CN109851694B - 一种超分子材料和一种自修复水凝胶 - Google Patents

一种超分子材料和一种自修复水凝胶 Download PDF

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Abstract

本发明属于超分子化学的技术领域，尤其涉及超分子材料，其包括第一构筑单元、第二构筑单元和第三构筑单元，第一构筑单元具有式一结构，第二构筑单元具有式二结构，第三构筑单元具有式三或/和式四结构，第一构筑单元、第二构筑单元与第三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。本发明还提供了水凝胶，包括：将第一构筑单元、第二构筑单元、第三构筑单元和水混合，通过第一构筑单元、第二构筑单元和第三构筑单元的金刚烷‑环糊精主客体在4‑20℃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

一种超分子材料和一种自修复水凝胶
技术领域
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一种自修复水凝胶。
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.,HaradaA.,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水凝胶。
本发明提供了一种超分子材料，包括第一构筑单元、第二构筑单元和第三构筑单元；
其中，所述第一构筑单元具有式一结构：
Figure BDA0001931941760000021
其中，R1选自
Figure BDA0001931941760000022
中的一种或两种；
所述第二构筑单元具有式二结构：
Figure BDA0001931941760000023
其中，R2选自
Figure BDA0001931941760000024
Figure BDA0001931941760000025
中的一种或两种，L为
Figure BDA0001931941760000026
所述第三构筑单元包括式三结构或/和式四结构：
Figure BDA0001931941760000031
其中，X选自Br或N3；R3选自
Figure BDA0001931941760000032
Figure BDA0001931941760000033
其中，X选自Br或N3；R3选自
Figure BDA0001931941760000034
所述第一构筑单元、所述第二构筑单元与所述第三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，式一、式二与式三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，也可以是，式一、式二与式四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，也可以是，式一、式二、式三与式四结构四者基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成超分子材料。
更优选的，在式三中，X为Br或N3；R3为
Figure BDA0001931941760000035
最优选的，在式三中，X为Br；R3为
Figure BDA0001931941760000041
更优选的，在式四中，X为Br或N3；R3为
Figure BDA0001931941760000042
最优选的，在式四中，X为Br；R3为
Figure BDA0001931941760000043
作为优选，式三和式四中，所述
Figure BDA0001931941760000044
含有α-环糊精、β-环糊精基团或γ-环糊精基团。
更优选的，式三和式四中，所述
Figure BDA0001931941760000045
含有β-环糊精基团。
作为优选，式一中，所述y为50-100的整数；式二中，所述z为50-100的整数；式三和式四中，所述m为50-100的整数；所述n为0.5-10的整数。
作为优选，所述式一的制备方法为：将式五和式六进行点击反应，或将式五和式七进行点击反应，制得式一，其中，式五、式六和式七的具体结构如下：
Figure BDA0001931941760000051
所述式二的制备方法为：将式八和式六进行点击反应，或将式八和式七进行点击反应，制得式二，其中，式八、式六和式七的具体结构如下：
Figure BDA0001931941760000052
其中，L为
Figure BDA0001931941760000053
Figure BDA0001931941760000054
具体的，式一的制备方法以双季戊四醇为原料，其制备路线如下：
Figure BDA0001931941760000061
其中，具体的，式一的制备方法如下：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基(-N3)后，得到式五。最后，将式五与式六化合物进行点击反应得到式一，其中，R1为
Figure BDA0001931941760000062
将式五与式七化合物进行点击反应得到式一，其中，R1为
Figure BDA0001931941760000063
需要说明的是，式一是利用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一。
具体的，式二的制备路线如下，其中，式二的R1选自
Figure BDA0001931941760000071
中的一种或两种，L为
Figure BDA0001931941760000072
Figure BDA0001931941760000073
其中，式二的制备方法以乙二醇或金刚烷二醇为原料：
式二(L为
Figure BDA0001931941760000074
