CJC | 四川大学张新星教授课题组：基于分子滑移和构象转变的聚轮烷基功能材料

Recent Advances

Polyrotaxane-Based Functional Materials Enabled by Molecular Mobility and Conformational Transition

Qinke Cui, Xinxing Zhang*

This review described the development of polyrotaxanes and summarized functional applications including self-healing stretchable elastomers/gels, stimuli-responsive smart devices, battery electrode binders, and biomedical drug deliver, providing an overview of current opportunities and challenges of polyrotaxane-based materials.

Polyrotaxanes | Mobility | Conformation | Applications | Functional Polymers | Noncovalent interactions

基于分子滑移和构象转变的聚轮烷基功能材料

分子链两端带有大位阻端基且环分子可以在链上自由滑动的结构被称为轮烷。作为最典型的机械互锁结构之一，轮烷具有高构象自由度和永久空间关联，其形成依赖于超分子作用诱导的组装过程，包括主客体相互作用，π-π堆叠，氢键，金属配位等。轮烷在分子催化和化学传感中的重要作用引发了科学家们广泛的研究。2016年诺贝尔化学奖被授予J. Fraser Stoddart，Jean-Pierre Sauvage和Bernard L. Feringa，以表彰他们在该领域做出的卓越贡献。

在聚合物链中引入适量轮烷单元促进了聚轮烷的诞生。1992年至1996年，首次成功合成以环糊精(Nature1992, 356, 325; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1992,31, 197)、葫芦脲(J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11333)和冠醚(Macromolecules 1992, 25, 2058)为环分子的聚轮烷。然后研究人员进一步探索了具有可移动八字形交联的滑环凝胶(Adv. Mater. 2001, 13, 485)，其具有不同于传统交联凝胶的滑环效应与弹性特点，为聚轮烷在功能材料中的开发奠定了基础。最近十年中，聚轮烷基功能材料的开发主要依赖于滑环结构的分子流动与构象转变。环分子具有高运动活性是构筑超柔弹性体与增韧交联剂的基本逻辑(Compos. Sci. Technol. 2023, 235, 109976)，同时也是聚轮烷粘合剂在电池充放电过程中适应硅颗粒巨大体积变化的必要条件(Science 2017, 357, 279)。另一方面，滑环结构的可逆构象转变实现了材料的多功能性，包括刺激响应与药物释放(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1584; Prog. Poly. Sci. 2021, 118, 101408)。目前，凭借其优越的性能，聚轮烷越来越多地被应用于以柔性电子为代表的智能器件中(Science 2022, 375, 1411)，以促进材料的多功能集成式发展。

近期，由四川大学张新星教授团队撰写的综述文章“Polyrotaxane-Based Functional Materials Enabled by Molecular Mobility and Conformational Transition”重点介绍了近五年来聚轮烷中由高度分子滑移和可逆构象转变主导的重要机制。例如，环分子的高自由度赋予了聚合物中沿轴向的可移动交联，此滑移过程中非共价键不断解离和重构，聚轮烷发生应变诱导的构象改变和大幅应力耗散；通过外界刺激条件控制环分子在轴上大振幅可逆往复运动以及滑环结构构象转变，实现基于轮烷的分子穿梭和功能响应。此外，该综述亦包括了最近五年来聚轮烷基功能材料的研究进展，例如自修复可拉伸弹性体/凝胶、刺激响应智能器件、电池电极粘合剂和医疗诊断及药物递送工具等。该综述不仅可为分子滑移和构象转变对聚轮烷性能的影响提供参考，亦可为聚轮烷基功能材料的设计、合成和应用提供见解和指导。

图1 聚轮烷及其功能材料的发展时间线

上述综述文章作为Recent Advances发表于Chin. J. Chem. 2023, 41, 2715-2729, DOI: 10.1002/cjoc.202300239)。该工作得到了国家自然科学基金（52173112、51873123）、四川省杰出青年自然科学基金（2021JDJQ0017）的资助。

认识本文的作者们

Left to Right: Qinke Cui, Xinxing Zhang

张新星教授简介

四川大学 高分子研究所/高分子材料工程国家重点实验室

张新星： 工学博士，四川大学教授，博士生导师，入选国家高层次人才特殊支持计划青年项目，“十三五”国家重点研发计划项目首席，四川省杰青，生态环境部青年拔尖人才，四川省学术和技术带头人后备人选，高分子材料工程国家重点实验室固定人员。 主要从事高分子材料高性能化与功能化，绿色回收与再制造等方面的研究工作。 主持国家重点研发计划、国家自然科学基金（5项）、四川省杰出青年科学基金、省级科技重大专项等项目20余项，以通讯/一作身份在 Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Small, Adv. Sci., Chem. Mater., Mater. Horiz. 等主流学术期刊发表SCI论文100余篇，SCI他引7000余次，曾获中国轻工业联合会科技进步一等奖、中国橡胶科技创新奖等。 兼任国际先进材料协会（IAAM）会士（Fellow），中国再生资源产业技术创新战略联盟专家委员会委员，四川省轮胎胶粉功能化与改性工程实验室主任， SusMat ， Frontiers in Chemistry , Materials ，《塑料工业》等期刊青年编委、客座编辑等。

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