CN109705371B - 超分子材料、六臂星型交联的水凝胶及其制备方法 - Google Patents

超分子材料、六臂星型交联的水凝胶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于超分子化学的技术领域，尤其涉及一种超分子材料和六臂星型交联的水凝胶及其制备方法。其第一构筑单元和第二构筑单元，第一构筑单元具有式I结构，第二构筑单元具有式II或/和式Ⅲ结构，第一构筑单元与第二构筑单元基于金刚烷‑环糊精主客体自组装连接形成超分子材料。本发明还提供了一种六臂星型交联的水凝胶，包括：将第一构筑单元、第二构筑单元和水混合，通过第一构筑单元和第二构筑单元的金刚烷‑环糊精主客体在4‑20℃条件下溶解混合进行自组装，再加热到35‑50℃下形成水凝胶。本发明得到的六臂星型交联的水凝胶解决了现有的水凝胶存在的其结构杂乱、不可调控，对于宏观大裂纹自修复需要人工贴合的技术缺陷。

Description

超分子材料、六臂星型交联的水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于超分子化学的技术领域，尤其涉及超分子材料、六臂星型交联的水凝胶及其制备方法。
背景技术
自愈合是生物体最基本的特性，譬如皮肤和骨骼损伤后可以自动自愈合。水凝胶通常柔软而富有弹性，具有很高的水含量，这些特性使水凝胶与生物组织结构十分相似，因此，通过合理的设计也可以使水凝胶材料实现类似生物体的自修复功能。具有自愈合功能的水凝胶可以自动修复由于极端外部条件(如大变形或外力破坏)所引起的材料区域性损伤、使受损的凝胶恢复其形状和功能，从而延长凝胶材料的工作寿命和使用稳定性，优化经济效益，实现软材料的智能化、高效化和环境友好化。当今世界，智能自修复材料是一门新兴起的综合性科学。目前，具有自修复功能的水凝胶作为一种新型的智能软材料已成为新材料领域的研究热点之一。
基于主客体自组装的超分子水凝胶是一种重要的自修复材料。日本大阪大学的Harada教授团队利用β-环糊精(β-CD)和金刚烷(Ad)的主客体自组装作用设计了预先自组装的两种乙烯基单体，然后通过自由基聚合获得了一种自修复的水凝胶，该水凝胶切开的断面相互贴合一起后可以立刻粘结起来(Kakuta T.,Takashima Y.,Nakahata M.,OtsuboM.,Yamaguchi H.,Harada A.,Adv.Mater.2013,25(20):2849-2853.)。
然而对于现有技术制备的自修复水凝胶，其制备方法不可控，凝胶网络结构不够规整和灵活可调。另外，对于已报道的自修复水凝胶，只有将切开的断面手动贴合在一起后，在一定条件下才能观察到自修复，也就是，只有当材料内部产生微小的裂纹，聚合物分子链段在自由扩散运动的过程中能够相互接触的情况下才可以实现自修复。而对于较大的裂缝使自修复材料断面两侧不接触时，往往需要手动将断面两端贴合在一起，否则便无法完成自修复。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是公开一种结构规整可调并具有温度敏感性，以及无需人工贴合实现宏观大裂纹自修复的六臂星型交联的水凝胶。
本发明提供了一种超分子材料，包括第一构筑单元和第二构筑单元，所述第一构筑单元具有式I结构：
Figure GDA0002933761360000021
其中，R1选自
Figure GDA0002933761360000022
中的一种或两种；
所述第二构筑单元包括式II所示的聚合物或/和式Ⅲ所示的聚合物：
Figure GDA0002933761360000023
其中，X选自Br或N3；
R3选自
Figure GDA0002933761360000031
Figure GDA0002933761360000032
其中，X选自Br或N3；R3选自
Figure GDA0002933761360000033
所述第一构筑单元与第二构筑单元基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成超分子材料。
需要说明的是，式I单独与式II结构基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成超分子材料，也可以是，式I单独与式Ⅲ结构基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成超分子材料，也可以是，式I、式II结构和式Ⅲ结构三者基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成超分子材料。
具体的，式I(R1选自
Figure GDA0002933761360000034
中的一种或两种)的制备方法以双季戊四醇为原料，其制备路线如下：
