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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
在这里,我们描述了制备 反式环丁烷熔融环辛烯(tCBCO)的方案,它们的聚合以制备可解聚的烯属聚合物,以及这些聚合物在温和条件下的解聚。此外,还描述了基于该系统制备可解聚网络和刚性线性塑料压缩成型的协议。
合成聚合物消费量的增加和聚合物废物的积累导致迫切需要可持续材料的新途径。通过化学回收到单体(CRM) 来实现 闭环聚合物经济就是这样一条有前途的途径。我们小组最近报道了一种基于 反式环丁烷熔融环辛烯(tCBCO)单体的开环复分解聚合(ROMP)制备的聚合物的新型CRM系统。该系统具有几个关键优势,包括在环境温度下易于聚合,在温和条件下定量解聚为单体,以及广泛的功能和热机械性能。在这里,我们概述了制备 TCBCO基单体及其相应聚合物的详细方案,包括弹性聚合物网络的制备和线性热塑性聚合物的压缩成型。我们还概述了高环应变 E-烯烃 tCBCO单体的制备及其活性聚合。最后,还演示了线性聚合物和聚合物网络的解聚程序。
合成聚合物的多功能性和坚固性使其成为现代人类生活中无处不在的固定装置。另一方面,同样坚固和环保的特性使聚合物废料具有极强的持久性。这一点,再加上有史以来制造的所有合成聚合物中有很大一部分最终进入垃圾填埋场的事实1,引起了对其环境影响的合理担忧2。此外,传统聚合物经济的开环性质导致石化资源的稳定消耗和碳足迹的增加3。因此,通往闭环聚合物经济的有前途的途径备受追捧。
化学回收单体(CRM)就是这样一种途径。与传统回收相比,CRM的优势在于它导致可用于制造原始聚合物的单体的再生,而不是在多个加工周期中机械回收性能恶化的材料。基于开环聚合的聚合物已成为CRM材料特别有吸引力的途径4.聚合的热力学通常是两个相反因素之间的相互作用:聚合焓(ΔH p,通常为负值,有利于聚合)和聚合熵(ΔSp,通常也是负的,但不利于聚合),其中上限温度(Tc)是这两个因素相互平衡的温度5.为了使聚合物能够在实际和经济上有利的条件下进行CRM,必须实现ΔH p和ΔSp的正确平衡。环状单体允许通过选择合适的环尺寸和几何形状来调节这些因素的便捷方法,因为在这里,ΔHp主要由环状单体4,5的环应变决定。因此,具有多种单体的CRM聚合物已被报道为6,7,8,9,10,11。在这些体系中,由环戊烯制备的ROMP聚合物特别有前途,因为所需的起始材料相当便宜,并且聚合物具有水解和热稳定性。此外,在没有复分解催化剂的情况下,解聚在动力学上是不可行的,尽管Tc12较低,但仍能提供高热稳定性。然而,环戊烯(和其他基于小环状结构的单体)提出了一个关键的挑战 - 它们不容易官能化,因为主链上官能团的存在会以剧烈的,有时是不可预测的方式影响聚合的热力学13,14。
最近,我们报告了一个克服其中一些挑战的系统15.受文献16,17中低应变熔融环环辛烯示例的启发,基于反式环丁烷熔融环辛烯(tCBCO)的ROMP聚合物设计了一种新的CRM系统(图1A)。tCBCO单体可以从马来酸酐和1,5-环辛二烯的[2+2]光环加合物中以克级制备,其可以很容易地官能化以获得多样化的取代基(图1B)。所得单体的环形菌株与环戊烯相当(~5 kcal·mol−1,使用DFT计算)。热力学研究显示低ΔH p(−1.7 kcal·mol−1至-2.8 kcal·mol−1),被低ΔSp(−3.6 kcal·mol −1·K−1 至 −4.9 大卡·摩尔−1·K−1),允许在Grubbs II催化剂(G2)存在下,在环境温度下制备高分子量聚合物(在高单体浓度下)和近乎定量的解聚(>90%,在稀条件下)。还证明,在保持聚合/解聚的便利性的同时,可以获得具有不同热机械性能的材料。这种能力被进一步用于制备软弹性网络(也可以很容易地解聚)以及刚性热塑性塑料(具有与聚苯乙烯相当的拉伸性能)。
该系统的一个缺点是需要高单体浓度来获取高分子量聚合物。同时,由于广泛的链转移和环化反应,聚合本质上不受控制。在随后的工作中,通过对tCBCO单体中的Z-烯烃进行光化学异构化以制备高度应变的E-烯烃tCBCO单体18,解决了这一问题。这些单体可以在Grubbs I催化剂(G1)和过量的三苯基膦(PPh 3)存在下,以低初始单体浓度(≥25mM)以活的方式快速聚合。然后聚合物可以解聚以产生单体的Z-烯烃形式。这为获得新的可解聚聚合物架构创造了机会,包括嵌段共聚物和接枝/瓶刷共聚物。
在这项工作中,概述了具有不同官能团的 tCBCO 单体的合成及其聚合以及所得聚合物的解聚的详细方案。此外,还描述了用于制备软弹性网络狗骨样品及其解聚的方案,以及N-苯基酰亚胺取代的刚性热塑性聚合物的压缩成型。最后,还讨论了吨CBCO单体光异构化为其应变的E-烯烃tCBCO形式的方案及其随后的活ROMP。
注意:下面概述的协议是之前报告的实验程序的详细形式15,18,19。小分子和聚合物的表征先前已有报道15,18。此外,单体和聚合物的合成以及聚合物的解聚应在通风橱内进行,并配备适当的个人防护设备 (PPE),包括丁腈手套、安全眼镜和实验室外套。
1. 吨CBCO单体制备15
2. 柱层析
注意:以下是对本文所述化合物进行的柱色谱的一般程序。
3. 光化学异构化18
注:光异构化改编自文献程序22。
4. 聚合物合成
5. 解聚
6. P3 15拉伸试样的制备
这里讨论的是先前发表的代表性结果15,18,19。图5显示了由G2(红色曲线)15和EM1的G1/PPh3(黑色)18制备的聚合物P1的GPC迹线。由活ROMP制备的聚合物具有更窄的分子量分布(M n = 114.9 KDa,Ð = 1.17),而传统ROMP制备的聚合物具有相当广泛的分布G2(Mn = 142 KDa,Ð = 1.55)。
1用于线性(P1)和交联(PN1)聚合物解聚的H NMR波谱如图6所示。通过计算对应于单体烯属质子的峰积分与单体和残留低聚物烯属质子的峰积分之和之比来测量P1的解聚程度(如图6A所示)。在稀条件下和1摩尔%G2存在下,P1几乎定量解聚(~93%)。PN1的解聚程度计算类似,为~94%(图6B)。这里必须注意的是,对于PN1,"单体"是指解聚后得到的单官能单体和交联剂(分别为M2和XL)的混合物。
图7显示了聚合物P3和网络PN1的代表性拉伸曲线(这些数据来自先前发表的工作15)。M2中柔性丁基链的存在使PN1是一种柔软的弹性材料,极限拉伸应变为~0.64 MPa,模量为~0.76 MPa,断裂应变为~226%。
另一方面,具有刚性苯基酰亚胺取代基的聚合物 P3 表现得像刚性玻璃状材料,极限拉伸强度为~41.4 MPa,断裂应变为~3.4%。使用英斯特朗万能试验架对 P3 进行拉伸试验,用自制拉伸试验机对 PN1 进行拉伸试验,均以5 mm·min−1的十字头速度进行。

