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烯基取代2 ,2 一双二茂铁基丙烷及其 聚合物的合成与性能研究 摘要 含二茂铁基的金属有机聚合物是一类新型的功能材料。含有二茂铁结构单 元的金属有机聚合物具有较高的介电常数、良好的耐热性、独特的流变性以及 对大部分化学试剂的稳定性,使其可用作催化剂、光敏剂、高、低温稳定的弹 性体、耐热材料、导体和半导体、抗辐射材料和治癌药物等。无论是二茂铁基 均聚物、二茂铁基嵌段共聚物或者是二茂铁基超支化聚合物,以及其它的含有 二茂铁结构单元的聚合物,都具有广泛的应用前景。 本文用二茂铁与丙酮缩合制得2 ,2 双二茂铁基丙烷,通过f r i e d a l c r a f t s 反 应合成6 乙酰基双二茂铁基丙烷和6 , 67 二乙酰基双二茂铁基丙烷。然后利用 酰化产物的还原、脱水反应和与格氏试剂的反应合成了6 一乙烯基双二茂铁基丙 烷、6 , 67 二乙烯基双二茂铁基丙烷、6 异丙烯基双二茂铁基丙烷、6 ( a 苯乙烯 基) x 叹- - 茂铁基丙烷等四种单体。并对其聚合反应条件和均聚产物、共聚产物的 性质做了初步的研究。 通过实验总结出该类聚合物适宜的合成方法、适当的反应物料配比及合成 条件,讨论了引发剂的用量与聚合物分子量的关系。通过红外光谱、元素分析、 核磁共振氢谱对单体和聚合物的结构进行了表征,测定了聚合物的差热热重, 对聚合物的热性能做了初步研究。 关键词:2 ,2 双二茂铁基丙烷,聚合反应,均聚物,共聚物 内蒙古大学硕士学位论文 s t u d yo ns y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e so f a l k e n e s u b s t i t u t i o n2 ,2 - b i s f e r r o c e n y l p r o p a n e a n dt h e i rp o l y m e r s a b s t r a c t f e r o c e n e - b a s e do r g a n o m e t a l l i cp o l y m e ri san e wc l a s so ff u n c t i o n a lm a t e r i a l s t h eo r g a n o m e t a l l i cp o l y m e r sw h i c he o t a i nf e r r o c e n eu n i tw i t l lb e t t e rd i e l e c t r i c c o n s t a n t 、w e l lh e a tr e s i s t i n gp r o p e r t y 、s p e c i a lr h e o l o g i c a lb e h a v i o u ra n ds t a b i l i t yt o m o s tc h e m i s t r yr e a g e n t sc a nb eu s e da sc a t a l y s t 、p h o t o s e n s i t i z e r 、h e a tr e s i s t i n g m a t e d a l 、c o n d u c t o ra n ds e m i c o n d u c t o r 、a n t i r a d i a t i o nm a t e r i a l se t c a 1 】k i n d so f p o l y m e r sc o n t a i n i n gf e r r o c e n y lh a v ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i sp a p e r , 2 ,2 - b i s f e r r o c e n y l p r o p a n ei so b t a i n e df r