Конъюгированный микропористый полимер - Conjugated microporous polymer

Конъюгированные микропористые полимеры (CMP) являются подклассом пористые материалы которые связаны с такими структурами, как цеолиты, металлоорганические каркасы, и ковалентные органические каркасы, но аморфный в природе, а не кристаллический. CMP также являются подклассом сопряженный полимеры и обладают многими из тех же свойств, таких как проводимость, механические жесткость, и неразрешимость. CMP создаются путем связывания строительных блоков π-сопряженным образом и обладают трехмерными сетями.[1] Конъюгация распространяется через систему CMP и придает проводящие свойства CMP. Строительные блоки CMP привлекательны тем, что блоки обладают широким разнообразием в единицах π, которые можно использовать, и позволяют настраивать и оптимизировать каркас, а затем и свойства CMP. Наиболее строительные блоки иметь жесткие компоненты, такие как алкины что вызывает микропористость.[1] ХМК применяются в хранилищах газа, неоднородных катализ, светоизлучение, сбор света и хранение электроэнергии.[2]

CMP с жесткими алкинами и ароматическими кольцами

Дизайн и синтез

Строительные блоки, составляющие сеть CMP, должны содержать ароматическая система и иметь как минимум две реактивные группы. Для создания пористой структуры ХМП перекрестносвязь строительных блоков разной геометрии для создания трехмерного полимер позвоночник необходим, а самостоятельныйконденсация реакции происходят в гомосопряжение строительных блоков с аналогичной геометрией.[2] Геометрия строительных блоков основана на их точечная группа. C2, С3, С4, С6 представляют собой геометрические формы строительных блоков CMP.

Муфта Suzuki

Основная статья: Муфта Suzuki

С 1979 года сочетание Сузуки является эффективным методом образования ариларильной связи.[3] Условия реакции сочетания Сузуки для образования бифенильного повторяющегося звена для CMP включают катализируемое палладием кросс-сочетание борорганическое соединение реагент с органическим галогенидом или сульфонатом в присутствии некоторого основания. Преимущество использования этого метода для синтеза ХМП состоит в том, что условия реакции мягкие, борорганические реагенты коммерчески доступны, а реакция имеет высокую функциональная группа толерантность. Этот метод лучше всего использовать для крупномасштабного синтеза CMP.[4] Недостатком сочетания Сузуки является чувствительность к кислороду, часто приводящая к побочным продуктам, а также необходимость дегазации реакции.[2]

Suzuki Coupling CMPs.png

Муфта Соногашира

Основная статья: Муфта Соногашира

Соногашира кросс-сочетания арилгалогенидов и алкинл группы встречаются с сокатализатором палладий-медь в присутствии основания. В сочетании используется сокатализатор палладий-медь из-за достигаемой улучшенной реакционной способности.[5] Реакции сочетания Соногашира выгодны тем, что реакция имеет техническую простоту, а также совместимость функциональных групп. CMP легко образуются с использованием этого метода из-за легкости вращения алкинов в плоских мономерах для получения трехмерной сетки.[6] Сила этих плоских мономеров может регулироваться для контроля диаметра пор CMP.[7] Растворители в реакции сочетания Соногашира также могут играть роль в образовании CMP. Лучшими растворителями, способствующими синтезу ХМП, являются диметилформамид,1,4-диоксан, и тетрагидрофуран.[2] Эти растворители помогают нейтрализовать образование галогенида водорода, образующегося в качестве побочного продукта. Недостатком использования концевых алкинов в качестве мономера является то, что концевые алкины легко подвергаются гомосочетанию в присутствии кислорода, поэтому реакцию необходимо проводить без присутствия кислорода и воды.[8]

Соногашира Coupling CMPs.png

Муфта Ямамото

В сочетании Ямамото углерод-углеродные связи арила галогенид соединения образуются при посредничестве катализатора переходного металла, чаще всего бис (циклооктадиен) никель (0), часто пишется как Ni (треска)2. Преимущество сочетания Ямамото состоит в том, что требуется только один функционализированный галогеном мономер, что приводит к разнообразию видов мономеров, а также к простой процедуре реакции. В то время как большинство исследований в CMP сосредоточено на контроле размера пор и площади поверхности, отсутствие гибкости мономеров, используемых в муфтах Yamamoto, уступает место свободному объему и пористости в CMP.[9] Только недавно появились сообщения о контролируемых размерах пор и площади поверхности CMP с помощью сочетания Ямамото.[2]