图1:用于解聚烯属聚合物的t CBCO单体。 (A)用于化学可回收聚合物的t CBCO单体。(B)吨CBCO单体的合成。1,5-环辛二烯和马来酸酐的光化学[2 + 2]环加成提供了酸酐1,其可以通过条件(i),(ii)和(iii)分别容易地转化为M1和XL,M2和M3。(一) M1:甲基氧化醇,回流;MeOH, EDC, DMAP, DCM;XL: 1,4-丁二醇, 丁二醇, 二甲基苯丙烷, 二氢化学.(二) M2:氢氧化钠,H2O,60°C;1-丁醇, 丁酸, 二甲基苯醚, 二甲基苯乙烯.(三) M3:苯胺、丙酮;乙酸钠,乙酸酐,100°C。 请点击此处查看此图的大图。

图2:本工作中概述的小分子和聚合物合成的反应方案 。 (A) CBCO小分子和单体的合成。(B) 用常规ROMP合成 P1 。(C)活ROMP合成 P1 。 请点击此处查看此图的大图。

图3.M1光化学异构化的反应装置。M1到EM1的光异构化涉及在流动条件下的辐照,该装置包括一个装有石英反应管的光反应器,一个装有AgNO3浸渍二氧化硅的色谱柱(用于捕获产物)和一个计量泵,以使反应混合物流动。请点击此处查看此图的大图。

图4:用于P3压缩成型和PN1制备的模具 。 (A)用于 P3 压缩成型的钢模和(B)用于固化弹性体网络 PN1的PTFE模具。 请点击此处查看此图的大图。

图 5:聚合物的 GPC 迹线。在G1和PPh 3(黑色)存在下通过活ROMP制备的聚合物P1的GPC迹线以及在G2(红色)存在下通过常规ROMP制备的聚合物P1迹线。该图是根据先前发表的数据(Sathe等人的红色痕迹)编制的。15、陈等人的黑色痕迹18)。请点击此处查看此图的大图。

图6:基于CBCO的聚合物的解聚。 (A)解聚后的(B)聚合物P1(黑色)、解聚前的聚合物P1(蓝色)以及解聚后的单体M1(红色)和(C)网络PN1(黑色)、交联剂XL(蓝色)和单体 M2的解聚反应方案和堆叠部分1H NMR波谱 (红色)。该数字是根据先前公布的数据编制的(B的数据来自Sathe等人。19、C的数据来自Sathe等人。15). 请点击这里查看此图的大图。

