三氟化硼乙醚中二甲基甲撑二氧苯的电化学聚合
2021-12-20
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第32卷第6期 2008年12川 南昌大学学报(理科版) Journal of Nanchang Univm‘sity(Natural Science) Vo1.32 No.6 Dec.20o8 文章编号:1006—0464(2008)06—0580—03 三氟化硼乙醚中二甲基甲撑二氧苯的电化学聚合 万益群 ,马木林 ,徐景坤 (1.南昌大学分析测试中心,江西南昌330031;2.江西科技师范学院江西省有机功能分子重点实验室,江西南昌330013) 摘要:在三氟化硼乙醚rf1通过『jH极氧化二甲基甲撑二氰苯获得了,新型导电高分子聚(二甲基甲撑二氧苯)。二甲 基甲撑二氧苯的起始氧化电位足0.7 V(VS SCE),远小于在含0.1 mol/L四氟化硼四丁基铵的乙腈中的起始氧化电 位1.57 V(VS scE)、聚台物的电导率为0.23 S/cm。红外和核磁表明聚(二甲基甲撑二氧苯)的聚合位点在4和5 位。 关键词:三氟化硼乙醚;聚(二甲基甲撑二氧苯);导电高分子;电化学聚合 中图分类号:0646.54;0657.1 文献标识码:A 1995年,石高令等利用巾等强度l,ewiS酸一三 三氟化硼乙醚(化学纯,北京长阳化工厂),使用前 蒸,一20 c(=储藏;二甲基亚砜(分析纯,天津市博 迪化工有限公司)。 EG&G Princeton Applied Research电化学分析 氟化硼乙醚(BFEE)络合物做溶剂,任不锈钢电极 上获得了分子链定向排列、高分子量、力学强度比铝 箔还要强的聚噻吩溥膜(达140 MPa) 。,此举对导 电高分子的研究具有苇要指导:卷义,并提供了崭新 的研究途径。自导电聚噻吩膜在三氟化硎乙醚溶液 中合成之后,其它芳香类化合物也在 三氟化硼乙醚 溶液或混合溶液I{ll进行'r电化学聚合,如吡咯 、 苯 、萘~ 、蒽 、苯并噻吩 等。同普通溶剂和支 持电解质相比,三氟化硼乙醚作为溶剂l和支持电解 质大大提高了聚合物的性能。2006年徐景坤 等 人使用1,2一甲撑二氧 在乙腈十四氟化硼四丁基 胺体系来研究聚(1,2一甲撑二氧苯)的性能。实验 证明,聚(1,2一甲撑■氧苯)具的较好的导电性、良 好的热稳定性、优良的电致变色性能和较强的荧光, 且聚(1,2一甲撑二氧苯)的聚合位点足在4位和5 二甲基甲撑二氰笨是1,2一甲撑二氧苯的同系 物,对它的电化学聚合至今未见任何文献报道。在 乙腈十四氟化硼 丁基铵体系中进行陔单体的电化 学聚合时,聚合物迅速溶解, 在= 氟化硼乙醚中进 行该单体的电化学聚合时聚合物能够沉积在电极 上。因此,本文对三氟化硼乙醚l1]二甲摹甲撑二氧 苯的电化学聚合进行r系统研究。 仪;Lambda一900型紫外可见近红外光谱仪;Bruker Vertex 70 FT一1R红外光谱仪;Bruker AV400核磁光 谱仪。 1.2聚二甲基甲撑二氧苯的制备 电化学聚合和电化学性能的测试均使用一室三 电极体系。电化学性能测试使用的工作电极和对电 极分别为铂丝和不锈钢丝(直径各为1 mm),相距 0.5 cm。所有的电位均相对于饱和甘汞电极 (SCE)。为了获得大量聚合物以进行结构表征,采 用了两块不锈钢片(AISI304,4 cm )分别作为工作 电极和对电极。使用前,不锈钢电极用1500目的砂 纸仔细打磨,然后依次用水、甲醇、丙酮冲洗,吹干。 电解质溶液是纯三氟化硼乙醚溶液,单体浓度为 0.03 tool・L‘。。实验前通入干燥的氮气10 min,并 在整个实验过程中保持一定的氩气压力。在一定电 位下,黑色的聚合物膜沉积在电极表面。电化学聚 合反应如反应式1所示。聚合物的去掺杂使用 25%的氨水浸泡3 d,之后反复用去离子水冲洗,最 电化学聚合 l 实验部分 1.1主要原料与仪器 二甲基甲撑二氧苯(分析纯,TCI);叫氟化硼四 丁基铵(95%,Acros Organics,60 真伞十燥24 h); 3 三氟化硼乙醚 二甲基甲撑二氧苯 聚二甲基甲撑二氧苯 反应式1 二甲基甲撑二氧苯的电化学聚合 收稿日期:2007—0l一20 基金项目:国家自然科学基金资助项日(50663001) 作者简介:万益群(1964一),男,教授,博士.¥通讯作者:徐景坤(1971一),男,教授.E—mail:xujingkun@tsinghua.org.en 第6期 万益群等:三氟化硼乙醚中二甲基甲撑二氧苯的电化学聚合 后60 qC真空干燥48 h,得样品。 聚合物的电导率采 在纯三氟化硼乙醚中1.0 V聚合的 用标准四电极法测定。 2结果与讨论 2.1 聚二甲基甲撑二氧苯的电化学聚合 v/v VS.S E 图1 0.03 too|・L 的二甲基甲撑二氧苯在三氟化硼乙醚 (A)和乙腈+0.1 tool・L 四氟化硼四丁基铵(B)中的阳极 极化曲线。电位扫描速率:20 mV s~。j:电流密度。 图1是二甲基甲撑二氧苯在纯三氟化硼乙醚 (A)和乙腈(B)中的阳极极化曲线。