《Chem. Soc. Rev.》综述：基于轮烷的机械互锁聚合物

机械互锁聚合物(Mechanically Interlocked Polymers, MIPs)是高分子科学与机械互锁结构融合的产物，是高分子材料最新的研究方向之一。机械互锁聚合物兼具超分子聚合物的动态特性和共价聚合物的稳定性。与此同时，机械互锁基元的分子尺度微观运动，如索烃的旋转、伸长、扭转，轮烷的滑动、旋转等，可以在聚合物上积聚和放大，使高分子材料具有独特的宏观性能。相比于索烃和其它机械互锁结构，轮烷结构在聚合物的设计、制备以及性能研究中应用更加广泛和深入。

近日，黄飞鹤教授课题组受邀在化学领域顶级综述期刊 Chemical Society Reviews上发表了题为“Mechanically interlocked polymers based on rotaxanes”的综述论文，全面介绍了目前基于轮烷的机械互锁聚合物的合成策略、性能表征和应用探索，包括线性聚轮烷、聚轮烷网络和轮烷树枝状大分子，旨在阐明轮烷组分如何影响高分子材料的结构和性能，为新型机械互锁聚合物的设计、合成和应用提供新的参考。

图1：含有轮烷结构的各种机械互锁聚合物

引入轮烷结构的聚合物是机械互锁聚合物的一个重要分支。轮烷组分的结构、位置(主链或侧链)和含量(重复单元等)，以及聚合物的拓扑结构(线性或交联聚合物)的改变，能够极大地丰富基于轮烷的机械互锁聚合物的种类。因此，文章作者结合近年来基于轮烷的机械互锁聚合物的研究进展，根据聚合物的拓扑结构，将该类聚合物分为线型聚轮烷、聚轮烷网络和轮烷树枝状大分子。以此为主线，又结合机械互锁结构与聚合物的结合方式，将基于轮烷的不同机械互锁聚合物分为以上几类(图1)，讨论了它们的合成、表征和应用。

通过该综述可以看到，作者总结归纳了轮烷结构的引入为聚合物材料带来的优异性能。首先，由于轮烷易于衍生，基于轮烷的机械互锁聚合物的结构和性能更便于通过对轮烷分子的修饰来调节；轮烷结构使不同的化学组分之间以非共价键的形式连接在一起，使设计具有复杂结构和性能的聚合物材料变得灵活且高效。同时，轮烷中沿轴的长距离可逆分子滑动还有利于微观分子运动在聚合物宏观性能上的放大和积累。此外，轮烷中滑动和旋转的协同分子运动提供了一种有效的能量耗散机制，可以有效地调节聚合物材料的机械性能。因此，此类聚合物被广泛应用于机械吸附、传感材料、3D打印材料、以及药物传递等重要领域（图2）。

图2：基于轮烷的机械互锁聚合物的应用

在文章的最后作者指出，虽然上述优点足够令人兴奋，但是很多独特性能的研究仍然只停留在实验室水平，这表明基于轮烷的机械互锁聚合物材料的应用探索才刚刚起步，仍然面临着挑战。首先，需要高效的小分子合成和高分子聚合策略来推动基于轮烷的机械互锁聚合物的大规模制备。其次，精准调控聚合物结构是该领域面临的另一个挑战，这主要体现在聚轮烷的可控环数和精确修饰。最后，如果在基于轮烷的机械互锁聚合物中能够实现对组分间相对运动完全控制、定向集成和高效放大，将获得具有巨大应用潜力的智能材料。

论文信息：

Mechanically interlocked polymers based on rotaxanes

Liya Chen, Xinru Sheng, Guangfeng Li,* and Feihe Huang*

Chemical Society Reviews

DOI: 10.1039/d2cs00202g

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D2CS00202G

文章转载自“高分子科技”公众号

黄飞鹤教授个人主页：https://person.zju.edu.cn/feihehuang