丛欢课题组设计并合成增强聚合物力学性能的超分子抽绳

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超分子主客体结构在分子尺度上的组装模式和运动行为使其在被引入到聚合物体系后能够调控材料的宏观力学性能。因此，开发新型超分子主客体结构将为发展机械互锁聚合物并优化聚合物力学性能提供重要的分子基础和创新思路。
       中国科学院理化技术研究所超分子光化学研究中心丛欢课题组与合作者受生活中常见的抽绳拓扑结构启发，利用刚性双环主体分子和柔性线形客体分子分别作为“锁扣”和“绳”单元，设计并合成了一种仿抽绳的超分子结构（图1）。为了提升主客体组装的效率和选择性，科研人员在主体、客体结构中引入了三个相互作用位点从而实现热力学驱动的精准超分子组装。

图1 超分子抽绳的设计

        在超分子抽绳的结构中，由苝酰亚胺衍生的领结形双环分子H充当主体分子，由萘基团双侧连接寡聚乙二醇的线形分子G充当客体分子。在溶液中混合H与G即可实现快速且高效的主客体组装，通过一维和二维核磁共振谱、吸收与发射光谱、高分辨质谱等一系列表征揭示，H与G通过两处“大环-侧链”位点的主客体作用与一处“苝酰亚胺-萘”位点的π–π相互作用的三位点协同驱动下，以1:1摩尔比组装成具有仿抽绳结构的H–G复合物。荧光滴定实验结果显示，室温下H与G在乙腈溶液中的结合常数可达2.32 × 104 M-1。H–G复合物不但结构上与抽绳形似，通过理论计算模拟亦显示其在外力拉伸作用下的形变模式与能量变化趋势，表现出超分子抽绳的应用潜力。
       科研人员进一步将原位组装的超分子抽绳作为交联单元与丙烯酸甲酯单体共聚，得到了含有超分子抽绳结构的机械互锁聚合物PMA-H1G4 (图3)。相较于只使用G分子进行交联的对照组PMA-G4，以及在PMA-G4聚合完成后混合主体分子H的对照组PMA-G4+H，仅需添加千分之一摩尔当量H组分的聚合物PMA-H1G4的综合机械性能（硬度、韧性、强度、粘附强度）实现显著的提升。
        综上，这项工作中提出的新颖分子设计和外力作用下的形变机制将有助于开发具有更高强度和韧性的机械互锁聚合物材料，有望被用于更广泛的聚合物体系。近期以Assembly and Utility of a Drawstring-Mimetic Supramolecular Complex为题在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.期刊，第一作者是理化所的博士生董翔宇。研究工作得到了理化所吴骊珠院士、佟振合院士的悉心指导，上海交通大学颜徐州教授、理化所王树涛研究员、肖红艳副研究员等团队分别在力学性能测试、粘附性能测试、理论模拟等方面与研究团队开展合作，并提供了重要指导和大力帮助。
       原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202318368
       文章来源：理化所
      丛欢，男，中国科学院理化技术研究所研究员，1984年3月生。2002年9月至 2006年7月：北京大学化学与分子工程学院，获理学学士学位，导师：席振峰教授；2006年9月至 2011年11月：美国波士顿大学(Boston University)化学系，获博士学位，导师：John Porco教授；2011年11月至 2012年4月：美国麻省理工学院(MIT)化学系，博士后，导师：Gregory Fu教授；2012年5月至 2015年3月：美国加州理工学院(Caltech)化学与化工学院，博士后，导师：Gregory Fu教授；2015年担任中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师。