双/多头单尾型表面活性剂的设计合成、自组装与性质

The molecular structures of surfactants affect their self-assemblies, properties, and applications. Double- and multi-headed surfactants with a single hydrophobic tail have many advantages such as high solubilities and small Krafft temperatures, however, the relative researches on such surfactants are rare. This project is focused on the design and synthesis of double- and multi-headed surfactants (especially the anionic types) and the effect of such surfactant molecules on the subsequent self-assemblies. First, the molecular structures (headgroups, spacers, and hydrophobic tails) and external stimuli (temperature, inorganic salts, and biomolecules) will be examined to explore the formed aggregates. Compared with conventional surfactants, the formation mechanism, structures, and properties of the aggregates will be uncovered. Second, the complexes of several double- and multi-headed surfactants will be investigated. The effect of noncovalent interactions on the complexes will be revealed to get insight into the effect of the electrostatic interactions between the headgroups. At last, functional double- and multi-headed surfactants by the introduction of functional groups into the headgroups, spacers, or hydrophobic tails will be synthesized for the construction of smart soft materials. This subject is significant for the preparation and formation mechanism of self-assemblies based on surfactants, which is also very important for the applications of the assemblies in material preparations, catalyst reactions, and extraction separation.

表面活性剂的分子结构影响其自组装行为、性质与应用。双/多头单尾型表面活性剂具有提高溶解性，降低Krafft点等优势。然而，目前的研究尚处于初步阶段。本项目拟设计合成多种双/多头单尾型表面活性剂，一方面丰富其种类（尤其是阴离子型），另一方面深入研究其特殊分子结构在自组装过程中的作用。首先，从分子结构（包括亲水头基、联结基、疏水链等）和外界因素（包括温度、无机盐、生物大分子等）两大方面考察其聚集行为，与传统表面活性剂体系进行比较，探究自组装机理、结构与性质。其次，研究此类表面活性剂的复配体系，揭示相互作用规律，明确亲水头基间的静电相互作用对混合体系聚集行为的影响。最后，在分子结构中引入功能基团，构筑智能型软物质。此研究内容的开展对于完善有序分子聚集体理论有重要意义，对于聚集体在材料制备、催化反应以及分离萃取等领域的应用具有指导作用。

表面活性剂自组装结构对体系的性质和功能有着本质的影响。不同自组装结构之间的相转变在很多领域有广泛应用，如生物医药工程、药物缓释等。离子液体（IL）四丁基磷三氟醋酸盐[P4444][CF3COO]具有低临界溶解温度相转变行为，即该IL在水中的溶解度随着温度的升高而降低，到某一温度时发生相分离而混浊，当温度降低到该温度以下时又变为澄清透明的溶液。表面活性剂在该温度敏感型IL和水的混合溶液中，通过外界因素温度的调控，首次实现了在微乳液和胶束两种自组装结构之间的可逆相转变。二维共价有机框架材料（COFs）具有有序结构和一维孔道，是物质传输的有利通道，可用于气体存储和化学反应的微反应器。首次使用后处理的方式将表面活性离子液体修饰到COFs的孔道中，由此得到的离子化材料其孔道功能性得以加强。该离子化COFs具有高的CO2存储能力（164.6 mg/g，1 bar，273 K），并可以作为非均相催化剂在常温下有效地催化还原CO2，将CO2转化为高附加值的酰胺类化学工业品，实现变废为宝。另外，基于芴单元之间的π-π相互作用，一个芴功能化的共价有机框架材料FL-COF-1被设计合成，其具有高的热稳定性和高的比表面积。一维有序孔道有利于碘掺杂，从而提高材料的载流子迁移率。I2@FL-COF-1在室温下表现出热电性能，具有高的Seebeck系数2450 μV K−1和功率因子0.063 μWm2 K−1，开拓了COFs在热电领域中的应用。