单一分子量聚(芴-丁二炔)的合成,性能及溶液自组装行为研究

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单一分子量聚合物具有准确的分子结构,明确的序列位置,是准确研究聚合物结构与性能关系最理想的模型。尤其在研究聚集态结构和堆积方式时,单一分子量的精密高分子可以有效避免分子量差异带来的影响,能够更准确更紧密地把握分子结构与聚集体形貌和材料性能之间的关系。而且还可以利用结构的可设计性进一步探究分子量、结构单元种类和序列位置等因素对组装体形貌的影响,实现对聚合物组装体形貌的预测与控制。天然大分子如DNA等能存储遗传信息,而人工合成的精密高分子有望应用于信息储存和数字高分子载体等领域。聚芴(PF)是一类典型的共轭聚合物,因其热和电化学稳定性好,光致发光量子效率高,带隙较宽以及在C-9位置易官能化而被广泛用作蓝色发光材料。聚丁二炔(PDA)是一种烯炔交替的全共轭聚合物,当用254 nm紫外光照射或加热时,相邻分子链之间可通过1,4-加成发生拓扑聚合,具有独特的光学特性,在光电领域有广泛的应用。并且利用聚合物组装体后续的拓扑聚合可制备共价交联的功能化纳米材料。PF和PDA都具有良好的光电性能,将两者同时引入共轭链中或许可以赋予聚合物(聚(芴-丁二炔))更好的光电性能,这引起了我们极大的兴趣。然而,我们发现关于该类聚合物的研究较少,对单一分子量的聚(芴-丁二炔)的研究更是鲜有报道。由于目前可选择的高效反应较少,用传统方法合成该聚合物时,费时费力,难度很大。因此,寻找高效的合成方法,具有重要的意义。本文中,我们另辟蹊径,用多分散聚合物分离法合成了 一系列单一分子量聚(芴-丁二炔),并研究其性能的链长依赖性。进一步探索均聚物在混合溶剂中聚集态的变化,并考察其拓扑聚合行为。最后将亲水嵌段引入主链,制备出两亲性三嵌段单一分子量聚合物,并探索其在不同溶剂中组装行为。具体的内容包括以下方面:1.利用多分散聚合物分离法合成不同重复单元数的单一分子量聚(芴-丁二炔)(D-oFDAs),并研究其光学和电化学性能。(第二章)首先合成含两个芴-丁二炔重复单元的化合物,并以该化合物为单体进行Glasercoupling逐步聚合,得到多分散聚合物。然后利用快速制备液相色谱分离法,调节流动相比例制备出不同重复单元数的D-oFDAs,并通过核磁共振氢谱(1HNMR)、大分子质谱(MALDI-TOFMS)等手段表征结构的正确性。其次,研究不同分子量聚合物的光学和电化学性能。聚合物的吸收光谱和发光光谱随着链长的增加而逐渐红移,直至不再改变,通过计算可以得出聚合物的有效共轭长度为9个芴-丁二炔重复单元。此外聚合物电致发光光谱也出现红移现象,而且与其他聚合物相比,八聚体(octamer)表现出更好的发光性能。2.探究单一分子量聚合物结晶性能,拓扑聚合以及自组装行为。(第三章)测试结果表明,随着分子量增加,聚合物的有序性下降,结晶性也随之下降。用254 nm紫外光照射二聚体(dimer)晶体时,晶体中有部分发生了拓扑聚合。之后用溶剂挥发法生长单晶,从空间结构的角度解释了 dimer为何难以聚合。最后以四氢呋喃(THF)为良溶剂,向其中缓慢滴加甲醇(MeOH),然后把混合溶液滴于硅片上缓慢挥发后得到组装体。研究发现不良溶剂含量、聚合物分子量对组装体形貌影响较小。依据小角X射线散射(SAXS)结果可以推测出dimer和六聚体(hexamer)两种均聚物按照侧链肩并肩方式排列,而四聚体(tetramer)按照侧链头对头方式排列。3.合成两亲性三嵌段单一分子量聚合物,并探究其自组装行为。(第四章)首先将重复单元数(DP)为15的聚乙二醇末端叠氮化,利用铜催化的叠氮-炔基Husigen环加成反应(CuAAC)点击反应将亲水链连接到hexamer两端,合成ABA型两亲性三嵌段单一分子量聚合物,并利用1H NMR、MALDI-TOF MS等手段表征确定结构。其次,研究该聚合物的溶液自组装行为。在四氢呋喃和水的混合溶剂(THF/H2O)中,随着水含量的逐渐增加,组装体由球形聚集体向纤维状胶束转变。当溶剂为三氯甲烷和甲醇的混合溶剂(CHCl3/MeOH)且浓度低时,组装体形成纳米片,且随着甲醇含量的增加或老化时间的延长,组装体的尺寸会变大。浓度高时,组装形成均匀细长的纳米纤维,宽度与疏水嵌段的长度一致。增大不良溶剂含量,组装体聚集成短粗的纳米棒,随着老化时间的延长,纳米棒排列成大的片状结构。当纳米纤维经超声-加热处理后,可以获得细小的种子胶束。该胶束在缓慢降温后,可以生长成纳米纤维,再经挥发处理后,纳米纤维可以继续生长、变长。而且当把聚合物溶解在选择性溶剂中,并对其进行加热-降温处理时,也可以获得纳米纤维,退火温度越高,纳米纤维越长。除此之外,利用XRD和紫外可见吸收光谱,成功证明纳米纤维的形成是受结晶驱动的,并以此为依据建立了组装模型。
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