超分子与高分子有什么区别和联系

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1、引言

超分子聚合物是高分子科学与超分子科学交叉的研究方向。与基于共价键的聚合物不同的是，超分子聚合物为单体间通过非共价键作用连接的链状聚集体，并能在溶液和体相中表现出聚合物的性质。其非共价键赋予了超分子聚合物一些特殊的性能，包括：热响应性、光／电／化学物质响应性、自修复和自适应性能等，还可通过对非共价键的操作进行聚合物的可逆调控。这些新颖而独特的性质使得超分子聚合物在智能功能材料、环境友好材料、 生物医用材料等领域具有广阔的应用前景，引起了研究人员对超分子聚合物研究的广泛关注。

2、 背景

1990年Lehn报道了基于三重氢键作用构筑的具有液晶性质的超分子聚合物，该作者因其杰出的研究工作获得了诺贝尔奖。但由于三重氢键的作用不够强，因此在溶液中很难得到高分子量的超分子聚合物。此后，荷兰Meijer等发展了结合常数达到107 (mol/L)?1的自配对四重氢键体系，实现了有机溶剂中高分子量超分子聚合物的构筑，并展现了超分子聚合物在可降解和可逆材料等方面不可替代的优越性。

3、超分子聚合的驱动力

超分子聚合的驱动力来自于不同非共价键的作用，包括：多重氢键作用、金属配位健、π-π作用、主客体相互作用等。

图1 超分子聚合物的不同驱动力

其中，主客体相互作用是最常用来驱动溶液中超分子聚合的作用力之一。常用的大环主体化合物有冠醚、环糊精、杯芳烃、柱芳烃、葫芦脲等。

为了得到高分子量的超分子聚合物，需要增强超分子聚合的驱动力，清华大学的张希等人利用葫芦脲介导的主客体复合的焓驱动的过程代替了与水溶液中经典的熵驱动过程，从而提高了反应的结合常数，并通过合理的分子设计，在低浓度的溶液中成功制备了高分子量的超分子聚合物。中国科学技术大学汪峰等人利用镊形主体分子与稠环芳烃之间的多重相互作用的协同效应能，在溶液中构筑了响应性的超分子聚合物，这为驱动超分子聚合提供了新的方法。

超分子聚合物不仅可以由某一种非共价作用力驱动形成，还可以由几种作用力共同驱动形成，这几种作用力互不干扰，从而产生“正交”的作用。多种作用力共同驱动超分子聚合物的形成会为超分子聚合物带来多种性质，也为多级自组装制备高级有序的超分子组装结构提供了便利条件。

4、超分子聚合物的拓扑结构

超分子聚合物按拓扑结构分类可分为线形、支化、交联三大类。其中线形超分子聚合物是最常见的拓扑结构；支化超分子聚合物可细分为星形、侧链、超支化等结构；交联超分子聚合物按规整程度可分为无规交联和超分子有机框架。

图2 超分子聚合物的拓扑结构

（1）线形超分子聚合物又称主链型超分子聚合物，由非共价键作用连接双官能度的单体构成聚合物主链。

（2）支化超分子聚合物往往具有多个支化点，其支化位点可以通过非共价键作用构建，也可以通过共价合成构筑。其合成方法包括“先核后臂”和“先壁后核”， 通过改变加入聚合单体的比例，可以对星形超分子聚合物的分子量进行有效的调控。

（3）侧链型超分子聚合物的构筑通常是在共价聚合物链的侧基上通过非共价键作用引入多条侧链来实现的，也可称为接枝型超分子聚合物。值得注意的是，侧链超分子聚合物的支化点位于共价聚合物链的主链上，因此支化点的数量和密度可以通过改变共价聚合的条件来进行调控。更为重要的是，通过可逆的非共价键作用，可以方便地将不同结构、不同性质的侧链接枝到主链上。因此,基于侧链超分子聚合物来实现多种性质与功能的集成，通过调控不同种侧链的比例来实现集成后性质和功能的优化，是一种实现超分子聚合物功能化的有效策略。