)，以乙二醇为起始原料的具体方法为：乙二醇与2-溴-异丁酰溴进行亲核取代反应获得双向ATRP引发剂，ATRP引发剂引发N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)聚合后，得到双臂温敏性线型聚合物。然后将双臂温敏性线型聚合物叠氮处理后得到式八，最后，通过将式八与式六化合物进行点击化学反应得到式二，其中，R1为
Figure BDA0001931941760000075
通过将式八与式七化合物进行点击化学反应得到式二，其中，R1为
Figure BDA0001931941760000076
式二(L为
Figure BDA0001931941760000081
)，以金刚烷二醇为起始原料的具体方法为：金刚烷二醇与2-溴-异丁酰溴进行亲核取代反应获得双向ATRP引发剂，ATRP引发剂引发N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)聚合后，得到双臂温敏性线型聚合物。然后将双臂温敏性线型聚合物叠氮处理后得到式八，最后，通过将式八与式六化合物进行点击化学反应得到式二，其中，R1为
Figure BDA0001931941760000082
L为
Figure BDA0001931941760000083
通过将式八与式七化合物进行点击化学反应得到式二，其中，R1为
Figure BDA0001931941760000084
L为
Figure BDA0001931941760000085
需要说明的是，式二是利用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，以乙二醇或金刚烷二醇为原料合成二官能团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二。
具体的，所述式六的制备方法为：
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六。
具体的，所述式六的制备方法为：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，得到式六的粗产物。式六的制备过程如下述化学反应方程式：
Figure BDA0001931941760000091
其中，对式六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，式六产率为95％。
其中，式六的制备方法得到式六的产率为42-60％。
其中，以上式六的制备方法中，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。
具体的，所述式七的制备方法为：
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，得到式七，式七性质为无色粘稠状液体。式七的制备过程如下述化学方程式：
Figure BDA0001931941760000092
其中，以上式七的制备方法中，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。
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，本发明的式二主要通过铜(I)催化的叠氮一炔环加成(CuAAC)反应，在双臂的聚合物的末端叠氮化生成末端有叠氮基的双臂聚合物，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二。
作为优选，所述式三的制备方法为：将式九、式十和式十一进行反应得到，所述式三的X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000101
其中，所述式九、所述式十和所述式十一的具体结构如下：
Figure BDA0001931941760000102
作为优选，所述式四的制备方法为：将式九、式十和式十二进行反应得到，所述式四的X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000103
其中，所述式九、所述式十和所述式十二的具体结构如下：
Figure BDA0001931941760000104
作为优选，所述式三的制备方法为：将式九、式十三和式十一进行反应得到，所述式三的X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000111
其中，所述式九、所述式十三和所述式十一的具体结构如下：
Figure BDA0001931941760000112
作为优选，所述式四的制备方法为：将式九、式十三和式十二进行反应得到，所述式四的X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000113
其中，所述式九、所述式十三和所述式十二的具体结构如下：
Figure BDA0001931941760000114
需要说明的是，所述式一，所述二、所述式三和所述式四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，所述式十三的制备方法为：单-6-乙二胺-环糊精与丙烯酰氯进行反应得到。
本发明还提供了一种自修复水凝胶，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、所述第三构筑单元和水混合，通过所述第一构筑单元、所述第二构筑单元和所述第三构筑单元的金刚烷-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℃下形成自修复水凝胶，其中，所述第一构筑单元具有式一结构，所述第二构筑单元具有式二结构，所述第三构筑单元包括式三结构或/和式四结构。
