遇水也不易“散架”的硼酸酯基Vitrimers

动态共价键能够在外界刺激（如热、pH值、光和催化剂等）下发生可逆“断裂”与“重组”，基于动态共价键的“断裂”与“重组”，交联高分子可以通过分子水平的拓扑结构演变实现重塑、修复和再生。硼酸酯基作为一类经典的动态共价键，已被广泛用于开发各种可修复和可再生的高分子材料。但是，从应用的角度看，硼酸酯基对水或醇过于敏感的性质是一个应予以重视的问题。

恰当地利用硼酸酯化学是改善硼酸酯基可逆交联高分子稳定性的关键所在。近日，西安交通大学井新利教授团队利用B-N内配位的环状硼酸酯（NCB）基很好地解决了上述问题。该研究团队通过小分子模型化合物深入研究了NCB基的水解稳定性和动态共价化学，NCB基既表现出优异的水解稳定性又能在温和的条件下发生酯交换反应。在充分理解NCB基动态共价化学的基础上，该研究团队通过成熟的化学反应，将这种高稳定性的硼酸酯结构引入到高分子交联网络中，合成得到了基于NCB基的聚氨酯（PU）vitrimers和聚（脲-氨酯）（PUU）vitrimers。

图1. 论文的主要设计思路

基于NCB基的vitrimers既具有和传统热固性高分子相当的介质稳定性和力学性能，又可以通过NCB基的关联交换反应实现材料的修复、重塑和回收。NCB基的关联交换反应类似于一个NCB基之间“击鼓传花”的过程，其交换反应速率取决于NCB基的稳定性、体系的粘度以及杂质（少量的水、未含羟基化合物）的种类和数量。

图2. PU vitrimers的再加工和回收过程

相比于普通硼酸酯基交联的高分子，基于NCB基的vitrimers对水和热的稳定性显著提高。在室温下、40%相对湿度环境中放置一个月后，PU vitrimers和PUU vitrimers的玻璃化转变温度、强度和模量均没有明显变化。即使浸泡在水中，基于NCB基的vitrimers也能够保持结构的完整性。该研究工作从硼酸酯化学出发，为设计具有实用价值的可持续材料提供了一个新的思路。

图3. PUU_1.1在室温下、40%相对湿度环境中放置一个月后的性能变化

这一成果发表在Journal of the American Chemical Society 上，西安交通大学化学学院的张晓婷博士研究生和王淑娟副教授为该论文的共同第一作者，井新利教授为该论文的通讯作者。

总结

作者针对硼酸酯基可逆交联高分子耐水性不足的问题，提出了利用B-N内配位提高硼酸酯基vitrimers稳定性的新策略。通过模型化合物深入研究了B-N内配位环状硼酸酯（NCB）基的水解稳定性和动态共价化学，将这种高稳定性的硼酸酯基引入高分子交联网络中，有效协调了硼酸酯基vitrimers的稳定性和动态性。这项研究工作为设计具有实用价值的可持续材料提供了一个新的思路。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Boronic Ester Based Vitrimers with Enhanced Stability via Internal Boron–Nitrogen Coordination

Xiaoting Zhang, Shujuan Wang, Zikang Jiang, Yu Li, Xinli Jing*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c10244