1 以離子液體為介質合成纖維素接枝共聚物

設計合成新型纖維素接枝共聚物可將纖維素自身優點和其它高分子的特點結合為一體，是賦予纖維素新性能和拓展纖維素應用領域的一種有效方法.我們以AmimCl離子液體為溶劑, 在無外加催化劑的條件下，以纖維素分別與溴異丁酰溴、氯乙酰氯和溴乙酰溴等進行均相酯化反應，合成了3種具有引發原子轉移自由基聚合(ATRP)能力的纖維素大分子引發劑；進而成功引發了一系列單體的ATRP接枝聚合反應，得到一系列直接基于纖維素的新型接枝共聚物，如圖 7(a)所示^[48~50].接枝聚合物鏈的接枝密度、接枝鏈長以及接枝聚合物種類均可精確調控.所得到的接枝共聚物Cell-PNIPAM和Cell-DMAA具有溫敏和pH敏感特性，在藥物控釋等領域有潛在的應用前景^[50].

Fig. 7 (a) Synthesis procedure of cellulose-based ATRP macroinitiators and cellulose graft copolymers, and temperature-triggered sol-to-gel phase transition properties of cellulose-g-PNIPAM copolymers [48-50]; (b) Synthesis procedure of cellulose-g-PLLA and cellulose esters-g-PLLA copolymers [51-54]; (c) Cell cultivation behaviors of cellulose-g-PLLA microspheres (Reprinted with permission from Ref.[53]; Copyright (2016) The Royal Society of Chemistry); (d) Melt flow behavior of cellulose-g-PLLA copolymers[51], and cellulose acetate-g-PLLA fibers and dumbbell samples produced by thermal processing[54] (Reprinted with permission from Refs.[51] and [54]; Copyright (2009) American Chemical Society and (2013) Springer)

圖選項

如何實現纖維素的熔融加工一直是纖維素材料領域中極具挑戰性的研究課題，而化學改性是實現這一目的的有效手段.在纖維素/離子液體溶液中，我們以4-二甲胺基吡啶(DMAP)為催化劑，在較為溫和的條件下，通過丙交酯開環聚合制備了具有較寬取代度范圍和乳酸含量范圍的全生物降解型纖維素接枝聚乳酸共聚物(cellulose-g-PLA)，如圖 7(b)所示^[51~53].所得cellulose-g-PLA共聚物表現出優異的生物降解性^[52]、極好的生物相容性(圖 7(c))^[53]；在合適的接枝聚乳酸含量下, 共聚物表現出良好的熱塑性，可采用常規的熱成型設備進行熔融加工(圖 7(d))^[51].采用“一鍋法”反應，可在纖維素鏈上同時引入脂肪酸酯和聚乳酸，在更低的聚乳酸接枝含量下，纖維素酯接枝聚乳酸共聚物即表現出優異的熔融流動性，并在60 ~ 130℃范圍內仍保持較好的熱機械性能，較純聚乳酸耐熱性有明顯提高.纖維素酯接枝聚乳酸共聚物同樣可用常規的熱成型熱備進行加工, 圖 7(d)為通過熔融紡絲和注塑成型法制得了這類共聚物纖維和注射樣條^[54].

2 以離子液體為介質合成纖維素酯

纖維素衍生物具有廣泛的應用領域，其中纖維素酯是最重要且附加值高的纖維素衍生物，在食品工業、石油、紡織、涂料、生物醫用、煙草和環境保護等方面具有重要應用.由于缺乏纖維素的有效溶劑，傳統的纖維素衍生物的工業化生產方法基本采用固液兩相-兩步法工藝制備：先固液兩相非均相酰化制得全取代纖維素酯，再酸催化水解得到合適取代度的纖維素酯^{[4, 9, 55]}.這種方法存在工藝復雜、產物性質均一性差、結構控制困難、纖維素降解嚴重、試劑和催化劑消耗量大、能耗高等缺點.均相合成纖維素衍生物是克服上述問題的有效途徑. 2004年，我們率先開展了以離子液體為介質的纖維素酯的均相合成(見圖 8(a))^{[17, 55~61]}.以AmimCl離子液體為溶劑，以乙酸酐為酰化劑，在無催化劑存在下，通過溫和的反應條件，可以一步得到不同取代度的纖維素醋酸酯，取代度在0.5 ~ 3很寬的范圍可以方便地進行調控，而且離子液體可以有效地回收再使用^[17].使用DMAP作為催化劑，可以快速、高效地實現纖維素的丙酰化和丁酰化，30 min反應即達到平衡，羧酸酐轉化率超過90%^[56].除了常規纖維素脂肪酸酯以外，通過均相酯化和加成反應，我們還合成了系列不同取代基團、不同取代度的纖維素苯甲酸酯和纖維素苯基氨基甲酸酯，這類反應表現出類似小分子的反應規律，可以用Hammett常數預測反應速率^[62~65].另外，一些大體積基團^[66~69]，如：金剛烷、二苯基磷酸酯、萘、蒽、苝等，同樣可以很容易地通過酯化反應引入纖維素鏈，產物取代度通過調控反應條件即可實現有效控制.通過同時加入或2次加入2種不同的羧酸酐，可得到基團分布不同的纖維素乙酸丁酸酯(CAB)^{[59, 60]}、纖維素乙酸二苯基磷酸酯^[68]、纖維素乙酸金剛烷酸酯^[67]等，以及區域選擇性取代的纖維素混合酸酯^{[62, 65]}：纖維素-6-苯甲酸酯2, 3-苯基氨基甲酸酯.進一步地，利用秸稈中的纖維素為原料或者在8 wt% ~ 12 wt%高濃度纖維素/ AmimCl溶液中進行均相乙酰化反應，同樣可以得到丙酮可溶、性能優良的纖維素二醋酸酯(CDA)^[58]，這為將來的工業化應用提供了理論上的可行性.

