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七種聚酰亞胺的合成及光學(xué)性能研究*

2022-11-05 03:14:06王甫鵬楊艷華李福敏
云南化工 2022年10期
關(guān)鍵詞:氫譜二胺聚酰亞胺

王甫鵬,李 先,楊艷華**,李福敏,邵 林

(1.昆明學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 云南省金屬有機(jī)分子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌),云南 昆明 650214;2.云南省塑料薄膜制品工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650214;3.大理州食品檢驗(yàn)檢測(cè)院,云南 大理 67100)

聚酰亞胺(polyimides,簡(jiǎn)稱PI)為特種有機(jī)高分子材料,在電介質(zhì)儲(chǔ)能[1]、阻燃隔熱[2]、氣體分離[3]、光學(xué)器件[4]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其中,新型耐高溫透明光學(xué)PI薄膜是柔性電子產(chǎn)業(yè)中的熱點(diǎn)研究方向之一。通常情況下,通過在PI分子鏈中進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,如引入低共軛或非共軛基團(tuán)、摩爾體積較大的側(cè)基基團(tuán)和高電負(fù)性基團(tuán)等[5],可以減弱PI分子鏈中電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的形成,以獲得光學(xué)性能優(yōu)異的PI材料。因此,在前期研究基礎(chǔ)上[6],本文通過在PI分子鏈中引入柔性鏈接基團(tuán)(非共軛基團(tuán))和不對(duì)稱側(cè)基基團(tuán)等措施,以減弱電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物的影響,以期獲得光學(xué)性能更好的PI材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

N,N-二甲基乙酰胺(DMAc),加入KOH減壓蒸餾后備用;甲苯、K2CO3、芳基硼酸、3,3’,4,4’-聯(lián)苯四甲酸二酐(PBDA)、吡啶、醋酸酐、正己烷、乙酸乙酯等,均為分析純;二氯甲烷為光譜純,購(gòu)自阿拉丁試劑(上海)有限公司。氘代二甲亞砜試劑(DMSO-d6)(99.9% D,0.03% TMS),購(gòu)自Sigma-Aldrich公司。

Bruker Avance II-400型核磁共振儀,測(cè)試化合物的1H NMR和13C NMR;日本島津UV-2450/2550型紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)試化合物的光譜圖。

根據(jù)之前的研究方法[7],合成化合物1、2和3。

1.2 二胺單體的合成

根據(jù)之前的研究方法[8],合成3a~3d等化合物,合成路線如圖1所示。

在氮?dú)獗Wo(hù)下,在 50 mL 三口燒瓶中依次加入化合物3(0.5 g,1.26 mmol)、4-(1-萘基)苯基硼酸(0.313 g,1.26 mmol)、Pd(PPh3)4(0.0146 g,0.0126 mmol)、K2CO3(0.522 g,3.78 mmol)、甲苯(30 mL)和蒸餾水(15 mL),升溫至 100 ℃ 下攪拌 8 h。冷卻至室溫,甲苯萃取(3×10 mL),收集有機(jī)層,柱層層析法提純[使用溶劑比例為V(乙酸乙酯)∶V(正己烷)=1∶3],得到二胺單體3e(C36H29N3O)。1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ):8.29(s,1H,ArH),8.05(t,2H,J=8.0 Hz,ArH),7.98(t,1H,J=8.0 Hz,ArH),7.92(d,1H,J=8.0 Hz,ArH),7.86(d,2H,J=8.0 Hz,ArH),7.56~7.52(m,3H,ArH),7.42(t,1H,J=8.0 Hz,ArH),7.36(q,3H,J=8.0 Hz,ArH),7.24(d,1H,J=8.0 Hz,ArH),7.00(d,2H,J=4.0 Hz,ArH),6.57(d,2H,J=12.0 Hz,ArH),6.32(t,4H,J=8.0 Hz,ArH),5.40(s,2H,—CH2—),5.03(s,2H,—NH2),4.94(s,2H,—NH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6,δ):170.15,150.50,147.28,140.90,140.08,139.09,137.54,136.12,133.84,133.19,132.76,130.97,130.15,129.38,129.00,128.71,128.30,128.05,127.99,127.24,126.91,126.64,126.40,125.74,125.51,123.05,114.30,112.54,51.71。

