聚邻苯二胺的合成及多功能性
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维普资讯 http://www.cqvip.com 黄美荣等:聚邻苯二胺的合成及多功能性 聚邻苯二胺的合成及多功能性 黄美荣,马小立,李新贵 (同济大学材料学院,先进土木工程材料教育部重点实验室,材料化学研究所,上海200092) 摘 要: 聚邻苯二胺作为一种重要的芳香二胺类聚 合物,因其大分子结构中含有较多的活性自由氨基和 亚胺基而具有多功能性。根据国内外最新文献,系统 论述了聚邻苯二胺的合成方法和分子链结构。指出聚 以通过电化学的方法制得聚合物。1976年,Yacynych 和Mark第一次通过电化学聚合的方法在电极上合成 了聚邻苯二胺[1 。Yano等在1985年首次对电化学 聚合制得的聚邻苯二胺膜的电导率进行了报道Ll2J。 邻苯二胺具有优异的酶固定功能、离子的高选择透过 性、金属防腐性、重金属离子吸附性等多种功能性。 关键词: 聚邻苯二胺;电化学聚合;化学氧化聚合;功 能性 至此,电化学聚合PoPD得到了广泛的研究,在修饰电 极、催化电极等领域具有广阔的应用前景。 2.2化学氧化聚合 中图分类号: O625。6 文献标识码:A 与电化学聚合相比,化学氧化聚合出现得较晚。 在1991才开始了以过硫酸盐作氧化剂、在酸性水溶液 中实施3种芳香族二胺的化学氧化聚合n 。1995年 发现在118℃的冰醋酸介质中邻苯二胺的化学氧化聚 文章编号:i001—9731(2008)Ol一0009—03 1 引 言 导电聚合物作为一种新型功能性材料,由于具有 特殊的化学和物理性质,引起了人们广泛的兴趣Ll~。 在众多的导电聚合物种类如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、 聚噻吩等中,聚苯胺具有良好的稳定性及导电性,同时 单体价格便宜,被认为是最有潜能应用于实际的功能 高聚物[3州]。而与聚苯胺相比,聚苯胺衍生物芳香族 二胺类聚合物中具有更多的活性自由氨基和亚胺基, 能提供更多的再修饰基团,从而赋予了它们更多的功 能性[7卅],对开发新的电极材料有特殊意义,因而在近 合可形成梯形氨基吩嗪聚合物[1 。化学氧化聚合最 大的优势是可以以合理的成本制备大量的粉末状聚合 产物,而电化学聚合很难实现这一点。此外,化学氧化 聚合单体选择范围广,聚合工序简单,聚合产物表现出 大分子结构的多样性,电导率的可变性,多功能性以及 其它潜在的应用。近年来,芳香二胺的氧化聚合物在 理论上和工业应用上都得到了快速的发展。 化学氧化聚合的组分包括单体、氧化剂、反应介 质。氧化剂的主要作用是氧化单体并控制聚合物生长 链的长度。一般,在其它条件相同的情况下,氧化剂浓 度的提高,聚邻苯二胺的理论分子量和聚合度就越低。 铵、钠、钾等过硫酸盐是具有代表性的氧化剂,偶尔使 用碘、Fe。+螫合物、Cu(NO。)。等。表1列出了几种聚 合介质中所合成的PoPD,从表1可知,当使用冰醋酸 年来引起了人们的亲睐。聚邻苯二胺(PoPD)作为聚 苯二胺家族中的优秀代表,在电极修饰材料、电催化活 性、传感器等方面都显示出了优异的性能[1 多的电活性聚合物中占有一席之地。 ,在众 聚邻苯二胺的合成方法 2.1电化学聚合 作为反应介质时,由于冰醋酸的沸点高达118℃,可以 提供较高的聚合温度,有利于聚合物分子量的提高,同 时研究发现该条件下合成的聚邻苯二胺颗粒具有特殊 的功能性,比如对铅离子的吸附性[1 。 电化学氧化聚合的方法应用的范围最广,研究的 也最多。大多数芳香族二胺类单体包括邻苯二胺都可 表1 不同条件下邻苯二胺的化学氧化合成 Table 1 The chemically oxidative polymerization of o—phenylenediamine under different conditions 粉末颜色 反应介质 温度(℃) 时间(h) 橙色 黑色 氧化剂 (NH )2 s2()8 I2 聚合产率(质量分数,%) | 83 电导率(S/cm) 4×10一 0 1.7×1O一0 HCl/H20 H20 0~2 100 >72 8 黑色 黑色 Hz0 冰醋酸 100 118 8 72 (NH4)2Sz08 (NH )2 s2O8 6O 38 4.7×10—0 <lO一 2.3固相合成法 状态受到很大限制,因此表现出比溶液更高的反应效 固相法合成已被广泛用于无机纳米材料的制备。 固相有机化学反应中,反应物分子受晶格的控制,运动 率及反应选择性,可减少能耗并提高空间效率。