CN109134728B - 一种高全同立构聚2-乙烯基吡啶的制备方法 - Google Patents

一种高全同立构聚2-乙烯基吡啶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高全同立构聚2‑乙烯基吡啶的制备方法，其特征在于包括下述步骤：惰性气氛下，将催化剂溶解于甲苯或者氯苯中作为第一溶液；将有机硼盐溶解于甲苯或者氯苯中作为第二溶液；室温、搅拌下将所述第二溶液逐滴滴加入所述第一溶液中，继续搅拌3～7min形成第三溶液；在惰性气氛下，将2‑乙烯基吡啶单体加入到所述第三溶液中形成单体溶度为0.5～2.0mol/L的聚合反应体系，室温、300～500rpm下搅拌0.5h～5h进行聚合反应，然后滴加0.4～0.6ml甲醇终止聚合反应；然后加入50～100ml石油醚使聚2‑乙烯基吡啶沉降出来；对沉淀物进行抽滤分离，于40～70℃下真空抽干即得到高全同立构2‑乙烯基吡啶聚合物。

Description

一种高全同立构聚2-乙烯基吡啶的制备方法
技术领域
本发明涉及到高聚物聚合领域，尤其涉及一种全同立构聚2-乙烯基吡啶的制备方法。
背景技术
聚合物的立构规整性对其机械性能和物理性能具有非常大的影响，合成具有高立构规整性的聚合物一直是聚合领域的重要课题。聚2-乙烯基吡啶在电化学、光学、医药、纳米科技以及膜科学领域具有广泛的应用。目前聚2-乙烯基吡啶可以通过2-乙烯基吡啶的阴离子聚合、自由基聚合以及受阻路易斯酸碱对催化聚合制备，但是这些聚合方法所得聚合物均为无规聚合物，力学性能比较差。尽管早在20世纪60年代Natta等人就采用胺基镁化合物为引发剂制备了全同聚2-乙烯基吡啶，但是所得聚合物是无规结构和等规结构的混合物，而且等规度也只能达到80％左右。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种高全同立构聚2-乙烯基吡啶的制备方法，以获得更好结晶性能的聚2-乙烯基吡啶，从而提高聚合物的机械性能和物理性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该高全同立构聚2-乙烯基吡啶的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
在惰性气氛下，将催化剂溶解于甲苯或者氯苯中作为第一溶液；将有机硼盐溶解于甲苯或者氯苯中作为第二溶液；室温、200～400rpm搅拌下将所述第二溶液逐滴滴加入所述第一溶液中，在200～400rpm继续搅拌3～7min形成第三溶液；
在惰性气氛下，将2-乙烯基吡啶单体加入到所述第三溶液中形成单体浓度为0.5～2.0mol/L的聚合反应体系，室温、300～500rpm下搅拌0.5h～5h进行聚合反应，然后滴加0.4～0.6ml甲醇终止聚合反应；然后加入50～100ml石油醚使聚2-乙烯基吡啶沉降出来；对沉淀物进行抽滤分离，于40～70℃下真空抽干即得到高全同立构2-乙烯基吡啶聚合物；
所述有机硼盐与所述催化剂的摩尔比为1:1；
所述2-乙烯基吡啶单体与所述催化剂的摩尔比为100～3000：1；
所述催化剂的结构式为：
Figure GDA0002961024820000021
其中：
R1为氢、甲基、乙基、异丙基、F、Cl或Br；
R2为氢、甲基或者卤素；
R为硅烷基、苄基或者胺基；
n为0或1；
Ln为Sc、Y或Lu；
所述有机硼盐与所述催化剂的摩尔比为1:1。
较好的，所述有机硼盐优选自[Ph3C][B(C6F5)4]、[Ph3C][B(C6H5)4]、[PhNHMe2][B(C6F5)4]或B(C6F5)3。
上述各方案中，优选所述催化剂的制备方法如下：
将1mmolβ-双亚胺配体和1mmol化合物Ln(CH2SiMe3)3(THF)2分别溶于3～7ml四氢呋喃中，得到配体溶液和化合物溶液；
所述化合物中的Ln为Y或Lu；
200～400rpm搅拌下将配体溶液逐滴滴加入化合物溶液中，室温下继续搅拌反应1～18小时；减压抽除易挥发性物质，然后用正己烷溶解，在-40～-30℃下冷冻结晶，得到的晶体即为所述催化剂。
与现有技术相比，本发明所制备得到的聚2-乙烯基吡啶聚合物收率高，全同立构规整性高，聚合物的分子量Mn可以达到17×104g/mol，高全同立构聚2-乙烯基吡啶的mm大于99％，聚合物具有较高的熔点(Tm＞200℃)和热稳定性，且机械性能和物理性能好；优选方案中，催化剂合成方法简单，原料便宜易得，催化体系效率高。
附图说明