Figure GDA0002933761360000041
具体的，式I的制备方法如下：由双季戊四醇和2-溴异丁酰溴通过酯化反应制备双季戊四醇基六溴ATRP引发剂，将双季戊四醇基六溴ATRP引发剂和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)进行ATRP聚合制得末端带溴的六臂星型温敏性聚合物。然后将六臂星型温敏性聚合物末端的溴取代为叠氮(-N3)后，得到式Ⅳ。最后，将式Ⅳ与式Ⅴ化合物进行点击反应得到式I，其中，R1为
Figure GDA0002933761360000042
将式Ⅳ与式Ⅵ化合物进行点击反应得到式I，其中，R1为
Figure GDA0002933761360000051
需要说明的是，式I是利用ATRP和点击化学技术，设计和合成具有多种拓扑结构和功能的聚合物，以双季戊四醇为原料合成六官能团ATRP引发剂，利用ATRP反应制得线性温敏性聚合物，通过叠氮化后，利用点击化学反应在温敏性聚合物链的末端接上经过炔基化的环糊精基团或者金刚烷基团制得末端含有环糊精残基或者金刚烷残基的具有温敏特性的式I。
需要说明的是，点击化学是一种快速合成大量化合物的新方法，主要通过小单元的拼接，以碳-杂原子键(C-X-C)合成为基础的组合化学反应，本发明的式I主要通过铜(I)催化的叠氮一炔环加成(CuAAC)反应，在六臂的聚合物的末端叠氮化生成末端有叠氮基的六臂聚合物，以此为基础通过低分子量的炔进行点击化学反应制备出式I。
作为优选，所述式Ⅴ的制备方法为：
将β-环糊精和对甲苯磺酰咪唑溶在水溶液中反应一段时间后，再添加氢氧化钠溶液继续反应，反应结束后滴加酸溶液调节pH至中性后冷却结晶，进而将结晶后固体产物与炔丙胺反应得到式Ⅴ。
具体的，所述式Ⅴ的制备方法为：将对甲苯磺酰咪唑，β环糊精在水中充分混合均匀后，加入氢氧化钠溶液，继续反应，待反应结束后过滤除去不溶物，并加入盐酸调节PH至中性，将中性产物冷却结晶8-16h后过滤，用去离子水洗后用丙酮洗涤粗产品；再用去离子水加热重结晶两次，真空干燥得到白色固体(记为OTs-CD)；将OTs-CD与炔丙胺，在惰性气体的保护下，避光反应，得到式Ⅴ的粗产物。式Ⅴ的制备过程如下述化学反应式：
Figure GDA0002933761360000052
其中，对式Ⅴ的粗产物可以用甲醇和水的混合液稀释后，在丙酮中沉淀，重复此步骤多次，过滤得产品，式Ⅴ产率为95％。
其中，式Ⅴ的制备方法得到式Ⅴ的产率为42-60％。
其中，以上式Ⅴ的制备方法中，以质量份计，对甲苯磺酰咪唑为1份，β环糊精为2-4份，氢氧化钠溶液为5-6份(氢氧化钠溶液的质量分数为20％)，盐酸的浓度为1-3mol/L、OTs-CD为1份，炔丙胺为2-3份。
其中，对甲苯磺酰咪唑，β环糊精和水混合，其反应时间为4-6小时；加入氢氧化钠溶液，混合时间为25min-35min；然后进行冷却结晶，冷却的温度为4℃；结晶后真空干燥的时间为48h；惰性气体为氮气；OTs-CD与炔丙胺避光反应的条件为50℃避光反应72-96h。
作为优选，所述式Ⅵ的制备方法为：
将金刚烷甲酸加入二氯甲烷(DCM)中，在冰浴条件下，将草酰氯经二氯甲烷稀释后加入金刚烷甲酸和二氯甲烷的混合液进行反应；将溶剂及多余的草酰氯旋出，得淡黄色固体1-金刚烷甲酰氯。再将三乙胺、1-金刚烷甲酰氯、无水乙醚、炔丙醇混合反应，反应结束后，过滤除去不溶物，依次使用盐酸溶液、NaHCO3和去离子水洗涤三次，然后用无水硫酸镁干燥，过滤除去硫酸镁，旋蒸，过中性氧化铝柱，得到式Ⅵ，式Ⅵ性质为无色粘稠状液体。式Ⅵ的制备过程如下述化学反应式：
Figure GDA0002933761360000061
其中，以上式Ⅵ的制备方法中，以摩尔份计，金刚烷甲酸为1摩尔份、草酰氯为1-1.5摩尔份、1-金刚烷甲酰氯为1摩尔份、三乙胺为1.2摩尔份、炔丙醇为1.2摩尔份、盐酸溶液的质量分数为10％、NaHCO3的质量分数为5％。
其中，二氯甲烷稀释的草酰氯是通过恒压滴液漏斗加入金刚烷甲酸和二氯甲烷的混合液中。
其中，草酰氯和金刚烷甲酸进行反应的时间为12-16h。
其中，三乙胺、1-金刚烷甲酰氯和无水乙醚加入反应瓶中，炔丙醇溶于无水乙醚后通过恒压滴液漏斗加入反应瓶中，滴加完毕后继续反应24-48h。
其中，无水硫酸镁干燥的时间为6-12h。
更优选的，在式II中，x为Br或N3；R3为
Figure GDA0002933761360000071
更优选的，在式Ⅲ中，x为Br或N3；R3为
Figure GDA0002933761360000072
作为优选，式II和式Ⅲ中，所述
Figure GDA0002933761360000073
含有α-环糊精、β-环糊精基团或γ-环糊精基团。
更优选的，式II和式Ⅲ中，所述
Figure GDA0002933761360000074
含有β-环糊精基团。
