방법 논문

기능 노보 넨의 촉매 삽입 중합을위한 간단하고 효율적인 프로토콜

DOI:

10.3791/54552

⸱

2017년 2월 27일

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1Department of Chemistry, Université de Sherbrooke

이 논문에서

요약

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우리는 5-노르보르넨-2-카르복실산과 5-비닐-2-노르보르넨의 촉매 삽입 중합을 설명하여 매우 높은 유리 전이 온도를 가진 기능성 중합체를 형성합니다.

초록

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이중 결합이 중합하고, 단량체의 바이 성질이 보존된다 넨 삽입 중합을 포함하는 다양한 메커니즘에 의해 중합 될 수있다. 얻어진 중합체, 폴리 노르 보르 넨은 높은 유리 전이 온도 Tg를, 흥미로운 광학 및 전기적 특성을 갖는다. 그러나,이 메카니즘에 의해 작용 노보 넨의 중합 엔도 치환 된 노르 보르 넨 단량체는 일반적으로 매우 낮은 반응성을 갖는다는 사실에 의해 복잡하게된다. 또한, 엑소 모노머 엔도 치환 된 단량체의 분리는 지루한 작업이다. 카르 복실 산 또는 펜던트 이중 결합 중 베어링 (엑소 엔도 약 80:20) 여기서는 치환 된 노보 넨의 중합을위한 간단한 프로토콜을 제시한다. 이 과정은 두 이성질체는 분리 될 것을 요구하고, 낮은 촉매 로딩 (0.01 내지 0.02 몰 %)으로 진행하지 않는다. 폴리머 베어링 펜던개미 이중 결합은 또한 중합체 베어링 펜던트 에폭시기를 수득하기 위해 고 수율로 전환 할 수있다. 이 간단한 절차는 예컨대 에스테르, 알콜, 이미 드, 이중 결합, 카르 복실 산, 브로 모 알킬, 알데히드 및 ​​무수물 작용기의 다양한 노르 보르 넨을 제조에도 적용 할 수있다.

서론

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도데 NBE 에틸렌과 (디 사이클로 펜타 디엔 (DCPD)의 「균열」에 의해 얻어지는) 시클로 펜타 디엔의 딜스 - 알더 부가 물은 쉽게 자유 라디칼 중합 한 양이온 중합이 개환 복분해 중합 3 촉매 삽입을 사용하여 중합 중합. 다른 메커니즘과 달리 4, 5, 6, 7, 촉매 삽입 중합 NBE의 바이 골격 보존된다 매우 높은 유리 전이 온도의 형성 (T의 g) 중합체를 이끈다. 이러한 메탈로 센계 촉매 및 후기 전이 금속 촉매와 같은 촉매의 다양한 NBE의 중합을 촉진하기 위해 사용될 수있다. 4, 5, 6, g 폴리머의 처리와 관련된 어려움은 PNBE 호모 폴리머는, 우리의 지식에, 어떤 사용을 찾은 적이있다.

그들은 바이 강성 반복 단위뿐만 아니라 작용기를 부여 바람직한 성질에 의해 부여 된 높은 T g의 결합 때문에 기능성 노르 보르 넨 (PNBEs)은 지난 20 년 동안 상당한 조사의 대상이되어왔다. 8, 9, 10 NBE 단량체는 시클로 펜타 디엔 및 친 디엔 관능 사이의 한 단계 딜스 - 알더 반응을 이용하여 비교적 간단하고 저렴한 공급 원료에서 얻어진다. 그러나, 딜스 - 알더 반응은 매우 반응성이 다른 두 입체가 엔도 및 엑소로 이끈다. 11 사실 12 엔도 스테레오엑소 이성질체 형태보다 반응성 촉매를 비활성화시킨다. (11) (12) 이와 같이, 과거에 작용 노르 보르 넨의 제조는 통상적으로 엔도 및 엑소 입체 이성질체의 분리를 요구하고, 전용 엑소 입체를 사용 하였다. 이러한 분리 과정은 시간 소모적이며, 바람직하지 못한 폐기물로 미 엔도 입체 축적되었다.