图1为本发明实施例3所制备催化剂的1H NMR图(C6D6)；
图2为本发明实施例4所制备催化剂的1H NMR图(C6D6)；
图3为本发明实施例5所制备催化剂的1H NMR图(C6D6)；
图4为本发明实施例6所制备催化剂的1H NMR图(C6D6)；
图5为本发明实施例11所制备聚2-乙烯基吡啶的1H NMR图(CD3OD)；
图6为本发明实施例11所制备聚2-乙烯基吡啶的13C NMR图(CD3OD)；
图7为本发明实施例11所制备聚2-乙烯基吡啶的DSC图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1～实施例7为催化剂的制备。
实施例1
在手套箱中，将5ml含有甲基取代的β-双亚胺配体(0.306g、1.0mmol)的四氢呋喃溶液慢慢地滴加到5ml含有Y(CH2SiMe3)3(THF)2(0.495g、1.0mmol)的四氢呋喃溶液中，室温、300rpm搅拌下反应1h。减压除去易挥发物，然后用己烷溶解，置于-35℃冰箱中冷冻结晶，得到0.442g结构如1所示的淡黄色固体催化剂。催化剂的摩尔收率为69％。
Figure GDA0002961024820000031
1中：
R1为甲基、R2为氢、R为硅烷基、n为1、Ln为Y。
实施例2
在手套箱中，将5ml含有乙基取代的β-双亚胺配体(0.306g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液慢慢地滴加到5ml含有Lu(CH2SiMe3)3(THF)2(0.581g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液中，室温、300rpm搅拌下反应1h。减压除去易挥发物，然后用己烷溶解，置于–35℃冰箱中冷冻结晶，得到0.523g结构如2所示的淡黄色固体催化剂。催化剂的摩尔收率为72％。
Figure GDA0002961024820000032
2中：
R1为甲基、R2为氢、R为硅烷基、n为1、Ln为Lu。
实施例3
在手套箱中，将5ml含有乙基取代的β-双亚胺配体(0.362g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液慢慢地滴加到5ml含有Y(CH2SiMe3)3(THF)2(0.495g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液中，室温、300rpm搅拌下反应12h。减压除去易挥发物，然后用己烷溶解，置于-35℃冰箱中冷冻结晶，得到0.592g结构如3所示的淡黄色固体催化剂。催化剂摩尔收率为85％。
Figure GDA0002961024820000041
3中：
R1为乙基、R2为氢、R为硅烷基、n为1、Ln为Y。
对3进行核磁共振分析1H NMR(500MHz,C6D6):δ7.10(m,Ph-H,6H),5.02(s,CHCN,1H),3.29(s,THF,4H),2.72(m,CH2CH3,8H),1.56(s,CNCH3,6H),1.27(t,J＝7.5Hz,CH2CH3,12H),1.10(s,THF,4H),0.18(s,CH2Si(CH3)3,18H),-0.62ppm(d,J＝2.9Hz,CH2Si(CH3)3,4H).13C NMR(126MHz,C6D6):δ166.51,147.25,138.00,126.18,125.44,97.95,70.57,36.93(d,J＝40.4Hz),25.28,25.04,24.43,14.12,4.43ppm。
元素分析：理论值：C,63.76；H,9.11；N,4.02；实际值：C,63.65；H,9.19；N,4.08。
实施例4
在手套箱中，将5ml含有乙基取代的β-双亚胺配体(0.362g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液慢慢地滴加到5ml含有Lu(CH2SiMe3)3(THF)2(0.581g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液中，室温、300rpm搅拌下反应12h。减压除去易挥发物，然后用己烷溶解，置于-35℃冰箱中冷冻结晶，得到0.689g结构如2所示的淡黄色固体催化剂。催化剂摩尔收率为88％。
Figure GDA0002961024820000042
4中：
R1为乙基、R2为氢、R为硅烷基、n为1、Ln为Lu。