作为优选，式I中，所述y为50-100的整数；式II和式Ⅲ中，所述m为50-100的整数；所述n为0.5-10的整数。
作为优选，所述式I的制备方法为：将式Ⅳ和式Ⅴ进行点击反应，或将式Ⅳ和式Ⅵ进行点击反应，制得式I，其中，式Ⅳ、式Ⅴ和式Ⅵ的具体结构如下：
Figure GDA0002933761360000081
其中y为50-100的整数；
Figure GDA0002933761360000082
作为优选，所述式II的制备方法为：将式Ⅶ、式Ⅷ和式Ⅸ进行反应得到，所述式II的X为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000083
其中，所述式Ⅶ、所述式Ⅷ和所述式Ⅸ的具体结构如下：
Figure GDA0002933761360000084
作为优选，所述式Ⅲ的制备方法为：将式Ⅶ、式Ⅷ和式Ⅹ进行反应得到，所述式Ⅲ的X为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000085
其中，所述式Ⅶ、所述式Ⅷ和所述式Ⅹ的具体结构如下：
Figure GDA0002933761360000091
作为优选，所述式II的制备方法为：将式Ⅶ、式ⅩI和式Ⅸ进行反应得到，所述式II的X为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000092
其中，所述式Ⅶ、所述式ⅩI和所述式Ⅸ的具体结构如下：
Figure GDA0002933761360000093
作为优选，所述式Ⅲ的制备方法为：将式Ⅶ、式ⅩI和式Ⅹ进行反应得到，所述式Ⅲ的X为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000094
其中，所述式Ⅶ、所述式ⅩI和所述式Ⅹ的具体结构如下：
Figure GDA0002933761360000095
需要说明的是，所述式I，所述II和所述式Ⅲ是通过原子转移自由基聚合ATRP反应得到，以低价过渡金属卤化物为催化剂，以烷基卤代烃(R-X)为引发剂，电子給体化合物为配体。该聚合反应条件简单温和、所得聚合物分子量分布较窄。
需要说明的是，所述式ⅩI的制备方法为：单-6-乙二胺-β环糊精与丙烯酰氯进行反应得到。
本发明还提供了一种六臂星型交联的水凝胶，制备方法包括以下步骤：
将所述第一构筑单元、所述第二构筑单元和水混合，通过所述第一构筑单元和第二构筑单元中的金刚烷-环糊精主客体在4-20℃条件下溶解混合进行自组装，再加热到35-50℃下形成六臂星型交联的水凝胶，其中，所述第一构筑单元具有式I结构，所述第二构筑单元包括式II所示的聚合物或/和式Ⅲ所示的聚合物。
需要说明的是，式I、式II和水基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成水凝胶，也可以是，式I、式Ⅲ和水基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成水凝胶，也可以是，式I、式II、式Ⅲ和水基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成水凝胶。本发明利用主客体自组装作用，将第一构筑单元和第二构筑单元在水溶液中进行主客体自组装形成六臂星型交联的水凝胶，通过测试和观察表明该水凝胶具有温敏性和自修复性能，并且通过发挥温敏性和自修复的协同功能可以实现不用手动贴合的大裂纹自修复。
其中，所述六臂星型交联的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：在低温条件下，将第一构筑单元和第二构筑单元在水中溶解，静止数小时后在轻微加热的促进下形成六臂星型交联的水凝胶；还可以通过以下步骤制备：将第一构筑单元、第二构筑单元在四氢呋喃中溶解，再在水中透析后得到六臂星型交联的水凝胶。
作为优选，所述六臂星型交联的水凝胶的体积相转变温度为20-35℃。
作为优选，所述式I和所述第二构筑单元的摩尔比为1:(0.6-6)。
作为优选，所述式I和所述第二构筑单元在水溶液中混合质量浓度为5-25wt％。
本发明创造性的将式I作为“交联剂”，将侧链含有金刚烷或/和环糊精基团的聚合物(式II或/和式Ⅲ)通过主客体自组装的方式形成六臂星型交联的水凝胶，由于式I的末端含有六个环糊精或/和金刚烷基团，易与式II或/和式Ⅲ的侧链上的金刚烷或者环糊精基团进行主客体组装。因此，本发明通过第一构筑单元与第二构筑单元基于金刚烷-环糊精主客体自组装的超分子物理交联而形成凝胶网络，由于凝胶网络中均匀分布了基于金刚烷和环糊精的主客体自组装的物理交联点，其可以在受到外力破坏时先断开，又可以在断面两端相互接触时重新组装一起，从而赋予本发明的水凝胶优异的自修复功能。另外，本发明利用了式I和第二构筑单元具有温敏的特性，能响应温度的变化发生体积的膨胀或者收缩，当水凝胶产生大裂纹后，通过湿润和降低温度可以实现六臂星型交联的水凝胶的体积膨胀从而缩小裂纹间距，因此，可通过温度遥控本发明的水凝胶的大裂纹间距，从而实现不用手动贴合的宏观大裂纹的自修复。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明提供的实施例3制备的末端带溴的六臂星型温敏性聚合物的表征图谱；
