CN104877112A - 一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料及其制备方法 - Google Patents
一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料及其制备方法。所述方法包括：由降冰片烯酸酐和多元有机胺化合物，通过一步法或者两步法制备降冰片烯酰亚胺单体化合物，对所述降冰片烯酰亚胺单体化合物进行纯化；步骤2，将所述步骤1所得纯化后的产物溶解在有机溶剂b中，将温度保持在-10～100℃，加入Grubbs催化剂进行聚合反应，反应温度为-10～120℃，反应时间为5分钟～2周；进行后处理得到耐热聚合物多孔材料。
Description
技术领域
本发明涉及材料技术领域，特别是涉及一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料，以及一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料的制备方法。
背景技术
聚酰亚胺材料作为综合性能最佳的有机高分子材料之一，其使用温度区域最宽，可达-250℃～450℃。该类材料可以长期在高温下使用，加上它还具有优良的阻燃性、机械性能、稳定性、低介电性等性能，因此被广泛地应用于航空航天、微电子、核电等高技术领域。然而，聚酰亚胺材料通常是通过二胺和二元酸酐经过两步法制备，具有一些不足：(1).二元酸酐种类有限，而且价格较昂贵；(2).所生成的聚酰胺羧酸稳定性较差，需要低温保存；(3).酰亚胺化的温度较高，通常达到300℃以上，这样高的操作温度容易造成产物分解等。因此，许多其它的方法也被人们尝试，例如先构建好含酰亚胺的单体，通过环加成反应、亲核加成反应、过渡金属催化的偶联反应等形成聚酰亚胺链结构。
利用具有刚性骨架的多元胺与二元酸酐反应来制备聚酰亚胺类有机多孔材料已经引起人们的高度重视和广泛兴趣。该类材料的设计上利用了多元胺和二元酸酐本身的刚性来保证永久孔洞的保持，但是合成方法依然存在传统聚酰亚胺材料所具有的不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简便、高效、新颖且实用的降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明公开了一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料的制备方法，所述方法包括：
步骤1，由如下式Ⅳ所示结构表达式的降冰片烯酸酐和如下式Ⅴ所示结构表达式的多元有机胺化合物，通过一步法或者两步法制备如下式II所示结构表达式的降冰片烯酰亚胺单体化合物，对所述降冰片烯酰亚胺单体化合物进行纯化；
步骤2，将所述步骤1所得纯化后的产物溶解在有机溶剂b中，将温度保持在-10～100℃，加入Grubbs催化剂进行聚合反应，反应温度为-10～120℃，反应时间为5分钟～2周；进行后处理得到如下式Ⅰ所示结构表达式的耐热聚合物多孔材料；
优选地，所述降冰片烯酸酐中的X为CH2或者O，所述降冰片烯酸酐的立体结构包括exo-和endo-两种构型；
所述多元有机胺化合物包括对苯二胺、水合肼、联苯二胺、1,3,5-三氨基苯、1,3,5-三氨基-2,4,6-三甲基苯、三聚嗪胺、三(4-氨基苯基)嗪、三(4-氨基苯基)胺、均三(4-氨基苯基)苯、四(4-氨基苯基)甲烷、金刚烷四胺和四(4-氨基苯基)金刚烷之中任意一种。
优选地，所述由如下式Ⅳ所示结构表达式的降冰片烯酸酐和如下式Ⅴ所示结构表达式的多元有机胺化合物，通过一步法制备如下式II所示结构表达式的降冰片烯酰亚胺单体化合物包括：
将所述降冰片烯酸酐溶于有机溶剂a，向其中加入所述多元有机胺化合物和有机碱进行反应，反应温度为-10～100℃，反应时间为5分钟～2周；
所述由如下式Ⅳ所示结构表达式的降冰片烯酸酐和如下式Ⅴ所示结构表达式的多元有机胺化合物，通过两步法制备如下式II所示结构表达式的降冰片烯酰亚胺单体化合物包括：
制备如上式Ⅲ所示结构表达式的中间体部分酰亚胺化的胺，并与所述降冰片烯酸酐进一步反应制备所述降冰片烯酰亚胺单体化合物。
优选地，所述有机溶剂a为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、甲苯、二氯甲烷、氯仿、丙酮和乙腈之中任意一种；
所述有机碱为吡啶、N,N二-甲基-4氨基吡啶、三乙胺和N,N-二异丙基乙基胺之中任意一种。