o mf e r r o c e n ea n da c e t o n e 6 - a c e t y lb i s f e r r o c e n y l p r o p a n ea n d6 , 6 - b i s a c e t y lb i s f e r r o c e n y l p r o p a n eh a v eb e e n p r e p a r e db y t h ef r i e d a l c r a f t s r e a c t i o n 6 - v i n y lb i s f e r r o c e n y l p r o p a n e 、 6 , 67 一b i s v i n y lb i s f e r r o c e n y l p r o p a n e 、 6 - i s o p r o p e n y lb i s f e r r o c e n y l p r o p a n e 、 6 - ( a - b e n z e n e v i n y l )b i s f e r r o c e n y l p r o p a n e a r eo b t a i n e df r o m 6 - a c e t y l b i s f e r r o c e n y l p r o p a n ea n d6 , 67 - b i s a c e t y lb i s f e r r o c e n y l p r o p a n e a n dt h ec o n d i t i o no f p o l y m e r i z a t i o n 、p r o p e r t i e so f h o m o p o l y m e r s 、c o p o l y m e r sa r es t u d i e de l e m e n t a r i l y t h ec o m p o s i t i o n sa n ds t r u c t u r e so ft h e s ec o m p o u n d sa n dp o l y m e r sw e r e c h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s ,i rs p e c t r aa n d1 h n m rs p e c t r a t h ep o l y m e r s w e r ea l s oc h a r a c t e r i z e db yd t a - t gs p e c t r a t h es y n t h e s i sc o n d i t i o na n da p p r o p r i a t e m a t e d a lr a t i ow e r ea l s oc o n f i r m e d k e y w o r d s :2 ,2 - b i s f e r r o c e n y l p r o p a n e ,p o l y m e r i z a t i o n , h o m o p o l y m e r s , c o p o l y m e r s 原创性声明 本人声明:所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已 经注明引用的内容外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得由墓直太堂及 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 日 期: 指导教师签名:湿! 