氢键交联超分子聚合物材料：从结构性能到功能应用

高分子材料的大量消耗与持续积累已经在全球范围内造成了严重的环境污染与资源浪费.发展可修复、可循环、可降解和可回收的新一代高分子材料是解决上述挑战的根本途径.基于动态可逆的非共价键将聚合物链段进行交联可以有效地构建这些材料.本专论系统总结了我们课题组在氢键交联超分子聚合物材料方面的系列研究进展.基于多重氢键的协同性与动态性、氢键与动态共价键的协同,以及材料微相结构的调控,发展了系列兼具高强度与高韧性的超分子聚合物材料,实现了材料的修复、循环、降解与回收;不仅突破了非共价交联高分子材料力学性能弱的瓶颈,而且化解了高分子材料强度与韧性的矛盾.相关研究为发展传统高分子材料的可持续替代品提供了新的思路.同时,发展了系列基于氢键交联的功能超分子聚合物材料,展示了其在柔性电子、固态锂电池及水下黏合剂等方面的应用.     

基于氢键诱导理论的有机化学探索实验：(+/-)-2-亚甲基香茅醛的合成与快速鉴定

本实验用吡咯烷和4-二甲基氨基苯甲酸作为有机小分子催化剂,催化天然香料(+/-)-香茅醛与甲醛的Aldol缩合反应并脱水合成(+/-)-2-亚甲基香茅醛。基于小分子催化的氢键诱导效应,我们选用二氯甲烷、四氢呋喃、无水乙醇三种溶剂进行平行反应,用薄层色谱法监控平行反应的转化速度,筛选相对最佳反应溶剂。同时,我们用共振离域理论解释原料和产物在核磁共振化学位移、薄层色谱比移值、液相色谱保留时间的差异。本实验弥补了有机化学实验在反应条件优化方面的空白。     

“九死还魂”海藻糖

海藻糖在科学界享有“生命之糖”的美称。本文以拟人手法塑造了一个聪慧、有担当的海藻糖形象。介绍了海藻糖的结构,通过一系列小故事讲述海藻糖的独特性质及生物学功能,并进一步从有机化学的角度剖析了结构与性能之间的关系。     

含喹噁啉环的化合物改性聚己内酰胺

合成了14种由三种含喹(哑心)啉环的芳香化合物改性的聚己内酰胺(MC尼龙),并对其形态、抗冲击强度、吸水性及熔融行为等进行了表征。聚苯基单醚喹(哑心)啉(PPQ)单模型化合物对MC尼龙结晶部分几乎没有影响。少量(0.005—5.0％)吩嗪的引入使MC尼龙的颜色、形态及性能等发生巨大变化,改性体系被认为是氢键相互作用,PPQ双模型化合物的改性作用介于二者之间。     

含喹噁啉环的化合物改性聚己内酰胺

 合成了14种由三种含喹(哑心)啉环的芳香化合物改性的聚己内酰胺(MC尼龙),并对其形态、抗冲击强度、吸水性及熔融行为等进行了表征。聚苯基单醚喹(哑心)啉(PPQ)单模型化合物对MC尼龙结晶部分几乎没有影响。少量(0.005—5.0％)吩嗪的引入使MC尼龙的颜色、形态及性能等发生巨大变化,改性体系被认为是氢键相互作用,PPQ双模型化合物的改性作用介于二者之间。     

水分子在均三嗪基g-C3N4上的吸附

气体分子与光催化剂之间的相互作用对于光催化反应的触发非常重要.对于TiO2,ZnO和WO3等传统金属氧化物光催化剂上的水分解反应而言,已有许多报道研究了水分子在它们表面的吸附行为.结果表明,水分子与催化剂表面的原子形成了O-H…O氢键.石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种具有可见光响应且化学性质稳定的光催化剂,对其进行修饰以增强其分解水产氢性能的研究非常多.本文通过密度泛函理论计算,全面研究了水分子在均三嗪(s-triazine)基g-C3N4上的吸附情况.首先构建了一系列初始吸附模型,考察了各种吸附位和水分子的朝向.通过比较分析计算得到的吸附能,确定了一种最优的吸附构型,即水分子以竖直的朝向吸附于褶皱的单层g-C3N4表面.水分子中的一个极性O-H键与g-C3N4中一个二配位富电子的氮原子结合形成了分子间的O-H…N氢键.其中,H原子与N原子的间距为1.92?,O-H键的键长由0.976?增至0.994?.进一步通过计算Mulliken电荷,态密度和静电势曲线分析了该吸附体系的电子性质.结果发现在分子间氢键的桥接作用下,g-C3N4上的电子转移至水分子,由此导致g-C3N4的费米能级降低,功函数由4.21 eV增至5.30 eV.在该吸附模型的基础上,考查了不同的吸附距离.当水分子与g-C3N4的间距设为1至4?时,几何优化后总是能得到相同的吸附构型,吸附能和氢键长度也十分相近.随后,通过改变吸附基底g-C3N4的大小和形状,验证了这种吸附构型具有很强的重复性.将2′2单层g-C3N4吸附基底替换为2′2多层g-C3N4(2至5层),3′3和4′4单层g-C3N4,以及具有不同管径的单壁g-C3N4纳米管后,水分子的吸附能随着体系原子数的增多而增大,但吸附模型的几何结构和电子性质基本不变,包括O-H…N氢键的形成和键长,以及电子转移和增大的功函数.另外还研究了非金属元素(P,O,S,Se,F,Cl和Br)掺杂对吸附能的影响.构建模型时,杂质原子以取代二配位氮原子的方式进行掺杂,水分子放置于杂质原子上方.结果显示,引入杂质原子后水分子的吸附能增大,在理论上从吸附的角度解释了元素掺杂增强g-C3N4分解水活性.总之,本文揭示了一种在分子间氢键的作用下,具有高取向性的水分子吸附的g-C3N4构型,这有助于g-C3N4基光催化剂上水分解过程的理解和优化设计.     

