阅读说明：本技术 一种离子型铱配合物催化脱氢偶联合成部分可再生聚硅醚的方法 (Method for synthesizing partially renewable polysiloxanes by catalytic dehydrogenation coupling of ionic iridium complex ) 是由 周永贵 翟小勇 孙蕾 于 2019-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种合成聚硅醚的方法,离子型铱配合物为催化剂,实现不同类型单体脱氢偶联聚合,所述离子型铱配合物、含有羟基硅烷的单体的摩尔比为：0.005～0.020:1。本发明反应活性高,聚硅醚的数均分子量最高可达到4.38×10<Sup>4</Sup>；催化剂制备方便,反应操作简便实用,反应条件温和；聚硅醚含有多样的骨架,且耐高温性能良好；合成的聚硅醚部分来源于生物质,且可降解,催化剂商业可得,反应条件温和,具有潜在的实际应用价值。(The invention discloses a method for synthesizing polysilicone, which takes an ionic iridium complex as a catalyst to realize dehydrogenation coupling polymerization of different types of monomers, wherein the ionic iridium complex and a monomer containing hydroxysilane have the following molar ratio: 0.005-0.020: 1. The invention has high reaction activity, and the maximum number average molecular weight of the polysiloxane can reach 4.38 multiplied by 10 4 (ii) a The catalyst is convenient to prepare, the reaction operation is simple, convenient and practical, and the reaction condition is mild; the polysilicone contains various frameworks and has good high temperature resistance; the synthesized polysiloxane part is derived from biomass, and is degradable, the catalyst is commercially available, the reaction condition is mild, and the method has potential practical application value.)

一种离子型铱配合物催化脱氢偶联合成部分可再生聚硅醚的 方法

技术领域

本发明属于含硅高分子合成技术领域，具体涉及一种应用离子型铱的配合物催化合成热稳定性良好的聚硅醚的方法。

背景技术

由于化石资源的逐渐减少，由化石资源生产的不可再生和不可降解的合成聚合物材料对生态系统构成严重威胁(参考文献一：(a)van der Ploeg,F.J.Econ.Lit.2011,49,366-420.(b) Jambeck,J.R.；Geyer,R.；Wilcox,C.；Siegler,T.R.；Perryman,M.；Andrady,A.；Narayan,R.； Law,K.L.Science 2015,347,768-771.)。尽管许多小组研究基于可再生资源的聚合物材料，由不可再生的化石燃料资源合成的聚合物材料的总量远多于来源于可再生生物质的材料。主要原因主要是可再生的聚合物材料往往成本较高和性能较差(参考文献二：(a)Beach,E.S.； Cui,Z.；Anastas,P.T.Energy Environ.Sci.2009,2,1038-1049.(b)Anastas,P.；Eghbali,N.Chem. Soc.Rev.2010,39,301-312.)。目前，一些可再生原料已被应用于生物聚合物，生物树脂和各种增值化学品的合成。例如，乳酸，甘油三酯脂肪酸，5-羟甲基糠醛或其衍生物以及香草醛等。到目前为止，已经开发出几种基于这些原料的聚合物，包括聚(乳酸)，聚香草醛，聚(羟基链烷酸酯)等(参考文献三：(a)Firdaus,M.；Meier,M.A.R.Europ.Polym.J.2013,49, 156-166.(b)Gandini,A.Polym.Chem.2010,1,245-251.(c)Gandini,A.Macromolecules 2008, 41,9491-9504.(d)Amarasekara,A.S.；Wiredu,B.；Razzaq,A.V.Green Chem.2012,14, 2395-2397.)。在2004年，美国能源部(DOE)提出了“来源于生物质的顶级增值化学品”的概念，为可再生聚合物材料的发展指明了明确的方向(参考文献四：Werpy,T.；Petersen,G.； Aden,A.；Bozell,J.；Holladay,J.；White,J.；Manheim,A.；Eliot,D.；Lasure,L.；Jones,S.DTIC Document.2004.)。