优选地，所述多元有机胺化合物与所述降冰片烯酸酐的摩尔比为(1:1)～(1:20)。
优选地，所用纯化方法包括柱层析、重结晶、透析等。
优选地，所用Grubbs催化剂为Grubbs一代催化剂、Grubbs二代催化剂，Grubbs三代催化剂、Hoveyda-Grubbs一代催化剂、Hoveyda-Grubbs二代催化剂之中任意一种，所述Grubbs催化剂的用量为所述降冰片烯酰亚胺单体化合物的质量的0.1-40％。
优选地，所述有机溶剂b为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基乙酰胺之中任意一种。
优选地，所用后处理方法包括真空烘箱干燥、超临界CO2干燥和冷冻干燥中的一种。
本发明还提供了一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料，所述降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料通过上述方法制备。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
本发明利用降冰片烯及其类似物中含有张力的五元环在Grubbs催化剂的作用下容易进行开环易位聚合反应，并且反应产物中五并五稠环结构的刚性和非平面构型，以及双键具有抑制旋转的特点，引入刚性结构，从而产生不紧密堆积保证永久孔洞的存在。同时，该聚合反应条件较温和，在-10～120℃之间就可完成。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料的制备方法的流程图；
图2、图3和图4分别是本发明实施例1中II(a)的核磁共振氢谱图、核磁共振碳谱图、傅立叶红外光谱；
图5、图6和图7分别是本发明实施例2中II(a)的核磁共振氢谱，核磁共振碳谱及红外谱图；
图8和图9分别是本发明实施例3中I(a)的固体核磁碳谱图和红外谱图；
图10和图11分别是本发明实施例4二中聚合物I(b)的固体核磁碳谱图和红外光谱图；
图12是本发明实施例5中聚合物I(b)的N2等温吸附-脱附曲线；
图13是本发明实施例6中聚合物I(b)的TGA曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
下面通过实施例对本发明所述方法的实现流程进行详细说明。
参照图1，其示出了本发明实施例所述一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料的制备方法的流程图。
步骤101，由如下式Ⅳ所示结构表达式的降冰片烯酸酐和如下式Ⅴ所示结构表达式的多元有机胺化合物，通过一步法或者两步法制备如下式II所示结构表达式的降冰片烯酰亚胺单体化合物，对所述降冰片烯酰亚胺单体化合物进行纯化。
步骤102，将所述步骤101所得纯化后的产物溶解在有机溶剂b中，将温度保持在-10～100℃，加入Grubbs催化剂进行聚合反应，反应温度为-10～120℃，反应时间为5分钟～2周；进行后处理得到如下式Ⅰ所示结构表达式的耐热聚合物多孔材料；
本发明提供了一类降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料及其制备方法。所述方法包括两个步骤：1、降冰片烯酸酐与多元胺类化合物反应制备降冰片烯酰亚胺单体；2、降冰片烯酰亚胺单体在Grubbs催化剂的作用下发生开环易位聚合反应，所得聚合物经过溶剂洗涤后进行干燥处理即得到耐热聚合物多孔材料。本发明利用降冰片烯及其类似物中含有张力的五元环在Grubbs催化剂的作用下容易进行开环易位聚合反应，并且反应产物中五并五稠环结构的刚性和非平面构型，以及双键具有抑制旋转的特点，引入刚性结构，从而产生不紧密堆积保证永久孔洞的存在。同时，该聚合反应条件较温和，在-10～120℃之间就可完成。
本发明实施例中，优选地，所述降冰片烯酸酐中的X可以为CH2或者O，所述降冰片烯酸酐的立体结构包括exo-和endo-两种构型。
所述多元有机胺化合物包括对苯二胺、水合肼、联苯二胺、1,3,5-三氨基苯、1,3,5-三氨基-2,4,6-三甲基苯、三聚嗪胺、三(4-氨基苯基)嗪、三(4-氨基苯基)胺、均三(4-氨基苯基)苯、四(4-氨基苯基)甲烷、金刚烷四胺和四(4-氨基苯基)金刚烷之中任意一种。
在本发明的一种优选实施例中，所述由如下式Ⅳ所示结构表达式的降冰片烯酸酐和如下式Ⅴ所示结构表达式的多元有机胺化合物，通过一步法制备如下式II所示结构表达式的降冰片烯酰亚胺单体化合物包括：