需要说明的是，式一、式二与式三和水基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成水凝胶，也可以是，式一、式二与式四和水基于金刚烷-环糊精主客体自组装连接形成水凝胶，也可以是，式一、式二、式三与式四和水基于金刚烷-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，将式一、式二和第三构筑单元在水溶液中进行主客体自组装形成水凝胶，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，所述自修复水凝胶的制备方法，包括以下步骤：在低温条件下，将第一构筑单元、第二构筑单元和第三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自修复水凝胶；还可以通过以下步骤制备：将第一构筑单元、第二构筑单元和第三构筑单元在四氢呋喃中溶解，再在水中透析后得到水凝胶。
作为优选，所述自修复水凝胶的体积相转变温度为20-35℃。
作为优选，所述式一和式二的摩尔之和，与所述第三构筑单元的摩尔的比例为1:(0.2-6)。
作为优选，所述式一、所述式二和所述第三构筑单元在水溶液中的混合质量浓度为5-25wt％。
本发明创造性的将式一和式二作为“交联剂”，将侧链含有金刚烷或/和环糊精基团的聚合物(式三或/和式四)通过主客体自组装的方式形成水凝胶，由于式一的末端含有六个环糊精或/和金刚烷基团，式二的末端含有两个环糊精或/和金刚烷基团，易与式三或/和式四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、第二构筑单元和第三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，本发明利用了式一、式二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是本发明提供的式八的红外谱图(b)，和式二(R1为
Figure BDA0001931941760000131
)的红外谱图(c)；
图3是本发明提供的式八的GPC曲线图(b)，和式二(R1为
Figure BDA0001931941760000132
)的GPC曲线图(c)。
图4是本发明提供的实施例7的自修复水凝胶的实物图；
图5是本发明提供的实施例7的自修复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7的自修复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7的自修复水凝胶的自修复的过程图，其中，A为自修复水凝胶在40℃的实物图，B为对自修复水凝胶切割裂纹的实物图，C为自修复水凝胶切割后滴加水的实物图，D为自修复水凝胶在20℃自修复2.5h后的实物图，E为自修复水凝胶自修复后的实物图。
具体实施方式
本发明提供了一种超分子材料和一种自修复水凝胶，本发明的自修复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六和式七的制备方法，具体步骤如下：
式六的制备方法如下：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，过滤得式六(9.5g)。
式七的制备如下：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，得到式七，式七为无色粘稠状液体。
实施例2
对实施例1的式六和式七进行的表征检测，结果如下：
式六：
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):calc ulated,1171.4for C45H73O34N,found 1172.5for[M+H]+。
式七：
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一的制备方法，具体步骤如下：
式一(R1为
Figure BDA0001931941760000151
)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，真空干燥得到式五。点击反应：将式五：式七：PMDETA：CuBr＝1：7：6.5：6.5的摩尔比进行反应。将式五、式七、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48h。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，真空干燥得到式一，其中，R1为
Figure BDA0001931941760000152
式一(R1为
Figure BDA0001931941760000153
)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，真空干燥得到式五。点击反应：将式五：式六：PMDETA：CuBr＝1:6.5:6.5:6.5的摩尔比进行反应。将式五、式六、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，真空干燥得到式一，其中，R1为
Figure BDA0001931941760000161
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进行点击反应的验证试验。
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。
实施例5
本发明实施例提供了式二的制备方法，具体步骤如下：
式二(L为
Figure BDA0001931941760000171
R2为
Figure BDA0001931941760000172