（4）交联超分子聚合物可以通过混合多官能度的单体来制备。通过在多官能度的单体分子中引入刚性或柔性的连接基，可以得到2种类型的交联超分子聚合物。若单体分子中的连接基具有一定的柔性，一般会相互交联得到无规的网络状结构。若单体分子的刚性较强且具有特定的取向，则相互交联后会得到规整的框架结构，一般称之为超分子有机框架。除了利用官能度大于3的单体自组装得到无规交联的超分子聚合物网络，通过在线性超分子聚合物中加入交联剂也可实现相同的效果。

（5）超分子有机框架(SOF)是复旦大学黎占亭和中国科学院上海有机化学研究所赵新等于2013年发展的一种具有周期性孔状结构的二维或三维超分子聚合物。SOF通常由非常刚性的单体分子通过自组装得到，因为柔性的分子在组装时往往会产生缺陷和交联，无法得到规整的框架结构。根据刚性单体中取代基之间的角度和取向不同，可以可控地制备二维或三维的SOF结构。随着超分子聚合物研究的不断发展，会不断产生更多的拓扑结构。将不同拓扑结构的聚合物通过非共价键作用连接，还可以构筑结构变化更加丰富的超分子共聚物。

5、可控超分子聚合

尽管超分子聚合物研究取得了长足的进步，但如何实现可控地制备超分子聚合物仍然是个挑战。这是因为非共价键作用的动态可逆特性，溶液中的超分子聚合是自发组装的过程，具有浓度依赖性，因此制备超分子聚合物并不像共价聚合物一样容易得到可控的分子量及分子量分布。实现超分子聚合的可控，制备具有确定结构和分子量的超分子聚合物，对于研究超分子聚合物的结构与性能关系、设计合成特定功能的超分子聚合物具有重要的意义。

可以通过调节单体的结构、取向和刚柔性等，对超分子聚合物的聚合度和性质进行调控。基于这一思路，研究人员将可以发生顺反异构化的光敏基团引入超分子聚合物单体的分子设计中，通过光辐照引起单体的结构变化来实现对超分子聚合的调控。单体的结构、取向和刚柔性不仅可以通过光化学来调控，张希等还提出了一种基于自分类识别的可控超分子聚合新方法来进行调控。

图3 通过自分类促进和控制的可控超分子聚合

超分子聚合物的制备通常是由双官能度的单体在溶液中通过非共价键作用的连接而自发地形成，这种方法可称作是共价单体的超分子聚合。张希等反其道而行之，提出了超分子单体的共价聚合以制备超分子聚合物的新方法。通过常规的共价聚合方法制备超分子聚合物，这一新方法可以将传统的点击聚合、烯烃复分解聚合等高效的聚合方法引入到超分子聚合物的制备中，将不易调控的非共价聚合转化为可控的共价聚合。通过这一方法，有望实现超分子聚合物的可控制备。研究人员还希望超分子聚合能够研发出像普通的共价键聚合一样具有普适意义的活性超分子聚合新方法，以实现对超分子聚合物的结构、分子量和分子量分布的精确调控。

6、功能超分子聚合物

图4 功能超分子聚合物

超分子聚合物由于其动态可逆性，具有传统共价聚合物不具备的一些性质，因此可在某些领域大放异彩，从而体现超分子聚合物的价值。超分子聚合物所具有的刺激响应性（包括热、光、电、化学等响应）可对超分子聚合物的性质进行良好的调控。如将多种刺激敏感的单元引入超分子聚合物的设计中，便可以赋予超分子聚合物对多种刺激的响应性，从而大大丰富超分子聚合物的性质和功能。

研究人员利用超分子聚合物代替金属有机聚合物作为非均相催化剂，解决了有机金属化合物合成繁琐、不易分离和提纯等缺点。可以预见，非共价合成将作为有机合成的重要补充，发挥重要的作用。