聚合 物纳米粒子的固相法合成报道不多,但据此法可获得 *收到初稿日期:2007—06—22 收到修改稿日期:2007—10—08 通讯作者:黄美荣 作者简介:黄美荣 (1963一),女,江西南昌人,教授,博士生导师,主要从事功能高分子材料的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 10 助 能 材 no["]、料 2008年第1期(39)卷 Martinuse[ 等通过研究PoPD膜电极在氧化还 PoPD纳米粒子。具体操作如下:将一定量的邻苯二胺 置于玛瑙研磨中,仔细研细后,加入1~2滴聚乙二醇, 原过程中的质量变化和电导率的变化,从而推测PoPD 继续研磨混合15min,分批加入过硫酸铵,研磨近1h 分子结构的变化。目前对基于电化学方法聚合得到的 后于50℃恒温3h。然后依次用乙醚、乙醇和水冲洗, PoPD的结构主要存在两种观点:一种观点认为PoPD 直至滤液为无色,60℃真空干燥48h。研磨后得到棕黑 色的粒径为30 ̄50nm的聚邻苯二胺H 。 是具有吩嗪环的梯形结构;而另一种观点则认为PoPD 3聚邻苯二胺的结构 聚合物的多功能性和特殊用途本质上源于聚合物 的结构特点,因此,研究聚邻苯二胺的结构及其在电化 学氧化还原过程中的结构变化具有重要意义。Ya— 是以1,4一取代苯醌式作为骨架结构。综合最近的文 献,我们倾向于赞同前一种观点,最近,笔者所在课题 组通过研究化学氧化法制得的PoPD,通过元素分析等 结果推测PoPD的结构同前一种观点一致。据此,我 们提出了如图1所示含有吩嗪环且存在部分开环的梯 形的PoPD大分子结构。 图1 聚邻苯二胺的大分子结构示意图 Fig 1 The macromolecular structure of poly(o—phenylenediamine) 4聚邻苯二胺的功能性 4.1固定酶功能 所在课题组以过硫酸铵为氧化剂、冰醋酸为反应介质、 采用化学氧化法合成的聚邻苯二胺颗粒对铅离子和银 离子都表现出了较好的吸附能力,其中对铅离子的饱 和吸附容量可达195.5mg/g,而对银离子的吸附容量 可达540mg/g[ ],并能将银离子还原为单质纳米银。 在生物传感器的制备过程中,酶的固定是重要的 环节,传统的酶的固定方法有吸附、交联、包埋、定向等 技术。而用电化学聚合高分子膜来实现对酶的固定是 近年来发展起来的一种新方法,它具有制作简单、响应 快、重现性好等优点,越来越受到人们的关注。将聚邻 苯二胺用于固定酶已有大量的文献报道[19,20]。由于聚 邻苯二胺分子电聚合时生成的薄膜的电导率大大低于 金属电极而具有自动终止聚合的特性,使得聚合物膜 层厚度<100nm[1 ,使固定在其中的酶能最大限度的 暴露并发挥催化作用。因而PoPD固定酶电极具有响 应时间非常短、选择性高、抗干扰等特点。 4.2选择透过功能 相对于依赖于进口单体的聚萘二胺吸附剂而言 。‘。,聚 邻苯二胺单体价格便宜、制备技术简单,有望成为一种 高效、廉价的重金属离子吸附剂,在水处理领域具有很 大应用潜力。 4.4 防腐功能 聚苯胺的防腐性能已经得到了验证和广泛的研 究,而根据最近的研究发现,聚邻苯二胺同样具有良好 的防腐性。在NaOH碱性条件下利用循环伏安法于 不锈钢表面电聚合沉积的棕色的PoPD薄膜,不仅表 面均匀,与基底附着力强。而且表现出了对钢板的防 腐能力,与空白裸露钢板相比,电沉积PoPD薄膜的钢 板在3 NaC1溶液中的腐蚀电位升高了300~ 在使用循环伏安法研究PoPD膜修饰电极对KI、 FeSOt、K。Fe(CN) 、抗坏血酸的H。S0 溶液体系的 电催化性能时[2 ,发现PoPD膜具有选择性渗透功 能。阳离子Fe。 不能渗透进入膜中并靠近电极,从而 观察不到它的电化学氧化;阴离子I一能渗透进入膜 400mV ,腐蚀电流降低了几个数量级,表明PoPD 对不锈钢表面具有良好的腐蚀防护作用。 中,且峰电流增大。中性分子抗坏血酸能够进入膜中 但峰电流有所下降。这主要是因为PoPD膜内存在一 定数量的正电荷,它们对溶液中的阳离子具有排斥作 用,而对阴离子具有吸引作用。由于阴离子在膜中富 集,致使其氧化还原电流增大,亦即对阴离子的敏感性 增强,有望开发阴离子探测电极。 4.3重金属离子的吸附功能 5 结 语 芳香族二胺聚合物的多功能性是国外近年来新兴 起的研究热点之一,而在聚苯二胺中性能突出的要算 是聚邻苯二胺,它在电催化、电显色、传感器、电极修饰 材料等方面的潜在应用得到了广泛研究,已经引起了 人们的广泛关注。有望成为一种高效、廉价的功能聚 芳香二胺类聚合物通过对重金属离子的络合作用 以及氧化还原作用而实现对重金属离子的吸附功 能[1“。。 ‘。,PoPD也不例外。由于PoPD分子链中含 有自由氨基和毗邻的亚胺基,从而可以形成稳定的络 合物结构,同时可将氧化性金属离子还原。最近笔者 合物材料。因此,有理由相信,聚苯二胺可发展成为一 种多功能有机材料而造福于人类。 参考文献: E1]Zhao Y F,Xiao M,Wang S J,et a1.[J].Composites Science and Technology,2007,67(11—12):2528. 维普资讯 http://www.cqvip.com