对4进行核磁共振分析:1H NMR(500MHz,C6D6):δ7.10(m,Ph-H,6H),5.01(s,CHCN,1H),3.33(s,THF,4H),2.78(dt,J＝22.8,7.5Hz,CH2CH3,4H),2.70(dt,J＝22.8,7.5Hz,CH2CH3,4H),1.55(s,CNCH3,6H),1.26(t,J＝7.5Hz,CH2CH3,12H),1.12(m,THF,4H),0.17(s,CH2Si(CH3)3,18H),-0.78ppm(s,CH2Si(CH3)3,4H).13C NMR(126MHz,C6D6):δ167.12,147.58,137.98,126.14,125.51,98.31,70.59,43.73,25.23,25.04,24.65,14.11,4.59ppm。
元素分析：理论值：C,56.75；H,8.11；N,3.58；实际值：C,56.79；H,8.15；N,3.62。
实施例5
在手套箱中，将5ml含有氯取代的β-双亚胺配体(0.388g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液慢慢地滴加到5ml含有Y(CH2SiMe3)3(THF)2(0.495g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液中，室温、300rpm搅拌下反应18h。减压除去易挥发物，然后用己烷溶解，置于-35℃冰箱中冷冻结晶，得到0.513g淡黄色固体催化剂。催化剂摩尔收率为79％。
Figure GDA0002961024820000051
5中：
R1为氯、R2为氢、R为硅烷基、n为0、Ln为Y。
对5进行核磁共振分析:1H NMR(500MHz,C6D6):δ6.87(d,J＝8.1Hz,Ph-H,4H),6.30(t,J＝8.1Hz,Ph-H,2H),5.10(s,CHCN,1H),1.69(s,CNCH3,6H),0.12(s,CH2Si(CH3)3,18H),-0.10ppm(d,J＝2.7Hz,CH2Si(CH3)3,4H).13C NMR(126MHz,C6D6):δ166.91,143.77,129.88,128.67,125.68,97.85,40.10(d,J＝40.7Hz),23.45,3.74ppm。
元素分析：理论值：C,46.16；H,5.42；N,4.31；实际值：C,46.13；H,5.44；N,4.36。
实施例6
在手套箱中，将5ml含有氯取代的β-双亚胺配体(0.388g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液慢慢地滴加到5ml含有Lu(CH2SiMe3)3(THF)2(0.581g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液中，室温、300rpm搅拌下反应18h。减压除去易挥发物，然后用己烷溶解，置于-35℃冰箱中冷冻结晶，得到0.552g淡黄色固体催化剂。催化剂摩尔收率为75％。
Figure GDA0002961024820000061
6中：
R1为氯、R2为氢、R为硅烷基、n为0、Ln为Lu。
对进行核磁共振分析:1H NMR(500MHz,C6D6):δ6.90(d,J＝8.1Hz,Ph-H,4H),6.33(t,J＝8.1Hz,Ph-H,2H),5.13(s,CHCN,1H),1.69(s,CNCH3,6H),0.13(s,CH2Si(CH3)3,18H),-0.38ppm(s,CH2Si(CH3)3,4H)。
元素分析：理论值：C,40.77；H,4.79；N,3.80；实际值：C,40.83；H,4.85；N,3.89。
实施例7
在手套箱中，将5mL含有氯取代的β-双亚胺配体(0.566g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液慢慢地滴加到5mL含有Y(CH2SiMe3)3(THF)2(0.495g，1.0mmol)的四氢呋喃溶液中，室温、300rpm搅拌下反应18h。减压除去易挥发物，然后用己烷溶解，置于-35℃冰箱中冷冻结晶，得到0.522g淡黄色固体催化剂。催化剂摩尔收率为63％。
Figure GDA0002961024820000062
7中：
R1为溴、R2为氢、R为硅烷基、n为0、Ln为Y。