超分子聚合物凝胶是超分子聚合物链之间通过物理缠结或化学交联等作用形成的包裹了大量溶剂的三维网络结构，往往体现出优异的自修复性质。相对于共价聚合物缓慢且低效率的自修复过程，超分子聚合物凝胶在发生破损后，其断面上带有丰富的非共价连接基元，通过断面之间非共价连接基元的重新组装和结合，可以实现快速、高效的自修复。另外超分子聚合物可以解决共价聚合物在生物成像、药物载体领域所面临的两个难题。其一，超分子聚合物完全由小分子构筑基元组装而成，其组分是确定的小分子；其二，超分子聚合物的动态可逆性使其可在生物环境内自发地降解为小分子。因此，超分子聚合物有望在生物医用领域发挥巨大的作用。

7、总结与展望

在超分子化学研究方面，能否发展普适的构筑基元驱动超分子聚合，仍然是亟待解决的问题；超分子物理研究方面，需要对超分子聚合的热力学和动力学进行研究，以指导发展可控超分子聚合物的方法。并对超分子聚合物的理论模拟和流变学以及高分子物理的相关理论是否符合超分子聚合物进行进一步的探索。

在超分子聚合物的表征方面，研究人员已经发展了非对称流场场流分析方法(As4F)和超速离心等方法来表征超分子聚合物的分子量，这些方法的表征精度有了一定程度上的提高，却仍然无法像使用GPC来表征共价聚合物一样能够快速地给出分子量和分子量分布的信息。因此，如何针对超分子聚合物的特点发展新的表征方法，从不同的角度提供超分子聚合物的结构信息，对于超分子聚合物的发展至关重要。

在未来，超分子聚合物材料应当和共价聚合物材料形成互补，实现共价聚合物材料无法实现的功能和用途，只有这样，才能既体现超分子聚合物研究的科学价值，又能体现其社会价值。

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本学科点主要开展高选择性有机合成、精细化学品合成及其应用、超分子化学识别和化学传感等领域的研究，在高选择性有机合成方面, 围绕高性能催化剂的合成、Lewis酸催化的不对称反应、有机小分子催化的不对称合成反应做了重要的研究工作。在分子识别方面，利用冠醚、杯芳烃为载体，以吡唑啉和荧光团为探针，研究对金属离子识别作用。在精细有机化学品合成及应用方面，合成了系列阴阳离子双子表面活性剂、聚阳离子表面活性剂，系统研究了其表面活性，发现阴离子双磺酸盐能显著降低水的表面张力，具有优良的起泡性和增粘能力；双阳离子季铵盐不仅能有效降低表面张力外，还具有优良的广谱杀菌和缓蚀性能，比目前油田广泛使用的杀菌剂1227和缓蚀剂WD-11具有更强的杀菌能力和更高的缓蚀性能；与西南石油大学合作研究其后续应用，可望为三次采油提供性能优良的驱油剂、杀菌剂和缓蚀剂配方及生产工艺。

导师：

蒋晓慧 教授

刘全忠 教授

秦大斌 教授

詹豪强 教授

敬林海 教授

蒋宗林 副教授

康泰然 副教授

周丽梅 副教授

王中华 副教授

王 斌 副教授

何 龙 副教授 西华师范大学物理化学硕士点创建于1996年，1997年开始招收硕士研究生。经过十多年的建设和发展，形成了一支高学历和高职称的创新性导师队伍，现有硕士生导师14名，其中教授7名，副教授7名，9人具有博士学位，3人具有海外博士后研究经历，部分导师是国外一些著名期刊的审稿人。迄今为止，培养了百余名硕士研究生，已有二十余名研究生考取了中国科学院、南开大学、四川大学等著名高校的博士。大部分毕业生被分配到高校从事教学和科研工作，一些已成所在单位的中坚力量。本硕士点近年来承担了国家自然科学基金面上项目、“863”计划子课题、教育部新世纪优秀人才支持计划项目、留学回国人员启动项目、川省科技厅项目和四川省教育厅项目等各级课题15项。发表论文150余篇，其中SCI收录期刊论文65篇，EI收录25篇，申请专利5项。研究课题紧跟世界学术前沿，已形成4个稳定的研究方向： （1）电化学：主要包括电分析、纳米粒子的制备及电化学组装、腐蚀电化学、界面电化学、电极过程动力学和电化学合成。