Ямамото Муфта CMPs.png

Реакция основания Шиффа

Основная статья: База Шиффа

Большинство подходов, используемых в настоящее время для синтеза CMP, должны выполняться в рамках безводный и бескислородная среда из-за присутствия металлических катализаторов. Из-за использования металлических катализаторов в полимерах неизбежно присутствуют следы металлов.[10] Реакции, такие как реакция основания Шиффа, привлекли большое внимание, поскольку они не содержат металлов. В основе Шиффа мономеры на основе амина и альдегид содержащие мономеры подвергаются реакции для создания повторяющейся единицы для CMP. Основание Шиффа является предпочтительным методом, не содержащим металлов, из-за дешевых мономеров в промышленном масштабе, содержащих несколько функциональных альдегидных групп. Еще одно преимущество основания Шиффа заключается в том, что при создании CMP образуется азот, что может быть полезно для многих приложений.[11]

Реакция основания Шиффа CMPs.png

Цианоциклотримеризация

Основная статья: [[:циклотримеризация ]]

Реакции цианоциклотримеризации протекают в ионотермических условиях, когда ХМП получают в расплаве. хлорид цинка при высоких температурах.[12] Строительные блоки могут производить C3N3 кольца. Эти кольца затем соединяются с треугольным самолет как вторичный строительный блок. Циклотримеризация часто используется для связывания четырехгранный мономеры для создания ХМП. ХМФ, синтезированные с помощью цианоциклотримеризации, демонстрируют узкое распределение микропор по размеру, высокое энтальпии из H2 адсорбция и быстрая селективная адсорбция газа.[13]

Цианоциклотримеризация CMPs.png

Характеристики

Некоторые физические свойства ХМП можно отнести к их расширенному сопряжению или микропористости.

Электрические свойства

Как и проводящие металлы, сопряженные полимеры проявляют электронные группы. Электроны сопряженной системы занимают валентная полоса и удаление электронов из этой зоны или добавление электронов к более высокой энергии проводящая полоса может привести к проводимости.[14] Конъюгированные материалы могут во многих случаях поглощать видимый свет из-за своей делокализованной π-системы. Эти свойства привели к применению в органическая электроника и органическая фотоника.[15]

Физические свойства

CMP демонстрируют высокий уровень настраиваемости в отношении площади поверхности и размера пор. Мономеры могут быть сконструированы с более длинными жесткими фрагментами для увеличения площади поверхности. Серия CMP-1,4 до CMP-5 показывает резкое увеличение площади поверхности с 500 м2/ г на 1000 м2/грамм. Увеличение площади поверхности может значительно улучшить их способность заполняться различными органическими и неорганическими соединениями для различных применений. Увеличенная площадь поверхности может также улучшить способность к сорбции газа.

Серия расширенных компоновщиков CMP

Основным недостатком ХМП является присущая им нерастворимость. Эта нерастворимость вызвана длинными жесткими фрагментами мономеров. Было предпринято несколько попыток увеличить растворимость путем добавления солюбилизирующих боковых цепей, но это все еще остается препятствием для широкого применения.

Приложения

CMP были исследованы для нескольких приложений с момента их открытия. Площадь поверхности в ЦМП может превышать 1000 м2/ г во многих случаях, хотя связанные пористые ароматические каркасы,[16] которые не имеют расширенного сопряжения, могут иметь гораздо более высокие площади поверхности более 5500 м2/грамм. Пористость этих материалов привела к их оценке как сорбенты. Недавняя работа была сосредоточена на их потенциале с точки зрения катализ,[17][18][19] например, в форме «металлоорганических ХМП»,[20] а также для легкой уборки,[21] и суперконденсаторы [22] пользуясь их сильно сопряженной природой. Еще одно преимущество, заявленное для материалов CMP, заключается в возможности их дериватизации с широким диапазоном функциональных групп.[18][23]

ХМБ применялись в нескольких областях, в которых используются как их электронные свойства, так и пористая природа. Поры могут быть заполнены неорганическими материалами, такими как TiO.2, для приложений в фотоэлектрической технике.[24] Их можно использовать в качестве электронных узлов. Они позволяют проникать в поры и выходить из них, которые могут использоваться для поверхностного электрохимический Приложения.

