超分子与高分子有什么区别和联系

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。

国家重点实验室计划先进集体名单

序号实验室名称

1半导体超晶格国家重点实验室

2病毒基因工程国家重点实验室

3测绘遥感信息工程国家重点实验室

4超导国家重点实验室

5催化基础国家重点实验室

6大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室

7淡水生态与生物技术国家重点实验室

8电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室

9动力工程多相流国家重点实验室

10粉末冶金国家重点实验室

11高分子物理与化学国家重点实验室

12固体表面物理化学国家重点实验室

13固体润滑国家重点实验室

14固体微结构物理国家重点实验室

15海洋工程国家重点实验室

16红外物理国家重点实验室

17黄土与第四纪地质国家重点实验室

18火灾科学国家重点实验室

19集成光电子学国家重点实验室

20计算机辅助设计与图形学国家重点实验室

21金属有机化学国家重点实验室

22晶体材料国家重点实验室

23牵引动力国家重点实验室

24沈阳材料科学国家（联合）实验室

25生物大分子国家重点实验室

26声场声信息国家重点实验室

27土木工程防灾国家重点实验室

28无机合成与制备化学国家重点实验室

29稀土材料化学及应用国家重点实验室

30现代古生物学和地层学国家重点实验室

31现代配位化学国家重点实验室

32新药研究国家重点实验室

33医学基因组学国家重点实验室

34医学遗传学国家重点实验室

35应用光学国家重点实验室

36智能技术与系统国家重点实验室

37作物遗传改良国家重点实验室

国家重点实验室计划先进个人名单

序号姓名性别职称实验室名称

1安芷生男研究员黄土与第四纪地质国家

重点实验室

2白以龙男研究员非线性力学国家重点实验室

3曹健林男研究员应用光学国家重点实验室

4常文瑞男研究员生物大分子国家重点实验室

5陈竺男研究员医学基因组学国家重点实验室

6陈大融男教授摩擦学国家重点实验室

7陈国良男教授新金属材料国家重点实验室

8褚健男教授工业控制技术国家重点实验室

9褚君浩男研究员红外物理国家重点实验室

10段恩奎男研究员计划生育生殖生物学国家

重点实验室

11范维澄男研究员火灾科学国家重点实验室

12冯登国男研究员信息安全国家重点实验室

13冯守华男教授无机合成与制备化学国家

重点实验室

14刚铁男教授现代焊接生产技术国家

重点实验室

15龚健雅男教授测绘遥感信息工程国家

重点实验室

16管欣男教授汽车动态模拟国家重点实验室

17桂建芳男研究员淡水生态与生物技术国家

重点实验室

18郭烈锦男教授动力工程多相流国家重点

实验室

19郝小江男研究员植物化学与西部植物资源

持续利用国家重点实验室

20何天白男研究员高分子物理与化学国家

重点实验室

21侯晓远男教授应用表面物理国家重点实验室

22侯云德男研究员病毒基因工程国家重点实验室

23胡国渊男研究员新药研究国家重点实验室

24黄伯云男教授粉末冶金国家重点实验室

25黄卫东男教授凝固技术国家重点实验室

26贾培发男教授智能技术与系统国家重点

实验室

27贾锁堂男教授量子光学和光量子器件

国家重点实验室

28蒋民华男教授晶体材料国家重点实验室

29黎乐民男教授稀土材料化学及应用国家

重点实验室

30李灿男研究员催化基础国家重点实验室

31李靖男教授元素有机化学国家重点

实验室

32李爱珍女研究员信息功能材料国家重点实验室

33李润培男教授海洋工程国家重点实验室

34卢柯男研究员沈阳材料科学国家（联合）

实验室

35卢强男教授电力系统及发电设备控制

和仿真国家重点实验室

36罗毅男教授集成光电子学国家重点实验室

37罗平亚男教授油气藏地质及开发工程

国家重点实验室

38麻生明男研究员金属有机化学国家重点实验室

39马巍男研究员冻土工程国家重点实验室

40马胜利男研究员地震动力学国家重点实验室

