引領超分子聚合物發展之人—Takuzo Aida
【引言】
人工合成聚合物在技術發展和日常生活方面如今都扮演著必不可少的角色。這類大分子材料，在傳統意義上來說是由較小的分子構建單元通過共價鍵連接而成。而對于新型的超分子聚合物來說，其構建單元則可以通過非共價鍵如氫鍵或者靜電作用進行結合，從而形成鏈式產物或者定向纖維片段。這種非共價結合聚合物的概念在有機生物系統中非常常見，例如細胞骨架中的蛋白單體定向纖維片段，需要通過非共價的動態結合和解聚來完成重要的細胞功能。在東京大學的Takuzo Aida等人的努力下，超分子聚合物的合成平臺已經在從生物到醫學的多個領域發揮著重要的作用。
上世紀七、八十年代，諾貝爾獎獲得者J. M. Lehn基于聚合物主客體系統提出了“超分子化學”的完整概念，指出：“基于共價鍵存在著分子化學領域，基于分子組裝和分子間鍵而存在著超分子化學”。然而，發展到目前，超分子的概念已經從純粹的化學領域擴展到材料領域。在這其中，Takuzo Aida一直深耕超分子材料領域，為功能化超分子聚合物的發展做出了巨大的貢獻。
作為工具的超分子聚合方法
作為傳統共價聚合的替代，通過非共價鍵進行連接的超分子聚合如今已是科學研究和技術發展領域普遍使用的材料合成方法。在分子識別、分子自組裝、超分子器件以及超分子材料等方向，超分子聚合都已經成為強大的制備工具和平臺。圍繞超分子聚合方法，“通過非共價方式來實現傳統聚合物的功能究竟難易程度如何”長期以來都是最基本的問題。針對這一問題，經過近幾十年的探索，已經發展出“立體選擇/螺旋鏈超分子聚合”、“非共價嵌段共聚物合成”、“序列特異性超分子聚合”等手段方法[1]。然而，近年來，各類超分子聚合方法的深入發展又使得包括Takuzo Aida在內的許多課題組重新思考超分子聚合的作用和意義。
20世紀80年代以來，Lehn和Meijer等人深耕非共價化學領域，并引入了膠體聚集的概念。研究人員認為，由氫鍵作用調控的小分子線性聚集（如超分子聚合物）是非常穩定的，即便在稀溶液中也能保持類共價聚合物的狀態。基于此種觀念，，研究人員進一步利用可結晶化單體自組裝形成了形態良好的嵌段共聚物。[2]這類研究為利用超分子聚合進行精準的大分子設計提供了新的途徑。盡管如此，人們一直先入為主地認為超分子聚合遵循逐步生長的機理，卻對于另一種超分子聚合機理--“非共價鏈生長聚合（Chain-growth mechanism）”關注較少。此外，由于是非共價結合，超分子聚合在不同條件下可能會使聚合物可逆回到單體狀態。雖然特定的條件下單體可以自組裝形成有序的聚合物，但這類聚合對于聚合物的長度和分子量的精確控制卻是非常困難的。
2015年，Aida課題組在Science上發表題為“A rational strategy for the?realization of chain-growth?supramolecular polymerization”的文章[3]，介紹了鏈生長聚合的基本原理和策略。研究人員發現在帶硫烷基側鏈的碗狀烯烴類似物中，側鏈上含有的酰胺基團能夠形成分子內的環狀氫鍵，能夠生成單一穩定的單體并能夠抑制分子間的相互作用，從而防止了單體間的自聚。這一亞穩態單體，在引發劑的作用下可以形成有序的超分子聚合物。接著，研究人員又設計合成了單體側鏈氮原子甲基化的分子來作為引發劑。這類引發劑由于甲基化的作用，不會發生分子內氫鍵作用，同時保持了聚合活性的羰基作為能夠發生反應的氫受體。研究人員將引發劑與亞穩態單體進行混合，引發劑的羰基與亞穩態單體之間通過分子間氫鍵作用生成二聚體，、再次暴露出來的新的羰基與之后的亞穩態單體再次反應，最終可控形成鏈式超分子聚合物。研究發現，當引發劑達到50當量至1000當量時，所得聚合物的PDI能夠保持在1.2到1.3左右水平，說明對分子量能夠實現控制。這一研究也為精準的高分子設計提供了新型的思路。
圖1 超分子鏈生長聚合的單體-引發劑系統[3]
