Opisujemy katalityczną polimeryzację insercyjną kwasu 5-norborneno-2-karboksylowego i 5-winylo-2-norbornenu w celu utworzenia funkcjonalnych polimerów o bardzo wysokiej temperaturze zeszklenia.
Artykuł metodologiczny
Opisujemy katalityczną polimeryzację insercyjną kwasu 5-norborneno-2-karboksylowego i 5-winylo-2-norbornenu w celu utworzenia funkcjonalnych polimerów o bardzo wysokiej temperaturze zeszklenia.
Norbornen może być polimeryzowany za pomocą różnych mechanizmów, w tym polimeryzacji insercyjnej, w wyniku której polimeryzowane jest podwójne wiązanie i zachowana jest bicykliczna natura monomeru. Otrzymany polimer, polinorbornen, ma bardzo wysoką temperaturę zeszklenia, Tg, oraz interesujące właściwości optyczne i elektryczne. Jednak polimeryzacja funkcjonalnych norbornenów przez ten mechanizm jest skomplikowana przez fakt, że monomer norbornenu podstawiony endodonem ma na ogół bardzo niską reaktywność. Co więcej, oddzielenie monomeru podstawionego endo od monomeru egzo jest żmudnym zadaniem. W tym miejscu przedstawiamy prosty protokół polimeryzacji podstawionych norbornenów (endo:exo ca. 80:20) zawierających kwas karboksylowy lub podwójne wiązanie wiszące. Proces nie wymaga rozdzielania obu izomerów i przebiega przy niskich ładunkach katalizatora (0,01 do 0,02 mol%). Podwójne wiązania wiszące z łożyskiem polimerowym można dalej przekształcać z wysoką wydajnością, aby uzyskać grupy epoksydowe z łożyskiem polimerowym. Te proste procedury można zastosować do przygotowania polinorbornenów z różnymi grupami funkcyjnymi, takimi jak estry, alkohole, imidy, wiązania podwójne, kwasy karboksylowe, bromoalkile, aldehydy i bezwodniki.
Norbornen, NBE, addukt Dielsa-Aldera etylenu i cyklopentadienu (otrzymany przez "kraking" dicyklopentadienu (DCPD)), jest łatwo polimeryzowany przy użyciu polimeryzacji wolnorodnikowej,1 polimeryzacja kationowa,2 polimeryzacja metatezy z otwarciem pierścienia3 i katalityczna polimeryzacja insercyjna. 4,5,6,7 W przeciwieństwie do innych mechanizmów, katalityczna polimeryzacja insercyjna prowadzi do powstania polimeru o bardzo wysokiej temperaturze zeszklenia (Tg), dzięki czemu bicykliczny szkielet NBE jest zachowany. Różne katalizatory, takie jak katalizatory metalocenowe i katalizatory z późnych metali przejściowych, mogą być stosowane do promowania polimeryzacji NBE. 4,5,6,7 Jednak ze względu na niską rozpuszczalność i trudności związane z przetwarzaniem polimeru o bardzo wysokiej zawartości Tg, homopolimer PNBE, według naszej wiedzy, nigdy nie znalazł zastosowania.
Funkcjonalne polinorborneny (PNBE) były przedmiotem intensywnych badań przez ostatnie 20 lat, ponieważ łączą w sobie wysokie Tg nadawane przez bicykliczną sztywną jednostkę powtórzeniową, a także pożądane właściwości wynikające z ich funkcjonalności. 8,9,10 Monomery NBE są otrzymywane z dość prostych i niedrogich surowców, przy użyciu jednoetapowej reakcji Dielsa-Aldera między cyklopentadienem a funkcjonalizowanym dienofilem. Jednak reakcja Dielsa-Aldera prowadzi do dwóch stereoizomerów, endo i egzo, które mają bardzo różne reaktywności. 11,12 W rzeczywistości stereoizomer endo jest mniej reaktywny niż forma egzo i dezaktywuje katalizator. 11,12 Tak więc, w przeszłości, przygotowanie funkcjonalnych polinorbornenów zwykle wymagało rozdzielenia stereoizomerów endo i egzo, a używano tylko stereoizomeru egzo. Taka procedura separacji była czasochłonna i prowadziła do nagromadzenia nieprzereagowanych stereoizomerów endodoncyjnych jako niepożądanych odpadów.
Ostatnio pokazaliśmy, że polimeryzacja funkcjonalizowanych NBE zawierających oba stereoizomery jest w rzeczywistości możliwa. 13 W ten sposób udało nam się przygotować różnorodne podstawione PNBE, zawierające grupy funkcyjne, takie jak estry, bezwodniki, aldehydy, imidy, alkohole i wiązania podwójne. Ze względu na wysoką Tg i funkcjonalność, polimery te wykazują pożądane właściwości. Opisujemy tutaj dwie metody otrzymywania funkcjonalnych polimerów. Pierwsza z nich prowadzi do syntezy rozpuszczalnego w wodzie polimeru poli(5-norborneno-2-karboksylowego), PNBE(CO2H), przy użyciu kationowego katalizatora Pd (ryc. 1). 13,14 Ta sama metoda polimeryzacji może być użyta do przygotowania funkcjonalnych PNBE o różnych funkcjach wisiorka, takich jak estry, alkohole, imidy, bromo-alkile, aldehydy i bezwodniki. W naszych rękach ten kationowy katalizator Pd nie może być stosowany do NBE zawierających podwójne wiązania wiszące, takie jak 5-winylo-2-norbornen. W takim przypadku częściowe wstawienie podwójnego wiązania wisiorka podczas polimeryzacji prowadzi do powstania materiału usieciowanego. Dlatego przedstawiamy tutaj drugą metodę dedykowaną do tworzenia poli(5-winylo-2-norbornenu), PNBE(winylu), z wykorzystaniem Pd2(dba)3:AgSbF6:P Ph3 jako katalizatora in situ. 14 Wiszące grupy winylowe polimeru są następnie poddawane dalszej epoksydacji, co prowadzi do powstania PNBE (epoksyd) (Rysunek 1). Stwierdzono, że zarówno PNBE(CO2H), jak i PNBE (epoksyd) prowadzą do powstawania żywic termoutwardzalnych o Tg sięgającej 350 °C.14 Tak więc opisana tutaj prosta metoda pozwala na efektywne przygotowanie polimerów o bardzo wysokim Tg i posiadających różnorodne grupy funkcyjne, które mogą być wykorzystywane do wielu zastosowań.

