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一种具有普适性的小分子有机胶凝剂:利用掺杂的方法制备各种有机或无机材料的有机凝胶

段鹏飞  李远刚  江建  王天宇  刘鸣华  
【摘要】:近年来,关于低分子量有机凝胶在软物质材料制备领域的研究兴趣激增.尽管胶凝剂分子已经从偶然发现发展到现在的有目标的设计,但是这些胶凝剂分子仍然需要很好的设计和复杂冗长的合成路线.这里,我们发展了一种简单普适性的方法,可以将几乎所有的有机物分子和可溶性的纳米粒子等,都不需要修饰就可以制备成有机凝胶.前面我们合成了一个超级胶凝剂分子,它可以凝胶化超过40种有机溶剂,包括极性的,非极性的有机溶剂都可以被凝胶化.更有趣的是,很多有机材料或纳米材料,无论其成胶与否,与这种胶凝剂混合后,都可以被共凝胶化.这种方法适用于几乎所有的有机化合物,开辟了一条制备凝胶材料的普适性的方法.小分子量有机凝胶的研究已有近五十年的历史.小分子胶凝剂通过自组装而形成各种结构,如纤维、条带、管状等结构.这些一维结构进一步缠绕而形成三维网络结构,从而将有机溶剂或水固定起来,形成类固相的软材料.关于这种凝胶材料的研究方向很多,而无论哪个方向,胶凝剂分子的设计和选择都是一个非常重要的课题.尽管已有非常多的研究报道了胶凝剂分子的设计和其应用,但是发展新型胶凝剂仍然是该领域一个非常重要的研究课题.不幸的是,到目前为止,虽然不断有大量新型胶凝剂分子被报道,但是仍然没有一种普适性的规则可循,很多新的胶凝剂分子能成胶还是有很大的偶然性.一般来讲,通过修饰已有的胶凝剂分子来合成新的胶凝剂分子也是一种常用的开发新型胶凝剂分子的方法.常见的凝胶基元有胆固醇类、酰胺类、脲类、氨基酸类,多肽类,以及糖类等.通过修饰这些凝胶基元可以设计得到很多新的胶凝剂分子.但是,用这样的方法合成新胶凝剂会涉及到很多繁冗复杂的合成路线以及困难重重的提纯过程.因此,通过简单的掺杂混合方法制备功能有机凝胶将为制备功能软物质材料提供一个便捷的方案.前面我们报道了一种基于谷氨酸的有机胶凝剂LBG,可以凝胶化17种有机溶剂.后续工作中我们发现,这种胶凝剂可以凝胶化除了水以外的40多种常见有机溶剂.更重要的是,当往LBG的有机凝胶中掺入其他功能有机化合物,甚至无机纳米粒子,都可以被共凝胶化.掺入的材料无论成不成胶,都不会影响共凝胶的形成.在这里,LBG就像一种无所不能的主体胶凝剂,包容万象般地将各种有机或无机的功能材料共胶化.到目前为止,利用掺杂制备功能有机凝胶的报道已有一些,但是能像LBG这样无所不能地共胶化有机或无机材料的还鲜有报道.在这篇文章中,我们详述了各种有机材料、功能材料和无机材料与LBG形成共凝胶的过程.我们发现,从简单的脂肪酸类化合物、糖类、胆固醇类、芳香共轭类、金属有机配合物、聚合物到无机纳米粒子等,都可以被制备成有机凝胶.而且,通过各种光谱,电镜等数据,可以推断出各种不同化合物在LBG有机凝胶中的状态,与胶凝剂分子之间的作用等.概括来讲,掺杂化合物在共凝胶中的状态有三种:掺杂化合物与凝胶剂分子都处在固相中;掺杂化合物一半与胶凝剂分子有作用,一半裸露在液相中;掺杂化合物都处于液相中.这篇文章用提及的掺杂物只是我们测试过的部分化合物,还有大量测试过的化合物没有在文中详述.我们相信更多的功能化合物都可以通过掺杂的方法制备成有机凝胶,这将为功能性软材料的制备提供一种普适性的方法.

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