基于葫芦[10]脲主体增强分子间非共价弱相互作用的超分子聚合物的构建及其功能应用

Researches on supramolecular polymers are developing rapidly in the field of supramolecular chemistry and polymer materials. Cucurbit[n]uril (CB[n]) host has been widely used as “linker” in fabricating supramolecular polymers, due to their superior molecular recognition properties. The overall theme of this proposal is to further study the molecular recognition properties of CB[10] toward large-sized guest molecules with specific physicochemical property, and fabricate supramolecular polymers based on CB[10]-enhanced non-covalent interactions and explore their applications. Specifically, we are going to find new kinds of non-covalent interactions that can be enhanced by the encapsulation of multiple guest molecules in CB[10], which is basic for the next construction of supramolecular polymers; secondly, we are going to rationally design skeleton molecules bearing multiple binding units with specific physicochemical property, and construct supramolecular polymers through host-guest interactions between CB[10] and binding units (binding units can be metal−terpyridyl complex or naphthalenediimide); lastly, exploring the properties (such as photochromism) and applications (such as light harvesting with energy transfer) of fabricated supramolecular polymers. Accomplishment of our proposal would further provide inspirations for the development of both supramolecular polymers and cucurbit[n]uril chemistry.

超分子聚合物是超分子化学和材料科学研究中的热点。葫芦[n]脲(CB[n])主体分子因其良好的分子识别性质而成为构筑超分子聚合物的重要主体分子之一。本课题拟利用葫芦[10]脲对具有特定结构和物理化学性质的大尺寸分子的识别能力，构筑基于葫芦[10]脲主体增强分子间的非共价弱相互作用的超分子聚合物并探索其功能。拟进一步研究葫芦[10]脲主体通过主客体相互作用增强的分子间非共价弱相互作用的类型，为后续设计新型功能化超分子聚合物打下基础；设计合成含多个特定结构单元的客体骨架分子，利用其结构单元（以萘二酰亚胺和三联吡啶金属配合物为例）与葫芦[10]脲形成稳定的2:1包合物的特性，构筑超分子聚合物；探索超分子聚合物的性质和功能化应用，如能量转移光捕获、光致变色等。本项目对于推动功能化超分子聚合物的发展以及扩展葫芦脲主体分子的应用具有重要的科学意义和学术价值。

发展新策略用于构筑超分子材料并开发其新功能是材料科学研究的热点问题。本项目拟通过探索葫芦[8,10]脲主体增强客体分子间非共价弱相互作用，构筑基于主客体化学的超分子组装体/聚合物并探索其功能。项目执行期间，考察了葫芦[8,10]脲对平面型同客体对、异客体对的分子识别行为，构筑了基于葫芦[n]脲主客体作用的超分子组装体/聚合物/水凝胶并重点研究了其光学性质：考察了水相中葫芦[n]脲主体与发光有机小分子的识别行为，发现主客体包合物/超分子组装体的形成可抑制客体分子的非辐射衰减、隔绝猝灭因子，导致包合物/组装体的诸多性质如发射波长、荧光/磷光寿命、量子产率、抗疲劳等特性有很大的改善，为水相中构筑具有发光可调以及优异性能的光致变色材料提供了新策略；利用葫芦[8]脲增强分子间弱相互作用（π-π以及电荷转移作用），制备了三苯胺为核的同/异客体三元包合物并研究了其固态下的力致变色行为，发现主客体相互作用可调控分子构象及堆积方式，揭示了主客体作用对有机分子机械变色性质影响的机制，为开发连续红移的力致变色材料提供了新思路；利用葫芦[10]脲增强同客体分子间π-π作用及供体-受体分子间弱电荷转移作用，构筑了超分子组装体/有机框架并研究其发光性质，为构建新型刺激响应性可调多色发光材料提供了简便可行的途径；利用葫芦[8,10]脲可识别两分子客体的性质，以客体分子与主体分子之间的动态主-客体相互作用为交联点，或以主客体三元包合物作为可逆组装的静电交联剂，制备了一系列具有较好自修复性能的刺激响应性超分子水凝胶，为进一步探索这类材功能应用打下基础。取得的研究成果达到了预定目标。