将所述降冰片烯酸酐溶于有机溶剂a，向其中加入所述多元有机胺化合物和有机碱进行反应，反应温度为-10～100℃，反应时间为5分钟～2周。
在本发明的另一种优选实施例中，所述由如下式Ⅳ所示结构表达式的降冰片烯酸酐和如下式Ⅴ所示结构表达式的多元有机胺化合物，通过两步法制备如下式II所示结构表达式的降冰片烯酰亚胺单体化合物包括：
制备如上式Ⅲ所示结构表达式的中间体部分酰亚胺化的胺，并与所述降冰片烯酸酐进一步反应制备所述降冰片烯酰亚胺单体化合物。
当多元有机胺的活性较高时，采用一步法制备制备酰亚胺单体II；当多元有机胺的活性较低时，采用两步法制备酰亚胺单体。一步法只能制备对称性的酰亚胺单体，而两步法可以制备不对称性的酰亚胺单体。
进一步优选地，所述有机溶剂a可以为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、甲苯、二氯甲烷、氯仿、丙酮和乙腈之中任意一种；所述有机碱可以为吡啶、N,N二-甲基-4氨基吡啶、三乙胺和N,N-二异丙基乙基胺之中任意一种。
本发明实施例中，优选地，所述多元有机胺化合物与所述降冰片烯酸酐的摩尔比为(1:1)～(1:20)。
本发明实施例中，优选地，所用纯化方法包括柱层析、重结晶、透析等。
本发明实施例中，优选地，所用Grubbs催化剂为Grubbs一代催化剂、Grubbs二代催化剂，Grubbs三代催化剂、Hoveyda-Grubbs一代催化剂、Hoveyda-Grubbs二代催化剂之中任意一种，所述Grubbs催化剂的用量为所述降冰片烯酰亚胺单体化合物的质量的0.1-40％。
本发明实施例中，优选地，所述有机溶剂b为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基乙酰胺之中任意一种。
本发明实施例中，优选地，所用后处理方法包括真空烘箱干燥、超临界CO2干燥和冷冻干燥中的一种。
相应的，本发明实施例还提供了一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料，所述降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料通过上述实施例所述的任一项所述方法制备。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下通过多个具体的实施例来说明本发明降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料的制备方法。
实施例1：水合肼连接的降冰片烯酰亚胺单体II(a)
向NA酸酐V(a)(656.64mg，4mmol，1eq)的甲苯悬浮液中逐滴加入水合肼IV(a)(400mg，4mmol，1eq，50％)，室温搅拌20min，TLC显示反应完全，停止反应。减压条件下出去溶剂，所得固体产物用乙醇重结晶得白色针状晶体即为NA酰肼III(a)(581mg，产率82％)。Rf：0.26[V(EtOAc)/V(Petroleum Ether)＝2/0.5(2滴乙酸)]；1H-NMR(400MHz，CDCl3)δ(ppm)：6.09(s,2H),4.12(s,2H),3.38(s,2H),3.24(s,2H),1.75(d,1H,J＝8.8Hz),1.54(d,1H,J＝8.8Hz)。将该NA酰肼III(a)(448.3mg，2.52mmol，1eq)和NA酸酐V(a)(413.7mg，2.52mmol，1eq)加入到乙酸溶剂中，加热回流10h，停止反应，减压除去乙酸，所得固体产物用乙腈重结晶得灰色晶体II(a)(332mg,产率为41％)。
图2、图3和图4分别为本实施例1中II(a)的核磁共振氢谱图、核磁共振碳谱图、傅立叶红外光谱。
薄层色谱的保留值Rf＝0.58[V(EtOAc)/V(Petroleum Ether)＝1/1(2滴乙酸)]。
核磁共振氢谱图1H-NMR(400MHz，DMSO-d6)δ(ppm)：6.054(s,4H),3.53-3.61(m,4H),3.30-3.31(m,4H),1.52-1.60(m,4H)。
核磁共振碳谱图13C-NMR(100HMz,DMSO-d6)δ(ppm)：172.2,171.1,134.5,134.4,51.1,44.5,44.0,43.8。