丑缉 e t 一期:2 叠:笸:1 2 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留,使用学位论文的规定,即:内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘,允许编入有关数据库进行检索, 也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权,作者在学期 间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果,须征得内蒙古 大学就读期间导师的同意;若用于发表论文,版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表 学位论文作者签名:i ! 盛塑l e t期:! 堕:6 :! f 指导教师签名:三盘蝉 日 期:型2 :左:! f 兰 内蒙古大学硕士学位论文 1 前言 自五十年代初k “y f l l 和m i l l e r 2 1 两个小组分别合成了二茂铁,从而开始了有机过渡金属 化合物化学的迅速发展。从此二茂铁及其衍生物的研究一直方兴未艾【3 】。由于二茂铁及其衍 生物具有芳香性过渡金属( f e ) 兀络合物的特殊结构,能在其茂环上发生多种化学反应,而 制备出了许多不同结构和功能的衍生物,因而具有广泛的应用前景 4 1 1 5 1 。由于二茂铁基团的芳 香性、氧化还原活性、燃速催化活性、稳定性及低毒性,其衍生物在航天及军事工业、特种 聚合物、医学等领域有着广泛的应用。 1 9 5 5 年a r i m o t o 和h a v e n 6 1 报导了乙烯基二茂铁能发生游离基型聚合反应及与苯乙烯、 氯丁二烯、甲基丙烯酸甲酯的共聚合反应,开创了结合金属有机化学和聚合化学特点的一门 科学新分支金属有机聚合物化学。随着近代高分子科学的发展,含金属的高聚物及其复合 材料成为令人瞩目的研究领域之一,新结构和新性能的金属有机聚合物不断地被合成出来。 该类聚合物由于其特殊的组成和结构,使其表现出许多独特的氧化还原、光、电、磁t n - t u l 等性能。通常在这类聚合物上金属元素和非金属元素通过化学键键合在高分子链中,因而所 形成的聚合物往往既保留有机高分子的柔顺性和易加工性,又具有某些金属和非金属的性能, 同时也可能出现一些新的特性,从而可得到许多单纯无机材料、金属材料及高分子材料所不 具备的、具有新的特性的含金属的新型聚合物。因此,含金属高聚物材料的制备是开发新材 料的非常有前途的手段。 含二茂铁基的聚合物是金属有机聚合物中最典型的一类。含有二茂铁结构的金属有机聚 合物具有较高介电常数、良好的耐热性、独特的流变性、抗氧化性以及对大部分化学试剂的 稳定性,使其可用作催化剂、光敏剂、高、低温稳定的弹性体、耐热材料、导体和半导体、 抗辐射材料、特种涂料( 例如,抗菌和抗辐射油漆) 和治癌药物等【1 2 j 。无论是二茂铁基均聚 物、二茂铁基嵌段共聚物或者是二茂铁基超支化聚合物,以及其它的含有二茂铁的聚合物, 都具有广泛的应用前景,无论是作为高分子化学和物理的基础研究,还是作为功能高分子材 料的应用开发研究,都是具有重要意义的 关于含二茂铁基的单体及其聚合物的研究,前人做了很多工作。1 9 5 5 年a _ r i m o t o 和 h a v e n 6 1 报导了乙烯基二茂铁的合成方法及其能发生游离基型聚合反应及与苯乙烯、氯丁二 烯、甲基丙烯酸甲酯的共聚合反应。1 9 5 7 年n a u s e r t l 3 1 等人通过乙酰基二茂铁与苯甲醛在碱性 条件下的反应制得反式肉桂酰基二茂铁。1 9 6 0 年k o r s h a k t l 4 1 等人自由基引发条件下合成了聚 内蒙古大学硕士学位论文 二茂铁。1 9 6 1 年h a 璐e f l l 5 1 等人通过乙酰基二茂铁与r 2 n h h c i 的反应合成了丙烯酰基二茂铁。 1 9 6 4 年马瑞德等人通过乙酰基二茂铁与a 呋喃甲醛的反应合成了一种新单体小呋喃丙烯 酰基二茂铁,并研究了丙烯酰基二茂铁,反式肉桂酰基二茂铁,a 呋喃丙烯酰基二茂铁的聚 合性能能。