图2是本发明提供的实施例3制备的式Ⅳ的红外谱图(b)，和实施例3制备的式I(R1为
Figure GDA0002933761360000111
)的红外谱图(c)；
图3是本发明提供的实施例3制备的式Ⅳ的GPC曲线图(b)实施例3制备的式I(R1为
Figure GDA0002933761360000112
)的GPC曲线图(c)；
图4是本发明提供的实施例6的六臂星型交联的水凝胶的实物图；
图5是本发明提供的实施例6的六臂星型交联的水凝胶的二维核磁图谱；
图6是本发明提供的对比例1的实物图；
图7是本发明提供的对比例2的实物图；
图8是本发明提供的实施例6的六臂星型交联的水凝胶的体积相转变温度图谱；
图9是本发明提供的实施例6的六臂星型交联的水凝胶的自修复的过程图，其中，A为六臂星型交联的水凝胶在40℃处理5min的实物图，B为对六臂星型交联的水凝胶切割裂纹的实物图，C为对调整裂纹大小后的实物图，D为六臂星型交联的水凝胶在4℃自修复20分钟后的实物图，E为六臂星型交联的水凝胶自修复完成后在40℃处理5min的实物图由此可见，六臂星型交联的水凝胶在常温下具有自修复能力，实施例6制备的六臂星型交联的水凝胶具有温敏性辅助的宏观大裂纹自修复功能。
具体实施方式
本发明提供了超分子材料、六臂星型交联的水凝胶及其制备方法，本发明的水凝胶解决了传统水凝胶存在的结构杂乱、不可调，不能自动修复宏观大裂纹的技术缺陷。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
其中，以下实施例所用原料均为市售或自制。
实施例1
本发明实施例提供了式Ⅴ和式Ⅵ的制备方法，具体步骤如下：
式Ⅴ的制备方法如下：将对甲苯磺酰咪唑(8.9g，40mmol)，β环糊精(β-CD，35g，30.84mmol)加入250ml的蒸馏水中搅拌呈白色悬浊液。室温搅拌下反应4小时后，加入50ml质量分数为20％的氢氧化钠溶液，继续搅拌30min，反应液由乳白色变为淡黄色。过滤除去不溶物，将滤液转入500ml烧杯中，并加入1.5mol/L的盐酸调节PH至中性。将烧杯置于4℃低温环境下冷却结晶12h。过滤，用去离子水洗后用丙酮洗涤粗产品。再用去离子水加热重结晶两次，真空干燥48h，最后得白色固体(记为OTs-CD)，OTs-CD 16.7g,产率42％。再将OTs-CD(10g，7.7mmol)加入有搅拌子的无水无氧瓶中，加入20ml炔丙胺，搅拌条件下，抽真空-充N2三次，在N2保护下，50℃避光反应96h。反应结束后，用甲醇和水的混合液稀释，加入大量的丙酮中沉淀，重复此步骤多次，过滤得式Ⅴ9.5g，式Ⅴ的产率为95％。
式Ⅵ的制备如下：金刚烷甲酸(9g，50mmol)和4滴无水DMF加入装有50ml无水二氯甲烷的150ml烧瓶中。在冰浴条件下，将(6.338g，50mmol)的草酰氯经20ml无水二氯甲烷稀释后通过恒压滴液漏斗加入反应瓶中。将反应升至室温后，继续搅拌反应12h。反应结束后，将液体及多余的草酰氯旋出，得淡黄色固体1-金刚烷甲酰氯。将三乙胺(6.07g，60mmol)和得到的固体1-金刚烷甲酰氯溶于100ml无水乙醚。将炔丙醇(3.3636g，60mmol)溶于50ml无水乙醚通过恒压滴液漏斗加入反应瓶中，滴加完毕后继续反应48h。反应结束后，过滤除去不溶物。分别用10％的盐酸溶液，5％的NaHCO3，去离子水洗涤三次，然后用无水硫酸镁干燥有机相12h。过滤除去硫酸镁，旋蒸，过中性氧化铝柱，得到式Ⅵ，式Ⅵ为无色粘稠状液体。
实施例2
对实施例1的式Ⅴ和式Ⅵ进行的表征检测，结果如下：
式Ⅴ：
1HNMR(400MHz,DMSO-d6):5.60～5.89(m,14H),4.75～4.81(m,7H),4.15～4.62(m,6H),3.45～3.72(m,28H),3.15～3.47(m,14H),2.41(s,3H),2.90-3.04(m,2H),2.69-2.79(m,1H).FT-IR(KBr,cm-1):3354,2929,2131,1705,1638,1414,1366,1233,1156,1028,946,859,756,706,580.ESI-MS(m/z):calculated,1171.4for C45H73O34N,found 1172.5for[M+H]+。
式Ⅵ：
