纸质出版日期:2022-10-20,
网络出版日期:2022-07-29,
收稿日期:2022-05-17,
录用日期:2022-06-16
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手性聚合物的研究对于理解生命过程和制备智能材料具有重要的指导意义. 作为一类典型的光响应性发色团,将偶氮苯基团引入到手性聚合物体系中,能够赋予聚合物光手性开关特性. 相比于传统的利用手性单体共价聚合的方式,利用超分子手段实现聚合物手性诱导是一种更为简便、高效、智能、廉价的方式. 本文从偶氮苯基手性聚合物的构筑方法入手,介绍不同构筑策略对于超分子手性开关行为的影响,并且总结了不同构筑策略的优势与特点. 最后指出在偶氮苯基聚合物的超分子手性开关领域存在的关键科学问题和未来研究中的挑战.
The study of chiral polymers has important guiding significance for understanding life processes and preparing smart materials. As a typical photo-responsive chromophore, the introduction of azobenzene groups into chiral polymer systems can endow polymers with optical chirality switch characteristics. Compared with the traditional covalent polymerization by chiral monomers, the use of supramolecular strategy means is a more convenient, efficient and intelligent way to induce polymer chirality. Generally speaking, inducing polymer chirality by supramolecular means can often avoid the use of expensive chiral reagents to save costs, and it can also endow polymer systems with more excellent chirality properties. In recent years, chiral polymers in biomimetic materials, asymmetric catalytic materials and chiral optical devices have shown great application prospects, and promote the interest of scholars in this field. Based on the above background, this paper is classified by the construction methods of azobenzene-based chiral polymers such as chiral monomers, chiral end groups, chiral solvents, chiral gel factors, circularly polarized light and chiral host macrocycles. Then, the effects of different construction strategies on the supramolecular chirality switches are mainly introduced, and the advantages and characteristics of different construction strategies are also summarized. Finally, at the end of this paper, we point out the key scientific issues and challenges in future research of supramolecular chirality switching based on azobenzene polymers.
利用手性单体、手性端基、手性溶剂、手性凝胶因子、圆偏振光和手性主体大环等策略来构筑基于偶氮苯的手性聚合物.
手性是生物和自然界的基本特征. 组成生命体的基本基元,如氨基酸、糖类、萜类等,均是典型的手性分子[
偶氮苯[
将偶氮苯基团引入到手性聚合物中便能够得到偶氮苯基光响应型手性聚合物. 通过无损、无化学添加物的手段实现手性聚合物结构, 超分子聚集形态与手性性质的远程调控. 利用同一材料体系实现多种状态的手性性质表达,为制造智能加密材料和自修复材料提供解决方案. 偶氮苯基手性聚合物的构筑策略通常分为以下几种:(1) 通过手性单体的共价键连接赋予聚合物超分子手性;(2) 手性介质诱导非手性聚合物的超分子手性表达;(3) 利用偶氮苯作为常见的大环客体分子的特性,引入手性大环诱导客体偶氮苯分子手性表达. 本文将以基于偶氮苯的手性聚合物构筑策略为分类依据,简述偶氮苯聚合物的超分子手性开关领域在近些年内的研究进展,为后续仿生及智能响应性材料的制备提供新的研究思路和借鉴.
手性聚合物最常见的构筑方式,通常是将点手性基元与偶氮苯基团直接连接得到聚合单体,从而诱导偶氮苯发色团产生手性,再将所得到的手性单体通过共价键接得到共价型手性聚合物[
张伟课题组合成出具有手性的偶氮聚合物单体(AzoMA*)[
Fig. 1 Schematic representation of induction the polymer supramolecular chirality by chiral monomers and its photo-responsive chiral switch (Reprinted with permission from Ref.[
除了上述在聚合单体中引入手性基元外,端基对于聚合物合成、组装行为以及功能应用上也有重要的影响[
Fig. 2 Schematic representation of induction the polymer supramolecular chirality by chiral end groups. (a) Schematic of the induction polymer supramolecular chirality by chiral end groups; (b) solvent regulation and (c) spacer lengths regulation (Reprinted with permission from Ref.[
相对于全手性单体聚合得到的手性聚合物,引入手性端基并通过“将军-士兵”规则实现整个聚合物链的超分子手性表达,是一种经济高效的构筑手性聚合物的策略. 这种策略进一步启发人们利用其他手性因素实现整个体系超分子手性的诱导. 然而,与手性单体相类似,手性端基往往也是通过共价的手段实现的,能否通过完全非共价的手段实现非手性聚合物的超分子手性表达?经过不断地探索,研究者们发现手性介质、手性光源以及手性主-客体相互作用等非共价手段都可以实现手性聚合物的简便构筑.