在三氟化硼乙 醚中(图1中A),二甲基甲撑二氧苯的起始氧化电 位0.7V(VS SCE),远低于在乙腈+0.1 tool・L 四 氟化硼四丁基铵中(1.57 V VS SCE)(图1中B)。 这表明二甲基甲撑二氧苯在三氟化硼乙醚中比在乙 腈中更容易氧化,这主要是因为三氟化硼乙醚和芳 环之间的相互作用降低了苯环的共振能。一般来 说,低电位聚合能合成更好的导电聚合物膜,并能够 避免很多副反应_l 。在聚合过程当中,可以很容易 观察到聚合物膜逐渐沉积在电极表面,并且颜色缓 慢加深。与此相反,在乙腈溶液中电极上几乎没有 聚合物沉积。因此,二甲基甲撑二氧苯的电化学聚 合主要是在三氟化硼乙醚溶液中进行的。 2.2聚(二甲基甲撑二氧苯)的紫外光谱 A/nm 图2二甲基甲撑二氧苯单体(A)、掺杂态(B)和去掺杂态 (C)聚(二甲基甲撑二氧苯)在二甲亚砜中和掺杂态聚二甲 基甲撑二氧苯在ITO电极上(D)的紫外可见光谱图。膜是 图2是二甲基甲撑二氧苯单体(A)、掺杂态 (B)和去掺杂态(C)聚二甲基甲撑二氧苯在二甲亚 砜中和掺杂态聚二甲基甲撑二氧苯在ITO电极上 (D)的紫外可见光谱图。单体在280 HITI有明显吸 收(图2中A)。掺杂态和去掺杂态膜不仅在280 nm有吸收,而且从291至383 nm有一个宽的吸收 峰(图2中B—C)。这表明聚二甲基甲撑二氧苯有 很长的共轭链。在ITO电极上(图2中D),掺杂态 聚二甲基甲撑二氧苯有3个吸收峰:一个在250 lqm、一个范围在(373~576)nm、一个范围在(576~ 837)nm。范围在(373~576)I11"/1的峰表明聚二甲 基甲撑二氧苯有较长的共轭链,证明了聚合反应的 发生。范围在(576~837)nm的宽吸收峰可归因于 导电载流子(如在掺杂态聚(二甲基甲撑二氧苯)主 链上单极化子和双极化子)的吸收。 2.3聚(二甲基甲撑二氧苯)的红外光谱 em。 图3二甲基甲撑二氧苯单体(A)、掺杂态(B)和去掺杂态 聚二甲基甲撑二氧苯(C)的红外光谱图 在图3单体A的红外谱图中,2 991 em 处的 峰是一CH 上c—H伸缩振动。从(1 487~1 384) em 的峰是苯环c—c伸缩振动。从(1 242~ 1 107)em 的峰是C—O—C伸缩振动。739 C1TI 处的峰是1,2一二取代苯上c—H变形振动。在图 3掺杂态聚合物膜B的红外谱图中,3 185 cm 是0 的氢键伸缩振动。3 004 cm 处的峰是一CH 上c —H伸缩振动。从(1 618~1 401)cm。。的峰是苯 环C—C伸缩振动。从(1 247~1 058)cm 的峰是 C—O—C伸缩振动。854 cm 处的峰是1,2,4,5一 四取代苯上c—H变形振动。在图3去掺杂态聚合 物膜c的红外谱图中,3 147 cm 是0的氢键伸缩 振动。3 029 cm 处的峰是一CH 上c—H伸缩振 动。从(1 618~1 404)cm 的峰是苯环C—C伸缩 振动。从(1 251~1 053)cm 的峰是C—O—C伸 ・582・ 南昌大学学报(理科版) 2008正 缩振动。850 cm 处的峰是1,2,4,5四取代苯上C 撑二氧苯的聚合位点发生在4位和5位。 —H变形振动。这些结果表明二甲基甲撑二氧苯是 通过4和5位聚合的。 参考文献: 2.4聚(二甲基甲撑二氧苯)的核磁图 1]Shi GQ,Jin S,Xue G,et a1.A Conducting Polymer Filif Stronger Than Aluminum[J].Science,1995,267:994— 996. [2]Wan XB,Liu XR,Xue G,et a1.Synthesis of High—quali— ty Polypyrrole in A Binary Solvent System Consisting of Boron Trilfuoride—ethyl Ether and Additional Ethyl Ether [J].Polymer,1999,40(17):4 907—4 914. 3]Li C,Shi CQ,Liang YQ.Low Potential Electrochemical Polymerization of Benzene in A Composite Electrolyte of Boron Trilfuoride Diethyl Etherate and Trilfuoroacetic Acid[J].J Electroanal Chem,1998,455(1—2):1—4. 图4二甲基甲撑二氧苯(A)和聚二甲基甲撑二氧苯(B)的 4] Shi GQ,Xue G,Li C,et a1.Layered Poly(naphthalene) H谱 Films Prepared by Electrochemical Polymerization[j]. 从核磁图(图4)来看,在同4 A中,二甲基甲撑 Polym Bull,l994,33(3):325—329. 