红外谱图IR(KBr,cm-1):2989(w),2948(w),2873(w),1739(s),1336(w),1310(m),1285(w),1180(m),1120(w),1086(w),1049(w),944(w),869(w),840(w),747(w),710(w),659(w),606(w)。
实施例2：对苯二胺连接的降冰片烯酰亚胺单体II(b)
将NA酸酐V(a)(164.16mg，1mmol，1eq)溶解在的DMF(15ml)中，将对苯二胺(54mg，0.5mmol，0.5eq)和三乙胺(101mg，1mmol，1eq)加入反应体系，80℃反应2h。反应结束后将混合物倒入水中，过滤得到固体粉末，用乙腈重结晶得白色固体(184mg，产率92％)。
图5、图6和图7分别是实施例2中II(a)的核磁共振氢谱，核磁共振碳谱及红外谱图。
核磁共振氢谱图1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ(ppm):7.19(s,4H),6.22(s,4H),3.50(s,4H),3.34(s,4H),1.5(s,4H)。
核磁共振碳谱图13C-NMR：(100MHz,DMSO-d6)δ(ppm):176.6,134.5,131.9,127.5,51.7,45.4,44.8。
红外光谱图(KBr，cm-1)：2992(w),2937(w),1770(w),1708(s),1510(m),1378(m),1335(w),1292(w),1190(m),1122(w),875(w),840(w),752(w),706(w),610(w)。
实施例3：降冰片烯酰亚胺聚合物I(a)的制备
将II(a)(310mg，0.956mmol，1eq)加入DMF(8ml)的溶液中，抽真空N2保护，升温至100℃后，将GC-II催化剂(16mg,0.02mol,0.02eq.)溶解在DMF(4ml)中注入反应体系。在100℃下反应24h，停止反应，加入甲醇后过滤得到凝胶状产物，甲醇洗涤2天除去大部分催化剂后用水透析6天。产物冷冻后做冷冻干燥的产物249mg。产率为81％。
图8和图9分别为本实施例3中I(a)的固体核磁碳谱图和红外谱图。
固体CP/MAS-13C-NMR：δ(ppm):170.62,129.66,45.06。
红外光谱IR(KBr，cm-1):2989(w),2948(w),2873(w),1739(s),1336(w),1310(m),1285(w),1180(m),1120(w),1086(w),1049(w),976(w),944(w),910(w),869(w),840(w),788(w),747(w),710(w),659(w),606(w)。
实施例4：降冰片烯酰亚胺聚合物I(b)的制备
将II(b)(320mg，0.8mmol，1eq)加入DMF(8ml)的溶液中，抽真空N2保护，升温至100℃后，将GC-II催化剂(13mg,0.015mmol,0.02eq.)溶解在DMF(4ml)中注入反应体系。在100℃下反应24h，停止反应，过滤得到凝胶状产物，DMF洗涤一天除去大部分催化剂后水透析6天。产物冷冻后做冷冻干燥，之后在100℃下真空干燥24h得淡棕色粉末(259mg，产率81％)。
图10和图11分别为实施例4中聚合物I(b)的固体核磁碳谱图和红外光谱图。
红外光谱图(KBr,cm-1):2954(w),1778(w),1712(s),1513(m),1362(m),1176(m),1083(w),974(w),829(w),593(w)。
固体CP/MAS-13C-NMR：δ(ppm):175.32,131.58,48.07,45.69。
实施例5：降冰片烯酰亚胺聚合物I(b)的孔性质
所制备聚合物材料的孔性质采用氮气等温吸脱附进行表征，即采用氮气作为探针分子，在液氮温度(77K)和一定压力下，氮气分子与多孔材料之间具有可逆的物理吸附作用，并对应一定压力存在确定的平衡吸附量。通过测定出该平衡吸附量，利用理论模型可以等效求出被测材料的比表面积及其它孔性质。这里采用Brunauer-Emmet-Teller公式，选取氮气吸附曲线中p/p0＝0.05～0.2之间的一段进行处理后算出的，图12为实施例5中聚合物I(b)的N2等温吸附-脱附曲线。
对于孔径分布，采用非线性密度泛函(NLDFT)拟合得出聚合物材料的孔径分布。根据上述方法，测得降冰片烯酰亚胺聚合物材料I(b)的BET比表面积为340m2/g，孔径分布在1-80nm之间。
实施例6：降冰片烯酰亚胺聚合物I(b)的耐热性能