熱力學可逆性是超分子聚合的特點之一。利用這一特點，設計刺激響應性聚合物材料使得超分子聚合日益成為新興的材料合成工具。這類超分子聚合物在溫度升高時，常常表現出解組裝現象。不僅是溫度上升，額外加入能偶削弱單體間非共價鍵作用的“清除劑”分子也能夠對超分子聚合物進行解聚。Aida課題組的研究人員利用溫度和清除劑的協同作用，實現了對超分子聚合的程序化控制。[4]該研究發現，含有帶八個酰胺基團側鏈的金屬卟啉基單體（PORCu）能夠通過π堆積和多價氫鍵作用組裝形成一維聚合物，并且這一聚合物與作為清除劑的正己醇能夠在十二烷基溶劑中呈現出高度熱穩定性，其可高度穩定存在的溫度上限甚至可以達到110℃。在50℃左右，通過競爭性氫鍵作用，清除劑能夠將單體鎖定成聚合形式；而當溫度從50℃開始冷卻時，清除劑傾向于進行自組裝，從而解鎖單體，趨于解聚。而當加熱時，與清除劑的偶極和氫鍵作用被擾亂，使得聚合物也傾向于解聚。這一現象與共價聚合物的“高/低臨界溶解溫度”現象相似，因此這種溫度/清除劑協同作用為設計具有復雜溫敏性質的超分子聚合物提供了可能性。
圖2 溫度雙信號超分子聚合[4]
可愈合聚合物的愈合機制基本可分為內源性和外源性兩種。對于外源性機制，單體和引發劑被分別裝載，一旦聚合物網絡被破壞，這些單體和引發劑才會被混合形成新的聚合物鏈，修復斷裂部分。這種外源性愈合機制非常有效，但是材料被修復次數卻極其有限。與此相反，內源性機制則依靠動態共價鍵識別或者非共價作用，其可愈合作用可以多次實現。一般而言，非晶高分子量聚合物因為聚合物長鏈的糾纏可以形成力學強大很高的材料，但是這類材料一旦斷裂，長鏈的重塑需要的時間過長，常常難以修復。而對于低分子量聚合物來說，由于其連接方式取決于非共價作用，愈合能力高的聚合物氫鍵密度高，但是脆性也會隨之提高。總而言之，以往研究發現，愈合能力和力學強度往往不可兼得。
Aida課題組[5]在2018年報道發現poly(ether-thioureas)如TUEG2?以及?TUEG3，在含有大量帶氫鍵硫脲單元的情況下，依然能夠異常形成無定形材料。這種材料不僅表現出優異的機械強度，還能通過壓縮斷裂面進行修復過程。研究人員發現，由氫鍵相連的硫脲陣列是非線性的，因此無法引發晶化。而在該類聚合物表現出緩慢擴散動力學的同時，其斷裂部分又能在受到壓力時進行合并并承受住300g的載荷。針對這一現象，研究人員認為在這類高力學強度的聚合物中還能表現出優異的愈合性能，主要是因為出現了帶氫鍵硫脲交換等鏈段移動現象，導致斷裂處受到壓力時聚合物鏈相互貫穿交流。而硫脲對中的氫鍵交換應該比聚合物的流動弛豫要快很多，因此即便聚合物在冷凍狀態下也能夠在幾小時進行愈合。
圖3 聚合硫脲衍生物在壓縮狀態下的愈合行為[5]
類似于樹枝狀分子，芳香族分子具有非平面結構以及構象靈活的特點，因此在固體狀態下是非晶化的。Takuzo Aida等人[6]發現可以利用Py6Mes這一新型分子構建復雜的多孔分子晶體。Py6Mes結構中，作為內核的三甲基苯的甲基基團和亞苯環之間存在巨大的空間排斥效應。研究人員發現，Py6Mes在乙腈中非常容易沉淀，形成多孔晶體Pyopen，可以在其納米孔中包含溶劑分子。通過Py6Mes中的楔形結構，構建了C–H···N鍵連的雙層屋頂-樓板超分子結構。而在這結構的正交方向上，Py6Mes的楔形結構與甲基內核由于疏溶劑作用構建了墻形結構。相比起氫鍵，C–H···N鍵更加不穩定，但是由于這類鍵的作用由色散力提供，所以C–H···N在絕緣體介質中反而能夠存在。因此，Pyopen具有優異的熱穩定性。這項研究也說明，利用簡單的分子可以利用超分子聚合方法構建復雜的結構。
圖4 C–H···N鍵連的雙層超分子結構[6]