二氧苯有二组质子峰:1.47和6.63 ppm,这分别表 [5] Fan B,Qu LT,Shi GQ.Electrochemical Polymerization of Anthracene in Boron Trilfuoride Diethyl Etherate[J]. 明是a、b和c位的质子。在图4 B中,有二组质子 Electroanal Chem,2005,575(2):287—292. 峰:2.41和7.55 ppm。这可能分别表明是a和b位 [6] xu JK,Shi CQ,Zhang JX,et a1.Electrochemical Polymer— 的质子。从图中可以看出一CH 氢是存在的。 ization of Thianaphthene in Mixed Electrolytes of Boron 从以上测定和相应文献一 可以确定聚合物的 Trilfuoride Diethyl Etherate and Trilfuoroacetic Acid[J]. 聚合位点发生在4位和5化。 Macromol Chem Phys,2002,203:2385—2390. 2.5聚(二甲基甲撑二氧苯)的电导率 7]Xu JK,Liu HT,Pu SZ,et a1.A Novel Electorehromic 经四电极法测定,聚(二甲基甲撑二氧苯)的电 Polyacetylene Derivative with Good Fluorescence Proper- ties Electrodeposited by Direct Anodic Oxidation of 1,2一 导率为0.23 S cm~,为半导体材料。 Methy1el1edioxybenzene[J].Macromolecules,2006,39: 3 结 论 5 6l1—5 616. [8] Ma ML,Liu HT,xu JK,et a1.Electrochemical Polymeri. 在三氟化硼乙醚中,通过电化学氧化二甲基甲 zation of o—Dihydroxybene and Characterization of Its 撑二氧苯获得了新型导电高分子材料聚(二甲基甲 Polymers as a Polyacetylene Derivative[J].Phys Chem 撑二氧苯)。聚(二甲基甲撑二氧苯)的电导率为 C,2007,111:6 889—6 896. 0.23 S cm 红外光谱和核磁光谱表明二甲基甲 Electr0synthesis of Poly(2,2一dimethyl一1,3一benzodioxole)in Boron Trifuoride Diethyl Etherate WAN Yi qun ,MA Mu—lin’,XU Jing—kun (1.Center of Analysis and Testing,Nanchang University,Nanchang 330047,China; 2.Jiangxi Key Laboratory of Organic Chemistyr,Jiangxi Science and Technology Normal University,Nanchang 330013,China) Abstract:2。2一dimethyl一1,3一benzodioxole was electropolymerized in boron trifuoride diethyl etherate and a no. vel conducting polymer poly(2,2一dimethyl一1,3一benzodioxole)was electrodeposited.The oxidation potential on- set of 2.2一dimethyl一1,3一benzodioxole was initiated at 0.7 V versus a saturated calomel electrode(SCE), which was much 1ower than that determined in acetonitrile containing 0.1 M tetrabutylammonium tetrafluoroborate (1.57 V vs.SCE).Poly(2,2一dimethyl一1,3一benzodioxole)films obtained from boron trifuoride diethyl etherate showed an electircal conductivity of 0.23 S cm一1.IR and NMR studies showed that the polymerization of 2.2一 dimethyl一1,3一benzodioxole occurred at C d and C5 position. Key words:boron trilfuoride diethyletherate;poly(2,2一dimethyl一1,3一benzodioxole);conducting polymers; electrochemical polymerization