基于 POSS 支撑的多硼烷/磷腈/醇体系实现分子量可控的 (R)-丁酸缩水甘油酯与 CO?链增长共聚:可降解甘油衍生聚碳酸酯

《Polymer》:Chain-growth Copolymerization of ( R)-Glycidyl Butyrate and CO 2 with Controlled Molecular Weight Enabled by a POSS-Supported Multiborane/Phosphazene/Alcohol System: Degradable Glycerol-Derived Polycarbonates

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月02日 来源:Polymer 5.1

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   摘要CO2 与功能化环氧乙烷的共聚提供了一条通往可降解聚碳酸酯的吸引人且具有可持续性的路线,然而分子量可控的缩水甘油酯衍生物的链增长共聚发展仍然不足。在此,我们报告了一种由纳米多面体低聚倍半硅氧烷衍生的多硼烷 (POSS-B8)、1-叔丁基 -2,2,4,4,4-五 (二甲氨

  

摘要

CO2 与功能化环氧乙烷的共聚提供了一条通往可降解聚碳酸酯的吸引人且具有可持续性的路线,然而分子量可控的缩水甘油酯衍生物的链增长共聚发展仍然不足。在此,我们报告了一种由纳米多面体低聚倍半硅氧烷衍生的多硼烷 (POSS-B8)、1-叔丁基 -2,2,4,4,4-五 (二甲氨基)-2λ5,4λ5-链式二 (磷氮杂环) (tBuP2) 和苯甲醇组成的无金属催化体系,用于 ((R-丁酰氧基甲基环氧乙烷 (RGB) 与 CO2 的选择性共聚。该三元体系能够在温和条件下实现分子量可控的链增长共聚过程,在 10–25 °C 下抑制环状碳酸酯的形成的同时,获得高单体转化率 (99%)、高聚合物选择性 (99%) 和高碳酸酯键含量 (90%) 的聚碳酸酯。温度、CO2 压力、催化剂用量和引发剂用量的系统变化表明,该过程在降低催化剂用量 (0.05 mol%) 时仍然保持高效,且分子量可以通过苯甲醇的量来调节。动力学分析揭示该共聚反应对 RGB 和催化剂浓度呈现准一级依赖关系,对 CO2 压力呈现准零级依赖关系,且分子量随 RGB 转化率呈线性增长。所得保护聚碳酸酯在 pH 依赖性下水解降解为甘油、丁酸和环状碳酸酯产物,展示了一条从 CO2 和功能化缩水甘油酯到可降解聚碳酸酯的可持续路线。

