动态共价键导向凝胶

Dynamic covalent bonds are a class of covalent bonds that can be broken and reformed reversibly under mild reaction conditions. Its dynamic nature and the chemical self-correcting ability have attracted interest for the synthesis of new functional materials. Using dynamic covalent chemistry extended porous frameworks can be readily constructed from relatively simple molecular precursors, which have numerous potential applications as absorbents, sensors, catalytic and responsive materials. However, much less is understood about dynamic covalent bond-directed gels despite the efforts in supramolecular gels. This proposal specifically aims to develop gels based on dynamic covalent chemistry. A class of functional dynamic covalent gel materials will be designed and synthesized. It is anticipated that dynamic covalent gels combine the responsive property of supramolecular gels and the relative stability of dynamic covalent bonding. Their structure will be highly tuneable and the relationship between their structure and their physical and chemical property will be investigated. Due to their unique structure, a group of novel functional dynamic covalent gels with unique properties will be exploited. Based on such gels highly porous aerogels with high surface areas will be developed. The materials will have unique sorption and catalytic properties, which have a direct impact on the field of functional gel materials.

动态共价键是能够可逆地形成和断裂的一类化学共价键，动态共价键具有的动态特性和自修复能力使其在新型功能材料制备方面具有重要作用。基于动态共价化学，利用简单的分子可构筑多孔聚合网络，这些材料在吸附、分离及催化方面具有重要潜在应用价值。尽管超分子凝胶是一类重要具有刺激响应性的软物质材料，但基于动态共价化学的超分子凝胶还鲜有研究。本项目拟基于典型的动态共价键设计合成一系列动态共价凝胶，这类新的凝胶有望具有超分子凝胶的刺激响应性，同时又具有动态共价键所赋予的相对稳定性。探究这类凝胶的物理化学性质、组装机理及结构调控策略，引入功能基元，制备高比表面积气凝胶，研究其在吸附、催化等方面的性能。本项目的实施将得到一系列具有吸附、催化等特性的新型动态共价凝胶，并在具有多级孔的功能软物质材料及高比面积气凝胶功能材料方面取得进展。

2014年我们设计并成功合成了一类基于有机小分子的动态共价键导向的凝胶，并将其命名为动态共价凝胶（Dynamic covalent gel）。动态共价凝胶作为一种新型软物质材料，基于典型的动态共价键包括由醛和胺反应生成的C=N亚胺键、由醛和肼反应得到的腙键等，在多个领域具有潜在应用价值。本项目较系统地研究这种动态共价凝胶的制备方法，并研究这类动态共价凝胶的结构调控方法和性能。合成具有特定功能团的有机基元，选取(或设计合成)具有不同功能团的小分子有机基元，如基于（金属）卟啉的四胺，通过刚性桥连二胺/醛/肼或多胺/醛/肼反应设计合成基于亚胺或腙的动态共价凝胶。和同类凝胶材料相比，动态共价凝胶材料可通过简单易得的有机原料制备，具有制备方法简单、成本低、可较大规模生产等优势。归纳特定因素对动态共价凝胶结构和性质的影响。通过调控动态共价凝胶的微观分子结构，从而优化其吸附、催化等性能。研究动态共价凝胶的后修饰、功能化及其吸附、催化性能研究，以及凝胶结构对性能的影响规律。对凝胶的稳定化进行了研究，发展了一类稳定的可回收的动态共价凝胶吸附材料和催化材料，用于CO2转换以及水污染物吸附等。扩展动态共价凝胶体系，将其组装规律扩展到超分子凝胶等体系，与微流技术结合等发展新型负载催化。通过本项目的研究，发展了一类基于简单小分子的具有层次孔的高比表面积动态共价凝胶功能材料，为进一步发展新型吸附、催化材料提供了基础，并具有重要的应用前景。