黄美荣等:聚邻苯二胺的合成及多功能性 [2]Cihaner A.[J].Journal of Electroanalytical Chemistry, 2007,605(i):8. [14]ll Premasiri A H,Euler W B.[J].Macromolecular Chemistry and Physics,1995,196(ii):3655. [3]Jiang Y,Wang A Y,Kan J Q.[J].Sensors and Actua— tors B:Chemical,2007,124(2):529. [15]Huang M R,Peng Q Y,Li X G.[J].Chemistry—A European Journal,2006,12:4341. [4]Wang J G,Neoh K G,Kang E T.[J].Journal of Colloid and Interface Science,2001(1),239:78. [16]吐尔逊,张校刚.[J].高分子材料科学与工程,2005, 21(1):l1O. [5]Gerard M,Chaubey A,Malhotra B D.[J].Biosensors and Bioelectronics,2002,17(5):345. [17]Yano J.[J].Journal of Polymer Science Part A:Poly・ mer Chemistry,1995,33(14):2435. [6] Kan J Q,Jiang Y,Zhang Y.[J].Materials Chemistry and Physics,2007,102(2—3):260. [18]Martinuse K,Inzelt G,Horanyi G.[J].Journal of E— lectroanalytical Chemistry,1996,404(1):143. [7]G ̄endran P,V ̄ayanand S,Saraswathi R.[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,2007,601(i-2):132. [19]蒲晓允,邵方,李招权,等.[J].第三军医大学学报, 2004,26(13):l194. [8]Huang M R,Li X G,Yang Y L.[J].Polymer Degrada— tion and Stability,2001,7i(i):3i. [2O] 汪 云,周东美.[J].无锡轻工大学学报:食品与生物 技术,i998,17(1):69. [9]Lu X F,Mao H,Chao D M,et a1.[J].Materials Let— ters,2007,61(6):1400. [21]朱沁伟,余晴春,张存根.[J].科技通报,1999,15 (5):363. [1O]Li X G,Liu R,Huang M R.[J].Chemistry of Materi— als,2005,17:5411. [22]Palys B J,Bukowska J,Jackowska K.[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,1 99 7,428:1 9. [11]Shi M H,Peng Y Y,Zhou J,et a1.[J].Biosensors and Bioelectronics,2007,22(12):2841. [23]Palys B J,Skompska M,Jackowska K.[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,1997,433{41. [12]Li X G,Huang M R,Duan W,et a1.[J].Chemical Re— views,2002,102:2925. [24]Li X G,Huang M R,Li S X.[J].Acta Materialia, 2004,52:5363. [13]Chan H SO,Ng SC,HorT SA,et a1.[J].European Polymer Journal,1991,27(11):1303. [25]沈艺程,辜志俊,陈衍珍,等.[J].