【人物与科研】日本東京工業大学Toshikazu Takata教授研究团队：三脲基嘧啶酮轮烷构筑超分子网络

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导语

2016年，瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖授予Jean-Pierre Sauvage、J. Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa三位科学家，以表彰他们在人造分子机器设计与合成领域的贡献。分子机器中的一大部分都是机械互锁分子。轮烷、索烃和分子结是机械互锁分子的典型代表。近年来，科学家们在朝着如何实现人造分子机器应用的方向上不断的努力。日本東京工業大学Toshikazu Takata教授研究团队长期以来致力于机械互锁分子及其聚合物的基础与应用研究，已在国际一流期刊上发表了一系列具有国际影响力的原创性工作。近日，Takata教授研究团队再次取得重要进展，研究团队利用一个具有三个脲基嘧啶酮基团的[2]轮烷分子间四重氢键相互作用和轮烷框架，在不引入低分子量交联剂和聚合物骨架的条件下，成功地构筑了具有机械性能的轮烷交联超分子网络（图1）。该研究成果以“Supramolecular Network Derived by Rotaxane Tethering Three Ureido Pyrimidinone Groups”为题在线发表于国际一流学术期刊Chem. Commun.上（DOI: 10.1039/C9CC01660K）。

图1 轮烷交联超分子网络
（来源：Chem. Commun.）

Toshikazu Takata教授简介

Toshikazu Takata，博士，東京工業大学物質理工学院教授。Takata教授主要从事机械互锁分子及其聚合物、功能高分子、环境友好型材料和含硫材料等领域的基础与应用研究。Takata教授已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Macromolecules, ACS Macro Lett., Langmuir, Chem. Commun., Org. Lett.等国际一流期刊上发表原创性论文超过430篇，发表综述和专著160篇，获得发明专利授权170项。

饶斯佳博士研究员简介

饶斯佳，博士，東京工業大学物質理工学院博士研究员、日本科学技術振興機構外国人特别研究员（JST-CREST）。2018年于华东理工大学化学与分子工程学院博士毕业，师从分子机器领域专家曲大辉教授；同年加入東京工業大学Toshikazu Takata教授课题组从事博士后研究。曾受邀在日本化学会第99春季年会上作口头报告。已在Chem, Chem. Sci., Chem. Commun., Org. Lett., Polym. Chem., J. Org. Chem.等国际一流期刊上发表SCI论文12篇。

前沿科研成果

三脲基嘧啶酮轮烷构筑超分子网络

超分子聚合物因具有刺激响应性、自修复能力和抗菌特性等优异性能，近几十年来一直受到化学家们的广泛关注。相比传统的聚合物，只需通过非共价相互作用就可以非常容易地构筑超分子聚合物。非共价相互作用被广泛地运用到构建具有不同拓扑结构的超分子聚合物，例如：线性和交联的超分子聚合物。交联的超分子聚合物因具有较高的分子量和粘度，常常表现出独特的性能。然而，构筑交联的超分子聚合物往往需要向线性的超分子聚合物结构中引入额外的交联单元，例如：低分子量交联剂或/和聚合物骨架。由于额外交联单元的引入，往往导致交联的超分子聚合物形成不具有机械性能的胶状形态。这就极大地限制了交联超分子聚合物的进一步应用。如何构筑具有机械性能的交联超分子聚合物就显得尤为重要。

图2 分子结构式
（来源：Chem. Commun.）

Takata教授研究团队在前期对轮烷交联的聚合物（Angew Chem. Int. Ed. 2019, 58, 2765; Polym. Chem. 2017, 8, 1878; ACS Macro Lett. 2015, 4, 598）研究的基础上，成功合成了具有三个脲基嘧啶酮基团的[2]轮烷分子（图2）。这种功能化的[2]轮烷可以在低极性溶剂（例如：氯仿）中利用分子间四重氢键相互作用和轮烷框架形成交联的超分子网络。只需将所获得的轮烷交联的超分子网络自然晾干就可以得到具有机械性能的轮烷交联膜。

图3 交联膜的动态机械分析（a和b）和流变测试（c和d）
（来源：Chem. Commun.）

研究团队首先利用动态机械分析对交联膜的热机械性能进行研究（图3, a和b）。 动态机械分析结果表明，轮烷框架交联膜的储能模量在7.5 ℃时达到最大值，为37.5 MPa。然而非轮烷框架交联膜储能模量在7.5 ℃时仅为19.8 MPa。研究团队接着利用流变测试进一步对交联膜的机械性能进行研究（图3, c和d）。流变测试结果表明，轮烷框架交联膜的储能模量最大值为26.5 MPa（314.2 rad/s），此时非轮烷框架交联膜的储能模量仅为10.9 MPa。为了进一步说明交联膜的机械性能，研究团队还对交联膜进行了拉伸强度测试（图4）。拉伸强度结果表明，轮烷框架交联膜的杨氏模量为8.46±0.21 MPa，断裂能为1.28 MJ/m³，高于非轮烷框架交联膜的杨氏模量和断裂能（分别为：3.91±0.26 MPa和0.59 MJ/m³）。一系列机械性能测试表明具有轮烷框架的交联超分子网络表现出了更好的机械性能。该研究成果成功地构筑了具有机械性能的轮烷交联超分子聚合物，为日后如何实现轮烷分子机器的应用提供了重要的解决思路。

图4 交联膜的拉伸强度测试
（来源：Chem. Commun.）

该研究成果发表于Chem. Commun.（DOI: 10.1039/C9CC01660K）。文章的第一作者是饶斯佳博士，通讯作者是Toshikazu Takata教授。该研究工作得到了日本科学技術振興機構（JST-CREST）和日本学術振興会（JSPS-KAKENHI）等资金的支持。

论文链接： 
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/cc/c9cc01660k#!divAbstract

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