Рекомендации

  1. ^ а б Сюй Ю., Цзинь С., Сюй Х, Нагай А., Цзян Д. (октябрь 2013 г.). «Конъюгированные микропористые полимеры: создание, синтез и применение». Chem Soc Rev. 42 (20): 8012–31. Дои:10.1039 / c3cs60160a. PMID  23846024.
  2. ^ а б c d е Liu, Q .; Тан З .; Wu M .; Чжоу З. (2014). «Дизайн, получение и применение сопряженных микропористых полимеров». Полимер Интернэшнл. 63 (3): 381–392. Дои:10.1002 / pi.4640.
  3. ^ Miyaura, N .; Yamada K .; Судзуки А. (1979). «Новое стереоспецифическое кросс-сочетание катализируемой палладием реакции 1-алкенилборанов с 1-алкенил- или 1-алкинилгалогенидами». Tetrahedron Lett. 20 (36): 3437. Дои:10.1016 / s0040-4039 (01) 95429-2. HDL:2115/44006.
  4. ^ Chen, L .; Honsho Y .; Seki S .; Цзян Д. (2010). «Светособирающие сопряженные микропористые полимеры: быстрый и высокоэффективный поток световой энергии с пористым полифениленовым каркасом в качестве антенны». J Am Chem Soc. 132 (19): 6742–8. Дои:10.1021 / ja100327h. PMID  20218681.
  5. ^ Дусе Х, Иерсо Дж. С. (2007). «Каталитические системы на основе палладия для синтеза сопряженных енинов реакциями соногашира и родственными алкинилированиями». Энгью. Chem. Int. Эд. Англ.. 46 (6): 834–71. Дои:10.1002 / anie.200602761. PMID  17335070.
  6. ^ Купер А.И. (2009). «Конъюгированные микропористые полимеры». Современные материалы. 21 (12): 1291–1295. Дои:10.1002 / adma.200801971. ISSN  0935-9648.
  7. ^ Цзян, JX .; Вс Ф .; Trewin A .; Деревянный компакт-диск .; Niu H .; Джонс Дж .; и другие. (2009). «Микропористые поли (три (4-этинилфенил) амин) сети: синтез, свойства и атомистическое моделирование». Макромолекулы. 42 (7): 2658–2666. Bibcode:2009MaMol..42.2658J. Дои:10.1021 / ma802625d.
  8. ^ Котора, М. (2002). Справочник по химии органопалладия для органического синтеза. Нью-Йорк: Wiley Interscience. п. 973. ISBN  978-0-471-31506-3.
  9. ^ Roncali, J .; Leriche, P .; Кравино, А. (2007). «От одномерных к трехмерным органическим полупроводникам: в поисках органического кремния?». Современные материалы. 19 (16): 2045–2060. Дои:10.1002 / adma.200700135. ISSN  0935-9648.
  10. ^ Холст, Джеймс Р .; Штёкель, Ev; Адамс, Дэйв Дж .; Купер, Эндрю И. (2010). «Сети с большой площадью поверхности из тетраэдрических мономеров: катализируемое металлом связывание, термическая полимеризация и» Click «Химия». Макромолекулы. 43 (20): 8531–8538. Bibcode:2010MaMol..43.8531H. Дои:10.1021 / ma101677t. ISSN  0024-9297.
  11. ^ Каур Н., Делькрос Дж. Г., Имран Дж., Халед А., Чехтане М., Чаммер Н., Мартин Б., Фанстиэль О. (март 2008 г.). «Сравнение полиаминов, содержащих хлорамбуцил и ксилол, приводит к улучшенным лигандам для доступа к транспортной системе полиаминов». J. Med. Chem. 51 (5): 1393–401. Дои:10.1021 / jm070794t. PMID  18281932.
  12. ^ Кун П., Антониетти М., Томас А. (2008). «Пористые ковалентные каркасы на основе триазина, полученные ионотермическим синтезом». Энгью. Chem. Int. Эд. Англ.. 47 (18): 3450–3. Дои:10.1002 / anie.200705710. PMID  18330878.