所制备材料的热稳定性通过热失重(TGA)来表征，即在氮气氛围下对材料进行程序升温加热，通过计算不同温度下材料质量减少的百分比来反映材料的热稳定性。对所制备的降冰片烯酰亚胺聚合物材料I(b)进行了TGA测试，图13为实施例6中聚合物I(b)的TGA曲线，其初始分解温度为445℃，分解速率最大时对应的温度为481℃耐热性能优良。
以上对本发明所提供的一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料的制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，由如下式Ⅳ所示结构表达式的降冰片烯酸酐和如下式Ⅴ所示结构表达式的多元有机胺化合物，通过一步法或者两步法制备如下式II所示结构表达式的降冰片烯酰亚胺单体化合物，对所述降冰片烯酰亚胺单体化合物进行纯化；
步骤2，将所述步骤1所得纯化后的产物溶解在有机溶剂b中，将温度保持在-10～100℃，加入Grubbs催化剂进行聚合反应，反应温度为-10～120℃，反应时间为5分钟～2周；进行后处理得到如下式Ⅰ所示结构表达式的耐热聚合物多孔材料；
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降冰片烯酸酐中的X为CH2或者O，所述降冰片烯酸酐的立体结构包括exo-和endo-两种构型；
所述多元有机胺化合物包括对苯二胺、水合肼、联苯二胺、1,3,5-三氨基苯、1,3,5-三氨基-2,4,6-三甲基苯、三聚嗪胺、三(4-氨基苯基)嗪、三(4-氨基苯基)胺、均三(4-氨基苯基)苯、四(4-氨基苯基)甲烷、金刚烷四胺和四(4-氨基苯基)金刚烷之中任意一种。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述由如下式Ⅳ所示结构表达式的降冰片烯酸酐和如下式Ⅴ所示结构表达式的多元有机胺化合物，通过一步法制备如下式II所示结构表达式的降冰片烯酰亚胺单体化合物包括：
将所述降冰片烯酸酐溶于有机溶剂a，向其中加入所述多元有机胺化合物和有机碱进行反应，反应温度为-10～100℃，反应时间为5分钟～2周；
所述由如下式Ⅳ所示结构表达式的降冰片烯酸酐和如下式Ⅴ所示结构表达式的多元有机胺化合物，通过两步法制备如下式II所示结构表达式的降冰片烯酰亚胺单体化合物包括：
制备如上式Ⅲ所示结构表达式的中间体部分酰亚胺化的胺，并与所述降冰片烯酸酐进一步反应制备所述降冰片烯酰亚胺单体化合物。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述有机溶剂a为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、甲苯、二氯甲烷、氯仿、丙酮和乙腈之中任意一种；
所述有机碱为吡啶、N,N二-甲基-4氨基吡啶、三乙胺和N,N-二异丙基乙基胺之中任意一种。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述多元有机胺化合物与所述降冰片烯酸酐的摩尔比为(1:1)～(1:20)。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所用纯化方法包括柱层析、重结晶、透析等。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所用Grubbs催化剂为Grubbs一代催化剂、Grubbs二代催化剂，Grubbs三代催化剂、Hoveyda-Grubbs一代催化剂、Hoveyda-Grubbs二代催化剂之中任意一种，所述Grubbs催化剂的用量为所述降冰片烯酰亚胺单体化合物的质量的0.1-40％。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述有机溶剂b为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基乙酰胺之中任意一种。
9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所用后处理方法包括真空烘箱干燥、超临界CO2干燥和冷冻干燥中的一种。
10.一种降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料，其特征在于，所述降冰片烯酰亚胺的耐热聚合物多孔材料通过权利要求1-9中任一项所述方法制备。
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