1HNMR(400MHz,CDCl3-d):4.64(2H),2.4(1H),2.0(3H),1.9(6H),1.7(6H).FT-IR(KBr,cm-1):3308,2907,2853,2129,1731,1453,1365,1345,1323,1269,1225,1183,1157,1103,1073,997。
实施例3
本发明实施例提供了式I的制备方法，具体步骤如下：
式I(R1为
Figure GDA0002933761360000141
)的制备方法如下：首先由双季戊四醇和2-溴异丁酰溴通过酯化反应制备双季戊四醇基六溴ATRP引发剂，将该六溴引发剂(0.0667g，0.058mmol)，NIPAM(4g,35mmol)，Me6TREN(0.080g,0.35mmol)和10mL溶剂(VDMF:V水＝80：20)加入到无水无氧瓶中充分溶解。抽真空-充N2三次，在N2保护下快速加入CuBr(0.0504g,0.35mmol)，抽真空-充N2三次。在N2保护下继续搅拌反应2h，反应结束后加入15ml的THF稀释，并置于空气中搅拌2h，过硅胶柱除去溴化亚铜。旋去多余的溶剂，将产物加入冰乙醚中沉淀，重复2-3次以充分除去未聚合的单体。过滤后的产品在真空干燥箱中60℃干燥24h，得末端带溴的六臂星型温敏性聚合物。将所制备的末端带溴的六臂星型温敏性聚合物和叠氮化钠按1:32的摩尔比在DMF中于60℃下反应2天。反应后的溶液加入透析袋中透析，每4h换一次去离子水，透析2天。透析后的产品加入冰乙醚中沉淀，过滤，真空干燥得到式Ⅳ。点击反应：将式Ⅳ：式Ⅵ：PMDETA：CuBr＝1:6.5:6.5:6.5的摩尔比进行反应。将式Ⅳ、式Ⅵ、PMDETA按以上比例加入无水无氧瓶中，抽真空-充氮气三次，在氮气保护下加入CuBr后，抽真空-充氮气三次。反应在60℃下反应24h。反应结束后加THF稀释，并置于空气中搅拌2h。过硅胶柱除去溴化亚铜。旋蒸除去多余溶剂，将粗产品加入透析袋中透析2天，每6h换一次去离子水。然后于乙醚中沉淀，过滤，真空干燥得到式I，其中，R1为
Figure GDA0002933761360000142
式I(R1为
Figure GDA0002933761360000143
)的制备方法如下：首先由双季戊四醇和2-溴异丁酰溴通过酯化反应制备双季戊四醇基六溴ATRP引发剂，将该六溴引发剂(0.0667g，0.058mmol)，NIPAM(4g,35mmol)，Me6TREN(0.080g,0.35mmol)和10mL溶剂(VDMF:V水＝80：20)加入到无水无氧瓶中充分溶解。抽真空-充N2三次，在N2保护下快速加入CuBr(0.0504g,0.35mmol)，抽真空-充N2三次。在N2保护下继续搅拌反应2h，反应结束后加入15ml的THF稀释，并置于空气中搅拌2h，过硅胶柱除去溴化亚铜。旋去多余的溶剂，将产物加入冰乙醚中沉淀，重复2-3次以充分除去未聚合的单体。过滤后的产品在真空干燥箱中60℃干燥24h，得末端带溴的六臂星型温敏性聚合物。将所制备的末端带溴的六臂星型温敏性聚合物和叠氮化钠按1:32的摩尔比在DMF中于60℃下反应2天。反应后的溶液加入透析袋中透析，每4h换一次去离子水，透析2天。透析后的产品加入冰乙醚中沉淀，过滤，真空干燥得到式Ⅳ。点击反应：将式Ⅳ：式Ⅴ：PMDETA：CuBr＝1:6.5:6.5:6.5的摩尔比进行反应。将式Ⅳ、式Ⅴ、PMDETA按以上比例加入无水无氧瓶中，抽真空-充氮气三次，在氮气保护下加入CuBr后，抽真空-充氮气三次。反应在60℃下反应24h。反应结束后加THF稀释，并置于空气中搅拌2h。过硅胶柱除去溴化亚铜。旋蒸除去多余溶剂，将粗产品加入透析袋中透析2天，每6h换一次去离子水。然后于乙醚中沉淀，过滤，真空干燥得到式I，其中，R1为
Figure GDA0002933761360000151
实施例4
本发明实施例为实施例3制备的末端带溴的六臂星型温敏性聚合物和式I(R1为
Figure GDA0002933761360000152
)在点击反应前后进行验证试验。
末端带溴的六臂温敏性聚合物(下称聚合物)的表征图谱如图1所示，从图1可知，由于该聚合物分子量较大，结构式中的a氢和b氢所占比例较小，受聚合物中其它氢影响，在核磁谱图中的位置已很不清晰。c氢和d氢分别受到酯羰基和酰胺羰基的吸电子效应影响，向低场位移，在2.1ppm处发生重合。f氢自身位于叔碳上，且受到相连胺基的影响发生低场位移，位于3.9ppm处。聚合物链中的e氢位于1.5-1.6ppm处；1.0ppm处的氢为异丙基中甲基上的氢，即g氢。并根据聚合物的GPC分析，聚合物分子量为Mn＝11235,Mw＝13115,PDI＝1.16<1.2，分子量分布较窄，符合链长要求，故成功合成了末端带溴的六臂星型温敏性聚合物。
图2为式I(R1为
Figure GDA0002933761360000161
