含有柔性醚键的磺化聚(偶氮甲炔醚)的结构-性质关系

《Journal of Molecular Structure》:Structure–property relationships in sulfonated poly(azomethine-ether)s bearing flexible ether linkages

【字体: 时间:2026年02月27日 来源:Journal of Molecular Structure 4.7

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  磺酸化聚亚胺醚通过引入磺酸基团改善材料性能,合成后经FT-IR、NMR等确认结构,GPC显示分子量11.2-15.6kDa且分布均匀。光学分析表明宽带隙(3.22-3.45eV)及高HOMO能级,短波激发下呈现明亮蓝光发射。XRD证实层状结晶结构,热稳定性及阻燃性(LOI值)优异,适用于安全关键领域。

  
Ruhiye Nilay Tezel | ?smet Kaya
化学系,聚合物合成与分析实验室,恰纳卡莱奥内塞克兹马尔大学,17020恰纳卡莱,土耳其

摘要

磺酸功能化是一种有效的策略,可以提高共轭聚合物的加工性能、光物理行为和热性能。在这项工作中,合成了一系列二醛单体及其相应的磺化聚(偶氮甲基醚),并进行了全面表征。首先制备了含有柔性脂肪族和醚类间隔基团的二醛单体,然后与4,4′-二氨基-2,2′-联苯磺酸进行缩聚,得到了目标聚合物。通过FT-IR、UV-Vis、1H-NMR和13C-NMR光谱确认了其结构特征。凝胶渗透色谱(GPC)显示这些聚合物的分子量适中(Mw = 11.2–15.6 kDa),且多分散性指数较低(1.12–1.16),表明聚合物群体均匀且链增长一致。光学研究表明其带隙较宽(3.22–3.45 eV),而引入的吸电子磺酸基团使得聚合物在短波长激发下具有较高的HOMO能级和明亮的蓝光发光性能。X射线衍射分析表明这些聚合物具有半柔性链段的特征性层状晶体结构。热分析和阻燃分析表明它们具有缓慢燃烧的特性和强的抗燃性(如LOI值所示),这突显了这些聚合物在安全关键应用中的适用性。总体而言,分子均匀性、热稳定性、阻燃性和蓝光发光性能的结合使得这些磺化聚(偶氮甲基醚)成为先进功能材料的有希望的候选者。