腐蚀科学与防护技 术,2005,i7:460—462. The synthesis and functionalities of poly(o-phenylenediamine) HUANG Mei—rong,MA Xiao—li,LI Xin—gui (Institute of Materials Chemistry,Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of the Ministry of Education,College of Materials Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China) Abstract:Poly(o—phenylenediamine)is an important type of aromatic amine polymers,which possess new multi— ple functionalities owing to the amine and secondary amino groups in the polymer chain.Based on the latest lit— eratures,the synthetic methods and the molecular chain structure of poly(o-phenylenediamine)were systemati— cally reviewed and compared in details in this paper.It is pointed out that poly(o-phenylenediamine)shows mul— tifunctionalities such as excellent embedment for enzyme,high permeaselectivity for ions,anticorrosion for met- als and adsorption for heavy metal ions. Key words:poly(o-phenylenediamine);electrochemical polymerization;chemically oxidative polymerization;rune- tionality (上接第8页) [29]Liu SH,Hwang J M,HungW H,et a1.[J].Appl Sur Sci,2003,212-213:907-9l1. [31]Voss L,Khanna R,Pearton S J,et a1.[J].Appl Sur Sci,2006,253:1255-1259. Appl Sur Sci,2007,253: [32]Hwang J D,YangG H,[J]. 4694—4697. [3O]Hu C Y,D/ng Z B,Qin Z X,et a1.[J].J Crys Growth,2007,298:808—810. Key factors in the preparation of low resistance ohmic contacts t O p-GaN LI Hong-jian,SHI Ying,J IANG Chang—zhong (School of Physics and Technology Wuhan University,Wuhan 430072,China) ,Abstract:Low resistance ohmic contacts to p-GaN are essential for the realization of GaN—based optoelectronic devices such as white light emitting diodes(LED’s)with large power.However,the difficulty in achieving reli- able low contact resistivity on p-GaN has affected seriously the output power and thermal stability of such de— vices.In this paper,key factors(e.g.surface treatment,choice of electrode materials and thickness,thermal annealing)in making low resistance ohmic contacts to P—GaN are discussed.The latest research progresses in this area are classified and some novel research ideas are put forwarded by us. Key words:p-GaN;ohmic contact;surface treatment;annealing;resistivity