)点击反应前后的红外谱图，其中，图2的b为式Ⅳ的红外谱图，图2的c为式I(R1为
Figure GDA0002933761360000162
)的红外谱图；图3为式I(R1为
Figure GDA0002933761360000163
)点击反应前后的GPC曲线图，其中，图3的b为式Ⅳ的GPC曲线图，图3的c为式I(R1为
Figure GDA0002933761360000164
)的GPC曲线图。从图2可知，式Ⅳ的外谱图显示，式Ⅳ在2116cm-1处有明显的叠氮基特征峰。点击反应后，式I(R1为
Figure GDA0002933761360000165
)的红外谱图在2116cm-1叠氮基特征峰消失，故点击化学反应成功进行。另外，通过图3的GPC曲线的比较可以看出，式I(R1为
Figure GDA0002933761360000166
)的分子量明显比式Ⅳ大，说明大摩尔质量的金刚烷基团成功连接在了式Ⅳ的末端，且式I(R1为
Figure GDA0002933761360000167
)中不存在其它杂质，故成功合成了式I(R1为
Figure GDA0002933761360000171
)。
实施例5
本发明实施例提供了式Ⅱ、式Ⅲ和式ⅩI的制备方法，具体步骤如下：
A、式II(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000172
)的制备方法为：将式Ⅶ(8g,70.1mmol),式Ⅷ(0.433g,2.1mmol),式Ⅸ(0.1365g,0.7mmol),Me6TREN(0.1613g,0.7mmol)和20mL溶剂(VDMF:V水＝80：20)分别加入到无水无氧瓶中充分溶解。抽真空-充N2三次，在N2保护下快速加入CuBr(0.1018g，0.7mmol)，抽真空-充N2三次。在N2保护下继续搅拌反应2h，反应结束后加入15ml的THF稀释，并置于空气中搅拌2h，过硅胶柱除去溴化亚铜。旋去多余的溶剂，然后加入冰乙醚中沉淀，重复2-3次以充分除去未聚合的单体。过滤后的产品在真空干燥箱中60℃干燥24h，得到式II，x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000173
其化学合成路线如下：
Figure GDA0002933761360000174
其中，式II(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000181
)的制备方法与式II(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000182
)的制备方法相似，区别在于，将式Ⅷ替换为式ⅩI。
式II(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000183
)也可以进行叠氮处理，具体为式II(x为Br)和叠氮化钠按1:10的摩尔比在DMF中于60℃下反应2天。反应后的溶液加入透析袋中透析，每4h换一次去离子水，透析2天。透析后的产品加入冰乙醚中沉淀，过滤，真空干燥得到式II(x为N3，R3为
Figure GDA0002933761360000184
)。
B、式Ⅲ(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000185
)的制备方法为：式Ⅶ(8g,70.1mmol),式Ⅷ(0.433g,2.1mmol),式X(0.126g,0.35mmol),Me6TREN(0.1613g,0.7mmol)和20mL溶剂(VDMF:V水＝80：20)分别加入到无水无氧瓶中充分溶解。抽真空-充N2三次，在N2保护下快速加入CuBr(0.1018g，0.7mmol)，抽真空-充N2三次。在N2保护下继续搅拌反应2h，反应结束后加入15ml的THF稀释，并置于空气中搅拌2h，过硅胶柱除去溴化亚铜。旋去多余的溶剂，然后加入冰乙醚中沉淀，重复2-3次以充分除去未聚合的单体。过滤后的产品在真空干燥箱中60℃干燥24h，得到式Ⅲ(x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000186
)，其化学合成路线如下：
Figure GDA0002933761360000191
其中，式Ⅲ(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000192
)的制备方法与式Ⅲ(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000193
)的制备方法相似，区别在于，将式Ⅷ替换为式ⅩI。
式Ⅲ(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000194