)的制备方法如下：由乙二醇与2-溴异丁酰溴反应制备出的双向ATRP引发剂，将双向ATRP引发剂(0.127g，0.35mmol)，N-异丙基丙烯酰胺(8g，70mmol)，Me6TREN(0.161g，0.70mmol)和20mL溶剂(VDMF:V水＝80：20)分别加入到无水无氧瓶中。搅拌下，抽真空-充氮气三次，在氮气保护下，快速加入CuBr(0.1g，0.70mmol)，再抽真空-充氮气三次，在氮气保护下，室温反应2h。反应结束后，加入15ml THF稀释，并暴露于空气中以终止反应。过硅胶柱，除去溴化亚铜。旋蒸，将粗产品加入大量冰乙醚中沉淀，过滤得固体。重复溶解-沉淀-过滤2-3次以除去未反应单体，得到的固体60℃下真空干燥12h，得到双臂温敏性线型聚合物。叠氮化反应：将得到的双臂温敏性线型聚合物溶解于15ml的DMF中，加入17倍摩尔当量的叠氮钠，在60℃下搅拌反应24h。反应结束后，将产品加入3500Da的透析袋中透析2天，旋去溶剂，将产物加入到乙醚中沉淀，收集固体，40℃干燥24h，得到式八。点击反应：以式八：式七：配体PMDETA：催化剂CuBr按1：2.7：2：2的摩尔比进行反应。按以上比例将式八、式七、PMDETA和20ml的DMF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，在氮气保护下60℃反应48h。反应结束后，加入15ml四氢呋喃稀释，并暴露于空气中搅拌1h以终止反应，过硅胶柱除去溴化亚铜，旋去多余的溶剂，将粗产品加入3500Da透析袋中透析2天，旋去溶剂，然后于乙醚中沉淀，过滤，真空干燥得到式二(L为
Figure BDA0001931941760000173
R2为
Figure BDA0001931941760000174
)。
式二(L为
Figure BDA0001931941760000175
R2为
Figure BDA0001931941760000176
)的制备方法如下：由乙二醇与2-溴异丁酰溴反应制备出的双向ATRP引发剂，将双向ATRP引发剂(0.127g，0.35mmol)，NIPAM(8g，70mmol)，Me6TREN(0.161g，0.70mmol)和20mL溶剂(VDMF:V水＝80：20)分别加入到无水无氧瓶中。搅拌下，抽真空-充氮气三次，在氮气保护下，快速加入CuBr(0.1g，0.70mmol)，再抽真空-充氮气三次，在氮气保护下，室温反应2h。反应结束后，加入15ml四氢呋喃稀释，并暴露于空气中以终止反应。过硅胶柱，除去溴化亚铜。旋蒸，将粗产品加入大量冰乙醚中沉淀，过滤得固体。重复溶解-沉淀-过滤2-3次以除去未反应单体，得到的固体60℃下真空干燥12h，得到双臂温敏性线型聚合物。叠氮化反应：将得到的双臂温敏性线型聚合物溶解于15ml的DMF中，加入17倍摩尔当量的叠氮钠，在60℃下搅拌反应24h。反应结束后，将产品加入3500Da的透析袋中透析2天，旋去溶剂，将产物加入到乙醚中沉淀，收集固体，40℃干燥24h，得到式八。点击反应：以式八：式六：配体PMDETA：催化剂CuBr按1：3：2：2的摩尔比进行反应。按以上比例将式八、式六、PMDETA和20ml的DMF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，在氮气保护下60℃反应48h。反应结束后，加入15ml四氢呋喃稀释，并暴露于空气中搅拌1h以终止反应，过硅胶柱除去溴化亚铜，旋去多余的溶剂，将粗产品加入3500Da透析袋中透析2天，旋去溶剂，然后于乙醚中沉淀，过滤，真空干燥得到式二(L为
Figure BDA0001931941760000181
R2为
Figure BDA0001931941760000182
)。
式二(L为
Figure BDA0001931941760000183
R2为
Figure BDA0001931941760000184
)和式二(L为
Figure BDA0001931941760000185
R2为
Figure BDA0001931941760000186
)的制备方法与式二(L为
Figure BDA0001931941760000187
R2为
Figure BDA0001931941760000188
)和式二(L为
Figure BDA0001931941760000189
R2为
Figure BDA00019319417600001810
)的制备方法相似，区别在于将式二(L为
Figure BDA00019319417600001811
R2为
Figure BDA00019319417600001812
)和式二(L为
Figure BDA00019319417600001813
R2为
Figure BDA0001931941760000191
)制备所用的乙二醇原料替换成1,3-金刚烷二醇。
图2为式二(R1为
Figure BDA0001931941760000192
)点击反应前后的红外谱图，其中，图2的b为式八的红外谱图，图2的c为式二(R1为
Figure BDA0001931941760000193
)的红外谱图；图3为式二(R1为
Figure BDA0001931941760000194
)点击反应前后的GPC曲线图，其中，图3的b为式八的GPC曲线图，图3的c为式二(R1为
Figure BDA0001931941760000195
)的GPC曲线图。从图2和图3可知，式五的外谱图显示，式八在2116cm-1处有明显的叠氮基特征峰。点击反应后，式二(R1为
Figure BDA0001931941760000196
)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，式二(R1为
Figure BDA0001931941760000197
)的分子量明显比式五大，说明大摩尔质量的金刚烷基团成功连接在了式八的末端，且式二(R1为
Figure BDA0001931941760000198
)中不存在其它杂质，故成功合成了式二(R1为
Figure BDA0001931941760000199
)。
实施例6
本发明实施例提供了式三、式四和式十三的制备方法，具体步骤如下：
A、式三(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000201