최근에 우리는 모두 입체 이성질체를 포함하는 작용 NBEs의 중합이 가능한 사실에 있음을 보여 주었다. (13) 따라서 우리는 그러한 에스테르, 무수물, 알데히드, 이미 드, 알콜 및 이중 결합과 같은 작용기를 함유하는, 치환 PNBEs 다양한을 제조 할 수 있었다. 때문에 높은 T의 g과 기능에,이 폴리머는 바람직한 특성을 보여줍니다. 우리는 기능성 폴리머를 제조 여기에 두 가지 방법을 설명합니다. 첫 번째로 연결수용성 중합체 폴리 (5- 노보 넨 -2- 카르 복실 산)의 합성 PNBE (CO 2 H), 양이온 Pd 촉매 (도 1)를 사용. 13, 14와 동일한 중합 방법 등의 에스테르, 알코올, 이미 드, 브로 모 알킬, 알데히드 및 산 무수물과 같은 다양한 펜던트 작용기와 기능적 PNBEs를 제조 할 수있다. 우리 손,이 양이온 Pd 촉매 펜던트 이중 결합 5- 비닐 -2- 노보 넨 등을 포함 NBEs 사용할 수 없다. 이 경우, 중합시의 펜던트 이중 결합의 부분적인 삽입은 가교 물질의 형성을 이끈다. 따라서, 여기의 Pd 2 (DBA) 3을 사용하여 폴리 (5- 비닐 -2- 노르 보르 넨) PNBE 비닐의 형성에 전용하는 제 방법을 제시한다 : AgSbF 6 : PPH 3 동일계 촉매에있다. 14 폴리머의 펜던트 비닐 그룹은 상기 제 이어질하는 에폭시되고PNBE (에폭시) (그림 1)의 전자 형성. 두 PNBE (CO 2 H) 및 PNBE (에폭시)는 T g만큼 높은 350 ℃로와 열경화성 수지의 형성을 유도하는 것으로 밝혀졌다. (14) 따라서, 여기서 설명하는 간단한 방법은 하나의 매우 높은 효율의 T g 및 다양한 응용에 사용될 수 작용기의 다양한 갖는 중합체를 제조 할 수있다.

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그림 1 : 팔라듐에 의해 제조 기능 PNBEs 중합 촉매. PNBE (CO 2 H)의 (A) 준비, PNBE의 (B) 준비 (비닐) 및 PNBE (에폭시). 점선 결합은 엔도와 엑소 이성질체의 혼합물을 나타냅니다. 이 파이의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오gure.

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프로토콜

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폴리 (5- 노보 넨 -2- 카르 복실 산), PNBE 1. 제조 (CO 2 H)