)也可以进行叠氮处理，具体为式Ⅲ(x为Br)和叠氮化钠按1:12的摩尔比在DMF中于60℃下反应2天。反应后的溶液加入透析袋中透析，每4h换一次去离子水，透析2天。透析后的产品加入冰乙醚中沉淀，过滤，真空干燥得到式Ⅲ(x为N3，R3为
Figure GDA0002933761360000201
)。
C、式ⅩI的制备方法为：将单-6-乙二胺-β-环糊精(10g，8.5mmol)溶解在20ml的无水DMF中，加入6ml无水三乙胺并充分搅拌均匀，在0℃下将丙烯酰氯(6ml，42.5mmol)逐滴加到单-6-乙二胺-β-环糊精溶液中，滴加完后室温反应24h。于大量无水乙醇中沉淀得到粗产品，用少量蒸馏水溶解粗产品并于丙酮中沉淀2-3次进行纯化。
实施例6
本实施例提供了一种六臂星型交联的水凝胶，制备方法为：将以上实施例制备得到式I(其R1为
Figure GDA0002933761360000202
)和式II(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000203
)按摩尔比为1：2配成10wt％的水溶液在低温下(5℃)混合均匀并静置1天后再升温到35℃形成六臂星型交联的水凝胶，所得六臂星型交联的水凝胶在25℃和35℃下的实物图如图4所示，图4的左侧为凝胶在25℃下的实物，图的右侧为凝胶在35℃下的实物图，由图可见，本实施例6成功制备了六臂星型交联的水凝胶并且其在不同温度下外观透明度的区别表明了其具有温度敏感性。
实施例7
本实施例为测试实施例6的六臂星型交联的水凝胶的二维核磁图谱，如图5所示，环糊精内部为疏水结构，外部为亲水结构，金刚烷基团作为一种良性脂溶性结构，与环糊精有良好的络合常数。环糊精内部的H3和H5容易与包含在环糊精内部的脂溶性基团上的氢发生耦合。环糊精内部的H3和H5出现在3.6-4.0ppm之间，金刚烷基团上的氢出现在1.5-2.2ppm之间。图5的二维核磁谱图中出现了金刚烷与环糊精的耦合点，这证明金刚烷基团已经嵌入了环糊精的内腔。
对比例1
本对比例提供了第一种对比例，制备方法为：将以上实施例制备得到式I(其R1为
Figure GDA0002933761360000211
)和式I(其R1为
Figure GDA0002933761360000212
)按1:2的摩尔比在同实施例6的条件下进行均匀混合后，其实物图如图6所示，图的左侧为25℃的实物，图的右侧为35℃的实物，在两个温度下均未形成凝胶。
对比例2
本对比例提供了第二种对比例，制备方法为：将以上实施例制备得到式II(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000213
)和式II(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000214
)按1:2的摩尔比在同实施例6的条件下进行均匀混合后，其实物图如图7所示，图的左侧为25℃的实物，图的右侧为35℃的实物，在两个温度下均未形成凝胶。
实施例8
本实施例为测试实施例6的六臂星型交联的水凝胶的体积相转变温度，步骤如下：将实施例6中充分溶胀的六臂星型交联的水凝胶样品进行DSC分析，升温范围为5-45℃，并在5℃停留10min，升温速率为3℃/min，干燥氮气氛围，所测的DSC曲线的峰值为对应六臂星型交联的水凝胶的体积相转变温度(VPTT，volume phase transition temperature)，如图8所示，实施例6的六臂星型交联的水凝胶的体积相转变温度(VPTT)为31.8℃。
实施例9
本实施例为测试实施例6的六臂星型交联的水凝胶的自修复能力，如图9所示，图9的A-E为在水凝胶自修复过程，A为六臂星型交联的水凝胶在40℃处理5min的实物图，B为对六臂星型交联的水凝胶切割裂纹的实物图，C为对调整裂纹大小后的实物图，D为六臂星型交联的水凝胶在4℃自修复20分钟后的实物图，E为六臂星型交联的水凝胶自修复完成后在40℃处理5min的实物图由此可见，六臂星型交联的水凝胶在常温下具有自修复能力，实施例6制备的六臂星型交联的水凝胶具有温敏性辅助的宏观大裂纹自修复功能。
实施例10
本实施例提供了第二种六臂星型交联的水凝胶，制备方法为：将实施例3制备得到式I(其R1为
Figure GDA0002933761360000221
)和式II(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000222
)按摩尔比为1:1配成15wt％的水溶液在低温下(5℃)混合均匀后并静置1天后再取出加热到35℃下形成六臂星型交联的水凝胶。本实施例的六臂星型交联的水凝胶具有温敏性和自修复功能，并且通过温度的遥控可以实现不用手动贴合的宏观大裂纹的自修复。
实施例11
本实施例提供了第三种六臂星型交联的水凝胶，制备方法为：将实施例3制备得到式I(其R1为
