CCS Chemistry | 「吸金高手」,單質硒一步聚合製備聚硒脲,高效...

2021-01-15 澎湃新聞

以下文章來源於CCSChemistry ，作者CCS Chemistry

CCSChemistry

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唐本忠（香港科技大學、華南理工大學）、胡蓉蓉（華南理工大學）等人報導了將單質硒、異腈和胺三組分單體在無催化劑的條件下直接合成聚硒脲的一步聚合新策略。所製備聚硒脲具有高分子量、高產率、豐富結構、良好的穩定性和溶解性，並可高效、快速、靈敏、高選擇性的富集水溶液中的金離子，有望用於廢棄電子產品與自然界中痕量金的回收。

含硒高分子如聯二硒聚合物、聚硒吩、硒蛋白等，具有與重金屬離子配位能力強、載流子遷移率高、存在動態共價鍵、折光指數高等特點，被廣泛用於重金屬解毒、光電器件、自修復材料、智能材料、癌症診療等領域。目前報導的含硒高分子種類非常有限，主要是因為缺乏有效的合成方法，且通常需採用有毒、不穩定的含硒化合物。而單質硒作為一種低毒性、穩定、經濟的工業原料，是合成含硒功能高分子的理想硒源。

多組分聚合作為一種高效便捷的高分子構築方法，享有原料簡單、條件溫和、操作便捷、產物多樣、原子經濟等優勢，可將簡單單體一步轉化為具有豐富結構和功能的高分子。華南理工大學唐本忠院士團隊胡蓉蓉教授前期發展了一系列硫的多組分聚合，成功將單質硫高效轉化為含硫功能高分子材料（Macromolecules 2015, 48, 7747；J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6156; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 978）。如果能夠開發與硫在同一主族的單質硒的相應多組分聚合，將有望實現從單質硒高效、快速、安全地製備含硒功能高分子。

近期，該課題組通過對單體結構和聚合條件的精心設計和優化，發展了一類無需催化劑的單質硒、異腈和胺的多組分聚合。不同於已報導的聚硒脲在室溫空氣中即分解，難以進行結構性質表徵，通過本方法製備的各類聚硒脲均具有長期的空氣穩定性、良好熱穩定性、優異耐酸性和良好溶解性，可進行各種表徵測試和功能應用探索。該聚合可在室溫下進行，在100oC下1分鐘或40oC下45分鐘內即可迅速完成，並且普遍適用於結構豐富的一級胺、二級胺、芳香胺、脂肪異腈和芳香異腈等單體。作者通過不同的單體組合製備了18種聚硒脲，其重均分子量高達94 600 g/mol，產率高達99%（圖1）。

圖1

通過二級胺和一級胺分別製備的小分子模型化合物4和5的單晶結構表明，在化合物4中僅存在一種類型的N-H···Se氫鍵，由一半分子中的Se原子與另一半分子中的N-H作用形成；在化合物5中存在四種不同的N-H…Se氫鍵鍵長，每個硒原子可與相鄰硒脲基團中的N-H形成兩個氫鍵，每個分子可參與8個氫鍵的形成，得到規則的鋸齒狀氫鍵結構（圖2）。這種不同的分子間氫鍵結構也將為聚硒脲材料的結構和性能設計提供指導。

圖2

利用Se與Au3+的強配位作用，這類聚硒脲可以高效（>99.99%）、快速（1min）、靈敏（< 1μg/L）、高選擇性地富集水溶液中的痕量Au3+，富集容量可達0.67g·Au3+/g。無論是在廢棄電子元件的浸出液中，還是天然湖水等實際應用條件下，在強酸性、存在大量高濃度幹擾離子或微生物等情況下，這類聚硒脲仍能保持對Au3+的高選擇性高效富集（圖3）。所得聚硒脲與Au3+的配合物可通過高溫熱解直接回收得到含金量為92.15%的單質金。

圖3

綜上所述，該研究工作發展了一類將單質硒直接轉化為結構多樣、穩定的功能聚硒脲的無催化多組分聚合，拓展了含硒高分子的合成方法和結構種類，並證明這類功能聚硒脲有望用於工業廢水或自然界中金的富集回收。該工作以research article 的形式發表在CCS Chemistry，並在官網「Just Published」欄目上線。

文章詳情：

Functional Polyselenoureas for Selective Gold Recovery Prepared from Catalyst-Free Multicomponent Polymerizations of Elemental Selenium

Xiuying Wu , Hua Lin, Fengying Dai , Rongrong Hu * & Ben Zhong Tang *

Citation：CCS Chem. 2020, 2, 191–202

原文連結：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.201900080

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