有序媒介中的聚合反應能夠設計制備復雜的結構，因此越來越受到人們的關注。但是在有序媒介中進行超分子聚合的研究直到近年才開始新興起來。一般來說，不同形狀分子如碟狀分子和棒狀分子無法進行共組裝行為，相反地，碟形分子傾向于堆疊成一維狀，而棒狀分子則會平行排列。在Aida課題組的最新研究[7]中，研究人員在由棒狀分子OCBRod組成的向列型液晶中實現了碟狀手性分子單體的超分子聚合。該研究從手性摻雜劑是否能夠驅動向列型介觀相向膽甾介觀相進行轉變的角度入手，選擇碟形的benzenetricarboxamide（BTA）類似物OCBDiskNH*單體作為可超分子聚合手性摻雜劑，與OCBRod進行混合，在熱處理的條件下可以形成以柱狀相液晶為特征的扇形顯微紋理。因此，在向列型液晶中進行超分子聚合能夠引發介觀相轉變，并促使高度復雜、核殼柱狀共組裝的形成。研究進一步分析認為，當超分子聚合物和液晶介質具有很強的親和性時，聚合物在液晶中可以均一分散。而當親和性很差時，聚合物分子會與液晶發生相分離而成束存在。研究人員還發現這一新型液晶材料還能快速響應外加電場而呈現單向的柱狀排列，利用光可異構化棒狀分子模塊還可以定制可光電響應的液晶材料。這一工作不僅表明超分子聚合可以調控高分子液晶相變，還驗證了模塊化策略可以賦予復雜動態結構以協同性的功能。
圖5 超分子聚合引發的液晶介質相轉變[7]
作為材料的超分子聚合物
超分子聚合取決于分子間作用，基于這類非共價鍵，發展出了超分子化學、分子識別和主客體化學等新興體系。圍繞超分子體系，人們發展了包括超分子光電體系、基于金屬-離子簇雜化超分子體系、微納粒復合體系、精準動態組裝體系以及蛋白質組裝體系等許多新型材料。
在超分子材料化學和科學中，納米管體系也是十分重要的研究方向和新興熱點。然而，將小分子自組裝成低對稱性中空組件一直是非常艱巨的挑戰。除此之外，中空納米管和納米纖維雖然一般被認為都是一維組件，但是實際上納米管是由二維納米片滾卷成形的。因此，通過改變自組裝條件來控制納米管壁層數，能夠影響一維納米材料的屬性，也是亟待解決的問題。
Aida課題組的研究[8]設計了利用自組裝中疏溶劑/親溶劑效應來控制納米管結構的方法。該組成員選擇以兩親性的hexa-peri-hexabenzocoronene（HBC）作為分子平臺。HBC分子曾被報道可在極性溶劑中自組裝形成單壁碳納米管。利用這一點，研究人員設計了以及?FHBC*，在HBC內核的一邊含有全氟烴基片段，與內核另一邊的十二烷基相互排斥。全氟烴基片段在C6F6中是高度溶解的（親溶劑效應），因此組裝形成單壁碳納米管。而在CH2Cl2它溶解性較低（疏溶劑效應），會組裝形成多壁碳納米管。由于FHBC在CH2Cl2自組裝比較緩慢，因此可以觀察到“管中線圈”的結構，研究人員認為這一結構是納米管壁逐步自由基生長的中間產物，其中的機制與現有報道的二維納米片卷動形成納米管的機理完全不同。
圖6 FHBC自組裝形成單壁/多壁碳納米管的機制[8]
一般而言，當手性分子（摻雜劑）加入到向列型液晶中時，液晶分子會進行輕微的幾何扭曲產生螺旋陣列并轉變為膽甾相液晶。而膽甾相液晶，因其具有螺距可以反射特定的波長，通過進一步改變摻雜劑的加入量可以使得這類液晶實現對可見光的反射。以往的研究報道已發現，通過電場等外源刺激可以調控反射顏色。然而以往的電場顏色可調液晶器件需要電力維持其功能，而Takuzo Aida[9]等人設計報道了一種新型液晶器件，不僅發展擴大了反射顏色的波長范圍，還能夠在移除電力供給的情況下維持顏色記憶長達兩個月之久。研究人員利用電泳沉積（EPD）的方法，將溶解在膽甾相液晶的離子手性摻雜劑進行沉積。當手性摻雜劑沉積后，液晶中的摻雜劑濃度減少，使得液晶螺距變長，因此能夠引發反射波長的紅移。這一新型方法可能為發展無需顏色過濾器的全色電子紙開辟了新的路徑。
圖7 可記憶反射顏色的膽甾相液晶器件[9]
能夠響應環境微小起伏波動的器件對實現更加持續化、低能耗致動器和電子系統具有非常巨大的幫助。Aida[10]等人制備了一種可響應環境濕度進行自主操作的薄膜致動器。這種薄膜的主要組分是π堆積的氮化碳聚合物，是由胍碳酸鹽的蒸氣沉積聚合形成的。形貌表征顯示薄膜是超輕、高度各向異性的層狀結構。研究進一步表明，這種器件能夠及時響應由環境濕度變化引起的微量水分子的吸附和解吸附行為（約為幾百納克每10平方毫米）。這一致動行為非常迅速（一次卷曲約耗費50毫秒），并且可重復10000次以上而沒有退化跡象。在熱/冷的輻射下，薄膜會失去吸附水分子的能力而發生快速卷曲，能夠在材料表面進行超過10毫米的垂直跳躍行為。