Figure GDA0002933761360000223
)、式Ⅲ(其x为Br，R3为
Figure GDA0002933761360000224
)按摩尔比为1:1.5配成10wt％的水溶液在低温下(4℃)混合均匀后并静置1天后再取出于40℃加热形成六臂星型交联的水凝胶。测定本实施例六臂星型交联的水凝胶的温敏性和自修复性能。实验表明，本实施例的六臂星型交联的水凝胶具有温敏性和自修复功能，并且可以通过温度的遥控实现不用手动贴合的宏观大裂纹的自修复。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超分子材料，其特征在于，包括第一构筑单元和第二构筑单元，其中，所述第一构筑单元具有式I结构：
Figure FDA0002933761350000011
其中，R1选自
Figure FDA0002933761350000012
中的一种或两种；所述y为50-100的整数；
所述第二构筑单元包括式II所示的聚合物或/和式Ⅲ所示的聚合物：
Figure FDA0002933761350000013
其中，X选自Br或N3；R3选自
Figure FDA0002933761350000014
所述m为50-100的整数；所述n为0.5-10的整数；
Figure FDA0002933761350000021
其中，X选自Br或N3；R3选自
Figure FDA0002933761350000022
所述m为50-100的整数；所述n为0.5-10的整数；
所述第一构筑单元与第二构筑单元基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成超分子材料。
2.根据权利要求1所述超分子材料，其特征在于，式II和式Ⅲ中，所述
Figure FDA0002933761350000023
含有β-环糊精。
3.根据权利要求1所述超分子材料，其特征在于，所述第一构筑单元的制备方法为：将式Ⅳ和式Ⅴ进行点击反应，或将式Ⅳ和式Ⅵ进行点击反应，制得第一构筑单元，其中，式Ⅳ、式Ⅴ和式Ⅵ的具体结构如下：
Figure FDA0002933761350000031
4.根据权利要求1所述超分子材料，其特征在于，所述式II的制备方法为：将式Ⅶ、式Ⅷ和式Ⅸ进行反应得到，所述式II的X为Br，R3为
Figure FDA0002933761350000032
其中，所述式Ⅶ、所述式Ⅷ和所述式Ⅸ的具体结构如下：
Figure FDA0002933761350000033
所述式Ⅲ的制备方法为：将式Ⅶ、式Ⅷ和式Ⅹ进行反应得到，所述式Ⅲ的X为Br，R3为
Figure FDA0002933761350000034
其中，所述式Ⅶ、所述式Ⅷ和所述式Ⅹ的具体结构如下：
Figure FDA0002933761350000041
5.根据权利要求1所述超分子材料，其特征在于，所述式II的制备方法为：将式Ⅶ、式ⅩI和式Ⅸ进行反应得到，所述式II的x为Br，R3为
Figure FDA0002933761350000042
其中，所述式Ⅶ、所述式ⅩI和所述式Ⅸ的具体结构如下：
Figure FDA0002933761350000043
所述式Ⅲ的制备方法为：将式Ⅶ、式ⅩI和式Ⅹ进行反应得到，所述式Ⅲ的x为Br，R3为
Figure FDA0002933761350000044
其中，所述式Ⅶ、所述式ⅩI和所述式Ⅹ的具体结构如下：
Figure FDA0002933761350000045
6.一种六臂星型交联的水凝胶，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
将第一构筑单元、第二构筑单元和水混合，通过所述第一构筑单元和第二构筑单元的金刚烷-环糊精主客体在4-20℃条件下溶解混合进行自组装，再加热到35-50℃下形成六臂星型交联的水凝胶，其中，所述第一构筑单元具有权利要求1至5任意一项所述的式I结构，所述第二构筑单元包括权利要求1至5任意一项所述的式II所示的聚合物或/和权利要求1至5任意一项所述的式Ⅲ所示的聚合物。
7.根据权利要求6所述的六臂星型交联的水凝胶，其特征在于，所述六臂星型交联的水凝胶的体积相转变温度为20-35℃。
8.根据权利要求6所述的六臂星型交联的水凝胶，其特征在于，所述式I和所述第二构筑单元的摩尔比为1:(0.6-6)。
9.根据权利要求6所述的六臂星型交联的水凝胶，其特征在于，所述式I和所述第二构筑单元在水中的混合质量浓度为5-25wt％。
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GR01 Patent grant
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