有机聚合物表/界面问题和解决方法学-光感应表面C-H键转换新化学

针对现代材料科学，特别是光/电/生物等高端器件和用途对有机聚合物材料表/界面性能的迫切需求，以过去通用高分子材料光接枝表面改性研究工作为基础，开展以光驱动C-H转化新反应为主线的系统研究：1）光感应引入单层极性/反应性官能团（如羟基，胺基，环氧基，羧基，磺酸基，双键等）转换反应，2）光辐照下聚合物链和微/纳构造的递进增长，和3）后续应用基础（无机/金属/生物等材料共轭复合或杂化）/技术开发研究。通过上述研究工作，开发出系列能快速/高效地将有机聚合物制品（固体）表面C-H键转换成需要官能团或聚合物链的反应体系，使其能像无机/金属材料一样进行任意表面化学和形貌的修饰调节，基本解决以表面能低和反应惰性为内涵的有机聚合物表/界面这一共性难题，丰富高分子合成/改性化学内容，推动高分子科学发展；结合应用基础研究，开发1-2项用于高新产品的表面改性新技术。

有机高分子材料普遍存在表面能低和反应惰性的表/界面问题，限制了其应用范围。通过表面改性，不仅可极大拓宽高分子材料的应用范围和市场，也可解决其与其它材料（无机、金属和生物分子等）复合/集成，发展高端用途、高端器件时的界面瓶颈难题。高分子材料的表面改性属非均相表/界面C-H转换反应，尽管有大量的有机小分子C-H键活化/转化反应方法报道，但都不适用于材料表面C-H转化反应。因此，开发能高效/可控地将高分子表面惰性的C-H快速转化成目标官能团或聚合物接枝链的新反应体系仍然是一个巨大挑战。针对这一问题，本项目开展了以光驱动C-H 转化新反应为主线的系统研究，主要结果为：（1）针对非均相界面反应特点，提出和建立了 “表面受限反应”概念和系统理论，即通过界面吸附或环境限制（三明治结构），使光吸收剂及反应试剂以极薄层（纳/微米）被束缚于聚合物表面，可抑制因自由碰撞造成的光激发态淬灭，提高有效激发态浓度和延长激发态寿命，保证其与表面极小体积H原子的接触与碰撞，提高光反应的量子效率和选择性。（2）利用该受限方法，建立了系列原创的将聚合物表面H原子高效、快速转变成单层羟基，胺基，环氧基，羧基，糖基等“广谱官能团”和功能聚合物刷的新反应体系。（3）首次提出了完整的光接枝技术在聚合物膜表面构筑聚合物粒子层的“三维递进”增长机理。（4）首次将紫外光改性技术用于无机基材表面，发展了两种利用UV光制备功能化无机基材表面的新化学方法。（5）首次建立了可见光引发的多官能团单体在聚合物基材表面可控活性接枝交联聚合（VSCGCP）方法；以此为基础首次提出并合成了PEG“分子网布”。（6）发展了可见光原位接枝交联包埋酶新方法，形成了一个具有重大工业应用前景的“酶固定化新技术”。（7）将VSCGCP和二次活性接枝聚合相结合，发展了一种简单的制备具有抗污染背景和高蛋白固定容量的聚合物基蛋白芯片的新方法，并成功开发出了脑胶质瘤辅助诊断用高性能基因芯片。（8）首次实现了将一个光化学反应从空间/时间上分开成光激发和化学反应两歩进行。（9）基于上述理论研究基础，开发了聚合物膜纳米传感器、含氟太阳能电池背板材料表面改性、聚丙烯微孔膜改性及聚丙烯树脂改性等多项新技术。上述成果丰富了高分子合成/改性化学的内容，推动了高分子科学的发展，对实现聚合物表面高性能化和功能化，满足新世纪信息、生物、国防和环保材料的发展具有重要意义。