锂盐调控的乙烯基醚自由基聚合研究

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本文用CH3OLi和Li I等为调节剂,实现了热引发的含羟基乙烯基醚(OH-VE)和烷基乙烯基醚的自由基均聚。锂盐与乙烯基醚(VE)的络合作用降低了单体C=C双键的电子云密度,提高了富电子的乙烯醚类单体的自由基聚合反应活性。这一聚合反应方法不仅拓宽了自由基聚合的单体范围,也为合成新型结构聚合物提供了技术平台。在OH-VE的自由基本体聚合体系中,存在单体间形成的氢键作用以及Li+和C=C-O之间络合作用,这两者对提高OH-VE自由基均聚合的表观反应速率和反应选择性具有正协同作用。对于不含羟基的烷基乙烯基醚单体,如异丁基乙烯基醚,Li+和C=C-O之间的络合作用是提高其自由基聚合反应活性的主要因素。烷基乙烯基醚可以与溶剂或第二单体形成氢键作用也有利于提高其自由基聚合反应的速率和选择性。论文的主要研究内容和结果:1、研究了二乙二醇单乙烯基醚(DEGV)在CH3OLi调控下的自由基聚合反应。通过凝胶渗透色谱(GPC)和核磁共振波谱(NMR)等证明了乙烯基醚均聚物的合成,并对聚合物的分子量及其分布进行了表征,利用~1H NMR测定了聚合反应的单体转化率和选择性。详细考察了锂盐添加量、引发剂用量、引发剂种类和聚合反应温度等反应条件对聚合反应的影响。当[CH3OLi]:[DEGV]=3 mol%时,DEGV的转化率为37.9%,缩醛含量为0.3%,PDEGV的Mn=12400,PDI=1.38。当采用ABVN为引发剂时,单体转化率提升至44.7%,缩醛含量降低到了0.1%,所得到的PDEGV的Mn=16200,PDI=1.45。2、研究了二乙二醇单乙烯基醚(DEGV)、乙二醇单乙烯基醚(HEVE)和4-羟丁基乙烯基醚(HBVE)等OH-VEs在锂盐调控下的自由基聚合反应。讨论了OH-VEs侧基结构和长度对分子间氢键的影响,这三种单体的聚合转化率为HEVE>DEGV>HBVE,氢键络合作用是实现OH-VE本体自由基聚合的重要条件之一。3、研究了CH3OLi,Li I,Li OH,Na I和KI多种调节剂的酸碱性以及碱金属离子-乙烯基醚络合能力对DEGV自由基聚合反应的影响。调节剂的加入均能抑制缩醛副反应的发生(<1%)。其中Li OH和CH3OLi等强碱性调节剂能显著抑制单体分子间的氢键作用,相较于对照组,使得单体转化率有所下降。Li I为中性调节剂,能显著提高聚合反应的单体转化率,Conv.=68.4%,Mn=18700。并且~1H NMR表明所生成的聚合物中不存在缩醛反应产生的缺陷结构。调节剂中阳离子半径的大小与乙烯基醚的络合能力存在差异,离子半径小的Li+显示出了较强的络合能力和调控效果。4、研究了不同锂盐调控的异丁基乙烯基醚(IBVE)的自由基聚合反应。讨论了CH3OLi和Li I两种调节剂,以及通过引入水、甲醇和异丙醇等能与烷基乙烯基醚形成氢键作用的介质对聚合反应的影响。IBVE在无调节剂的条件下,自由基聚合的转化率仅为16.2%,且存在大量夺氢和β-断链等副反应,导致高达19.3%的缩醛结构。通过加入锂盐调节剂使得转化率大幅增加到50%,并大大减少副反应,聚合反应选择性提高至99.7%。当使用水为溶剂时,水-IBVE氢键作用有利于IBVE的自由基聚合。虽然甲醇与异丙醇也能与IBVE形成氢键,但它们的链转移作用抵消了氢键作用,不利于聚合反应的进行。引入含羟基乙烯基醚与IBVE进行共聚,通过分子间氢键作用实现共聚合,提高了IBVE自由基共聚合的反应活性。5、通过核磁共振波谱技术以及密度泛函理论计算,分析了不同锂盐与乙烯基醚类单体的络合作用,以及络合作用对氢键作用的影响。~1H NMR测定单体络合作用前后C=C上氢质子化学位移,均向低场方向移动,证明氢键和锂盐-乙烯基醚的络合作用具有显著的协同效应。锂盐络合使得单体中C=C-O-C碳核的纵向弛豫时间T1明显缩短,表明Li+和C=C-O存在较强的络合作用,其中Li I的络合作用最强。通过DFT理论计算了HOMO-LUMO的能级,Li I-VE体系(GAP=4.61 e V)相较于纯VE体系(GAP=6.83 e V)具有更低的能隙差。
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