双金属氰化络合物催化环氧化物均聚及其与二硫化碳共聚的研究

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使用以Zn3[Co(CN)6]2为基础的双金属氰化络合物(DMCC)催化剂进行了环氧化物的均聚和共聚反应研究。实现了环氧化物与CS2的共聚,得到了含有复杂链结构的聚硫代碳酸酯。其中,环氧丙烷(PO)与CS2的共聚得到了含有-O(O)CO-,-S(O)CO-,-S(O)CS-,-S(S)CO-和-S(S)CS-等多种碳酸酯和硫代碳酸酯链节的含硫聚合物。该聚合物数均分子量为1.2-5.4kg/mol,高于文献报道值(560g/mol)。分子量分布指数为1.24-3.50。同时得到七种环状(硫代)碳酸亚丙酯副产物,其含量低于总产物质量的15%。系统研究了PO与CS2共聚时聚合反应条件对催化效率的影响。将该催化剂用于催化氧化环己烯(CHO)与CS2共聚反应,得到了具有脂环结构的聚(硫代)碳酸酯。该聚合物的主链结构中也含有多种碳酸酯和硫代碳酸酯链节。所得聚合物数均分子量为700-780g/mol,分子量分布指数为1.6。该反应还得到四种环状(硫代)碳酸酯以及少量聚醚和聚硫醚,其含量占总产物质量50%以上。系统研究了反应温度,时间,催化剂浓度以及原料配比等因素对共聚反应的影响。研究了助催化剂存在下DMCC催化的PO均聚反应。研究了Lewis酸(主要是酚类化合物和I2)以及Lewis碱(主要是季铵盐类化合物)助催化剂对PO均聚反应的影响。结果表明,Lewis酸助催化剂有利于提高聚合反应效率,在一定范围内(pKa<10.0),Lewis酸酸性越高,聚合反应效率提高越多。Lewis碱助催化剂则会降低聚合反应的效率。季铵盐类碱性较强的助催化剂如四丁基溴化铵等对聚合反应效率影响较大,聚合反应效率降低较多(聚合效率降低达69%),配位能力极强的对二甲氨基吡啶助催化剂存在下,聚合反应不能进行。助催化剂的结构也会对聚合反应效率产生影响。以对硝基苯酚作为助催化剂,系统研究了聚合反应条件包括催化剂用量、催化剂/助催化剂用量比、温度、反应时间、起始剂用量和溶剂等对催化效率和产物分子量及分子量分布的影响。结果表明,催化剂用量为2.5mg时,聚合效率最高,为89%;随着助催化剂用量的增加,聚合反应效率先增加后减少,而产物分子量在助催化剂用量较多时(摩尔比0.3)达到最大值(18915 g/mol);催化剂用量为5.0 mg时,40℃便能发生聚合反应,减少催化剂用量至1.5 mg,聚合反应能够进行的初始温度升高到60℃;延长反应时间能提高聚合反应效率;起始剂的用量对聚合反应效率影响不大;但对聚合产物分子量有较大影响,用量越大聚合产物分子量越小;溶剂的使用可以进一步提高聚合反应效率,最高可达94%。使用盐酸采用酸浸渍法合成了DMCC催化剂,将氯离子及质子定量引入DMCC催化剂中。研究了氯离子及质子浓度对DMCC催化剂催化PO均聚反应效率的影响。结果表明,在酸浸渍合成DMCC催化剂时,酸量增大到10.418mol/mol Zn(OH)2的过程中,DMCC催化剂中的氯离子含量持续增加至24.3%w/w,而H含量一直降低至1.135%w/w,所得催化剂的催化效率增加至95%。继续增加酸量至18.250 mol/mol Zn(OH)2时,催化剂中氯离子含量也继续增加至30.8%w/w,而H含量则增加至1.457%w/w,催化剂失去催化活性。使用HNO3,H2SO4等不含氯离子的酸采用酸浸渍法制备DMCC催化剂,结果表明,采用ZnCl2制备的Zn(OH)2为原料时,不论浸渍所用的酸的种类,得到的DMCC催化剂均有催化活性。不同酸浸渍所得催化剂的催化活性顺序为H2SO4>HCl>HNO3。而采用其他非ZnCl2制备的Zn(OH)2为原料时,只有HNO3浸渍Zn(NO32和HCl浸渍ZnSO4所得催化剂有催化活性,聚合反应效率接近90%。论文最后提出了DMCC催化剂可能的活性中心及其催化PO均聚及PO/CS2共聚可能的催化机理。认为活性中心是一个离子对结构,氯离子在活性中心中起到抗衡离子的作用,容易离去使得Zn中心成为阳离子中心并引发环氧单体的亲核进攻从而进行聚合反应。提出并证实了PO/CS2共聚反应过程中发生了氧硫原子交换反应。该机理能很好的解释反应所得聚合物链结构及环状产物的组成。符合所得实验结果和事实。
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