Rysunek 1: Funkcjonalne PNBE otrzymane metodą polimeryzacji katalizowanej Pd. (A) przygotowanie PNBE(CO2H), (B) przygotowanie PNBE (winyl) i PNBE (żywica epoksydowa). Wiązanie przerywane wskazuje na mieszaninę izomerów endo i egzo. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie kwasu poli(5-norborneno-2-karboksylowego), PNBE(CO2H)
2. Przygotowanie PNBE(winylu)
3. Przygotowanie PNBE (epoksydu)

Rysunek 2: Widma 1H NMR ropy naftowej (na górze) i oczyszczonej (na dole) NBE(CO2H). Oczyszczony produkt otrzymuje się w drodze prostej destylacji. Zwróć uwagę na szczyty, które są używane do oceny stosunku endo:exo. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Widma 1H NMR PNBE (winyl) (niebieski) i PNBE (epoksydowy) (czerwony). Zwróć uwagę na stosunek 1:3 między całkami grupy winylowej (δ = 4,5-6,0 ppm) a innymi protonami w widmie PNBE (winyl). Po reakcji zH2O2stosunek zmniejsza się do 1:83, potwierdzając w ten sposób, że nastąpiła epoksydacja grupy winylowej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Widma FTIR PNBE (winyl) () i PNBE (epoksyd) uzyskane w trybie tłumienia całkowitego odbicia. Wkładka przedstawia zbliżenie charakterystycznych pasm PNBE (winyl) i PNBE (epoksyd). Pasma 902 cm-1 i 992 cm-1 odpowiadają zginaniu C=C-H poza płaszczyzną, natomiast pasmo 875 cm-1 odpowiada odkształceniu pierścienia epoksydowego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Monomery NBE są przygotowywane przez prostą reakcję Dielsa-Aldera DCPD i odpowiedniego dienofilu, na przykład kwasu akrylowego (AA). Zwykle DCPD jest pękany w celu uzyskania cyklopentadienu (CPD) przed reakcją. 17 Świeżo pęknięty CPD jest następnie angażowany w reakcję Dielsa-Olchy. Jednak w tym protokole zarówno etapy pękania, jak i Dielsa-Olcha są wykonywane jednocześnie, w reakcji jednogarnkowej. Tak więc, gdy tylko utworzy się CPD, reaguje z AA, dając kwas 5-no...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Proponowana tutaj metoda jest prosta i łatwo ją skalować. Wszystkie chemikalia mogą być używane w takiej postaci, w jakiej zostały otrzymane, bez żadnego oczyszczania. Należy pamiętać, że przeprowadzenie reakcji na niższej skali (np. waga ≤1 g) zwykle daje niższą wydajność ze względu na nieuniknioną utratę materiału podczas przenoszenia i zbierania.
Katalizatory powstają in situ w wyniku reakcji komercyjnych związków Pd ze środkami kationizującymi. W naszych rękach wydajność ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy dziękują za finansowanie z Fonds de Recherche du Québec - Nature et Technologies, z Conseil Recherches en Sciences Naturelles et Génie (program INNOV) oraz PrimaQuébec.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| kwas akrylowy | Sigma-Aldrich | 147230 | |
| hydrochinon | Sigma-Aldrich | H9003 | |
| dicyclopendadiene | Sigma-Aldrich | 454338 | |
| dimer dichlorku allilu palladu | Sigma-Aldrich | 222380 | |
| antymonian srebra heksfluoro | Sigma-Aldrich | 227730 | |
| ciekły azot | Octan | ||
| etylu | Fischer Scientific | E14520 | |
| 5-winylo-2-norbornen | Sigma-Aldrich | 148679 | |
| toluen | Fischer Scientific | T290-4 | |
| pallad dba | Sigma-Aldrich | 227994 | |
| fosforowodór trifenylu | Sigma-Aldrich | 93090 | |
| krzemionkowy 40-63 mikrony | Silicycle | Siliaflash | |
| metanol | Fischer Scientific | BPA412-20 | |
| dichlorometan | EMD Milipor | DX08311 | |
| kwas mrówkowy | Sigma-Aldrich | F0507 | |
| kwas octowy | Sigma-Aldrich | 320099 | |
| roztwór nadtlenku wodoru | Sigma-Aldrich | ||
| aceton | Fischer Scientific | A18-200 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie