Catalytic Synergy Using Al(III) and Group 1 Metals to Accelerate Epoxide and Anhydride Ring-Opening Copolymerizations

环氧化物 邻苯二甲酸酐 催化作用 氧化环己烯 聚合 聚酯纤维 共聚物 高分子化学 化学 环氧丙烷 琥珀酸酐 聚合物 材料科学 有机化学 环氧乙烷
作者
Wilfred T. Diment,Georgina L. Gregory,Ryan W. F. Kerr,Andreas Phanopoulos,Antoine Buchard,Charlotte K. Williams
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:11 (20): 12532-12542 被引量:53
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c04020
摘要

The controlled synthesis of polyesters via epoxide/anhydride ring-opening copolymerization is a versatile and generally applicable method to make many sustainable polymers, but catalyst activities are limited and the required catalyst loadings are typically high. Here, novel heterodinuclear complexes, featuring Al(III)/M(I) (M = Na, K, Rb, Cs), show exceptional activities for phthalic anhydride and cyclohexene oxide copolymerization (catalyst = Al(III)/K(I), turnover frequency = 1072 h–1, 0.25 mol % catalyst loading vs anhydride, 100 °C). The Al(III)/K(I) catalyst is also tolerant to low loadings, maintaining a good performance at 0.025 mol % catalyst vs anhydride loading and 0.005 mol % vs epoxide. It rapidly polymerizes other epoxide/anhydride combinations yielding various semi-aromatic, rigid, and/or functionalizable polyesters and also shows activity in carbon dioxide/epoxide copolymerizations. The results of structure–activity, X-ray crystallography, polymerization kinetics, and density functional theory investigations support a mechanism with chain growth alternation between the metals. The rate-limiting step is proposed to involve epoxide coordination at Al(III) with K(I) carboxylate attack. Future exploitation of abundant and inexpensive Group 1 metals to deliver synergic polymerization catalysts is recommended.

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