕士毕业于厦门大学,后在杜克大学获取博士学位,现为斯坦福大学鲍哲南课题组博士后。主要从事于高分子材料的的分子机制研究和设计,包括强韧高分材料,动态可回收高分子材料以及电池中聚合物材料的的合成设计,致力于材料和能源的可持续性。

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ACS Materials Lett. 2022, 4, 2090–2096

Publication Date: September 26, 2022

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00633 

Copyright © 2022 American Chemical Society


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