华东师大高国华、川大王滨燊《ACS AMI》：可溶胀有机无机杂化聚合物的构筑及催化二氧化碳促进环氧丙烷水合反应

2023-03-25 来源：高分子科技

溶胀是一种常见的自然现象，广泛涉及于人类生活的各个领域，包括生物医药、卫生用品、食品和生物分离等。目前，有机材料的溶胀已有诸多研究。相比之下，大多数无机材料却难以溶胀。为促使无机材料达到高度溶胀和分散，将其与可溶胀的有机材料杂化成为了一种极具潜力的办法。

近期，华东师范大学化学与分子工程学院/上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室高国华教授与四川大学新能源与低碳技术研究院王滨燊特聘副研究员带领团队将有机溶胀聚离子液体材料与无机水滑石材料杂化，首次合成了一种可溶胀的有机无机杂化聚合物（PIL@CHT），并将其应用于高效催化二氧化碳促进环氧丙烷的水合反应制备1,2-丙二醇（图1）。所得新型可溶胀有机无机杂化聚合物在Hansen溶度参数大于24.4 MPa^1/2的溶剂中表现出高度溶胀，且溶胀能力与溶剂的Hansen溶度参数呈线性正相关关系。其中，在Hansen溶度参数最大的水中表现出最大的摩尔溶胀度（Q_M= 305.3 mmol/g）。冷冻扫描电镜结果表明PIL@CHT在水中溶胀后呈现出一种粗糙的多孔网络结构，直径约为8~12微米；此时，与聚离子（PIL）紧密接枝的水滑石颗粒（CHT）高度分散于溶胀形成的孔道表面，这与PIL和CHT的物理混合物（PIL+CHT）在水中溶胀后出现的相分离现象形成鲜明的对比（图2）。

图1. 可溶胀有机无机杂化聚合物的构筑及其催化二氧化碳促进环氧丙烷水合反应制备1,2-丙二醇的示意图

图2. （A）干燥状态下的有机无机杂化聚合物PIL@CHT的扫描电镜图像，在水中充分溶胀后的（B）有机无机杂化聚合物PIL@CHT和（C&D）聚离子液体和水滑石的物理混合物PIL+CHT的冷冻扫描电镜图像

此外，一种二氧化碳助催化环氧丙烷水合反应制备1,2-丙二醇的新路径也被提出。与传统的环氧丙烷直接水合反应的路径不同，二氧化碳的参与促使其与环氧丙烷首先发生环加成反应生成中间产物碳酸丙烯酯；碳酸丙烯酯进一步原位水解生成目标产物1,2-丙二醇并释放二氧化碳。反应前后二氧化碳不会被消耗，且新的反应路径可以在降低水合比（水与环氧丙烷的摩尔比）的同时抑制副反应的发生（图3）。基于此，PIL@CHT凭借其优异的溶胀能力将有机组分（PIL）和无机组分（CHT）的活性位点紧密连接，并促使两相之间的活性位点与反应底物充分接触，在催化二氧化碳促进环氧丙烷水合反应过程中表现出优异的协同催化效果。

图3. 1,2-丙二醇的合成路线示意图

这项工作将聚离子液体优异的溶胀能力作为驱动力，成功地协助难溶胀的无机材料实现了微米尺度的溶胀和分散，开拓了有机材料和无机材料协同作用的应用前景。该工作以“Fabrication of Swellable Organic-Inorganic Hybrid Polymers for CO₂?Assisted Hydration of Propylene Epoxide”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上（DOI：10.1021/acsami.2c23332）。文章第一作者为华东师范大学化学与分子工程学院硕士研究生党璐璐。该研究得到国家自然科学基金委和国家重点研发计划的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c23332

下载：Fabrication of Swellable Organic-Inorganic Hybrid Polymers for CO₂?Assisted Hydration of Propylene Epoxide

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（责任编辑：xu）

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