在这些可再生聚合物中，聚硅醚是一类具有许多独特性质的材料，包括热稳定性、透气性、生物兼容性、可降解性和低玻璃化转变温度等。基于这些聚合物的材料已被广泛应用于耐高温弹性体、导电材料、手性柱填料等领域(参考文献五：(a)Li,Y.；Kawakami Y.DesMonomers Polym.2000,3,399.(b)Shea,K.J.；Loy,D.A.；Webster,O.J.Am.Chem.Soc.1992,114,6700.(c)Liu,Y.；Imae,I.；Makishima,A.；Kawakami,Y.Sci.Technol.Adv.Mater.2003,4, 27.(d)Lauter,U.；Kantor,S.W.；Schmidt-Rohr,K.；MacKnight,W.J.Macromolecules 1999,32, 3426.(e)Nagaoka,K.；Naruse,H.；Shinohara,I.；Watanabe,M.J.Polym.Sci.,Part C:Polym. Lett.1984,22,659.(f)i,G.；Bradshaw,J.S.；Rossiter,B.E.；Reese,S.L.；Peterson,P.；Markides, K.E.；Lee,M.L.J.Org.Chem.1993,58,2561.)。脱氢偶联聚合是合成聚硅醚的重要方法之一。脱氢偶联聚合最常用的单体是AA型单体(二羟基化合物)和BB型单体(硅烷)。AA 型单体主要包括二醇，二酚，水和二硅烷醇(参考文献六：(a)Li,Y.；Kawakami,Y. Macromolecules 1999,32,8768-8773.(b)Li,Y.；Kawakami,Y.Macromolecules 1999,32, 6871-6873.(c)Li,Y.；Kawakami,Y.Macromolecules 1999,32,3540-3542.(d)Cella,J.； Rubinsztajn,S.Macromolecules 2008,41,6965-6971.)。然而，大多数聚硅醚来源于不可再生原料，这障碍了其可持续发展。在分析了来自生物质的前10种化学物质的官能团结构后，我们发现超过一半的这些化合物能以高收率转化为二醇，包括琥珀酸，2-羟甲基-5-糠醛和果糖酸，这些化合物可分别转化为1,4-丁二醇，2,5-呋喃二甲醇，1,4-戊二醇等(参考文献七：Bozell,J.J.；Petersen,G.R.Green Chem.2010,12,539-554.)。基于这些考虑，我们设想将这些来自生物质的二醇应用于聚硅醚的合成。

据我们所知，来源于果糖酸的单体尚未通过脱氢偶联应用于聚硅醚的合成。作为一种有效且高度原子经济的构建Si-O键的方法，脱氢偶联反应已被基于过渡金属的配合物所实现，如钯，铂，铑，和锰(参考文献八：(a)Li,Y.；Kawakami Y.Macromolecules 1999,32,3540. (b)Kawakita,T.；Oh,H.-S.；Moon,J.-Y.；Liu,Y.；Imae,I.；Kawakami.Y.PolyInt.2001,50,1346. (c)Li,Y.；Kawakami Y.Macromolecules 1999,32,6871.(d)Oishi,M.；Moon.J.-Y.；Janvikul,W.； Kawakami.Y.Poly Int.2001,50,135.(e)Li,Y.；Seino,M.；Kawakami,Y.Macromolecules 2000, 33,5311.(f)Li,Y.；Seino,M.；Kawakami,Y.Macromolecules 2000,33,5311.)。

发明内容

本发明的目的是提供一种合成聚硅醚的方法，为实现上述目的，本发明以离子型铱配合物为催化剂，实现不同类型单体脱氢偶联聚合，采用的技术方案如下：催化含有羟基硅烷的单体(AB型或AA和BB型)脱氢偶联聚合反应制备聚硅醚，催化剂为离子型铱配合物与底物的摩尔比(当使用单体(Ⅱ)和(Ⅲ)时，摩尔比为催化剂与单体Ⅱ的比例，且所述单体(Ⅱ)和单体(Ⅲ)的摩尔比为1:1)为：0.005～0.020:1；含有羟基硅烷的AB型单体结构式为(Ⅰ)，AA和BB型单体的结构式分别为(Ⅱ)和(Ⅲ)，具体的反应式如下：

式中：R为C_7-11的烷基或芳基，所述芳基为取代或未取代的芳基，取代的芳基包括烷氧基取代芳基以及烷基取代芳基；R’为C_4-10的烷基；

反应温度：40～120℃；反应时间12-48h。

优选的，所述反应温度为60～100℃。

作为优选的技术方案，所述方法包括两个：

方法一：在氮气保护下，将底物(单体(Ⅰ)或单体(Ⅱ)和(Ⅲ))加入所述催化剂中反应得到聚硅醚，减压除去溶剂后加入2毫升二氯甲烷溶解产物，滴加15毫升冷甲醇使产物析出，去除上层溶剂，抽干得聚合产物。

方法二：(1)催化剂制备：将所述离子型铱配合物催化剂加入有机溶剂中，室温下搅拌2min得到催化剂溶液；(2)在氮气保护下，将底物(单体(Ⅰ)或单体(Ⅱ)和(Ⅲ)) 加入所述催化剂溶液中反应得到聚硅醚，减压除去溶剂后加入2毫升二氯甲烷溶解产物，滴加15毫升冷甲醇使产物析出，去除上层溶剂，抽干得聚合产物

