Single-Crystal Polycationic Polymers Obtained by Single-Crystal-to-Single-Crystal Photopolymerization

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作者
Qing‐Hui Guo,Manping Jia,Zhichang Liu,Yan Qiu,Hongliang Chen,Dengke Shen,Xuan Zhang,Qing Tu,Matthew R. Ryder,Haoyuan Chen,Peng Li,Yaobin Xu,Zhijie Chen,Gajendra S. Shekhawat,Vinayak P. Dravid,Randall Q. Snurr,Douglas Philp,Andrew C.‐H. Sue,Omar K. Farha,Marco Rolandi,J. Fraser Stoddart
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (13): 6180-6187 被引量:51
标识
DOI:10.1021/jacs.9b13790
摘要

The efficient preparation of single-crystalline ionic polymers and fundamental understanding of their structure–property relationships at the molecular level remains a challenge in chemistry and materials science. Here, we describe the single-crystal structure of a highly ordered polycationic polymer (polyelectrolyte) and its proton conductivity. The polyelectrolyte single crystals can be prepared on a gram-scale in quantitative yield, by taking advantage of an ultraviolet/sunlight-induced topochemical polymerization, from a tricationic monomer—a self-complementary building block possessing a preorganized conformation. A single-crystal-to-single-crystal photopolymerization was revealed unambiguously by in situ single-crystal X-ray diffraction analysis, which was also employed to follow the progression of molecular structure from the monomer, to a partially polymerized intermediate, and, finally, to the polymer itself. Collinear polymer chains are held together tightly by multiple Coulombic interactions involving counterions to form two-dimensional lamellar sheets (1 nm in height) with sub-nanometer pores (5 Å). The polymer is extremely stable under 254 nm light irradiation and high temperature (above 500 K). The extraordinary mechanical strength and environmental stability—in combination with its impressive proton conductivity (∼3 × 10–4 S cm–1)—endow the polymer with potential applications as a robust proton-conducting material. By marrying supramolecular chemistry with macromolecular science, the outcome represents a major step toward the controlled synthesis of single-crystalline polyelectrolyte materials with perfect tacticity.
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