（2）新型功能材料：主要包括锂离子电池材料、储氢材料、压电材料和超级电容器等的研究。

（3）催化化学：主要包括金属纳米催化剂制备及对酯、喹啉、卤代硝基苯选择性加氢反应；醇选择性氧化制备醛、酮等的研究。

(4）量子化学：主要包括小分子药物设计及其与生物大分子作用机制研究。

导师：

苟兴龙 教授

张运陶 教授

李将渊 教授

何晓英 教授

廖运文 教授

李明齐 教授

孙旭平 教授

何代平 教授

陈联梅 教授

周亚芬 教授

廖 钫 教授

樊光银 副教授

李 容 副教授

杨丽君 副教授

唐聪明 副教授 环境化学是环境科学专业的一个方向，1997年开始招生。该方向在化学分离与富集、光谱分析、化学与生物传感器研究、环境分析化学与环境污染物治理等研究方向开展了范围广泛的系统研究，承担并完成了多项省部级基础与应用基础研究课题，取得了一系列研究成果。近年，在现代分离技术、环境分析和水污染治理等方面开拓了新的学科生长点并取得许多研究成果，逐步形成了具有稳定的研究梯队和自己特色的研究方向。

(1) 光谱分析法研究方向：开展分离富集、原子吸收光谱分析和荧光光谱分析等新方法的研究，并用于生物材料和环境样品中的痕量元素测定；进行量子点的水相合成及光诱导荧光增敏效应等方面的研究工作。

(2) 电分析化学研究方向： 开展纳米材料的制备及其在生物分析中的应用。碳纳米管、贵金属纳米材料的合成及组装及电分析应用；制备具有高度催化活性的界面或生物传感器，用于研究生物大分子的电子传递性质，以及与环境和临床相关的重要生化成分的快速分析。

(3) 色谱分析研究方向：开展液相色谱、毛细管电泳分离分析工作，主要从事激光诱导荧光检测在毛细管电泳中的应用研究、蛋白质与药物分子的相互作用等研究工作。

(4) 环境分析研究方向：针对环境中的无机和有机污染物，开展新的分离与富集方法、高灵敏度和高选择性的新分析测试方法的建立；在分子水平上，建模环境中无机和有机污染物的迁移、转化和降解反应过程，并通过无机和有机污染物与生物大分子相互作用的研究评估污染物对生物体的潜在危害。

(5) 环境污染物治理研究方向：主要利用电化学和分析化学的技术和手段对环境环境污染物进行研究和治理。特别针对嘉陵江流域化工水污染、土壤污染和大气污染开展有机污染物分布及降解机理研究，并对该流域进行环境生态评价

导师：

杨秀培 教授

陈中兰 教授

王大成 教授

任兆刚 副教授

杨春艳 讲师 化学教学论硕士方向建立于1999年，2000年开始招生，已培养11届30名研究生。该方向有专用教学及研究实验室300多平方，教学及研究设备近100万元。目前开辟了有”化学实验与教学研究” ，“化学课程及教育教学理论研究” 和“科学课程及教育研究”三个稳定的研究方向。本方向承担讲授化学化工学院化学专业的《化学教学论》、《中学化学实验研究》、《 化学教育研究》、《中学化学教材分析》及全校公选课《生活中的化学》等10余门本科和硕士研究生课程。先后主持研究原国家教委世界银行贷款师范教育发展研究项目〈〈化学微型试验研究及推广〉〉，经世界银行专家鉴定认为“总体达到国内领先水平，部分达到世界先进水平”。主持研究四川省教委重点课题〈〈面向21世纪化学教学论课程体系改革〉〉，参加主研全国教育科学九.五规划重点研究课题〈〈农村初中素质教育目标导学体系研究〉〉和全国教育科学八.五规划重点研究课题〈〈全国学生学习情况调查及学习方法指导研究〉〉等项目，都取得了优异的成绩（分别于1996年7月和2001年5月29日通过全国教育科学规划办主持的专家鉴定，评价都很高）。发表研究论文100多篇，出版及合作出版教材10余部，获教育部优秀科研成果三等奖1项，四川省政府优秀教学成果一等奖2项，二等奖2项，三等奖2项，四川省政府优秀哲学社会科学成果三等奖1项，发明专利1项。

导师：

鲍正荣 教授

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