苝基金属配位聚合物网络催化的光诱导原子转移自由基聚合的研究

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旨在开发一种绿色高效的光引发原子转移自由基聚合,其关键问题是发展新型光催化剂。由于金属配位聚合物网络(MCP)的独特优点,在光催化领域应用日益广泛。本文基于对MCP的分子结构设计,合成了苝-铜配位聚合物网络(Cu-PTC)和苝-钴配位聚合物网络(Co-PTC),并以Cu-PTC为催化剂在可见光作用下进行共轭乙烯基单体甲基丙烯酸甲酯(MMA)的原子转移自由基聚合,以Co-PTC为催化剂在可见光作用下进行非共轭乙烯基单体醋酸乙烯酯(VAc)的原子转移自由基聚合。主要研究内容和重要结果如下:(1)以3,4,9,10-苝四甲酸二酐为有机配体、二价铜离子和二价钴离子为金属中心,通过室温自组装的方法合成了Cu-PTC和Co-PTC。研究了两种材料的化学结构、晶体结构、织态结构、能带结构和光电性能之间的关系。结果表明:Cu-PTC和Co-PTC均具有00h型晶型结构;较大的比表面积(Cu-PTC为91.992 m2 g-1,Co-PTC为102.876m2 g-1)、较高的微孔贡献率(均在10%左右)、较强的光电流响应(Cu-PTC为0.07μA/cm2,Co-PTC为0.04μA/cm2)和较宽的光谱吸收(200800 nm)。(2)以具有可见光活性的Cu-PTC为催化剂,实现了MMA的原子转移自由基聚合。动力学研究显示,聚合过程符合“活性”自由基聚合特征,并且聚合行为可对光场的开关做出迅捷的响应;核磁共振氢谱(1HNMR)结果表明:Cu-PTC的微孔结构使聚合物的立构规整性提升。进一步采用紫外光谱(UV)、电子顺磁共振波谱(EPR)及电化学研究了Cu-PTC作为催化剂催化MMA聚合的机理,结果显示:Cu-PTC受光激发产生光生电子和空穴,通过光生电子活化α-溴苯乙酸乙酯(EBP)引发剂以实现“活性”聚合。经4次循环实验后,Cu-PTC仍具有良好的催化活性(MMA的单体转化率在50%左右)和较好的化学结构稳定性。(3)以具有可见光活性的Co-PTC为催化剂,实现了VAc的原子转移自由基聚合。动力学研究显示,聚合过程符合“活性”自由基聚合特征,进一步采用核磁共振氢谱(1HNMR)及扩链实验研究了Co-PTC作为催化剂催化VAc聚合的机理,结果显示:Co-PTC吸收可见光使引发剂TPO产生自由基引发聚合,并且通过PVAc-Co(Ⅲ)-PTC(休眠物种)可逆的脱去Co(Ⅲ)-PTC来实现聚合的可控性。经循环实验后,Co-PTC仍具有良好的催化活性(VAc的单体转化率在35%左右)。
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