  1. 단량체의 제조 NBE (CO 2 H)
    1. 아크릴산 (AA) (327g, 4.5 몰, 2 당량). 하이드로 퀴논 (4.9 g, 4.5 X 10-2 몰, 0.02 당량). 칭량 및 냉각기가 장착 된 2 L 둥근 바닥 플라스크에 추가 및 자기 교반 막대. 실리콘 오일 욕을 사용하여 150 ℃에서 플라스크를 가열한다.
    2. 역류가 정착되면, 하나의 부분에 DCPD (300g, 2.3 몰, 1 당량을.) 추가 한 다음 170 ° C까지 온도를 높일 수 있습니다.
    3. 16 시간 동안이 온도에서 반응을 둡니다. 노란색 - 갈색 명확에서 색 변화를 관찰한다.
    4. 파스퇴르 피펫으로 추출하여 샘플을 채취하고, (용매로서 CDCl3 중 사용) 1 H NMR (15)를 분석 할 수 있습니다. (6.0 및 6.5 ppm으로, 그림 2 상단 사이의 이중 결합 신호)를 NBE의 발현을 관찰한다. (16)
  2. NBE 정제 (CO 2 H)
    1. 차가운 물이 순환되는 응축기에 연결된 증류 간단한 설정 (하나 고원)와 콘덴서를 장착.
    2. 약으로 설정 진공 하에서 반응 설치를 넣습니다. 1 mmHg로. 버려 질 수있는 투명한 액체 (약 40 ㎖)에 100 ℃에서 혼합물을 가열하고 수집한다.
    3. 500 mL의 둥근 바닥 플라스크에 수집 플라스크를 교체합니다. 155 ° C에 오일 목욕을 가열하고, NBE의 적하 증류 (CO 2 H) 관찰 (317g, 2.3 몰. 수율 = 98 %). 증류는 7 시간 이상 소요됩니다.
    4. 순도뿐만 아니라 엔도을 평가하기 위해 1 H NMR에 의해 무색 액체 분석 : 비율 (그림 2, 아래) 엑소. 엔도 15 : 증류뿐만 아니라 조 NBE (CO 2 H)의 제조에 사용되는 가열 시간이 사용 된 시간 엑소 비율이 변화한다. 일반적으로, 엔도 :(이 경우에는 60:40) 50:50 및 80:20 얻을 수있다 사이의 비율을 엑소.
  3. NBE 중합 (CO 2 H)
    1. 자기 교반 막대를 구비 한 500 ㎖ 둥근 바닥 플라스크에 NBE (CO 2 H)을 300g (2.3 몰 당량 5000). 놓는다. 30 분 동안 질소를 버블 링하여 탈기 액.
    2. (. 팔라듐 76 ㎎, 4.2 X 10-1 밀리몰, 1 당량) 알릴 팔라듐 (II) 클로라이드 이량 체, [의 PdCl (C 3 H 5) 2를 계량하고, 용액에 추가. 실버 안티몬의 AgSbF 6 추가 (180 ㎎, 5.2 × 10 -1 몰, 1.2 당량.).
    3. 교반하에, 70 ℃에서 가열하여 팔라듐 염을 용해하고, 약간의 질소 흐름하에 70 ℃에서 온도를 유지한다. 7-8 시간 후, 교반하여 점도를 증가시키는 것으로 인한 정지한다.
    4. 36 시간 후 반응을 정지.
    5. 액체 질소로 둥근 바닥 플라스크를 냉각. 주걱으로 작은 조각으로 분해 중합체.
    6. 2 L 비이커 동등에서pped 자기 교반 막대, 에틸 아세테이트 750 mL를 첨가. 격렬히 교반하면서, 에틸 아세테이트로 중합체 덩어리를 추가한다. 2 시간 동안 교반을 계속합니다.
    7. 종이 필터 (등급 413, 15cm 직경)를 구비 한 15cm 직경 부 흐너 깔때기를 통해 용액을 필터.
    8. 에틸로 중합체가 세 배 (500 mL 씩 세척) 아세테이트 씻는다. 오븐에서 12 시간 동안 50 ℃로 설정된 진공에서 중합체 (123g, 9.4 X 10-1 몰, 수율 = 41 %) 건조.

PNBE 2. 준비 (비닐)