引言

CO2 作为可再生 C1 原料的化学利用在可持续聚合物合成的背景下持续受到关注[1]。在现有方法中,环氧乙烷与 CO2 的开环共聚 (ROCOP) 特别具有吸引力,因为它能够将 CO2 直接并入聚合物骨架中,具有高原子经济性,生成潜在可发生水解降解的脂肪族聚碳酸酯[2]。这类材料作为持久性石油衍生聚合物的替代品,以及作为可持续材料设计的结构可调平台,引起了相当大的兴趣。在 CO2 与简单环氧乙烷如环氧丙烷 (PO) 和环氧环己烯 (CHO) 的 ROCOP 方面已取得显著进展[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]。相比之下,功能化环氧乙烷仍然更具挑战性,特别是当单体含有能改变环氧乙烷反应性、干扰催化剂形态并增加副反应概率的侧基时[13]。缩水甘油酯衍生物是合成上具有吸引力的功能化环氧乙烷。与石油衍生的 PO 和 CHO 相比,缩水甘油酯可以从生物基环氧氯丙烷或相关的甘油平台获得[14],这符合我们社会的可持续性需求。一方面,侧酯基团为聚合后转化提供了处理手段;另一方面,所得聚合物可作为去保护后线性甘油衍生物材料的保护前体[15], [16]。However, ROCOP of glycidyl ester monomers with CO2 remains much less developed than the copolymerization of conventional epoxides[14], [17], [18], [19]. 缩水甘油酯单体与 CO2 的 ROCOP 仍然远不如常规环氧乙烷的共聚发达[14], [17], [18], [19]。因此,缩水甘油酯与 CO2 的共聚将提供一条通往保护甘油基聚碳酸酯的直接路线。[20], [21], [22]。甘油基聚合物因其亲水性、官能团密度、潜在生物相容性和丰富的后官能化化学而具有吸引力。甘油衍生物单体的直接聚合往往因不可控的副反应和支化而变得复杂[23], [24]。保护单体策略可以解决这一局限性:醇官能团在聚合过程中被掩蔽,随后通过去保护或降解揭示。在此背景下,((R-丁酰氧基甲基环氧乙烷 (RGB) 代表一种有用的保护缩水甘油酯单体,可通过 CO2/环氧乙烷 ROCOP 获得线性甘油基聚碳酸酯。
无金属路易斯酸碱对催化最近作为一种强大的环氧乙烷聚合平台脱颖而出,因为它避免了金属残留,同时提供了对敏感官能团的可调反应性[25]。多硼烷路易斯酸特别具有吸引力,因为多个邻近的硼烷位点可以协同活化环氧乙烷并增强增长[26], [27]。纳米多面体低聚倍半硅氧烷衍生的多硼烷 (POSS-B8),特别是,提供了一个纳米支架,在其上多个路易斯酸位点在空间上有序排列,可能通过局部浓度和协同底物活化放大活性[28]。1-叔丁基 -2,2,4,4,4-五 (二甲氨基)-2λ5,4λ5-链式二 (磷氮杂环) (tBuP2) 将从苯甲醇生成亲核烷氧基引发剂,并可能维持快速链增长[29], [30]。因此我们推测,含有 POSS-B8、强磷氮杂环碱和定义明确的醇引发剂的三元体系能够 enabling 链增长功能化缩水甘油酯与 CO2 的共聚。
在此,我们报道了在 POSS-B8、(tBuP2) 和苯甲醇 (BnOH) 介导下 RGB 与 CO2 的链增长共聚。系统研究了温度、CO2 压力、催化剂用量和引发剂用量的影响。进行了动力学实验以确定对 RGB、催化剂和 CO2 压力的反应级数依赖关系。在不同 pH 条件下对保护聚合物进行水解降解,以提供一条从 CO2 和缩水甘油酯单体到可降解甘油基聚碳酸酯的可持续路线。

章节摘要

POSS-B8/tBuP2/BnOH 体系催化的 RGB 与 CO2 共聚

最初,我们尝试在 25 °C 和 2.0 MPa CO2 下,以 [RGB]/[BnOH]/[POSS-B8]/[tBuP2] = 1000/10/1/1 的摩尔比进行 RGB 与 CO2 的共聚。需要注意的是,POSS-B8/tBuP2 的比率指的是 POSS-B8 分子与 tBuP2 分子的摩尔比,而不是单个硼烷位点与磷氮杂环分子的比率,因为每个 POSS-B8 分子包含 8 个硼烷路易斯酸中心。聚合前,CO2 通过包含无水 P2O5 的干燥柱

结论

总之,我们开发了一种无金属催化平台,用于使用由 POSS-B8、tBuP2 和 BnOH 组成的三元体系进行丁酰氧基甲基环氧乙烷与 CO2 的链增长共聚。该体系能够在温和条件下实现功能化缩水甘油酯单体的高效 ROCOP,获得具有高单体转化率、高聚合物选择性和高碳酸酯键含量 (86%-90%) 的聚碳酸酯。在 10–25 °C 下强烈抑制环状碳酸酯的形成,且 25 °C 提供

CRediT 作者贡献声明

:写作 – 回顾与编辑,资源。 王晓武: 写作 – 回顾与编辑,写作 – 初稿,可视化,验证,监督,资源,项目管理,方法论,调查,形式分析,概念化。 王华安: 调查。 陈云龙: 调查。 汤炳鑫: 可视化,调查。 寇欣辉: 形式分析。 高武: 资源。 陈月: 调查。 辛先浩: 调查

备注

作者声明无竞争财务利益。

竞争利益声明

代表所有作者,作者声明无竞争财务利益。

致谢

这项工作得到了 山东省自然科学基金 (No. ZR2024MB019) 和山东省重点研发计划 (科技型中小企业创新能力提升工程,No. 2025TSGCCZZB0950) 的支持。
汤炳鑫 | 陈云龙 | 王华安 | 辛先浩 | 陈月 | 高武 | 寇欣辉 | 王晓武
先进光学聚合物与制造技术国家重点实验室,青岛科技大学化学工程学院,中国青岛郑州路 53 号,266042
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