Fig. 8 (a) General synthesis route and molecular structure of cellulose aliphatic esters, aromatic esters and mixed esters homogeneously prepared in ionic liquid AmimCl; (b) Cellulose phenylcarbamates with different degrees of substitution (DS) and degrees of polymerization (DP) homogeneously synthesized in ionic liquid AmimCl, and their chiral recognition abilities (Reprinted with permission from Ref.[63]; Copyright (2015) Chinese Chemical Society, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences and Springer-Verlag Berlin Heidelberg)

圖選項

迄今為止，以離子液體為均相反應介質，幾乎所有已知的、不同結構的纖維素酯都已經被合成出來，包括高附加值的纖維素混合酯、具有手性分離功能的纖維素苯甲酸酯等；同時，一些新型、功能性纖維素酯不斷涌現，比如：具有優異氣體分離性能的纖維素金剛烷酯、可熔融加工的纖維素二苯基磷酸酯、具有熒光性能的纖維素稠環酸酯等^[55].總之，作為一種新型的非質子型纖維素溶劑，離子液體作為纖維素均相衍生化反應介質的優勢在于：一步反應、反應可控、產物結構均勻、反應效率高、溶劑穩定且易于回收等.

利用離子液體中均相合成纖維素衍生物的高效和可控性，我們可在纖維素主鏈上引入特定基團來賦予這類自然界最豐富的天然高分子材料以諸多特殊功能.例如：通過引入柔性的丁基側鏈或大體積的金剛烷基團，我們得到了透氣性顯著提高、選擇性基本保持的纖維素基氣體分離膜^[67].通過引入帶有雙鍵的丙烯酸酯，進而將對CO₂有親和作用的1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸鹽接枝到纖維素中，提高了對CO₂的選擇透過性；進一步通過靜電吸引相互作用固載自由離子液體，得到了針對CO₂分離的兼具高滲透性和高選擇性的纖維素-離子液體復合膜^[70].再如：通過引入帶有不同取代基團的苯基氨基甲酸酯，得到了對手性分子拆分性能優異的手性固定相，如圖 8(b)所示^{[63, 64]}；通過詳細研究“取代基種類、取代度及聚合度對手性拆分性能”的影響，初步揭示了纖維素苯基氨基甲酸酯結構與拆分性能之間的關系，發現：(1) 并非取代度越高，手性拆分能力就越高，不同取代度的固定相適合拆分不同的手性分子；(2) 聚合度對纖維素衍生物的手性拆分性能具有重要影響，聚合度在140到220之間最有利于手性固定相對手性分子的拆分；(3) 不同取代基團的纖維素衍生物適合拆分不同的手性分子.最近，我們利用均相纖維素反應，將具有聚集誘導淬滅(ACQ)性質的常見有機熒光染料分子(苝、熒光素等)可控地引入纖維素的骨架上，通過錨接、稀釋和靜電排斥等作用，有效克服了ACQ分子間的π-π堆砌作用，獲得了系列纖維素基固態熒光材料, 實現了固態下的熒光發射，如圖 9所示^[69].這類材料保持了纖維素衍生物諸多優異性能，例如：易加工性、成膜性、成纖性、力學性能、生物相容性、生物可降解性等，可方便地加工成不同形式的熒光材料，如纖維、薄膜、涂層和印刷油墨，有望在裝飾性涂料、打印油墨、防偽印刷、生物成像、檢測等領域得到應用.

	Fig. 9 Schematic illustration for the strong fluorescent emission mechanism of cellulose-based solid fluorescent materials (Reprinted with permission from Ref.[69]; Copyright (2016) John Wiley & Sons)
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