【高分子】Angew：新一代具有光学性能的可降解聚合物

👉 研究背景

高分子材料因其重量轻、柔韧性好、冲击强度高、光学特征优异、易加工等特点，在人们生活生产中起着十分重要的作用。其中，双酚A型聚碳酸酯由于其良好的热稳定性和高的折光率，在透明材料、电气部件和医疗设备等领域应用广泛。然而，聚合物中残留的双酚A会导致人体内分泌失调，威胁着胎儿和儿童的健康。某些癌症和新陈代谢紊乱导致的肥胖也被认为与双酚A有关。因此，开发具有低毒性、优异的光学性能和热性质的新一代聚碳酸酯来取代双酚A型聚碳酸酯引起了高分子化学领域的广泛关注。在过去的25年里，CO₂与环氧烷烃交替共聚反应得到快速发展，但所得到的聚合物的光性能并不能满足光学设备的要求。因此，开发具有优异折光率和高阿贝数的CO₂基聚碳酸酯成为当务之急。

📕 研究内容

近日，大连理工大学任伟民教授与美国德州农工大学（Texas A&M University）Donald J. Darensbourg教授合作，利用CHO、CO₂、COS三元共聚反应，成功实现向聚碳酸酯内引入硫原子，大大提高了所得聚合物的光性能。相关内容发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.202012565）。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

🏂 研究方法

光线自一种透明介质进入另一透明介质时，由于光线在两种介质中的传播速度不同，使得光线在两种介质的平滑界面上发生折射。折光率（refractive index，n）是指光线在空气中进行的速度与在供试品中进行速度的比值。而阿贝数（v_D）则是表示透明介质色散能力的指数。一般来说，介质的折射率越大，色散越严重，阿贝数越小；反之，介质的折射率越小，色散越轻微，阿贝数越大。

在之前的报道中，作者证实环氧环己烷与CO₂的共聚物n: 1.478, v_D: 34.2；环氧环己烷与COS的共聚物n: 1.545, v_D: 31.4；而将S原子引入聚碳酸酯能否改善聚合物的折光率与阿贝数呢？作者对此进行了深入的探索。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

CHO与CO₂，COS的三元共聚反应可以有效地实现S原子的引入。通过对催化剂的筛选，作者发现双金属Cr催化剂更容易得到具有环己基硫代碳酸酯（HTC）单元的聚合物，而且催化反应时间越长，硫代碳酸酯单元含量越低，因此所制备的聚合物应该是具有梯度结构的聚合物。而对双金属Al催化反应考察时，作者发现反应时间并不能改变聚合物硫代碳酸酯单元与碳酸酯单元的含量比。对催化反应过程的¹H NMR、GPC、FTIR表征结果充分证实所制备的聚合物是具有随机结构的材料。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

正是基于上述结论，作者通过调控所加入的CO₂的压力，从而得到了具有不同硫代碳酸酯单元含量的一系列聚合物。对聚合物的光学性质进行考察，作者发现，当硫代碳酸酯单元含量为50%时，聚合物具有最高的阿贝数，达到48.6。当硫代碳酸酯含量高于或者低于50%时，阿贝数则明显降低。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

🔚 研究结论

为了改善聚碳酸酯的光学性能，作者通过CHO、CO₂、COS的三元共聚反应将硫原子引入聚合物中，大大提高了聚合物的光学性能。