二胺單體3f的合成條件與二胺單體3e完全相同,只是將4-(1-萘基)苯基硼酸換成等物質(zhì)的量的[1,1′-聯(lián)萘]-4-基硼酸,此處不再贅述。

二胺單體3f(C40H31N3O)1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ):8.47(s,1H,ArH),8.07(q,1H,J=4.0 Hz,ArH),7.68(q,1H,J=4.0 Hz,ArH),7.63~7.44(m,5H,ArH),7.41~7.25(m,6H,ArH),7.23~7.16(m,3H,ArH),7.05(d,2H,J=8.0 Hz,ArH),6.72(d,2H,J=8.0 Hz,ArH),6.36(q,4H,J=8.0 Hz,ArH),5.44(s,2H,—CH2—),5.05(s,2H,—NH2),4.94(s,2H,—NH2);13C NMR(101 MHz,DMSO-d6,δ):170.07,150.69,147.44,139.17,138.51,137.35,136.06,133.60,132.96,132.88,132.36,131.81,131.09,129.65,129.52,129.26,128.78,128.32,128.21,127.97,127.23,126.70,126.43,126.09,126.03,122.86,122.66,114.35,112.55,54.34。

1.2.2 聚合物的合成

在氮?dú)獗Wo(hù)下,在 50 mL 三口燒瓶中依次加入化合物3(0.5 g,1.26 mmol)、PBDA(0.313 g,1.26 mmol)和除水DMAc(5 mL),25 ℃ 下攪拌 24 h。然后加入除水DMAc(2 mL)、吡啶(0.5 mL)和醋酸酐(0.5 mL),升溫至 100 ℃ 下攪拌 9 h。冷卻至室溫后,將反應(yīng)液逐滴加入CH3OH(70 mL)中并不斷攪拌,抽濾,用CH3OH沖洗濾餅,100 ℃ 真空干燥 24 h,得到聚酰亞胺PI-3g((C36H20BrN3O5)n)。1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ):7.96~7.53(m,10H,ArH),7.32(d,8H,J=28.0 Hz,ArH),5.14(s,2H,—CH2—)。

將化合物3換成合成等物質(zhì)的量的二胺單體3a~3d,合成條件完全相同,合成其余六種聚酰亞胺,并進(jìn)行核磁氫譜表征,此處不再贅述。

聚酰亞胺PI-3a((C42H25N3O5)n)1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ):8.46(d,4H,J=48.0 Hz,ArH),8.08(d,3H,J=16.0 Hz,ArH),7.71~7.05(m,16H,ArH),5.16(d,2H,J=20.0 Hz,—CH2—)。

聚酰亞胺PI-3b((C43H27N3O5)n)1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ):8.45~8.00(m,7H,ArH),7.67~7.51(m,3H,ArH),7.51~7.16(m,10H,ArH),7.09~7.06(m,2H,ArH),5.09(s,2H,—CH2—),2.36(s,3H,—CH3)。

聚酰亞胺PI-3c((C43H27N3O5)n)1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ):8.45~8.03(m,6H,ArH),7.75~7.54(m,4H,ArH),7.46~6.86(m,12H,ArH),4.91(dd,2H,J=16.0 Hz,36.0 Hz,—CH2—),1.88(s,3H,—CH3)。

聚酰亞胺PI-3d((C44H29N3O7)n)1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ):8.45~8.23(m,4H,ArH),8.08~7.96(m,2H,ArH),7.63~7.22(m,12H,ArH),6.52~6.38(m,3H,ArH),5.20(d,2H,J=20.0 Hz,—CH2—),3.77~3.72(m,6H,—OCH3)。

聚酰亞胺PI-3e((C52H31N3O5)n)1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ):8.26~8.13(m,1H,ArH),7.95~7.79(m,11H,ArH),7.64~7.38(m,7H,ArH),7.33~6.98(m,10H,ArH),5.08(s,2H,—CH2—)。

聚酰亞胺PI-3f((C56H33N3O5)n)1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ):8.49~8.45(t,1H,J=8.0 Hz,ArH),8.07~7.84(m,8H,ArH),7.68~7.18(m,22H,ArH),5.13(s,2H,—CH2—)。