圖8 由氮化碳聚合物制備的高度取向薄膜[10]
一維蛋白質組裝體在自然界中是大量存在的，并且執行著重要的生物功能。例如，肌動蛋白作為蛋白質纖維支撐著細胞以維持其結構以及促使多種胞間輸運過程成為可能。而在這類一維蛋白中，以肌動蛋白纖維為例，通過蛋白質輔酶因子如原肌球調節蛋白等鍵連到纖維末端作為封端劑來控制纖維長度。受此啟發，在人工超分子系統中也常常利用封端劑來控制一維纖維的長度。然而，如何做到控制長度的同時依然能維持超分子納米管如蛋白質納米管的熱動力學穩定性一直是超分子材料領域的難點和挑戰。
Aida[11]課題組曾經報道制備了基于分子伴侶蛋白GroELMC的一維納米管材料，發現這類材料的長度會極大影響材料的細胞攝取效率。而GroEL的單環突變SR（Single-ring mutation）能夠通過削弱GroEL中的鹽橋作用來調整GroEL的長度和結構。利用這一現象，該課題組[12]通過邁克爾反應用半胱氨酸突變體改性GroEL的單環突變，從而得到經過分子設計的雙基因突變體SRMC。這一分子設計蛋白由于衍生自GroEL，能夠與GroEL進行結合，因此研究人員將SRMC作為GroEL蛋白質管的封端劑。通過改變SRMC與GroELMC的比例，可以控制GroELMC蛋白質的超分子聚合程度，從而調整蛋白質管的長度（調節范圍從320nm到40nm）。研究進一步發現，當蛋白質納米管的長度小于100nm時，其細胞攝取效率會顯著提高。文章認為，該項工作為研究超分子材料的形貌尺寸奠定了基礎。
圖9 以SRMC作為封端劑的GroELMC超分子聚合[12]
受到蚯蚓等動物爬行行為的啟發，研究人員設計制造了多種多樣的蠕動爬行器，以期應用在各種特殊的環境和空間中。水凝膠，尤其是光響應性水凝膠，能夠實現響應外界光刺激進行運動，從而達到可被遠程操控的目的。盡管目前已有水凝膠致動器的報道出現，但這些機器的致動行為與水的吸收和釋放有著密切的關系，因此存在著無法快速響應、重復性低等問題，無法滿足爬行機器的性能要求。
近期，Takuzo Aida教授等人[13]發表文章報道了一種新型的光響應水凝膠致動器。在此前的研究，研究人員成功制備了含有磁性鈦酸鹽納米片的各向異性水凝膠。在該項研究的基礎上，課題組又結合金納米粒子，以聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPA，LCST= 32℃）為基質制備了圓柱形水凝膠。在這種水凝膠中，鈦酸鹽納米片賦予水凝膠各向異性，能夠使得水凝膠在垂直于納米片平面的取向上迅速膨脹，其膨脹速度小于0.5s，形變長度達到原始長度的80%。當激光對水凝膠進行照射時，金納米粒子利用光熱轉換效應使得水凝膠局部升溫，由于PNIPA是溫敏性物質，能夠響應溫度變化實現體積的膨脹和收縮。另一方面，由于納米片的作用，光激發的水凝膠體積體積變化只能在一定方向上進行，從而實現水凝膠的定向運動。實驗也證明，當激光照射點沿著圓柱凝膠軸移動時，水凝膠因為快速和規律的伸長/收縮行為，表現出蠕動爬行行為，且移動方向朝向激光掃描的相反方向。而當切換照射的掃描方向時，水凝膠則發生反向爬行。而當使用金納米棒代替金納米顆粒時，由于金納米棒能夠快速響應近紅外光，因此可以使得復合凝膠致動器的響應運動行為變得快速而重復。研究認為，該種水凝膠有望應用于需遠程操作的醫療設備中。
圖10 光響應TiNS/AuNP水凝膠致動器[13]
【總結】
Takuzo Aida教授課題組長期耕植于超分子化學領域，不僅深入研究了超分子化學機理和聚合方法，還發展了一系列結構精巧復雜的功能化超分子材料。該課題組的引領下，功能化超分子聚合物為新型材料的設計和發展提供了極具前景的合成平臺，尤其是顯著改善了材料的刺激響應性、環境適應性以及自修復性能。Aida教授等人[14]也指出，深入開發納米尺度超分子聚合物的功能以及超分子-無機雜化材料體系依然是重要的科研探索方向，在可持續系統、電子和健康衛生等領域也擁有潛在的應用價值。