)的制备方法为：将式九(8g,70.1mmol),式十(0.433g,2.1mmol),式十一(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，得到式三，X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000202
其化学合成路线如下：
Figure BDA0001931941760000203
其中，式三(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000204
)的制备方法与式三(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000205
)的制备方法相似，区别在于，将式十替换为式十三。
式三(其X为Br)也可以进行叠氮处理，具体为式三(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，真空干燥得到式三(X为N3)。
B、式四(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000211
)的制备方法为：将式九(8g,70.1mmol),式十(0.433g,2.1mmol),式十二(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，得到式四(X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000212
)，其化学合成路线如下：
Figure BDA0001931941760000213
其中，式四(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000214
)的制备方法与式四(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000215
)的制备方法相似，区别在于，将式十替换为式十三。
式四(其X为Br)也可以进行叠氮处理，具体为式四(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，真空干燥得到式四(X为N3)。
C、式十三的制备方法为：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7
本实施例提供了一种自修复水凝胶，制备方法为：将以上实施例制备得到式一(R1为
Figure BDA0001931941760000221
)、式二(L为
Figure BDA0001931941760000222
R2为
Figure BDA0001931941760000223
)和式三(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000224
)按摩尔比为2:1:1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37℃形成自修复水凝胶，所得自修复水凝胶分别储存在25℃和35℃下的实物图如图4所示，图4的左侧为自修复水凝胶在25℃下的实物，图的右侧为自修复水凝胶在35℃下的实物图，由图可见，本实施例7成功制备了自修复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8
本实施例为测试实施例7的自修复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金刚烷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一(R1为
Figure BDA0001931941760000231
)、式二(L为
Figure BDA0001931941760000232
R2为
Figure BDA0001931941760000233
)和式三(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000234
)按2：1：1的摩尔比在同实施例7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3至实施例5制备得到式一(R1为
Figure BDA0001931941760000235
)、式二(L为
Figure BDA0001931941760000236
R2为
Figure BDA0001931941760000237
)和式三(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000238
)按2：1：1的摩尔比在同实施例5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9
本实施例为测试实施例7的自修复水凝胶的体积相转变温度，步骤如下：将实施例7中充分溶胀的自修复水凝胶样品进行DSC分析，升温范围为0-50℃，并在0℃停留10min，升温速率为3℃/min，干燥氮气氛围，所测的DSC曲线的峰值为对应水凝胶的体积相转变温度(VPTT，volume phase transition temperature)，如图8所示，实施例7的自修复水凝胶的体积相转变温度(VPTT)为33.9℃。
实施例10
本实施例为测试实施例7的水凝胶的自修复能力，如图9所示，图9的A-E为在40℃条件下切割凝胶形成大裂纹后自修复的过程，水凝胶在40℃切割裂纹，切割后滴加水，然后在20℃自修复2h后，在加温到40℃，凝胶恢复到初始状态，由此可见，所制备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11
本实施例提供了第二种自修复水凝胶，制备方法为：将以上实施例制备得到式一(R1为
Figure BDA0001931941760000241
)、式二(L为
Figure BDA0001931941760000242
R1为
Figure BDA0001931941760000243