1 9 6 5 年n e u s e 1 7 1 等人用二茂铁和邻甲氧基苯甲醛合成了 1 9 6 6 年h a r o l dr o s e n b c r g 【1 3 j 等人由f c c h 2 、f c 2 c h 2 、f c c h o c ( c h 3 ) 3 、f c c h 2 0 c ( c h 3 ) 2 c h 2 等自由基合成了相应的一系列聚合物。1 9 6 9 年a s o c 1 19 】等人研究了乙烯基二茂铁的阳离子聚 合反应。1 9 7 1 年j o h nc l a i 2 0 】等人通过a 羟乙基二茂铁与丙烯酰氯和甲基丙烯酰氯的反应合 成了丙烯酸二茂铁基甲酯、甲基丙烯酸二茂铁基甲酯,并使其与苯乙烯、丙烯酸甲酯、甲基 丙烯酸甲酯、乙烯基乙酸酯共聚得到了共聚产物,并对其合成方法、反应动力学、聚合物的 氧化还原性能、分子量分布、结构表征等方面做了细致的阐述。1 9 7 3 年o e a y m p l 】等人合 成了丙烯酸二茂铁基甲酯、甲基丙烯酸二茂铁基甲酯与丙烯腈、马来酐、n - 乙烯基2 毗 咯烷酮的共聚物。1 9 7 4 年c h a r l e su p i t t m a n 2 2 等人合成了 嚣c 芬 芒圹b囱 f ef e 、, 9 1 9 7 7 年c h a r l e su p i t t m a n 2 a 等人合成了 f e f e 每 f c h 2 y 1 9 8 3 年r a u s c h , m u 口4 】等人通过乙酰基二茂铁与碘甲烷格氏试剂的反应合成了异丙烯基二 茂铁并研究了其不同条件下的阳离子聚合反应。1 9 8 3 年c h i s h f i a s 瞄】等人合成了1 ,l7 二 异丙烯基二茂铁并研究了其阳离子聚合反应。1 9 8 6 年尹荣鏊【蚓合成了1 乙烯基二茂铁和l , l 二乙烯基二茂铁分别与苯乙烯共聚制得的含铁聚苯乙烯和1 ,1 二乙烯基二茂铁与苯乙 烯和- - - 7 _ , 烯苯交联共聚制得的含铁聚苯乙烯树脂,对其结构进行了表征,阐述了其基本的物 理性质。1 9 8 7 年林展如合成了单苯基二茂铁酮和双苯基二茂铁酮,1 9 8 9 年研究了其阳离子聚 2 内蒙古大学硕士学位论文 合反应伫7 】p s l o1 9 9 2 年m i c h a e le w r i g “冽等人合成了 1 9 9 7 年t a k a k a z uy j m 锄o t 0 【3 0 】等人合成了 牟一c 三c 电一三c 十 ¥9n 2 0 0 2 年y 也i y a n g 3 1 1 等人通过二茂铁乙醇与丙烯酰氯和甲基丙烯酰氯的反应合成了丙烯酸二 茂铁基乙酯、甲基丙烯酸二茂铁基乙酯并使其均聚得到聚丙烯酸二茂铁基乙酯,聚甲基丙烯 酸二茂铁基乙酯。2 0 0 3 年刘丽荣p 2 等人合成了聚对苯二胺撑丙酰二茂铁。2 0 0 3 年张所信【3 3 】 等人合成了聚醛酮二茂铁。 综上所述,人们已对烯基取代二茂铁类单体的合成、聚合反应、聚合物的性质和应用做 了大量的研究,但对烯基取代双二茂铁类单体和其聚合反应的研究相对较少,为此我们制备 了6 乙烯基双二茂铁基丙烷、6 , 67 二乙烯基双二茂铁基丙烷、6 异丙烯基双二茂铁基丙烷、 6 ( a 苯乙烯基) 双二茂铁基丙烷等四种单体,并对其聚合反应条件和聚合产物性质做了初步的 研究。以下是本论文的合成路线: 善f c + c 即。c 码等磁 + 叫3 吣靠i 吾b ,暮 b f 3 e t :o c h 2 c h ,n 2 害赣锄告荸连露锄 内羹古大学硕士学位论文 f c 到h 3 乳f c 墨割乳 c bc 严钟 ; 叶p酸性a 1 2 0 3 0 国 傩叶“参h 避巾啦西3 啦a 。吾e “乏吾a h o h o h n n b f 3 e t 2 0 c h 2 c 1 2 b f 3 e t 2 0 c h 2 c j 2 4 内蒙古大学硕士学位论文 n 搬。一r x 午掣亳呻: 1 ) x _ h ,y = p h 2 ) x = h ,y = - - 0 3 0 c h 33 ) x - - c h 3 ,y = - - c o o c h 3 n q l - i ,m 引 至一 专k 邕叩t 节专b 遗毒- c 时。 