【參考文獻】
[1] De Greef, T. F. A.; Smulders, M. M. J.; Wolffs, M.; Schenning, A.; Sijbesma, R. P.; Meijer, E. W. Chemical Reviews 2009, 109, 5687-5754.
[2] Wang, X. S.; Guerin, G.; Wang, H.; Wang, Y. S.; Manners, I.; Winnik, M. A. Science 2007, 317, 644-647.
[3] Kang, J.; Miyajima, D.; Mori, T.; Inoue, Y.; Itoh, Y.; Aida, T. Science 2015, 347, 646-651.
[4] Rao, K. V.; Miyajima, D.; Nihonyanagi, A.; Aida, T. Nature Chemistry 2017, 9, 1133-1139.
[5] Yanagisawa, Y.; Nan, Y. L.; Okuro, K.; Aida, T. Science 2018, 359, 72-+.
[6] Yamagishi, H.; Sato, H.; Hori, A.; Sato, Y.; Matsuda, R.; Kato, K.; Aida, T. Science 2018, 361, 1242-1245.
[7] Yano, K.; Itoh, Y.; Araoka, F.; Watanabe, G.; Hikima, T.; Aida, T. Science 2019, 363, 161-165.
[8] Prasanthkumar, S.; Zhang, W.; Jin, W. S.; Fukushima, T.; Aida, T. Angewandte Chemie-International Edition 2015, 54, 11168-11172.
[9] Tokunaga, S.; Itoh, Y.; Yaguchi, Y.; Tanaka, H.; Araoka, F.; Takezoe, H.; Aida, T. Advanced Materials 2016, 28, 4077-4083.
[10] Arazoe, H.; Miyajima, D.; Akaike, K.; Araoka, F.; Sato, E.; Hikima, T.; Kawamoto, M.; Aida, T. Nature Materials 2016, 15, 1084-+.
[11]Biswas, S.; Kinbara, K.; Niwa, T.; Taguchi, H.; Ishii, N.; Watanabe, S.; Miyata, K.; Kataoka, K.; Aida, T. Nature Chemistry 2013, 5, 613-620.
[12] Sim, S.; Niwa, T.; Taguch, H.; Aida, T. Journal of the American Chemical Society 2016, 138, 11152-11155.
[13] Sun, Z. F.; Yamauchi, Y.; Araoka, F.; Kim, Y. S.; Bergueiro, J.; Ishida, Y.; Ebina, Y.; Sasaki, T.; Hikima, T.; Aida, T. Angewandte Chemie-International Edition 2018, 57, 15772-15776.
[14] Aida, T.; Meijer, E. W.; Stupp, S. I. Science 2012, 335, 813-817.
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