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ACIE封面:具有力致变色和力致交联功能的新型复合力色团

力色团(mechanophore)是在外力作用下能够发生特定化学反应并改变材料物理化学性质的一类特殊小分子。力色团的这种特性是制备力响应高分子材料的主要方法,也是研究高分子材料断裂机理的一种新手段。然而,以往报道的力色团大多只具有单一的力响应功能,无法满足力响应材料设计的要求,例如:同时显示材料应力集中的部位(stress-sensing)并进行自动补强(stress-strengthening)。


最近,厦门大学化学化工学院翁文桂教授课题组首次报道了一种同时具有力致变色和力致交联功能的复合力色团。他们的结果以封面的形式发表在《Angewandte Chemie International Edition》上(Mechanochromism and Mechanical Force-Triggered Cross-Linking from a Single Reactive Moiety Incorporated into Polymer Chains, DOI:10.1002/anie.201510171)。

图1. (a) 螺噻喃STP的多重力响应功能示意图。(b)含螺噻喃的聚酯溶液超声发生力致变色。(c)含螺噻喃的聚酯与含双官能团的马来酰亚胺交联剂的溶液超声。超声诱导巯基与双键的反应引发力致交联效应。


他们以经典的螺吡喃力色团为基础,将其中螺环上的O原子用S原子替代(螺噻喃STP,图1a)。这一替代看似简单,实则无比巧妙。螺噻喃在受到外力作用下会发生电开环反应,生成具有共轭结构的布花菁(TMC,图1a),使得材料的颜色从无色(或浅色)转变成绿色(图1b)。这种力致变色反应在高分子溶液和本体中都能发生,因此可以用来指示材料在外力载荷下应力高度集中的区域。


螺噻喃开环生成的布花菁含有一个具有高度反应活性的S负离子,能够与某些活化的双键例如马来酰亚胺发生定量的Michael加成反应。未与马来酰亚胺反应的布花菁在溶液中能重新转变为螺噻喃,避免被氧化,并且可以再次被外力活化开环生成布花菁。这一巯基双键加成反应可用于补强应力集中的区域。作为演示,研究人员把含有螺噻喃的聚酯材料与含有双官能团马来酰亚胺交联剂的溶液进行超声(图1c)。溶液超声往往会将高分子的主链打断,造成高分子的降解。然而在他们的实验中,超声后有沉淀出现,并且这种沉淀不溶于常见的有机溶剂,这表明超声反而促使该体系发生链间交联


翁文桂教授等人的工作表明有可能通过单个分子实现将两种或者两种以上的力响应功能。化学家和材料学家希望合成更多具有多种力响应功能的复合力色团,从而为力响应材料的设计提供更多的选择。


http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201510171/abstract


原文标题:Mechanochromism and Mechanical Force-Triggered Cross-Linking from a Single Reactive Moiety Incorporated into Polymer Chains


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