基于动态亚胺化学构建自适应体系与智能材料

Constitutional dynamic chemistry (CDC) takes advantage of its dynamic character for the generation of constitutional diversity to allow for variation and selection. It operates selection on dynamic constitutional diversity in response to the pressure of chemical, physical, internal, or external factors to achieve adaptation, thereby enabling adaptive chemistry. CDC gives access to the generation of networks of dynamically interconverting constituents. They define constitutional dynamic networks (CDNs) that may in particular couple to reversible or irreversible thermodynamic processes and present a specific stability/robustness with respect to external perturbations. The set of imines undergoes constitutional dynamics via component exchange and selection in response to the chemical effectors, metal cations. The systems will spontaneously respond by amplifying the fittest distribution of constituents. The overall distribution of constituents within a CDNs and its regulation may be considered as the information storage and processing system depending on and characteristic of the agent(s) acting on it. The information can be erased via the reversibility of the process. Constitutional dynamic materials present a possible material for future molecular data-processing, -storage, and -communication devices. In particular there is little doubt that constitutional dynamic materials are likely to find their applications in the development of adaptive technologies, involving both the materials and the processes to access them.

组分动态化学认为化学体系可以通过成分交换或重新组织的方式优化它们的组分，来应对外部环境的变化。相对于传统的组分“静态”材料，这种基于共价/非共价键以及组分间动态相关性的材料，可以通过组成的动态变化以及成分的自主选择来感知外部环境的刺激。因此，又被称之为“智能材料”或者“自适应材料”。本项目拟从可以对多种刺激产生多重响应的亚胺类化合物(包括西佛碱、酰腙、腙)出发，设计、合成4-6个系列新的由动态亚胺键组成的组分动态库。以金属阳离子作为化学效应物，在合适的物理、化学条件下，通过分子结构的优化和分子间的非共价相互作用调控组分动态库的组成分布。系统研究最适应组分的化学结构与自适应体系的形成与结构之间的关系。进一步设计开发具有特异响应性的组分动态材料，检测材料的宏观或微观响应性输出，实现组分动态材料在信息储存、传感方面的应用。

组分动态化学认为化学体系可以通过成分交换或重新组织的方式优化它们的组分，来应对外部环境的变化。在本项目中，我们顺利地完成了原定目标。研究内容和取得的重要成果包括：（1）在均相系统中构建具有丰富的分子信息与复杂信息处理能力的多重自适应体系：在简单的[2×2]四组分体系的基础上，引入亚胺C=N作为动态连接结构，成功地构建出[3×2]以及复杂度更高的[3×3]动态共价网络。通过“概念验证”的方法证明了复杂动态库的性能优越性以及化学进化过程的存在，为“系统化学”这门新兴科学提供了新的研究思路和素材；基于动态酰腙键构建了可在不同种类效应物作用下完成多重自适应过程的组分动态网络体系，并进一步研究其对于复杂信息的处理功能，用“组分分布”这个全新的物理量去描述复杂体系的状态和性质，为开拓动态共价化学新的应用出口提供了思路。（2）在非均相体系中构建非平衡状态驱动的动态共价网络：首次以有机凝胶或金属有机凝胶作为调控动态共价网络组分分布变化和自适应过程的驱动力，辅助以动态C=N键或C=N/C=C键作为设计支撑，构建出远离平衡态的非均相动态共价网络体系，为进一步开发类生命功能的自适应智能材料提供了设计模型和理论基础。（3）基于动态亚胺化学开发新型智能材料：在具有动态亚胺结构的荧光探针设计中引入四苯乙烯结构，制备出用于检测挥发性一级胺的便携式试纸；设计由芘取代的亚胺分子和长烷基链取代的巴比妥酸衍生物分子构成凝胶驱动荧光放大的[2×2]组分动态库，运用方便快速的荧光信号监控库内组分分布的变化；基于动态酰腙键和双硫键构筑了本征型自修复聚合物体系，开发出荧光可调的白光自修复高分子水凝胶涂层，该涂层具有低毒性、合成简单等优点，在未来的固态发光器件上具有潜在的应用价值。