  1. NBE의 중합 (비닐)
    1. 탈기 톨루엔 (약 200 mL) 및 NBE (비닐)을 30 분 동안 N 2로 버블 링하고, 글러브 박스에 배치하여 (약 200 mL)을 첨가 하였다.
    2. 250 mL의 둥근 바닥 플라스크에서, 글로브 박스, 부하 톨루엔 (100g) 내.
    3. 팔라듐 2 (DBA) 3 (76 ㎎, 1.6 × 10 -1 몰, 1 당량.의 Pd), AgSbF 6 (68 mg을 추가, 2.0 × 10 -1 m몰, 1.2 eq.)를 트리 페닐 포스 핀, PPH 3 (43 ㎎, 톨루엔 용액을 순차적으로 1.6 X 10-1 밀리몰, 1 당량.).
    4. 완전한 용해가 일어날 때까지 70 ℃로 혼합물을 가열한다. 이는 10 분 내에 발생한다.
    5. 이 보라색 용액에 NBE (비닐)의 100g (8.0 × 10 -1 몰, 5000 당량.)를 추가합니다.
    6. 72 시간 동안 70 ℃에서 교반 하였다.
    7. 글로브 박스 중의 용액을 제거하고, 자기 교반 막대를 함유하는 1 L의 유리 병에 점착성 블랙 용액 옮긴다.
    8. 톨루엔 (200 mL) 및 교반을 추가합니다.
    9. 실리카 분말 (실리카겔 40-63 μm의 10 g)을 추가한다. 실온에서 16 시간 동안 교반 하였다.
    10. 교반 중지하고 분말 sedimentate하는 실리카 입자 위해서는 적어도 2 시간 동안 정착 할 수 있습니다.
    11. 종이 필터 (등급 413, 15cm 직경)를 구비 한 15cm 직경 부 흐너 깔때기를 통해 용액을 필터. 뷰 흐너 깔때기에 침전 실리카 입자를 주입하지 마십시오.
    12. 실리카 파를 씻어톨루엔 (50 mL)로 ticles 및 흐너 깔때기를 통해 필터링.
    13. 자기 교반 막대가 구비 된 4 L 비이커에 메탄올 (1.2 L)를 첨가.
    14. 점차 격렬하게 교반하면서 메탄올로 중합체를 함유하는 톨루엔 용액을 모두 추가 30 분 동안 계속 교반 하였다.
    15. 종이 필터 (등급 413, 15cm 직경)를 구비 한 15cm 직경 부 흐너 깔때기를 통해 폴리머 필터. 메탄올의 세 분취 량 (400 mL 씩)을 가진 고분자를 씻으십시오. 각 세척 사이의 여과지를 변경합니다.
    16. 잔존 단량체가 존재 (6.0 및 6.3 ppm의 사이에 이중 결합 신호)인지 확인하기 위해서, CDCl3 중 1 H NMR에 의한 폴리머의 순도를 평가한다. 이 경우 15, 16, 메탄올로 세정을 계속한다.
    17. 실온에서 밤새 진공하에 중합체 (75g, 6.3 X 10-1 몰, 수율 = 78 %) 건조.

삼.PNBE의 제조 (에폭시)

  1. PNBE의 에폭시 (비닐)
    1. 자기 교반기 및 콘덴서가 장착 된 500㎖ 환저 플라스크에 디클로로 메탄 150 g을 넣고.
    2. 완전히 용해 될 때까지 교반 PNBE (비닐) (15g, 1.3 × 10-1 몰, 1 당량을.)를 추가합니다.
    3. 얼음 용기에 플라스크를 배치하고, 15 분 동안 냉각하자.
    4. 별도의 용기에서 함께 포름산 (30g, 6.5 X 10-1 몰, 5 당량.) 및 아세트산과 혼합 (5g, 8.3 X 10-2 몰, 0.6 당량.). 중합체 용액에 혼합 산을 추가한다.
    5. 이 15 분 동안 냉각하자.
    6. 중합체 용액에 과산화수소 수용액 (30 %) (75g, 6.5 X 10-1 몰, 5 당량). 추가.
    7. 18 시간 동안 교반한다. 온도를 서서히 상온으로 증가로 빙욕을 제거 할 필요가 없다.
    8. 작은 샘플을 아세톤으로 중합체를 침전 및 CD 1 H NMR하여 분석 CL 3. 이중 결합 (δ = 4.5-6.0 PPM)에 대한 신호가 충분히 (그림 3) 감소 된 경우 (15)는 다음 단계로 전달한다. 일반적으로, 다른 양성자 이중 결합의 적분 비율 미만 1시 20분 (1:83도 3)이다. 그렇지 않으면, 반응을 계속한다.
    9. 자기 교반 막대가 구비 된 4 L 비이커에 아세톤 (750 ml)에 추가한다.
    10. 15 분 동안 격렬하게 교반하면서 서서히 아세톤 중합체 용액을 추가한다.
    11. 종이 필터 (등급 413, 15cm 직경)를 구비 한 15cm 직경 부 흐너 깔때기를 통해 폴리머 필터.
    12. 아세톤 (200 ㎖마다)와 고분자 사 회 반복한다.
    13. 각 세척 사이의 여과지를 변경합니다.
    14. 실온에서 밤새 진공하에 중합체 (7.5 g)을 건조.