41马颂德男研究员模式识别国家重点实验室

42闵乃本男教授固体微结构物理国家重点

实验室

43穆西南男研究员现代古生物学和地层学

国家重点实验室

44秦大同男教授机械传动国家重点实验室

45石教英男教授计算机辅助设计与图形学

国家重点实验室

46田昭武男教授固体表面物理化学国家

重点实验室

47童光志男研究员兽医生物技术国家重点

实验室

48涂永强男教授功能有机分子国家重点实验室

49王琳芳女研究员医学分子生物学国家重点

实验室

50王永学男教授海岸和近海工程国家重点

实验室

51王正国男研究员创伤、烧伤与复合伤研究

国家重点实验室

52吴国雄男研究员大气科学和地球流体力学

数值模拟国家重点实验室

53夏家辉男教授医学遗传学国家重点实验室

54项海帆男教授土木工程防灾国家重点实验室

55徐懋男研究员高分子物理与化学国家

重点实验室

56徐僖男教授高分子材料工程国家重点

实验室

57许宁生男教授光电材料与技术国家重点

实验室

58薛其坤男研究员表面物理国家重点实验室

59薛群基男研究员固体润滑国家重点实验室

60杨志峰男教授环境模拟与污染控制国家

重点实验室

61叶朝辉男研究员波谱与原子分子物理国家

重点实验室

62叶声华男教授精密测试技术及仪器国家

重点实验室

63尤肖虎男教授移动通信国家重点实验室

64游效曾男教授现代配位化学国家重点实验室

65余龙男教授遗传工程国家重点实验室

66袁亚湘男研究员科学与工程计算国家重点

实验室

67詹怀宇男教授制浆造纸工程国家重点实验室

68张礼和男教授天然药物及仿生药物国家

重点实验室

69张启发男教授作物遗传改良国家重点实验室

70张仁和男研究员声场声信息国家重点实验室

71张卫华男教授牵引动力国家重点实验室

72张永莲女研究员分子生物学国家重点实验室

73赵忠贤男研究员超导国家重点实验室

74郑楚光男教授煤燃烧国家重点实验室

75郑厚植男研究员半导体超晶格国家重点实验室

管理人员

序号姓名性别职称单位

76龚克男教授清华大学

77李明辉男高级农业虫害鼠害综合治理研

工程师究国家重点实验室

78刘丽曼女高级中国科学院综合计划局

工程师

79孙晓兴女高级国家自然科学基金委员会

工程师计划局

80谢天生男研究员沈阳材料科学国家(联合)实验室

81章荣德男教授作物遗传改良国家重点实验室

82郑传临男副研究员中国农业科学院植物

保护研究所

国家重点实验室计划突出贡献者名单

周光召宋健师昌绪韦钰马德秀

973计划先进个人名单

序号姓名性别职称单位

1 曹雪涛 男 教授中国人民解放军第二军医大学

2 常文瑞 男 研究员中国科学院生物物理研究所

3 陈创天 男 研究员中国科学院理化技术研究所

4 陈木法 男 教授北京师范大学

5 陈难先 男 教授清华大学

6 陈鹏飞 男 副教授南京大学

7 陈受宜 女 研究员中国科学院遗传与发育

生物学研究所

8 陈文 男 研究员中国科学院大气物理研究所

9 陈益民 男 教授中国建筑材料科学研究院

10 陈涌海 男 研究员中国科学院半导体研究所

11 褚君浩 男 研究员中国科学院上海技术物理

研究所

12 崔保群 男 研究员中国原子能科学研究院

13 崔磊 男 副教授上海第二医科大学

14 丁健 男 研究员中国科学院上海药物研究所

15 方盛国 男 教授浙江大学

16 付小兵 男 研究员中国人民解放军第304医院

17 高秀梅 女 副研究员天津中医学院

18 龚旗煌 男 教授北京大学

19 顾钧 男 教授中国科学院计算技术研究所

20 韩恩厚 男 研究员中国科学院金属研究所

21 韩秀峰 男 研究员中国科学院物理研究所

22 韩正甫 男 教授中国科学技术大学

23 韩忠朝 男 教授中国医学科学院血液学研究所

24 郝天珧 女 研究员中国科学院地质与地球

物理研究所

25 胡岳华 男 教授中南大学

26 黄如 女 教授北京大学

27 黄薇 女 研究员国家人类基因组南方研究中心

28 贾士荣 男 研究员中国农业科学院生物技术

研究所

29 金亚秋 男 教授复旦大学

30 景益鹏 男 研究员中国科学院上海天文台