手性溶剂是诱导非手性聚合物产生超分子手性的简单、有效的策略. 张伟课题组采用手性溶剂柠檬烯诱导非手性偶氮苯聚合物,通过改变R/S-柠檬烯的构型以及调节柠檬烯的比例,可以控制聚合物超分子手性的信号方向和信号大小[
在此基础上,该课题组以侧链型非手性偶氮苯聚合物为主体,在手性蒸汽氛围中诱导非手性偶氮苯(Azo)聚合物获得超分子手性[
Fig. 3 Schematic representation of (a, b) controlled the supramolecular chirality of achiral polymers combining chiral solvent induced with covalent crosslinking strategy, and (c) reversible response behavior under solvent, temperature, light (Reprinted with permission from Ref.[
手性凝胶因子共组装策略也是诱导聚合物超分子手性的常用手段. 由于手性溶剂诱导往往局限于溶液体系,这将大大限制手性材料的实际应用,利用手性凝胶因子诱导可以拓宽手性材料的适用范围.
在手性共组装策略中,刘鸣华课题组与张伟课题组合作采用小分子凝胶因子——N,N-双(十八烷基)-Boc-谷氨酸二酰胺(BG-18),与含有偶氮苯的聚合物共组装形成超分子凝胶(
Fig. 4 Schematic representation of induction the supramolecular chirality of achiral polymers by chiral gel factor and its photo-responsive chiral switch. (Reprinted with permission from Ref.[
此外,该课题组通过改变凝胶因子和偶氮苯的共组装模式,更进一步验证不同共组装方法对于超分子手性的调控(
Fig. 5 Schematic representation of induction the supramolecular chirality of achiral polymers by chiral gel factor and their photo-responsive chiral switches (Reprinted with permission from Ref.[
圆偏振光 (CPL) 作为一种无质量的物理力,会导致绝对不对称的光合作用、光破坏和光分辨率[
Kim课题组采用圆偏振光诱导非手性偶氮苯聚合物[
Fig. 6 Schematic representation of reversible induction the supramolecular chirality of achiral polymers by alternating L/R-CPL (Reprinted with permission from Ref.[
为了进一步探究聚合物结构对超分子手性表达的影响,杨光课题组合成了2种具有不同柔性间隔基的手性偶氮苯侧链聚合物[
Fig. 7 Schematic representation of reversible regulation of Azo-PMA6 polymer supramolecular chirality by anneal and UV-light (Reprinted with permission from Ref.[
对于没有任何间隔基团的偶氮聚合物(Azo-PMA0),侧链的手性不能传递至聚合物主链,导致聚合物手性沉默,证明间隔基的长度在偶氮苯发色团在手性转移和调控中起着至关重要的作用. 虽然具有侧基手性的聚合物链自身无法诱导产生超分子手性,但Azo-PMA0的手性可以通过使用450 nm波长的CPL照射来诱导以及可逆调控,使用L/R-CPL分别可以在偶氮苯的π-π跃迁带产生负/正手性信号,并且这种信号是完全可逆的(
Fig. 8 Schematic representation of reversible regulation of Azo-PMA0 polymer supramolecular chirality by alternating L/R-CPL (Reprinted with permission from Ref.[
由此可见,圆偏振光作为一种手性场,可以诱导非手性体系超分子手性,且具有低能耗、响应快的可控特性. 但是,这种策略才刚刚起步,在诱导机制方面仍需继续深入研究.
偶氮苯基元是一个典型的客体分子,可以与环糊精、柱芳烃、葫芦脲等大环分子产生主-客体作用. 因此,另外一种途径就是直接采用手性大环通过主客-体相互作用诱导偶氮苯手性表达.