图 7:应力与应变曲线。 (A) 聚合物网络 PN1 和 (B) 聚合物 P3。该数字是根据Sathe等人先前发表的数据编制的。15. 请点击此处查看此图的大图。
这项工作已提交专利申请(PCT/US2021/050044)。
在这里,我们描述了制备 反式环丁烷熔融环辛烯(tCBCO)的方案,它们的聚合以制备可解聚的烯属聚合物,以及这些聚合物在温和条件下的解聚。此外,还描述了基于该系统制备可解聚网络和刚性线性塑料压缩成型的协议。
我们感谢阿克伦大学和国家科学基金会在DMR-2042494赠款下的资助。
| 1 和 3 dram 样品瓶 | VWR | 66011-041、66011-100 | |
| 1,4-丁二醇 | Sigma-Aldrich | 240559-100G | |
| 1,5-环辛二烯 | ACROS | AC297120010 | |
| 1-丁醇 | Fisher | A399-1 | |
| 20 mL 闪烁样品瓶 | VWR | 66022-081 | |
| 乙酸酐 | Alfa-Aesar | AAL042950B | |
| 丙酮 | Fisher | A18-20 | |
| 铝背 TLC 板 | 硅烷片 | TLA-R10011B-323 | |
| 氢氧化铵 | Fisher | A669-212 | |
| 苯胺 | TCI | A0463500G | |
| BD precisionglide (18 G) | Fisher | ||
| 氯仿 | Fisher | C298-4 | |
| 循环柱(用硝酸银处理的硅胶填充) | 半径约 1 厘米,长约 25 厘米,两端有内螺纹 | ||
| d-氯仿 | 剑桥同位素 | DLM-7-100 | |
| 二氯甲烷 | VWR | BDH1113-19L | |
| EDC。盐酸;3-(3-二甲氨基丙基)-1-乙基碳二亚胺盐酸盐 | Chemimpex | 00050 | |
| 乙酸乙酯 | Fisher | E145-20 | |
| 乙基乙烯基醚 | Sigma-Aldrich | 422177-250ML | |
| 玻璃色谱柱 | 内部制造 | D = 20 mm,L= 450 mm 和 D = 40 mm,L = 450 mm | 色谱柱的一端配有特氟龙旋塞和 24/40 磨砂玻璃接头,以在需要时容纳溶剂储液器。 |
| Grubbs 催化剂第一代 (M102) | Sigma-Aldrich | 579726-1G | |
| Grubbs 催化剂第二代 (M204) | Sigma-Aldrich | 569747-100MG | |
| 己烷 | Fisher | H292-20 | |
| 液压机 | Carver Instruments | #3912 | 与温度控制模块耦合(见下文) |
| 酸 | Fisher | AA87617K4 | |
| 马来酸酐 | ACROS | AC125240010 | |
| 甲醇 | Fisher | A412-20 | |
| 微量必需水合物 pH 试纸 (1-13 pH) | Fisher | 14-850-120 | |
| Normject 鲁尔锁注射器(1、3 和 10 mL) | VWR | 89174-491、53547-014 和 53547-010 | |
| 光反应器室 | Rayonet | RPR-100 | |
| QuadraPure TU(催化剂清除剂) | Sigma-Aldrich | 655422-5G | |
| 石英管 | 内部成型 | D=2"、L=12.5" 和 D=1.5"、L=10.5" | |
| Rotavap | Buchi | ||
| SciLog Accu 数字计量泵 MP- 40 | Parker | 500 mL 容量 | |
| Siliaflash 不规则二氧化硅,F60 | 硅循环 | R10030B-25KG | |
| 硝酸银 | ACROS | AC197680050 | |
| 氢氧化钠 | VWR | BDH9292-2.5KG | |
| 钢模 | 内部制造 | 模具腔外形尺寸:长 20 毫米,宽 7 毫米,深 1 毫米;规格尺寸:长 10 毫米,宽 3 毫米) | |
| 钢板 | 内部制造 | 100 毫米 x 150 毫米 x 1 毫米 | |
| 特氟龙模具(6腔) | 内部制造 | 整体腔体尺寸:长25毫米,宽8.35毫米,深0.8毫米;规格尺寸:长5毫米,宽2毫米) | |
| 特氟龙片材(0.005英寸厚) | McMaster-Carr | 8569K61 | |
| 温度控制模块 | Omega | C9000A和C9000 | °C 单元(两个模块,一个用于顶部,一个用于底部) |
| 三苯基膦 | TCI | T0519500G | |
| 紫外线灯 | Rayonet | RPR2537A 和 RPR3000A | |
| 真空泵 | Welch Duoseal | ||
| Whatman 滤纸(2 级) | VWR | 09-810F | 滤纸 |