二维导向组装聚合反应

Two-dimensional (2D) polymer is one of the appealing frontiers in polymer science and materials owing to its unique structure, outstanding properties and promising applications. Currently, the study of 2D polymers is lagged behind compared with 1D and 3D polymers due to the lake of highly efficient and convenient synthetic techniques. Present mainstream synthetic methods usually require harsh conditions, sophisticated molecule design and extra exfoliation steps. Therefore, to develop a novel strategy for highly facile and efficient synthesis of 2D polymers is of top importance. In this project, a new strategy for the synthesis of 2D polymers by "two-dimensional directed assembly and polymerization" is being proposed. First, a series of amphiphilic monomers with divinyl groups and bolaamphiphiles as directing molecules will be designed and synthesized. Then, two-dimensional directed assembly of the monomers will be performed to form 2D aggregates in aqueous solution by using bolaamphiphiles, which tend to self-assemble into 2D layers. Finally, 2D polymers will be obtained by free radical polymerization of the vinyl groups located in the mid-layer of the 2D aggregates in solution. Our preliminary results demonstrate that 2D polymers can be prepared by "two-dimensional directed assembly and polymerization". Therefore, this project will provide a universal, facile, and efficient strategy for preparation of 2D polymers, which is of academic and practical significance for developing 2D polymers.

二维高分子因其独特的结构和优异的性能已成为高分子科学与材料领域的研究热点，但目前仍缺乏高效便捷、具有普适性的制备方法。特别是对于单层二维高分子，已有的合成方法还存在如条件苛刻、单体适用范围窄、需要层剥离以及效率低等问题，这些问题极大地制约了二维高分子材料的发展。针对上述问题，我们在文献调研和实验探索的基础上，提出了“二维导向组装聚合”的概念，本项目将依据此概念探索建立一种二维高分子合成的新方法。首先设计、合成双乙烯基两亲性单体和bola型两亲性分子，然后借助bola型两亲性分子易自组装形成二维聚集体的特性，将其作为二维导向分子引导两亲性双乙烯基单体在水溶液中组装形成二维聚集体，再通过自由基聚合获得二维高分子。预研实验结果表明，通过“二维导向组装聚合”可以高效地制备二维高分子。因此，本项目将为二维高分子的合成提供一种具有普适性、高效便捷的新方法，对于二维高分子的发展和应用具有重要的科学意义。

近年来，二维材料已成为材料科学的重要前沿。然而，有机二维高分子的研究由于缺乏普适、高效调控高分子维度的方法，一直发展较慢。之前的工作中，我们探索了Bola型两亲性单体在多重超分子力协同作用下高效制备有机二维高分子的方法。在此基础上，提出利用二维诱导组装聚合通过两亲性导向分子引导苯乙烯类等单体在溶液中共组装形成二维超分子双层结构，并通过聚合反应合成具有二维交联骨架结构的有机二维高分子的方法。. 我们首先设计、合成了一系列Bola型两亲性导向分子，研究了少量导向分子的作用下两亲性小分子单体二维导向组装聚合生成二维高分子的方法，获得了一系列具有良好电导性能、力学性能的单/寡层有机二维高分子；通过在疏水层中包裹前驱体，获得了有机-无机杂化二维高分子。之后，我们设计、合成了一系列单端亲水的两亲性导向分子，这些分子的疏水端具有较强的超分子作用和优化的几何构型，研究表明这类分子可以引导两亲性单体形成超分子双层结构并通过自由基聚合反应转变为有机二维高分子。此外，基于对导向分子和单体间相互作用及组装性能的认识，我们设计并合成了一系列具有二维自组装特性的单端亲水两亲性单体分子，这些单体可以在溶液中实现自身组装、也可以诱导其他单体分子共组装形成二维超分子，并聚合获得相应的二维高分子。我们也研究了组装、聚合反应条件等因素对二维高分子的影响，并发现这些有机二维聚合物具有出色的离子传导性能、力学性能和热稳定性。. 综上所述，我们发展了二维诱导组装聚合反应这一有机二维高分子的高效合成方法，包括：1）两亲性导向分子引导小分子单体进行溶液二维自组装及自由基聚合反应合成聚苯乙烯、聚丙烯酸酯等类有机二维高分子；2）利用具有适当超分子相互作用和几何构型的单体分子自组装或诱导组装合成均聚和共聚有机二维高分子。同时研究也表明这些二维高分子具有良好的离子传导、力学强度、荧光发光等性能，这些工作对后续有机二维高分子材料的发展有重要的意义。