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Angew. Chem. :雜原子取代策略(HSS)設計合成化學可回收聚酯并通過溫度轉換調控共聚物單體序列2024-07-05
為了探索出更好的解決塑料垃圾的方法,Eugene Y.-X. Chen等人在2016年首次提出了化學回收到單體的概念,即通過化學的方式將聚合物解聚回原始單體,回收得到的單體在經過純化后可以重新聚合為聚合物,并且此聚合物與原始單體制備得到的聚合物相比,在性能上沒有損失,因此這一方法有望徹底解決白色污染的問題。

然而,目前化學可回收聚酯單體設計僅有稠環/橋環和取代基兩種策略,因此開發新的化學可回收聚酯單體的設計策略顯得尤為重要。在此背景下,蘇州大學的張正彪教授/王鑫副教授以N、S、O三種雜原子取代?δ-戊內酯(?δ-VL)環上的亞甲基,得到了三種具有不同聚合上限溫度(Tc)的環狀單體M1(N), M2(S), M3(O),并通過有機催化的方式實現了三種單體的活性/可控開環聚合以及合成聚合物的解聚。

 

 

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在篩選出最優的聚合條件后,作者通過實驗與DFT計算對三種雜原子取代單體的開環熱力學進行了探究。不同雜原子取代與可回收性的系統性研究表明,引入雜原子確實改變了單體的熱力學,包括ΔHpo,ΔSpo和Tc,從而調節單體的聚合性和解聚性。DFT計算發現,雜原子的引入改變了單體的角張力從而調節了單體的環張力,且三種單體角張力的順序為:M2?>?M1>?M3,其與實驗得到的焓變的順序也是一致。隨后作者對三種雜原子取代單體所制備聚合物的化學回收性能進行了探究,發現M1單體制備的聚合物P(M1)在含催化劑的溶液中,或高溫真空條件下均能完全解聚回原始單體,且沒有雜質的生成。此外,高溫真空條件下解聚得到的回收單體無需進一步純化,便能用于下一步的聚合反應。

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在系統地探究了三種雜原子取代單體的聚合行為和對應的均聚物性能后,作者也采用一鍋一步投料法將三種單體兩兩共聚,對三種單體兩兩間的共聚行為進行了探究。由于三種雜原子取代單體的活化能(Ea)不同(M1?= 30.3 kJ/mol, M2?= 42.5 kJ/mol, M3?= 27.8 kJ/mol),導致了不同單體在共聚時的競聚率隨溫度的改變而改變。活化能最大的M2單體,在與活化能較小的M1或M3單體進行共聚時,隨著聚合溫度的降低,M2單體向聚合物鏈上的增長逐漸被抑制,從而實現共聚物單體序列由無規向嵌段的轉變。而活化能相差較小的M1和M3單體進行共聚時,不管溫度如何改變,兩種單體競聚率始終接近,所得到的均為無規共聚物。

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最后,向環酯單體中引入雜原子不僅在熱力學上調控了單體的化學可回收性能,還在動力學上改變了單體的活化能,使活化能相差較大的單體能夠通過簡單的溫度轉換實現對共聚物單體序列的調節。該工作為化學可回收聚酯均聚物和共聚物的合成提供了一種新的策略。

文信息

Heteroatom Substitution Strategy Modulates Thermodynamics Towards Chemically Recyclable Polyesters and Monomeric Unit Sequence by Temperature Switching

Da Zhang,?Xin Wang,?Zhengbiao Zhang,?Nikos Hadjichristidis

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202402233

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