)和式三(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000244
)按摩尔比为1：4：1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37℃下形成自修复水凝胶。本实施例的自修复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12
本实施例提供了第三种自修复水凝胶，制备方法为：将以上实施例制备得到式一(R1为
Figure BDA0001931941760000245
)、式二(L为
Figure BDA0001931941760000246
R1为
Figure BDA0001931941760000247
)和式三(其X为Br，R3为
Figure BDA0001931941760000248
)按摩尔比为1：1：1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℃加热形成自修复水凝胶。测定本实施例自修复水凝胶的温敏性和自修复性能。实验表明，本实施例的自修复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 (10)

1.一种超分子材料，其特征在于，包括第一构筑单元、第二构筑单元和第三构筑单元；
其中，所述第一构筑单元具有式一结构：
Figure FDA0002737913110000011
其中，R1选自
Figure FDA0002737913110000012
中的一种或两种；所述R1中标记*的位置为连接点；
所述第二构筑单元具有式二结构：
Figure FDA0002737913110000013
其中，R2选自
Figure FDA0002737913110000014
中的一种或两种，L为
Figure FDA0002737913110000015
所述L中标记*的位置为连接点；
所述第三构筑单元包括式三结构或/和式四结构：
Figure FDA0002737913110000021
其中，X选自Br或N3；R3选自
Figure FDA0002737913110000022
所述R3中标记*的位置为连接点；
Figure FDA0002737913110000023
其中，X选自Br或N3；R3选自
Figure FDA0002737913110000024
所述R3中标记*的位置为连接点；
所述第一构筑单元、所述第二构筑单元与所述第三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，式一中，所述y为50-100的整数；式二中，所述z为50-100的整数；式三和式四中，所述m为50-100的整数；所述n为0.5-10的整数。
3.根据权利要求1所述超分子材料，其特征在于，式三和式四中，所述
Figure FDA0002737913110000031
含有β-环糊精。
4.根据权利要求1所述超分子材料，其特征在于，所述式一的制备方法为：将式五和式六进行点击反应，或将式五和式七进行点击反应，制得式一，其中，式五、式六和式七的具体结构如下：
Figure FDA0002737913110000032
所述式二的制备方法为：将式八和式六进行点击反应，或将式八和式七进行点击反应，制得式二，其中，式八、式六和式七的具体结构如下：
Figure FDA0002737913110000041
其中，L为
Figure FDA0002737913110000042
Figure FDA0002737913110000043
5.根据权利要求1所述超分子材料，其特征在于，所述式三的制备方法为：将式九、式十和式十一进行反应得到，所述式三的X为Br，R3为
Figure FDA0002737913110000044
其中，所述式九、所述式十和所述式十一的具体结构如下：
Figure FDA0002737913110000045
所述式四的制备方法为：将式九、式十和式十二进行反应得到，所述式四的X为Br，R3为
Figure FDA0002737913110000046
其中，所述式九、所述式十和所述式十二的具体结构如下：
Figure FDA0002737913110000051
6.根据权利要求1所述超分子材料，其特征在于，所述式三的制备方法为：将式九、式十三和式Ⅸ进行反应得到，所述式三的X为Br，R3为
Figure FDA0002737913110000052
其中，所述式九、所述式十三和所述式十一的具体结构如下：
Figure FDA0002737913110000053
所述式四的制备方法为：将式九、式十三和式十二进行反应得到，所述式四的X为Br，R3为
Figure FDA0002737913110000054
其中，所述式九、所述式十三和所述式十二的具体结构如下：
Figure FDA0002737913110000055
7.一种自修复水凝胶，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、第三构筑单元和水混合，通过所述第一构筑单元、所述第二构筑单元和所述第三构筑单元的金刚烷-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℃下形成自修复水凝胶，其中，所述第一构筑单元具有权利要求1所述的式一结构，所述第二构筑单元具有权利要求1所述的式二结构，所述第三构筑单元包括权利要求1所述的式三结构或/和权利要求1所述的式四结构。
8.根据权利要求7所述的自修复水凝胶，其特征在于，所述自修复水凝胶的体积相转变温度为20-35℃。
9.根据权利要求7所述的自修复水凝胶，其特征在于，所述式一和式二的摩尔之和，与所述第三构筑单元的摩尔的比例为1:(0.2-6)。
10.根据权利要求7所述的自修复水凝胶，其特征在于，所述式一、所述式二和所述第三构筑单元在水溶液中的混合质量浓度为5-25wt％。
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