Phosphaphenanthrene-Functionalized Benzoxazines Bearing Intramolecularly Hydrogen-Bonded Phenolic Hydroxyl: Synthesis, Structural Characterization, Polymerization Mechanism, and Property Investigation

热固性聚合物 聚合 高分子化学 单体 氢键 化学 分子内力 开环聚合 聚合物 差示扫描量热法 材料科学 分子 有机化学 物理 热力学
作者
Jing Wang,Nan Li,Corey J. Evans,Shengfu Yang,Kan Zhang
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:56 (4): 1311-1323 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.3c00028
摘要

Hydrogen bonding in thermosetting resins can have a significant influence on the polymerization processes and the properties of corresponding thermosets, but its role in the polymerization of benzoxazine resins remains unclear. Here, we synthesized two novel phosphaphenanthrene-functionalized benzoxazine monomers from 2-6-oxido-6H-dibenz-[c,e][1,2]oxaphosphorin-1,4-dihydroxy phenylene, aniline/furfurylamine, and paraformaldehyde and investigated the structures by 1H, 13C, and 31P NMR, Fourier transform infrared (FT-IR), elemental analysis, and high-resolution mass spectrometry. Ring-opening polymerizations of both monomers were then studied by differential scanning calorimetry (DSC) and in situ FT-IR spectroscopy, and the resulting thermosets exhibited high thermal stability and low flammability. Density functional theory (DFT) calculations suggested that intramolecular hydrogen bonds are preferably formed between the phenolic −OH and the P═O in the phosphaphenanthrene functionality for both monomers, which is in line with the experimental results. We proposed a cation-activated ring-opening polymerization mechanism where intramolecular hydrogen bonding plays a pivotal role. The combination of experimental and computational effort provides molecular-level insights into intramolecular hydrogen bonding and its role in polymerization mechanisms in benzoxazine chemistry as well as a new angle for the design of high-performance thermoset polymers.
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