5 a i e r n 丕 内蒙古大学硕士学位论文 2 实验部分 2 1 仪器及测试条件 元素分析用p e r k i ne l m e r2 4 0 0 型元素分析仪测定;红外光谱用n e x u s - 6 7 0 型傅立叶红 外光谱仪测定,k b r 压片;核磁共振氢谱用a c a n c ed r x5 0 0b r u k e r 型核磁共振仪测定,以 c d c l 3 为溶剂,t m s 为内标;分子量用g p c 法测定的( 美国w a t e r s 公司的2 4 1 0 型砌检测 器、2 4 8 7 型u v 检测器、5 1 5 型恒流泵) ;差热热重用d t g 5 0 型差热热重分析仪测定。 2 2 试剂 二茂铁为工业品,实验中所用其它试剂均为分析纯。其中,二氯甲烷用无水c a c l 2 干燥, 再经p 2 0 5 回流5 6 小时后蒸馏;苯、乙醚分别在二苯甲酮存在下加入钠片回流至深蓝色后 蒸馏;偶氮二异丁腈( a i b n ) 和共聚单体按文献【3 4 】的方法精制;柱层析用中性氧化铝( 1 0 0 2 0 0 目) ,碱性氧化铝( 1 0 0 2 0 0 目) ,酸性氧化铝( 1 0 0 2 0 0 目) 。 2 - 3 原料的合成 2 3 i2 ,2 - 双二茂铁基丙烷 2 ,2 双二茂铁基丙烷参照文献【3 5 】的方法利用二茂铁与丙酮的催化缩合反应制得。本论 文中简称双二茂铁基丙烷。 2 3 2 每乙酰基双二茂铁基丙烷、6 ,67 二乙酰基双二茂铁基丙烷的合成 6 - 乙酰基双二茂铁基丙烷、6 , 67 二乙酰基双二茂铁基丙烷参照文献【3 6 】的方法合成。 2 3 36 吨- 羟乙基双二茂铁基丙烷、6 ,6 二a 羟乙基双二茂铁基丙烷的合成 6 小羟乙基双二茂铁基丙烷、6 , 6 一二a - 羟乙基双二茂铁基丙烷参照文献 3 7 】的方法合 成。 2 4 单体的合成 2 4 16 - 乙烯基双二茂铁基丙烷的合成 在5 0 m l - - 1 :1 瓶中,加入2 3 9 ( 5 m m 0 1 ) 6 - a 羟乙基双二茂铁基丙烷、ig 酸性氧化铝和 1 5 r n l 无水苯,装上油水分离器和冷凝管,加热回流5 小时。反应完毕后过滤,滤液减压蒸馏 回收溶剂,剩余物用碱性氧化铝柱层析分离。石油醚淋洗得第一带,用l :2 乙醚和石油醚的 6 内蒙古大学硕士学位论文 混合溶剂淋洗得第二带。第一带为6 - 乙烯基双二茂铁基丙烷,回收溶剂后得桔黄色粘稠液体 1 7g ,产率9 2 ,9 ,第二带为原料6 旺羟乙基双二茂铁基丙烷,回收0 4g ,转化率8 2 6 。 2 4 2 6 ,67 二乙烯基双二茂铁基丙烷的合成 在5 0 m l 三口瓶中,加入2 5 9 ( 5 r e t 0 0 1 ) 6 , 67 二d 羟乙基双二茂铁基丙烷、2 9 酸性氧化 铝和2 0 m l 无水苯,装上油水分离器和冷凝管,加热回流6 小时。反应完毕过滤,减压蒸馏回 收溶剂,剩余物用碱性氧化铝柱层析分离。石油醚淋洗得第一带,用1 :l 乙醚和石油醚的混 合溶剂淋洗得第二带。第一带为6 , 67 二乙烯基双二茂铁基丙烷,回收溶剂后得桔黄色粘稠 液体1 2 3g ,产率8 8 5 ,第二带为原料6 , 67 二在羟乙基双二茂铁基丙烷,回收1 0 5g ,转 化率5 8 。 2 4 36 - 异丙烯基双二茂铁基丙烷的合成 在1 0 0 m l - - - - e l 瓶中加入0 2 1 9 ( 8 8 m m 0 1 ) 镁屑和1 0 m l 绝对无水乙醚,再加入3 m l 含有 0 5 5 n f l ( 8 5 m m 0 1 ) 碘甲烷的1 0 m l 绝对无水乙醚的溶液,投入一粒碘。温热片刻,反应开始后自 冷凝管上口加入1 0 m l 绝对无水乙醚,搅拌下缓慢滴加剩余的碘甲烷溶液,搅拌至镁屑基本作 用完。在水浴冷却下滴加含有2 9 ( 4 4 r e t 0 0 1 ) 6 - 乙酰基双二茂铁基丙烷的2 0 m l 绝对无水乙醚溶 液,一小时内滴完。滴加完毕,加热回流1 小时,室温下搅拌o 5 小时。