31 匡廷云 女 研究员中国科学院植物研究所

32 雷加强 男 研究员新疆资源环境中心

33 李晓兵 男 教授北京师范大学

34 李晓明 男 教授北京大学

35 李自超 男 教授中国农业大学

36 林东昕 男 研究员中国医学科学院肿瘤医院

肿瘤研究所

37 刘昌明 男 研究员北京师范大学

38 刘云圻 男 研究员中国科学院化学研究所

39 刘中民 男 研究员中国科学院大连化学物理

研究所

40 卢柯 男 研究员中国科学院金属研究所

41 卢孟柱 男 研究员中国林业科学研究院林业

研究所

42 卢强 男 教授清华大学

43 吕龙 男 研究员中国科学院上海有机化学

研究所

44 骆仲泱 男 教授浙江大学

45 马柱国 男 研究员中国科学院大气物理研究所

46 倪允琪 男 教授中国气象科学研究院

47 欧阳颀 男 教授北京大学

48 潘建伟 男 教授中国科学技术大学

49 裴钢 男 研究员中国科学院上海生命科学

研究院生物化学与细胞

生物学研究所

50 裴京 男 副研究员清华大学

51 祁海鹰 男 教授清华大学

52 乔方利 男 研究员国家海洋局第一海洋研究所

53 饶子和 男 教授清华大学

54 沈平平 男 教授中国石油勘探开发研究院

55 史学正 男 研究员中国科学院南京土壤研究所

56 唐启升 男 研究员中国水产科学研究院黄海

水产研究所

57 陶文铨 男 教授西安交通大学

58 田军 男 讲师同济大学

59 王斌 男 研究员中国科学院大气物理研究所

60 王启明 男 研究员中国科学院半导体研究所

61 王清印 男 研究员中国水产科学研究院黄海

水产研究所

62 王涛 男 研究员中国科学院寒区旱区环境

与工程研究所

63 王宪 女 教授北京大学

64 王学求 男 高级工程师中国地质科学研究院

地球物理地球化学

勘查研究所

65 王远 男 教授北京大学

66 王振林 男 教授南京大学

67 闻海虎 男 研究员中国科学院物理研究所

68 翁宇庆 男 教授钢铁研究总院

69 吴枚 男 研究员中国科学院高能物理研究所

70 吴文俊 男 研究员中国科学院数学与系统

科学研究院

71 肖文交 男 研究员中国科学院地质与地球

物理研究所

72 肖云汉 男 研究员中国科学院工程热物理研究所

73 徐林 男 研究员中国科学院昆明动物研究所

74 徐祥德 男 研究员中国气象科学研究院

75 许甫荣 男 教授北京大学

76 薛勇彪 男 研究员中国科学院遗传与发育

生物学研究所

77 严纯华 男 教授北京大学

78 颜天 女 研究员中国科学院海洋研究所

79 杨华中 男 教授清华大学

80 杨建义 男 教授中国科学院上海微系统与

信息技术研究所

81 杨金龙 男 教授中国科学技术大学

82 杨立中 男 教授中国科学技术大学

83 杨玉良 男 教授复旦大学

84 尧命发 男 副教授天津大学

85 姚檀栋 男 研究员中国科学院青藏高原研究所

86 叶凯 男 研究员中国科学院地质与地球

物理研究所

87 应明生 男 教授清华大学

88 袁正宏 男 研究员复旦大学

89 曾嵘 女 研究员中国科学院上海生命科学

研究院

90 张海峰 男 研究员中国科学院金属研究所

91 张培震 男 研究员中国地震局地质研究所

92 张希 男 教授清华大学

93 张兴栋 男 教授四川大学

94 张亚平 男 研究员中国科学院昆明动物研究所

95 张永莲 女 研究员中国科学院上海生命科学

研究院生化细胞研究所

96 张宗玉 女 教授北京大学

97 赵春华 男 研究员中国医学科学院基础医学

研究所

98 赵春江 男 研究员北京农业信息技术研究中心

99 赵文智 男 高级中国石油勘探开发研究院

工程师

100 赵颖 男 教授南开大学

101 郑晓瑛 女 教授北京大学

102 钟宁宁 男 教授石油大学（北京）

103 周雪平 男 教授浙江大学

104 周忠和 男 研究员中国科学院古脊椎动物与

古人类研究所

105 朱英国 男 教授武汉大学

106 宗保宁 男 高级中国石油化工股份有限公

工程师司石油化工科学研究院