导读
在化学合成领域,原子转移自由基聚合(ATRP)作为一种高效制备功能高分子材料的关键技术,受到了广泛关注。然而,传统的ATRP方法依赖于金属催化剂,这些催化剂不仅具有毒性,还可能在反应后导致复杂的后处理问题。针对这些问题,浙江大学黄宁团队在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上发表了最新研究,通过精准调控三维共价有机框架(COFs)的分子结构,开发出了一种高效可循环的无金属光催化剂,成功实现了可控聚合,为绿色化学催化体系提供了创新策略。
正文
原子转移自由基聚合(ATRP)是一种重要的可控聚合方式,能够精确控制聚合物的分子量、结构和功能性,广泛应用于高性能材料、生物医学、电子设备等领域。然而,传统ATRP方法依赖的金属催化剂(如铜、铁等)不仅存在着环境污染风险,还导致了反应后处理的复杂性和成本的增加。因此,开发无金属、绿色、可持续的ATRP催化剂成为研究热点。
共价有机框架(COFs)是一种新兴的多孔材料,通过强共价键连接,形成晶体化的网络结构,能在纳米尺度上精确调控化学和拓扑结构,以其高结晶性、高比表面积和强稳定性受到广泛关注。与传统催化剂相比,COFs具有以下显著优势:高比表面积,能提供更多的活性位点,提高催化效率;化学结构可调,能适应不同的催化需求;强化学稳定性,能在复杂反应条件下保持结构完整;非均相催化,产物易分离提纯;可循环使用,无金属污染,符合绿色化学的发展方向。
近日,浙江大学黄宁课题组以二氢吩嗪为核心单元,设计合成了三种三维COFs(DADP-COF、DADP-CF₃-COF、DADP-Me-COF)。通过不同取代基(-CF₃、-CH₃)的引入,精确调控材料的互穿结构和电子能级,并成功用作ATRP反应的光催化剂。
研究团队采用席夫碱缩合反应,将四(4-氨基苯基)甲烷(TAPM)与三种不同取代基的二氢吩嗪醛类连接单元(DADP、DADP-CF₃、DADP-Me)结合,成功合成了三维COFs。
图1. COFs合成路线和结构示意图。(图片来源:Angew. chem. Int. Ed.)
通过粉末X射线衍射(PXRD)和计算模拟证实,所合成的COFs均具有dia拓扑结构。取代基的位阻和推拉电子效应显著影响互穿模式,DADP-COF和DADP-CF₃-COF为11重互穿结构,而DADP-Me-COF为3重互穿结构。
图2.三种COFs(从左至右:DADP-COF,DADP-CF3-COF,DADP-Me-COF)穿插结构示意图和高分辨透射电镜图像。(图片来源:Angew. chem. Int. Ed.)
在可见光(白光LED)驱动下,COFs作为光催化剂实现了高效ATRP。以甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体、2-溴-2-甲基丙二酸二乙酯(DBMM)为引发剂,实验结果显示:DADP-CF₃-COF表现最优,转化率达95%,分子量分布指数(PDI)低至1.1,且可循环使用5次以上,性能没有明显下降。聚合反应遵循一级动力学,分子量与单体转化率呈线性关系,证明了反应的可控性。
图3. 聚合反应示意图和凝胶渗透色谱曲线。(图片来源:Angew. chem. Int. Ed.)
图4. 聚合反应机理示意图。(图片来源:Angew. chem. Int. Ed.)
电子顺磁共振能谱(EPR)分析证实,光激发产生的COF自由基(·COFs)通过单电子转移活化引发剂,形成活性链自由基(Pₙ·),从而驱动聚合反应。电化学分析证实,取代基的吸电子效应(如-CF₃)增强了COFs的氧化还原电位,促进了激子寿命和催化效率。
图5. 三种COFs(从左至右:DADP-COF,DADP-CF3-COF,DADP-Me-COF)的电子顺磁能谱和密度泛函理论(DFT)计算结果。(图片来源:Angew. chem. Int. Ed.)
总结
本研究通过分子工程策略,将三维 COFs 应用于光催化 ATRP ,有效改善了无金属催化体系的活性与稳定性问题。该工作不仅为高分子材料的绿色合成提供了新思路,也为 COFs 在催化领域的多功能应用开辟了广阔的前景。
该工作近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,第一作者为浙江大学博士研究生钮升,通讯作者为黄宁研究员。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等经费支持。
通讯作者简介
黄宁,浙江大学高分子系百人计划研究员,博士生导师。主要从事新型二维高分子(Covalent Organic Frameworks, COFs) 的结构设计,合成以及在光电,传感,环境,能源等相关领域的应用。近年来已发表论文50余篇,包括 Nature Reviews Materials, Nature Communications, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed. 等国际重要学术期刊,论文被引用8000多次。
课题组主页:https://person.zju.edu.cn/0019012
本课题组常年招聘博士后,每年招收多名博士和硕士研究生。欢迎有化学、材料、物理和化工背景的博士和硕士研究生以及博士后加入本课题组,联系邮箱:nhuang@zju.edu.cn
文献详情:
Structural Regulation of Three-Dimensional Covalent Organic Frameworks for Efficient Photoredox Catalysis toward Atom Transfer Radical Polymerization
Sheng Niu, Zhenyang Hu, Xiaoyi Xu, Zuping Xiong, Hongzheng Chen*, Alex K.-Y. Jen*, Ning Huang*
Angew. Chem. Int. Ed.2025
https://doi.org/10.1002/anie.202424860
长按扫码,查看原文
特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.