对7进行核磁共振分析:1H NMR(500MHz,C6D6)δ7.14(d,J＝8.0Hz,Ph-H,4H),6.21(t,J＝8.0Hz,Ph-H,2H),5.09(s,CHCN,1H),1.70(s,CNCH3,6H),0.19(s,CH2Si(CH3)3,18H),-0.20ppm(d,J＝3.0Hz,CH2Si(CH3)3,4H)。
元素分析：理论值：C,36.25；H,4.26；N,3.38；实际值：C,36.27；H,4.28；N,3.43。
实施例8
本实施例为高全同聚2-乙烯基吡啶的制备。具体制备方法如下：
在惰性气氛的手套箱中称取催化剂1(6.4mg，10μmol)，有机硼盐[Ph3C][B(C6F5)4](9.2mg，10μmol)分别溶于1.0ml甲苯中形成第一溶液和第二溶液，室温、400rpm搅拌下将第二溶液逐滴滴加入第一溶液中，同样搅拌速率下反应5分钟，得到第三溶液。
惰性气氛下，向第三溶液中加入2-乙烯基吡啶单体(0.210g，2.0mmol)形成单体浓度为1.0±0.1mol/L的聚合反应体系，室温400rpm下搅拌反应1小时；将聚合瓶拿出手套箱，加0.5ml甲醇终止聚合；再加入50ml石油醚沉降出聚合物，过滤分离出沉淀物后，在50℃真空烘箱中抽干至恒重，即得到聚2-乙烯基吡啶产物，聚合数据见表1。
实施例9至实施例22均为高全同立构聚2-乙烯基吡啶的制备。制备方法与实施例7相同，只是改变了催化剂、单体投料比、聚合反应时间、聚合溶剂以及有机硼盐种类，制备出一系列高全同聚2-乙烯基吡啶。具体聚合数据见表1。
表1
Figure GDA0002961024820000071
表1中：单体浓度：1.0±0.1mol/L，A为[Ph3C][B(C6F5)4]；B为[PhNHMe2][B(C6F5)4]；PDI为聚合物分子量分布；mm(％)：聚合物全同立构含量，以CD3COD为溶剂，核磁共振碳谱测试；Tm为聚合物熔点。
由表1可以看出，本发明所采用的催化剂以及聚合方法反应效率高，在数小时以内，聚合物产率即可以达到90％以上；所得聚合物实际分子量(Mn,exp)与理论值(Mn,theo)吻合较好，聚合物分子量随单体投料的增加而增大，分子量分布较窄(PDI＜1.40)，而且波动较小，具有可控聚合的特征。聚合反应无论以甲苯或者氯苯为溶剂，所得聚合物都具有很高的全同立构规整性(以CD3COD为溶剂，核磁共振碳谱测试)，最高几乎达到100％。此外，所得产物为结晶型聚合物，具有较高的熔点(Tm＞200℃)，材料的稳定性和物理性能得到了进一步提高。

Claims (2)

1.一种高全同立构聚2-乙烯基吡啶的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
在惰性气氛下，将催化剂溶解于甲苯或者氯苯中作为第一溶液；将有机硼盐溶解于甲苯或者氯苯中作为第二溶液；室温、200～400rpm搅拌下将所述第二溶液逐滴滴加入所述第一溶液中，在200～400rpm下继续搅拌3～7min形成第三溶液；
在惰性气氛下，将2-乙烯基吡啶单体加入到所述第三溶液中形成单体浓度为0.5～2.0mol/L的聚合反应体系，室温、300～500rpm下搅拌0.5h～5h进行聚合反应，然后滴加0.4～0.6ml甲醇终止聚合反应；然后加入50～100ml石油醚使聚2-乙烯基吡啶沉降出来；对沉淀物进行抽滤分离，于40～70℃下真空抽干即得到高全同立构2-乙烯基吡啶聚合物；
所述有机硼盐与所述催化剂的摩尔比为1:1；
所述2-乙烯基吡啶单体与所述催化剂的摩尔比为100～3000：1；
所述催化剂的结构式为：
Figure FDA0002961024810000011
中的至少一种；
所述有机硼盐选自[Ph3C][B(C6F5)4]、[Ph3C][B(C6H5)4]、[PhNHMe2][B(C6F5)4]、或B(C6F5)3。
2.根据权利要求1所述的高全同立构聚2-乙烯基吡啶的制备方法，其特征在于所述催化剂的制备方法如下：
将1mmol含Br或Cl的β-双亚胺配体和1mmol化合物Ln(CH2SiMe3)3(THF)2分别溶于3～7ml四氢呋喃中，得到配体溶液和化合物溶液；
所述化合物中的Ln为Y或Lu；
200～400rpm搅拌下将配体溶液逐滴滴加入化合物溶液中，室温下继续搅拌反应1～18小时；减压抽除易挥发性物质，然后用正己烷溶解，在-40～-30℃下冷冻结晶，得到的晶体即为所述催化剂。
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