冷水浴冷却下用3 m l 水分解反应混合物。倾出乙醚溶液,用乙醚洗涤附在瓶壁的固体,合并乙醚溶液,用无水硫 酸镁干燥。过滤、减压蒸馏回收溶剂,碱性氧化铝柱层析分离。石油醚淋洗得第一带,苯淋 洗得微量的第二带。经表征第一带为6 异丙烯基双二茂铁基丙烷,回收溶剂后得桔黄色粘稠 液体1 7 3g ,产率8 6 9 ,第二带为1 甲基1 双二茂铁丙烷基乙醇,产率5 。 2 4 4 6 - 陋苯乙烯基) 双二茂铁基丙烷的合成 2 4 4 1 1 - 苯基1 双二茂铁丙烷基乙醇的合成 在1 0 0 m l - - d 瓶中加入o 2 1 9 ( s 。8 r e t 0 0 1 ) 镁屑和1 0 m l 绝对无水乙醚,再加入3 m l 含有 o 9 m _ l ( 8 6 r e t 0 0 1 ) 溴苯的1 0 m l 绝对无水乙醚的溶液,投入一粒碘。温热片刻,反应开始后自冷 凝管上口加入1 0 m l 绝对无水乙醚,搅拌下缓慢滴加剩余的溴苯溶液,搅拌至镁屑基本作用完。 在水浴冷却下滴加含有2 9 ( 4 4 r e t 0 0 1 ) 6 - 乙酰基双二茂铁基丙烷的2 0 m l 绝对无水乙醚溶液。加 热回流l 小时,室温下搅拌o 5 小时。冷水浴冷却下用3 m l 水分解反应混合物倾出乙醚溶 液,用乙醚洗涤附在瓶壁的固体,合并乙醚溶液,用无水硫酸镁干燥。过滤,减压蒸馏回收 溶剂,用碱性氧化铝柱层析分离。石油醚淋洗得第一带微量产物,苯淋洗得第二带和第三带。 经表征第一带为微量的6 - ( a 苯乙烯基) 双二茂铁基丙烷,第二带为1 苯基1 双二茂铁丙烷基 内蒙古大学硕士学位论文 乙醇,回收溶剂后得桔黄色粘稠液体1 8 7 9 ,产率9 1 2 ,第三带为原料6 一乙酰基双二茂铁基 丙烷,回收0 2 5g ,转化率8 7 5 。 2 4 4 2 6 - 化苯乙烯基) 双二茂铁基丙烷的合成 在5 0 r n l 三口瓶中,加入2 9 ( 3 7 6m m 0 1 ) l - 苯基- l - 双二茂铁丙烷基乙醇,o 5 9 酸性氧化铝 和1 5 m l 无水苯,装上油水分离器和冷凝管,加热回流l 小时。反应完毕过滤,减压蒸馏回收 溶剂,剩余物用碱性氧化铝柱层析分离。石油醚淋洗得第一带,苯淋洗得第二带。第一带为 6 ( a - 苯乙烯基) 双二茂铁基丙烷,回收溶剂得桔黄色粘稠液体1 7 9 9 ,产率9 2 7 。第二带为 微量的原料1 苯基1 双二茂铁丙烷基乙醇。 表1 化舍物的物理状态和元素分析数据 t a b l e1p h y s i c a ls t a t ea n de l e m e n t a la n a l y s i sd a t e o ft h ec o m p o u n d s 元素分析数据( 理论值) 编号结构式产率物态 c h c i 9 2 9 桔黄色粘稠6 8 7 8 6 1 l 。:喜墨6 b ( 耋) 一口ic i b 液体 ( 6 8 4 9 )( 5 9 4 ) c l b 互7 呻国 桔黄色粘稠 7 0 3 86 3 4 c 2 衄( 互) 么互) l h h 2 b 8 8 5 液体( 6 9 8 3 ) ( 6 0 3 ) 如严 5 桔黄色粘稠 专6 h 遗甚:a 。液体 e b c l b g 骡 i日uv享0punoagu暑甘p管 g。掣珥v嗥妊素蜊g譬0霉中薯 群莲 性嵇翠扑二i=匿扑k杷错ed 髫 :廿 z i 一 l u z -o o “ z 栅 ? 塑。 毒 ii i 簧禹髫 11 1 1 士 墓嵩弱 iu 譬髫髫髫 栅栅 倒唧 莩蒋 i l l il1l 譬堂 廿斟 z 金全= o u o ? ?27 od d 髫 n 譬 | | | i | 喜誊 量墅 譬1 1 衄l鼍悯 廿 l 7i 占言。 一_ 墒 鲁舍鲁鲁 g 手薰零薰季薰零薰 j j 三三三三 酹 橙 i x 甲 t 重 b 丫 量9 爹 量9 扩f9 爹 懈 已9 爹 的 历 u 目 足 润 - 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