2 結(jié)果與討論

2.1 核磁表征

結(jié)合核磁氫譜測(cè)試結(jié)果可知,未經(jīng)Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)取代的二胺單體與BPDA合成的聚酰亞胺PI-3g核磁氫譜顯示,—CH2—的化學(xué)位移(δ)為5.14,取代反應(yīng)后,—CH2—的δ發(fā)生變化。其中,含有苯基和3,5-二甲氧基苯基的聚酰亞胺PI-3a(5.16)和PI-3d(5.20)的-CH2-向低場(chǎng)方向移動(dòng),這主要是由于兩種取代基增加了π電子環(huán)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng),—CH2—位于去屏蔽區(qū)導(dǎo)致。同時(shí),由于3,5-二甲氧基苯基中的-OCH3電負(fù)性較強(qiáng),使得聚酰亞胺PI-3d的δ向低場(chǎng)移動(dòng)得更多,如表1所示。聚酰亞胺PI-3b(5.09)和PI-3c(4.19)的—CH2—向高場(chǎng)方向移動(dòng),這主要是由于—CH3基團(tuán)的作用,使—CH2—位于屏蔽區(qū)導(dǎo)致,同時(shí),由于PI-3c的 —CH3位于—CH2—的鄰位,—CH2—對(duì)屏蔽效應(yīng)較強(qiáng),導(dǎo)致PI-3c的-CH3向高場(chǎng)移動(dòng)更多。由于1,1’-聯(lián)萘基和4-(1-萘基)苯基在受到外磁場(chǎng)的作用時(shí),也產(chǎn)生各向異性效應(yīng),導(dǎo)致聚酰亞胺PI-3e(5.08)和PI-3f(5.13)中—CH2—的δ也向高場(chǎng)方向移動(dòng)。

表1 七種聚酰亞胺核磁氫譜特征峰化學(xué)位移值與光譜學(xué)數(shù)據(jù)

2.2 聚酰亞胺的紫外-可見光譜測(cè)試

將合成的聚酰亞胺配制成濃度為 10-5mol/L 的二氯甲烷溶液,測(cè)試其紫外-可見光譜(UV),歸一化結(jié)果如圖2所示,最大吸收波長(zhǎng)數(shù)據(jù)如表1所示。

由測(cè)試結(jié)果可知,7種聚酰亞胺只有一個(gè)最大吸收峰,這主要是分子中的電子供體部分與電子受體部分(BPDA)的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理產(chǎn)生的?!狢H2—鄰位含有苯基的聚酰亞胺PI-3a的最大吸收波長(zhǎng)(λmax)為 299 nm,將苯基變?yōu)?,1’-聯(lián)萘基和4-(1-萘基)苯基后,增加了分子體系中的共軛效應(yīng),使π電子離域于整個(gè)分子平面,同時(shí)降低π*軌道能量,導(dǎo)致聚酰亞胺PI-3e和PI-3f的λmax發(fā)生紅移,分別為311和 312 nm。在苯基中增加—CH3基團(tuán)后,對(duì)位的—CH3基團(tuán)延伸了共軛體系,導(dǎo)致聚酰亞胺PI-3b的λmax紅移至 303 nm,而鄰位的—CH3基團(tuán)擾亂了分子的剛性和平面性,導(dǎo)致聚酰亞胺PI-3c的λmax藍(lán)移至 297 nm。在苯基上增加—OCH3基團(tuán)后,含有孤對(duì)電子的O原子,與芳基體系中的π電子形成p-π共軛,增加π電子流動(dòng)性,導(dǎo)致聚酰亞胺PI-3d的λmax紅移至 306 nm。此外,未經(jīng)Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)取代的聚酰亞胺PI-3g中的—Br基團(tuán),也具有非鍵電子對(duì)的存在,因此,PI-3g的λmax紅移至 306 nm。

3 結(jié)語

綜上所述,本研究合成了7種具有3,3’,4,4’-聯(lián)苯四甲酸二酐部分的聚酰亞胺。由于Suzuki取代反應(yīng)引入基團(tuán)的電荷效應(yīng)和空間位阻不同,不僅導(dǎo)致聚酰亞胺分子中特征峰—CH2—的δ發(fā)生變化,而且影響了分子的共軛體系,致使聚酰亞胺紫外-可見光譜圖譜發(fā)生紅移。此外,聚酰亞胺取代基電荷效應(yīng)和空間位阻的不同,會(huì)影響其薄膜的透明性,這將在后續(xù)的工作中繼續(xù)深入研究。

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