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그림 2 : 원유 (위), 정제 (아래) NBE (CO 2 H)의 1 H NMR 스펙트럼. 정제 된 생성물을 단순 증류에 의해 얻어진다. 엑소 비율 : 엔도을 평가하는 데 사용되는 피크를합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 3 : PNBE (비닐) (파란색)과 PNBE (에폭시) (적색)의 1 H NMR 스펙트럼. PNBE (비닐) 스펙트럼에서 비닐 기 (δ = 4.5-6.0 ppm으로)의 적분과 다른 양자 사이의 3 : 1 비율을합니다. H 2 O 2 반응 후, 비 따라서 발생한 비닐 기의 에폭시 확인, 1:83으로 감소한다."NK>이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 4 : 감쇠 총 반사율 모드에서 획득 PNBE (비닐) (검정)과 PNBE (에폭시)의 FTIR 스펙트럼. 삽입 PNBE (비닐) 및 PNBE (에폭시)의 특성 밴드의 줌을 보여줍니다. 굴곡 아웃 오브 평면 875cm -1 밴드는 에폭시 링의 변형에 해당하는 반면, 902cm -1 992cm -1 밴드는 C = CH에 해당합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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결과

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NBE 단량체 예컨대 아크릴산 DCPD 대한 간단한 딜스 - 알더 반응 및 적합한 친 디엔, (AA)에 의해 제조된다. 일반적 DCPD는 반응 전에 시클로 펜타 디엔 (CPD)을 수득 금이다. 17 갓 깨진 CPD이어서 딜스 - 알더 반응에 참여한다. 그러나,이 프로토콜에 모두 균열 딜스 - 알더 단계 한 냄비 반응에 수반하여 실행된다. 따라서, 빨리 CPD 형성 한, 5- 노보 넨 -2- 카복실산, NBE (CO 2 H) (도 1a)을 수득 AA와 반응한다. 반응 후, 조 NBE (CO 2 H)는 단순 증류 (도 2)에 의해 정제한다. 이 절차는 DIST 의해 일관성있게 (알릴 말레 산 무수물 13, 알릴 브로마이드 (18), 알코올

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토론

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여기에 제안 된 방법은 간단하고, 스케일 업에 쉽게 의무입니다. 어떤 정제없이 수신되는 모든 화학 물질이 사용될 수있다. 참고로 인해 처리 및 수집시 재료의 피할 수없는 손실 낮은 규모의 반응 (예 : ≤1 g 저울) 일반적으로 낮은 수익률을 산출 수행.

촉매는 cationizing 에이전트와의 상용 팔라듐 화합물의 반응시에 반응계 내에서 형성된다. (- 우리 손에서, 반응의 수율뿐만 아니라 중합체의 특성 (예를 들어 분자량 분포) 한 2 + SBF 6 등 (ɳ 3- 알릴) PDS로 잘 정의 된 촉매를 시작할지 변경되지 S는 니트로 메탄) 또는 현장 촉매 시스템의과를 =. NBE 비닐의 중합 용 촉매의 인시 튜 형태는 현재 공지되어있다. 우리는 사이의 반응성 차이를 관찰하지 않았다

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공개 사항

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저자는 공개 아무것도 없어.

감사의 글

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저자는 Fonds de Recherche du Québec - Nature et Technologies, Conseil Recherches en Sciences Naturelles et Génie(프로그램 INNOV) 및 PrimaQuébec의 자금 지원을 인정합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
아크릴산시그마-알드리치147230
하이드로퀴논, 시그마-알드리치H9003
디사이클로펜다디엔, 시그마-알드리치, 454338
이량체,시그마-알드리치222380
은 헥스플루오로 안티모네이트, 시그마-알드리치227730
액체 질소지역 시설NA
에틸 아세테이Fischer ScientificE14520
5-비닐-2-노르보르넨시그마-알드리치148679
톨루엔Fischer ScientificT290-4
팔라듐 dba시그마-알드리치227994
트리페닐 포스핀시그마-알드리치93090
실리카겔 40-63 미크론실리사이클실리아플래시
메탄올피셔 사이언티픽BPA412-20
디클로로메탄EMD 밀리포어DX08311
포름산시그마-알드리치F0507
아세트산시그마-알드리치320099
과산화수소 용액시그마-알드리치
아세톤Fischer ScientificA18-200
, , 팔라듐, 알릴디클로라이드 , , 트 216763

참고문헌

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