  13. ^ McKeown, Neil B .; Ганем, Бадер; Msayib, Kadhum J .; Бадд, Питер М .; Tattershall, Carin E .; Махмуд, Халид; Тан, Сирена; Книга, Дэвид; Langmi, Henrietta W .; Уолтон, Аллан (2006). «На пути к материалам для хранения водорода на основе полимеров: разработка ультрамикропористых полостей внутри полимеров с собственной микропористостью». Angewandte Chemie International Edition. 45 (11): 1804–1807. Дои:10.1002 / anie.200504241. ISSN  1433-7851. PMID  16470904.
  14. ^ Инзельт, Дьердь (2008). Проводящие полимеры: новая эра в электрохимии. Монографии по электрохимии. Берлин, Гейдельберг: Springer. Дои:10.1007/978-3-540-75930-0. ISBN  9783540759300.
  15. ^ Лю Цинцюань; Чжэ Тан; Минда Ву; Чжихуа Чжоу (2014). «Дизайн, получение и применение конъюгированных микропористых полимеров». Полимер Интернэшнл. 63 (3): 381–392. Дои:10.1002 / pi.4640.
  16. ^ Бен, Т .; Рен, H; Ma, S. Q .; Cao, D. P .; Lan, J. H .; Jing, X. F .; Wang, W. C .; Сюй, Дж; Дэн, Ф; Симмонс, Дж. М.; Qiu, S.L; Чжу, Г. С. (2009). «Целенаправленный синтез пористого ароматического каркаса с высокой стабильностью и исключительно большой площадью поверхности». Энгью. Chem. Int. Эд. 48 (50): 9457–9460. Дои:10.1002 / anie.200904637. PMID  19921728.
  17. ^ Zhang, K .; Д. Копецки; П. Сибергер; М. Антониетти; Ф. Вилела (2013). «Контроль площади поверхности и фотокаталитическая активность конъюгированных микропористых поли (бензотиадиазол) сетей». Angewandte Chemie International Edition. 52 (5): 1432–1436. Дои:10.1002 / anie.201207163. PMID  23345129.
  18. ^ а б Ураками, Хиромицу; К. Чжан; Ф. Вилела (2013). «Модификация сопряженного микропористого полибензотиадиазола для генерации фотосенсибилизированного синглетного кислорода в воде». Химические коммуникации. 49 (23): 2353–2355. Дои:10.1039 / C3CC38956A. PMID  23407715. S2CID  23552285.
  19. ^ Xie, Z. G .; Ван, С; deKrafft, K. E .; Лин, В. Б. (2011). «Высокостабильные и пористые сшитые полимеры для эффективного фотокатализа». Варенье. Chem. Soc. 133 (7): 2056–2059. Дои:10.1021 / ja109166b. PMID  21275413.
  20. ^ Jiang, J.-X .; К. Ван; А. Лейборн; Т. Хаселл; Р. Клоуз; Ю. З. Химяк; Дж. Л. Сяо; С. Дж. Хиггинс; Д. Дж. Адамс; А. И. Купер (2011). «Металлоорганические сопряженные микропористые полимеры». Энгью. Chem. Int. Эд. 50 (5): 1072–1075. Дои:10.1002 / anie.201005864. PMID  21268197.
  21. ^ Chen, L .; Y. Honsho; С. Секи; Д. Л. Цзян (2010). «Светособирающие сопряженные микропористые полимеры: быстрый и высокоэффективный поток световой энергии с пористым полифениленовым каркасом в качестве антенны». Варенье. Chem. Soc. 132 (19): 6742–6748. Дои:10.1021 / ja100327h. PMID  20218681.
  22. ^ Ян, К .; Y. Xu; Z. Guo; Д. Л. Цзян (2011). «Сверхемкостный накопитель энергии и электроснабжение с использованием аза-плавленого π-сопряженного микропористого каркаса». Энгью. Chem. Int. Эд. 50 (37): 8753–8757. Дои:10.1002 / anie.201103493. PMID  21842523.
  23. ^ Dawson, R .; А. Лейборн; Р. Клоуз; Ю. З. Химяк; Д. Дж. Адамс; А. И. Купер (2009). «Функционализированные сопряженные микропористые полимеры». Макромолекулы. 42 (22): 8809–8816. Bibcode:2009MaMol..42.8809D. Дои:10.1021 / ma901801s.
  24. ^ Букле, Иоганн; Равираджан, Пунниамурти; Нельсон, Дженни (2007). «Гибридные тонкие пленки полимер-оксид металла для фотоэлектрических применений». Химия материалов. 17 (30): 3141–3153. Дои:10.1039 / b706547g.