文章重要内容

     复旦大学闫强教授课题组围绕以气体分子作为“绿色”刺激方式进行高分子自组装过程的调控开展了系统研究并取得了系列创新成果，设计开发了一系列生物气体信号分子（CO、NO、H₂S）响应的“气敏高分子”材料，以及基于硼/磷受阻路易斯酸碱对与CO₂气体分子间的动态气桥结构，以气体作为原材料构筑的一系列“气筑高分子”材料。本专论对这两类新型气体调控高分子组装体系的研究进展进行了系统介绍，并对其未来的发展进行了展望。

文章背景

     气体，作为一类结构简单的多原子分子，在自然界扮演不可或缺的关键角色，例如二氧化碳（CO₂）气体是植物光合作用的营养物质。硫化氢（H₂S）、一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）等气体在极低浓度范围内（10~50 μM）可作为控制细胞通讯的信号分子。与此同时，气体也可以看做一种取之不竭的资源性物质。因而，对气体的合理利用将对气体资源的可持续开发提供新的思路。基于此，我们认为将气体调控作为一种高分子自组装的调控方式将具有重要的意义。然而，该领域的发展相对缓慢，主要瓶颈在于两个方面：其一是气体作为简单多原子分子的代表，本身缺乏可控、高效的活性位点，难以和高分子发生可靠的相互作用或化学反应，导致二者的结合并不完全稳定；其二是气体调控的方式有待拓展，如何在高分子组装过程中监测气体的含量，解析气体浓度-组装动力学之间的量化关系尚存在瓶颈。针对上述重要问题和挑战，我们构建了原理截然不同的两大类气体调控的高分子自组装系统，提出“气敏高分子（gas-responsive polymer）”和“气筑高分子（gas-constructed polymer）”两个概念。

文章概述

1. 气敏高分子的设计及其可控自组装

       气敏高分子，即气体响应性高分子，其能够应答环境气体刺激，凭借气体与高分子中特定结构单元之间的共价化学反应，切断或打开高分子链，改变高分子的两亲性或链聚集态，从而影响高分子自组装过程，并对外输出功能。由于气体能够与高分子发生特异性反应，因而通过改变气体的浓度（含量）、定制高分子响应单元的化学结构，往往可以精确调节高分子对气体的敏感程度，甚至可实现对不同气体的选择性响应，进而对高分子组装体纳米结构、演化进程、变形行为、理化性能等进行按需调控，达到我们希望实现的智能化应用。特别是利用一些气体的特殊生理或病理作用，制备气敏高分子功能组装体，可以在靶向载运、纳米药物和诊疗一体化等方面实现特定的功能化应用。该部分，我们主要系统介绍了生物体内三大气体信号——H₂S、CO和NO响应性高分子及其功能组装体系的结构设计与功能应用。

2. 气筑高分子的设计及其可控自组装     

     三（五氟苯基）硼和三（均三甲苯基）膦作为受阻路易斯酸碱对基元时能够快速捕捉并结合CO₂分子，形成一种形如P─C(═O)─O─B的CO₂气体桥联结构（简写为P─CO₂─B），其结合能约为180 kJ/mol，属于一种新型的动态共价键结构。此外，该动态气桥结构还具有气体交换性、气体依数性、热可逆性以及气体激活性四项独特的动态化学特征。将其作为新的结合方式进行高分子自组装的研究既保证了组装结构的稳定性同时又能使组装材料具有动态性和响应性。与此同时，利用这种方法可以让气体分子本身参与到化学自组装过程中，使所形成的组装体中气体构筑基元仍保留其单独的气体特性和行为，类似于用气体作为组装基元直接构建不同组装体系。因此，我们将这种基于气体动态化学所构筑的高分子称为——气筑高分子。该部分，我们系统介绍了以CO₂为原料构筑得到的一维、二维以及三维气筑高分子及其功能应用。     

     上述工作以专论形式即将在《高分子学报》2024年“复旦大学高分子科学系成立30年”专辑印刷出版，论文第一作者为复旦大学硕士生牟桂芳，通讯作者为闫强教授。

引用本文：

牟桂芳, 杨翠琴, 闫强.

气体调控的高分子自组装.

高分子学报, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2023.23288 Mu, G. F.; Yang, C. Q.; Yan, Q.Gas-regulated polymer self-assembly.

 Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2023.23288

原文链接：

http://www.gfzxb.org/thesisDetails#10.11777/j.issn1000-3304.2023.23288&lang=zh