有机高分子材料已经成为影响人们日常生活和推动社会发展的基础材料之一。据统计，有机高分子材料目前的全球年产量高达5亿吨，但是由于其废弃后不当处置造成严重的生态环境和资源浪费问题。利用生物质原料制备可循环利用聚合物被认为是实现高分子材料可持续性发展的有效途径之一。近日，四川大学的朱剑波团队利用生物质原料合成了一类新型可循环利用的芳香-脂肪族聚酯。
近年来，虽然有大量的研究报道表明通过合理的分子设计可以实现聚合物向单体的高选择性转化，但目前以可回收脂肪族聚酯的研究为主，而可回收芳香族聚酯研究较少。芳香族聚酯具有刚性结构，在结构上具有独特的优势，但是在已知的易回收芳香族内酯体系中，很难平衡芳香族内酯的反应活性、聚合物分子量和材料性能之间的矛盾。
四川大学朱剑波团队开发的新型芳香-脂肪族聚酯很好的弥补了上述缺憾。利用生物基来源的水杨醛和α-羟基酸为起始原料，合成了一类新型可循环利用的芳香-脂肪族聚酯。该聚酯体系具有如下特点：
（1）相对于传统的芳香族内酯开环聚合，该团队采用“酯基与苯环不相连”策略，实现了对芳香族内酯的高活性开环聚合反应（催化剂用量最低至万分之一，TOF最高达2.1 ×105 h-1），同时也获得了高分子量的芳香族聚酯（Mn最高达到438 kg/mol）。
图1. 一类新型芳香-脂肪族聚酯的闭环循环。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
（2）通过改变聚合物链侧基的结构可以有效调控聚合物的物理和机械性能。随着官能团的变化，其Tg 可以在-1℃-79℃之间变化，同时断裂伸长率最高可以达到5000%以上，并且具备弹性体的特征。
（3）通过DSC测试，粉末XRD和红外IR表征证明了该体系下的相反构型的等规聚合物通过形成分子间立构复合结晶，可以大大增强材料的结晶性和结晶速率。
图2. 不同官能团的芳香族聚酯热性能和机械性能比较。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
（4）该类型聚合物可在溶液或本体条件完全降解回到聚合单体，所得单体不经过纯化以相同的活性发生再聚合反应，实现了该类聚合物的单体↔聚合物闭环循环。对于等规聚合物，其降解回收得到的单体依然保持其初始单体的构型。
图3. 聚合物溶液和本体降解。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
这一发现为平衡单体聚合活性与聚合物降解性、材料性能之间的关系提供了新的策略，也为下一代可持续高分子材料的设计提供新的思路。
该研究发表于Journal of the American Chemical Society，文章的第一作者是四川大学博士研究生涂义民。
Biobased High-Performance Aromatic–Aliphatic Polyesters with Complete Recyclability
Yi-Min Tu, Xue-Mei Wang, Xing Yang, Hua-Zhong Fan, Fu-Long Gong, Zhongzheng Cai*, and Jian-Bo Zhu*
J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c10162
https://chem.scu.edu.cn/info/1049/3651.htm
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
X-MOL资讯