优选地，所述催化剂溶液的制备中使用的有机溶剂选自甲苯、苯、乙腈、四氢呋喃中的至少一种优选乙腈。

优选地，所述离子型铱的配合物是通过Cp*IrCl₃与6,6'-二羟基-2,2'-联吡啶在碱性条件下反应得到。

优选地，所述单体(Ⅰ)在所述催化剂溶液的的浓度为0.1～1.0mmol/mL，或所述单体(Ⅱ)和(Ⅲ)在所述催化剂溶液的的浓度分别为0.1～1.0mmol/mL。

本发明所合成的聚硅醚来源于不同类型的单体。有三种来源于生物质的二醇化合物被应用于聚硅醚的合成中。因此，合成的聚硅醚是部分可再生的，且具有不同骨架，数均分子量高，玻璃化转变温度低等特点

有益效果

1.反应活性高，聚硅醚的数均分子量最高可达到4.38×10⁴；

2.催化剂制备方便，反应操作简便实用，反应条件温和；

3.聚硅醚含有多样的骨架，且耐高温性能良好；

4.合成的聚硅醚部分来源于生物质，且可降解，催化剂商业可得，反应条件温和，具有潜在的实际应用价值。

具体实施方式

下面通过实施例详述本发明，但本发明并不限于下述的实施例。

离子型铱配合物是通过文献(参考文献：Fujita,K.；Kawahara,R.；Aikawa,T.；Yamaguchi,R. Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,9057-9060.)中步骤合成，所用原料为Cp*IrCl₂(CAS: 12354-84-6)和6,6'-二羟基-2,2'-联吡啶(CAS:103505-54-0)均为市售且无需任何处理。

单体1a-e参考文献通过两步一锅法来合成，第一步是Karstedt催化剂催化的硅氢化反应，第二步是氢化铝锂还原第一步的硅氢化产物得到单体。单体1f参考文献(参考文献： Koha,P.-F.；Loh,T.-P.Green Chem.2015,17,3746-3750.)通过氢化铝锂还原果糖酸得到。单体1g-h和3均为市售(从伊诺凯购买)。

其中，单体1g通过甲苯乙醇共沸除水，处理方法：将5克单体1g投入反应瓶中，加入5mL无水乙醇和20mL无水甲苯，在反应瓶上接分馏柱，升高温度，通过分馏常压除去共沸馏分，再经过减压除去剩余溶剂并蒸馏得到单体1g。

单体1h经过在乙酸乙酯中重结晶提纯，处理方法：将10克单体1h投入反应瓶中，加入50mL乙酸乙酯，加热使单体溶解(如未能溶解完全可适量补加乙酸乙酯)，冷却至室温，单体结晶析出，抽滤并减压除去溶剂得到单体1h。

单体3需要经过在氢化钙中蒸馏提纯处理方法：将5克单体3投入反应瓶中，加入500mg 氢化钙，室温搅拌过夜，减压蒸馏得到单体3。

实施例1-15

脱氢偶联聚合条件的优化

手套箱中，在反应瓶中投入离子型铱配合物(底物用量的0.5mol％-2.0mol％)加入乙腈(1.5mL)，室温搅拌2min后；在反应瓶中加入底物1a(0.5mmol)，40-160℃下反应 12-48小时；然后加入2毫升二氯甲烷溶解产物，滴加15毫升冷甲醇使产物析出，去除上层溶剂，抽干得聚合产物，反应式和配体结构如下：

聚合物的数均分子量(M_n)和分子量分布(PDI)通过凝胶色谱仪(GPC)测定，产率为分离收率，改变反应温度和溶剂种类以及催化剂和底物的比例，制备得到分子量不同的产物，详见表1 和表2。

表1.AB型羟基硅烷单体脱氢偶联聚合条件优化一^a

表2.AB型羟基硅烷单体脱氢偶联聚合条件优化二^a

实施例16-20

AB型单体脱氢偶联合成聚硅醚2a-e

手套箱中，在反应瓶中投入离子型铱配合物(底物用量的1.0mol％)加入乙腈(1.5mL)，室温搅拌2min后；在反应瓶中加入底物1a-e(0.5mmol)，70℃下反应24小时；然后加入2毫升二氯甲烷溶解产物，滴加15毫升冷甲醇使产物析出，去除上层溶剂，抽干得聚合产物，反应式和配体结构如下：