引言

开发具有显著生物、热学、机械等特性的新型聚合物受到了广泛关注。近年来,聚(偶氮甲基)因其独特的分子结构和多功能性而受到特别关注。偶氮甲基(-C=N-)键的存在赋予了这些聚合物优异的热稳定性、独特的光学和电学特性以及液晶性质[1,2]。聚(偶氮甲基)的制备是通过二胺与二羰基单体的缩聚实现的,仅产生偶氮甲基连接,没有不需要的副产物。与传统的芳基-芳基偶联方法不同,这种方法不需要复杂的合成或纯化步骤[3]。
席夫碱含有特征性的亚胺或偶氮甲基(-C=N-)键,该键是通过伯胺与醛或酮的缩合形成的[4]。它们可以通过羰基化合物与伯胺的缩合生成,并能通过氮原子的孤对电子与金属离子配位。席夫碱在各种技术领域有广泛的应用,其生物活性强烈依赖于其化学组成[5]。腙是一类含有-C=N-双键的有机化合物,其中氮原子与取代基(通常是烷基或芳基)相连。它们通常是通过取代苯肼或肼与醛或酮的酸催化或碱催化缩合形成的[6]。含有苯并咪唑骨架的腙席夫碱是一类具有多种合成和药理应用的分子[7]。
使用各种芳香族骨架和侧链取代基合成了多种共轭聚(偶氮甲基),并对其电子和光学特性进行了广泛研究[8][9][10]。尽管取得了这些进展,高分子量的聚(偶氮甲基)在常见有机溶剂中的溶解性通常较差。此外,这些材料的实际应用受到其易受酸性水解的影响,以及偶氮甲基基团之间的热诱导交换反应的限制。为了克服这些限制并提高共轭聚(偶氮甲基)的加工性能,采用了多种结构修饰方法,包括通过含有特定杂环单元的单体将取代苯环引入主链[11]。文献中还报道了引入悬挂取代基(如芳香基、烷氧基或烷基)以及将非共面结构元素引入聚合物主链的策略[12,13]。通过在混合溶剂或溶剂/盐介质中进行缩聚,以及在芳香段之间插入柔性间隔基团来降低链刚性并提高溶解性,也取得了进一步的改进[13][14][15]。
为了改善其功能性能并扩展应用范围,合成了多种聚(偶氮甲基)衍生物,包括聚(偶氮甲基醚)、聚(偶氮甲基-碳酸酯)、聚(偶氮甲基-酰胺-酯)、聚(偶氮甲基-丙烯酸酯)和聚(偶氮甲基-砜)。在这方面,Aly等人报道了一种通过简单的溶液缩聚方法,在聚合物主链中引入环己酮或环戊酮单元、噻唑基团和二苯亚烯衍生物的新型聚(偶氮甲基醚)。所得聚合物在液晶行为、溶解性、光谱特性和热稳定性方面进行了系统研究[16][17][18]。
聚合物的特性受到多种因素的强烈影响,包括单体的选择、所采用的聚合方法以及反应的具体条件。这些参数共同决定了聚合物的最终结构,进而决定了其宏观性质[19]。聚合物的性质主要由其结构特征决定,包括聚合度、分子间相互作用的性质和强度以及重复单元在聚合物主链上的具体排列方式。这些因素共同决定了关键属性,如结构特征、光学行为、电化学性能和热稳定性[20]。
基于磺酸的掺杂剂在所使用的材料中尤为重要,因为它们显著提高了溶解性、导电性、热稳定性和材料的整体柔韧性[15,21]。据报道,仅通过添加磺化聚苯乙烯并提高其质子化水平,基于荧光素的聚(偶氮甲基)就表现出光致发光和电致发光行为[10]。此外,磺酸基团还用于催化系统,并是染料、洗涤剂和表面活性剂的关键成分。在这种情况下,磺酸功能化不仅是一种提高溶解性和导电性的有效策略,还为共轭聚合物赋予了自掺杂特性[22][23][24]。
磺化聚苯胺(SPAN)是一种自掺杂的聚苯胺衍生物,具有水溶性和内在的导电性[25]。作为PANI的衍生物,SPAN表现出出色的电活性、优异的加工性能以及广泛的工业应用潜力[26]。SPAN的独特化学反应性、电化学活性和优异的导电性使其能够应用于多种领域。它已成功用于制备CO?传感器、肖特基二极管和电子束电阻器。此外,引入磺酸功能化的离子液体有助于有效调节,从而形成高质量的钙钛矿薄膜,并开发出性能优异且长期稳定的光伏器件[27]。
本研究旨在合成并全面表征主链中含有磺酸悬挂基团和亚氨基官能团的聚(偶氮甲基醚),以及侧链上含有甲基或甲氧基取代基的聚合物。首先,通过三种不同的羟基苯甲醛衍生物与1,5-二溴戊烷和双(2-氯乙基)醚烷基卤化物的反应合成了二醛单体。随后,这些二醛单体通过与4,4′-二氨基-2,2′-联苯磺酸的缩聚反应转化为聚(偶氮甲基醚)衍生物。合成的化合物在结构、热、光致发光和形态学特性方面进行了彻底表征。二醛单体和所得聚合物的化学结构通过FT-IR、1H-NMR、13C-NMR和UV-Vis光谱进行了确认。聚(偶氮甲基醚)的表面形态通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)进行了观察。热行为和玻璃化转变温度分别通过热重分析(TG-DTA)和差示扫描量热法(DSC)进行了评估。分子量参数(包括重均分子量(Mw)、数均分子量(Mn)和多分散性指数(PDI)通过凝胶渗透色谱(GPC)确定。此外,还使用循环伏安法(CV)、UV-Vis光谱和光致发光(PL)技术研究了合成聚合物的电化学、光学和光致发光特性。

材料

用于合成二醛单体的所有化学品,包括1,5-二溴戊烷(97%)、2-氯乙基醚(99%)、4-羟基苯甲醛(≥98%)、3-甲氧基-4-羟基苯甲醛(≥97%)、3-乙氧基-4-羟基苯甲醛(98%)和无水碳酸钾(K?CO?,≥99%),分别从Alfa Aesar和Sigma-Aldrich购买。用于合成聚(偶氮甲基醚)的4,4′-二氨基-2,2′-联苯磺酸(85%)也来自Sigma-Aldrich。

合成化合物的溶解性研究

二醛单体和聚(偶氮甲基醚)可溶于强极性溶剂,如乙醇、DMSO、DMF和DMAc,但不溶于非极性溶剂,如己烷、氯仿和二氯甲烷。引入烷基取代基通常可以提高样品的溶解性,从而便于其表征、制备和实际应用[29]。

结构表征

二醛单体和聚(偶氮甲基醚)的结构通过FT-IR、1H-NMR等手段进行了表征。

结论

成功合成了一系列二醛单体和聚(偶氮甲基醚),并通过FT-IR、1H-NMR和13C-NMR分析确认了其结构,表明偶氮甲基醚连接的形成以及预期的分子结构。UV-Vis吸收测量显示其带隙在3.22–3.45 eV范围内,相对较高,这限制了它们在传统光电器件中的应用。观察到的较高HOMO能级表明...

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