聚偏氟乙烯/聚醚型热塑性聚氨酯弹性体共混物的相互作用及增容机理

采用流延成膜法制备了4种增容改性的聚偏氟乙烯（PVDF）与聚醚型热塑性聚氨酯弹性体（TPU）固体共混物（PVDF/TPU）.结合分子动力学模拟研究了PVDF/TPU的相互作用,并探讨了其增容机理.研究结果表明,与PVDF/TPU-1,PVDF/TPU-2及PVDF/TPU-3相比,加入γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷-端氨基丁腈橡胶（GPTMS-ATBN）后,PVDF/TPU-4的2个玻璃化转变温度（T_g）相互靠近,两相界面存在分布梯度,构成了双相连续的微观结构,表明GPTMS-ATBN增容PVDF/TPU共混物具有显著效果.同时,PVDF/TPU-4的共混结合能大幅减小,二面角扭转能、键角弯转能等明显增大,表明PVDF及TPU与GPTMS-ATBN之间发生相互作用.傅里叶红外光谱（FTIR）及X射线光电子能谱（XPS）证实了GPTMS-ATBN增容PVDF/TPU的机理为GPTMS-ATBN中ATBN链段与PVDF彼此缠绕,相互混溶,而水解后两端GPTMS中大量羟基与TPU分子链中氨基甲酸酯键及醚键相互吸附,从而生成了氢键.     

原位核磁共振技术考察L-缬氨酸导引下合成花状纳米结构聚苯胺形成机理的研究

利用~1H-NMR原位追踪在L-缬氨酸存在下合成花状纳米聚苯胺的形成过程中发现此结构的形成经历3个阶段:首先在苯胺与缬氨酸构成的类胶束结构内聚合成吩嗪类寡聚物;其次通过p-p重叠作用及胶束融合过程成为片状聚集体;最终通过与缬氨酸形成氢键组装成花瓣状纳米聚苯胺.通过改变反应条件,对比形成过程中核磁共振图谱及产物形貌的变化发现花状纳米聚苯胺的形成有如下特征:反应初期L-缬氨酸作为缓冲试剂可以避免苯胺的骤然质子化,有利于生成具有吩嗪结构的寡聚物;反应前苯胺单体与缬氨酸形成稳定的反应环境保证寡聚物始终在其内聚集生长,有效避免了外部环境的影响.     

新型二硫杂环戊烯硫酮化合物的合成及其对谷氨酸诱导损伤HT22细胞的保护作用

在保留ADT-OH的3H-1,2-二硫杂环戊烯-3-硫酮结构的基础上,用芳乙烯基替换4-羟基苯环,设计并合成了6个二硫杂环戊烯硫酮化合物（L₁~L₆,其中L₂, L₃, L₅和L₆为新化合物）,其结构经¹H NMR, ¹³C NMR和HR-MS(ESI)表征。采用MTT法研究了L₁~L₆对谷氨酸诱导损伤的海马神经元HT22细胞的影响。药理初筛结果表明:给药浓度为10~100 μmol·L^-1时,L₁, L₂, L₄和L₆均能提高受损HT22细胞的存活率(P<0.01);给药浓度为1 μmol·L^-1时,L₃和L₅均可提高损伤HT22细胞的存活率(P<0.01)。     

由联苯四羧酸配体构筑的一维锰(Ⅱ)和二维铜(Ⅱ)配位聚合物的合成、晶体结构及磁性质

采用水热方法,用2种联苯四羧酸配体（2,4-H₄bpta和3,5-H₄bpta）和4,4''-联吡啶（4,4''-bipy）或2,2''-联吡啶（2,2''-bipy）分别与MnCl₂·4H₂O和CuCl₂·H₂O反应,合成了一个具有一维双螺旋链结构的配位聚合物[Mn（μ₃-2,4-H₂bpta）（4,4''-bipy）₂]_n（1）和一个二维层状配位聚合物{[Cu（μ4-3,5-bpta）_0.5（2,2''-bipy）（H₂O）]·H₂O}_n（2）,并对其结构和磁性质进行了研究。结构分析结果表明2个配合物分别属于单斜晶系,P2₁/c和C2/c空间群。配合物1具有一维双螺旋链结构,而且这些一维链通过O-H…N氢键作用进一步形成了二维超分子网络。而配合物2具有二维层状结构。研究表明,配合物1中相邻锰离子间存在铁磁相互作用。