聚合物的数均分子量(M_n)和分子量分布(PDI)通过凝胶色谱仪(GPC)测定，产率为分离收率，详见表3。

表3.AB型羟基硅烷单体脱氢偶联聚合^a

实施例21-23

AA和BB型单体脱氢偶联合成聚硅醚2f-h

手套箱中，在反应瓶中投入离子型铱配合物(底物用量的1.0mol％)加入乙腈(1.5mL)，室温搅拌2min后；在反应瓶中加入底物3(0.5mmol)和底物1f-h中的任意一个(0.5mmol)，70℃下反应24小时；然后加入2毫升二氯甲烷溶解产物，滴加15毫升冷甲醇使产物析出，去除上层溶剂，抽干得聚合产物，反应式和配体结构如下：

聚合物的数均分子量(M_n)和分子量分布(PDI)通过凝胶色谱仪(GPC)测定，产率为分离收率，详见表4。

表4.AA和BB型羟基硅烷单体脱氢偶联聚合^a

实施例24-25

聚硅醚的热分析

聚硅醚的热稳定性，如质量分解5％时的温度(T₅)和分解50％时的温度(T₅₀)通过同步热分析仪(TGA)测定，玻璃化转变温度(T_g)通过差示扫描量热仪(DSC)测定，详见表5。

表5.聚硅醚的热分析^a

Polysilylether(2a):0.158g,79％yield,colorless soft solid.¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ3.56(t,J＝ 6.7Hz,2H),1.57–1.45(m,2H),1.27(s,13H),0.64–0.50(m,2H),0.07(s,6H).¹³C NMR(101MHz, CDCl₃)δ63.00,33.68,33.01,29.78,29.71,29.53,26.05,23.41,16.56,-1.89.

Polysilylether(2b):0.183g,80％yield,colorless soft solid.¹H NMR(400MHz,CDCl3)δ3.56(t,J＝ 6.7Hz,2H),1.66–1.40(m,2H),1.26(s,17H),0.64–0.49(m,2H),0.08(s,6H).¹³C NMR(101MHz, CDCl3)δ63.01,33.70,33.01,29.86,29.80,29.69,29.58,26.06,23.42,16.56,-1.89.

Polysilylether(2c):0.210g,98％yield.colorless soft solid.¹H NMR(400MHz,CDCl3)δ3.56(t,J＝ 6.7Hz,2H),1.52(dd,J＝16.9,10.3Hz,2H),1.27(d,J＝2.2Hz,15H),0.65–0.49(m,2H),0.08(s,6H). ¹³C NMR(101MHz,CDCl3)δ64.90,35.58,34.90,31.78,31.65,31.57,31.46,27.95,25.30,18.45,0.00.

Polysilylether(2d):0.166g,96％yield,colorless viscous oil.¹H NMR(400MHz,CDCl3)δ3.55(t,J ＝6.7Hz,2H),1.53(dd,J＝24.5,18.4Hz,2H),1.30(s,9H),0.57(t,J＝7.1Hz,2H),0.07(s,6H).¹³C NMR(101MHz,CDCl3)δ62.99,33.66,33.03,29.37,25.97,23.36,16.53,-1.90.

Polysilylether(2e):0.166g,75％yield,light yellow color solid.¹H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.22(d, J＝8.5Hz,2H),6.85(d,J＝8.5Hz,2H),4.64(s,2H),3.90(t,J＝6.7Hz,2H),1.91–1.76(m,2H),0.81 –0.66(m,2H),0.16(s,6H).¹³C NMR(101MHz,CDCl3)δ158.52,133.00,128.24,114.52,70.55,64.71, 23.35,12.63,-1.81.

Polysilylether(2f):75mg,54％yield.colorless soft solid.¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ7.57(s,4H), 3.88-3.72(m,1H),3.67-3.46(m,2H),1.70-1.37(m,4H),1.09(dd,J＝6.0,2.2Hz,3H),0.35(s,12H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ140.0,139.9,139.6,139.4,133.0,132.9,132.9,132.9,69.0,63.3,35.9,29.1, 23.9,-0.7,-1.0,-1.6,-1.6.

Polysilylether(2g):90mg,62％yield,light yellow solid.¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ7.57(d,J＝1.0 Hz,4H),3.77-3.44(m,4H),1.67-1.49(m,4H),0.37(d,J＝0.8Hz,12H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃)δ 139.6,132.9,63.1,29.2,-1.6.

Polysilylether(2h):162mg,92％yield,colorless soft solid.¹H NMR(400MHz,CDCl₃)δ7.57(s,4H), 3.59(t,J＝6.7Hz,4H),1.57-1.47(m,4H),1.35-1.17(m,12H),0.37(s,12H).¹³C NMR(100MHz,CDCl₃) δ139.6,132.9,63.4,32.9,29.8,29.6,26.0,-1.6。