Co(III)/Alkali-Metal(I) Heterodinuclear Catalysts for the Ring-Opening Copolymerization of CO2 and Propylene Oxide

化学 丙烯 催化作用 碳酸丙烯酯 共聚物 环氧丙烷 分散性 聚合 二氧化碳 高分子化学 聚碳酸酯 环氧乙烷 氧化物 无机化学 有机化学 聚合物 物理化学 电化学 电极
作者
Arron C. Deacy,Emma Moreby,Andreas Phanopoulos,Charlotte K. Williams
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (45): 19150-19160 被引量:136
标识
DOI:10.1021/jacs.0c07980
摘要

The ring-opening copolymerization of carbon dioxide and propene oxide is a useful means to valorize waste into commercially attractive poly(propylene carbonate) (PPC) polyols. The reaction is limited by low catalytic activities, poor tolerance to a large excess of chain transfer agent, and tendency to form byproducts. Here, a series of new catalysts are reported that comprise heterodinuclear Co(III)/M(I) macrocyclic complexes (where M(I) = Group 1 metal). These catalysts show highly efficient production of PPC polyols, outstanding yields (turnover numbers), quantitative carbon dioxide uptake (>99%), and high selectivity for polyol formation (>95%). The most active, a Co(III)/K(I) complex, shows a turnover frequency of 800 h–1 at low catalyst loading (0.025 mol %, 70 °C, 30 bar CO2). The copolymerizations are well controlled and produce hydroxyl telechelic PPC with predictable molar masses and narrow dispersity (Đ < 1.15). The polymerization kinetics show a second order rate law, first order in both propylene oxide and catalyst concentrations, and zeroth order in CO2 pressure. An Eyring analysis, examining the effect of temperature on the propagation rate coefficient (kp), reveals the transition state barrier for polycarbonate formation: ΔG‡ = +92.6 ± 2.5 kJ mol–1. The Co(III)/K(I) catalyst is also highly active and selective in copolymerizations of other epoxides with carbon dioxide.
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