刘鸣华课题组设计了一种新型两亲性树突状分子(AZOC8GAc),它具有3个L-谷氨酸基团和偶氮苯基团位于该分子的两端,并且2个基团中间通过C8的烷基链共价连接(
Fig. 9 Schematic representation of reversible controlling the supramolecular chirality of the original system by adding cyclodextrins. Schematics and photos of (a) AZOC8GAc, (b) AZOC8GAc/α-CD; circular dichroism spectra of (c) AZOC8GAc, (d) AZOC8GAc/α-CD (Reprinted with permission from Ref.[
刘育课题组利用偶氮苯的光异构化特性、α-环糊精与偶氮苯的反式和顺式构象异构体独特的“ON-OFF”型包合行为,构筑了基于偶氮苯-二苯丙氨酸(Azo-FF)的光/化学双控手性超分子聚合物组装体(
Fig. 10 Schematic representation of reversible controlling the morphology and supramolecular chirality of the system by controlling host-guest interaction behavior between α-CD and Azo. (Reprinted with permission from Ref.[
由此可见,环糊精的引入不仅可以调节原有超分子聚合物组装体形貌,丰富原有超分子聚合物体系的组装行为,并且是调控体系超分子手性的简单有效手段. 此外,在环糊精体系中,依据Harata和Kodaka规则[
上述报道中,在基于偶氮苯的超分子聚合物中引入环糊精,通过主体环糊精与客体偶氮苯分子主客体作用可以实现手性的诱导和传递,从而调控原有体系的组装行为和手性表达. 但是在传统的聚合物中,响应性官能团通常只能接在聚合物的侧基以及端基,这主要是由于在自由基聚合、活性可控聚合中,主链通常为碳-碳双键结构(―C=C―),难以修饰目标官能团. 若要合成制备骨架响应性聚合物,通常需要复杂的修饰以及聚合过程. 在这里,我们采用共价/非共价协同的策略,构筑骨架响应型聚合物,并且研究骨架效应对于超分子手性传递的影响[
Fig. 11 Schematic representation of topological effects controlled the chirality of supramolecular polymers and chiroptical switch (Reprinted with permission from Ref.[
由于AB2单体中支化点的存在,这就导致了HP中A和B的主客体包合模式不同于LP,致使cis-HP和cis-LP中偶氮苯产生不同方向的偶极距,最终导致其分别诱导产生正/负手性信号. 这一结论得到了一维核磁氢谱与二维氢-氢相关核磁谱的结果和Harata规则的充分验证. 此外,由于聚合物的超支化拓扑结构增强了HP的空间位阻,从而显著放大了超分子手性信号(
Fig. 12 Schematic illustration mechanism of the topological effects controlled the supramolecular chirality in supramolecular polymers (Reprinted with permission from Ref.[
基于偶氮苯聚合物的超分子手性开关领域的研究,从早期手性诱导模式的探索,诱导策略的不断丰富,到近些年深化了手性诱导机理解释以及在信息存储,自修复材料领域展示性应用. 由此可见,该领域是一个循序渐进和不断完善的过程. 偶氮苯聚合物的手性诱导策略通常有手性单体共价聚合,聚合物手性端基诱导,手性溶剂、手性凝胶因子介质诱导,CPL场诱导和手性大环主客体作用诱导这几种方式. 偶氮苯所具有的光/热致异构特性赋予了相应聚合物的超分子手性开关行为.
通常来看,通过共价键合构筑手性聚合物涉及昂贵的手性试剂,繁琐的合成步骤等缺点,但结构可控,手性诱导机理较为确定. 非共价键由于具有较弱的键能,往往赋予手性材料多重的调控性,但这一弱相互作用往往使得体系容易遭受外界刺激而导致永久破坏,从而使材料手性产生不可逆破坏,这无疑是制约手性材料发展的关键要素. 因此,可以采用共价/非共价协同的思路,结合两者之间的优势,构筑手性聚合物. 例如我们先通过共价键,将主体和客体分子键合到一个分子上,得到结构明确的超分子聚合物单体,再通过非共价主客体作用,最终得到超分子聚合物. 这种设计策略可以便捷地将响应性基团固定在聚合物骨架中,制备骨架响应型聚合物材料[
值得一提的是,偶氮苯基团处在溶液时,由于溶剂环境给偶氮苯的异构提供了充分的空间,通常使体系具有良好的光致异构行为,可以通过紫外/可见光照实验完全可逆的顺反异构转变. 但是在晶体材料中,由于偶氮苯基团自身紧密堆积排列,光响应性行为会受到抑制. 例如在液晶材料中,紫外光可以实现trans→cis的转变,但可见光无法实现cis→trans的转变,通常需要采用加热使偶氮苯基团实现cis→trans转变[
需要指出的是,目前的手性聚合物体系主要集中在基态手性的研究,对于其激发态手性的研究才刚刚起步[
总而言之,基于偶氮苯聚合物的超分子手性开关,无论是诱导策略、手性调控和机理解释方面均有了一定的进展,在实际应用方面,仍然具有很广阔的发展空间. 相信响应性手性聚合物领域在未来将出现更多新颖巧妙的合成方法,构筑策略,组装思路,并且有望在仿生材料和智能材料领域展现出其独特的使用价值.
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