Opisujemy katalityczną polimeryzację insercyjną kwasu 5-norborneno-2-karboksylowego i 5-winylo-2-norbornenu w celu utworzenia funkcjonalnych polimerów o bardzo wysokiej temperaturze zeszklenia.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
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 Diesela-Aldera etylenu i cyklopentadienu (otrzymywany poprzez „kraking” dicyklopentadienu (DCPD)), ulega łatwej polimeryzacji za pomocą polimeryzacji rodnikowej,1 polimeryzacji kationowej,2 polimeryzacji z otwarciem pierścienia z metatezą3 oraz katalitycznej polimeryzacji z insercją.4,5,6,7 W przeciwieństwie do pozostałych mechanizmów, katalityczna polimeryzacja z insercją prowadzi do powstania polimeru o bardzo wysokiej temperaturze przejścia szklistego (Tg), w którym zachowany zostaje bicykliczny szkielet NBE. Do promowania polimeryzacji NBE można wykorzystać szereg katalizatorów, takich jak katalizatory metallocenowe oraz katalizatory na bazie późnych metali przejściowych.4,5,6,7 Jednakże, ze względu na niską rozpuszczalność oraz trudności związane z przetwarzaniem polimeru o bardzo wysokiej Tg, homopolimer PNBE, według naszej wiedzy, nigdy nie znalazł zastosowania.
Funkcjonalne polinorborneny (PNBE) były przedmiotem szczegółowych badań przez ostatnie 20 lat, ponieważ łączą wysoką Tg wynikającą z dwucyklicznej sztywnej jednostki powtarzalnej z korzystnymi właściwościami nadawanymi przez ich grupy funkcyjne.8,9,10 Monomery NBE otrzymuje się z dość prostych i niedrogich surowców, stosując jednoetapową reakcję Dielsa-Aldera pomiędzy cyklopentadienem a funkcjonalizowanym dienofilem. Jednak reakcja Dielsa-Aldera prowadzi do powstania dwóch stereoisomerów, endo i exo, które wykazują bardzo różną reaktywność.1,12 W rzeczywistości stereoisomer endo jest mniej reaktywny niż forma exo i dezaktywuje katalizator.1,12 W związku z tym w przeszłości otrzymywanie funkcjonalnych polinorbornenów zazwyczaj wymagało rozdzielenia stereoisomerów endo i exo, a do dalszych prac wykorzystywano wyłącznie stereoisomer exo. Taka procedura rozdzielania była czasochłonna i prowadziła do gromadzenia się niezareagowanych stereoisomerów endo jako niepożądanego odpadu.
Niedawno wykazaliśmy, że polimeryzacja funkcjonalizowanych NBE zawierających oba stereoisomery jest w rzeczywistości możliwa.13 Dzięki temu byliśmy w stanie przygotować szereg podstawionych PNBE, zawierających 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 przygotowania polimerów funkcjonalnych. Pierwsza z nich prowadzi do syntezy polimeru rozpuszczalnego w wodzie, kwasu poli(5-norborneno-2-karboksylowego), PNBE(CO2H), przy użyciu kationowego katalizatora Pd (Rysunek 1).13,14 Tę samą metodę polimeryzacji można wykorzystać do przygotowania funkcjonalnych PNBE z różnymi grupami bocznymi, takimi jak estry, alkohole, imidy, bromoalkile, aldehydy i bezwodniki. W naszych badaniach kationowy katalizator Pd nie mógł być stosowany do NBE zawierających boczne wiązania podwójne, takich jak 5-winylo-2-norbornen. W tym przypadku częściowa insercja bocznego wiązania podwójnego podczas polimeryzacji prowadzi do powstania materiału sieciowanego. Przedstawiamy zatem drugą metodę dedykowaną otrzymywaniu poli(5-winylo-2-norbornenu), PNBE(winyl), przy użyciu Pd2(dba)3:AgSbF6:PPh3 jako katalizatora in situ.14 Boczne grupy winylowe polimeru są następnie epoksydowane, co prowadzi do powstania PNBE(epoksyd) (Rysunek 1). Stwierdzono, że zarówno PNBE(CO2H), jak i PNBE(epoksyd) prowadzą do powstania żywic termoutwardzalnych o Tg sięgającej 350 °C.14 Zatem opisana tutaj prosta metoda pozwala na efektywne przygotowanie polimerów o bardzo wysokiej Tg i różnorodnych grupach funkcyjnych, które mogą być wykorzystane w licznych zastosowaniach.

Rysunek 1: Funkcjonalne PNBE otrzymane w drodze polimeryzacji katalizowanej palladem. (A) przygotowanie PNBE(CO)2H), (Bprzygotowanie PNBE(winylowego) i PNBE(epoksydowego). Przerywana wiążąca oznacza mieszaninę endo i egzosoma izomery. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie poli(kwasu 5-norborneno-2-karboksylowego), PNBE(CO2H)
2. Przygotowanie PNBE(winylowego)
3. Przygotowanie PNBE(epoksydu)

Rysunek 2: 1Widma H NMR produktu surowego (góra) i oczyszczonego (dół) NBE(CO)2H). Oczyszczony produkt otrzymuje się poprzez prostą destylację. Należy zwrócić uwagę na piki wykorzystywane do oceny endo:exo stosunek Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Rysunek 3: 1Widma H NMR PNBE(winylowego) (niebieskie) oraz PNBE(epoksydowego) (czerwone). Należy zwrócić uwagę na stosunek 1:3 między całkami grupy winylowej (δ = 4,5-6,0 ppm) a pozostałymi protonami w widmie PNBE(vinyl). Po reakcji z H2O2stosunek ten spada do 1:83, co potwierdza zajście epoksydacji grupy winylowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4: Widma FTIR PNBE(winylowego) (czarne) oraz PNBE(epoksydowego) uzyskane w trybie całkowitego wewnętrznego odbicia. Wstawka przedstawia powiększenie charakterystycznych pasm PNBE(winylowego) i PNBE(epoksydowego). Pasmo 902 cm-1 oraz 992 cm-1 pasma odpowiadają zgięciu poza płaszczyzną wiązania C=C-H, natomiast pasmo 875 cm-1-1 pasmo odpowiada deformacji pierścienia epoksydowego. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną 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.