近日，我校化学与分子工程学院费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心曲大辉教授课题组在新型共价自适应网络材料研究中取得新的进展，相关工作以“Catalyst-Free Dynamic Covalent C=C/C=N Metathesis Reaction forAssociative Covalent Adaptable Networks” 为题发表于AngewandteChemie International Edition。
热固性塑料因其优异的尺寸稳定性、耐溶剂性和力学强度而备受重视。然而，稳定的永久交联网络也使其难以再加工与回收，导致严重的环境污染与资源浪费。将动态共价键引入到热固性聚合物网络中构筑共价自适应网络（Covalent adaptable networks, CANs），通过其在特定刺激(如温度、光和pH值)下的可逆键交换驱动网络骨架链段进行重排，能够赋予热固材料可塑性，以及自修复、可回收、形状记忆等动态特性。绝大多数共价自适应网络材料需要催化剂以引发或加速动态键交换，然而，在大宗聚合材料中使用催化剂，往往需要高昂的成本，同时，小分子催化剂在长时间的使用后容易析出，导致材料动态性的损失且对环境产生潜在毒害作用。因此，如何开发无催化剂的共价自适应网络材料是领域亟待解决的关键科学问题。
为了解决上述问题，团队人员在聚氨酯材料骨架中创新引入无需催化剂的C=C/C=N动态共价交换反应，通过C=C键（Knoevenagel缩合产物）与C=N键（亚胺化合物）在无催化剂条件下的动态交换赋予材料动态性能。团队首先设计合成了含有C=C、C=N键的二羟基化合物（C=C diol-1与C=N diol-1），并将其与市售的六亚甲基二异氰酸酯（Tri-HDI）交联获得了含有C=C/C=N复分解基元的热固性聚氨酯(C=C/C=N PU)。所得C=C/C=N PU具有优异的热/力学性能（Tg:83 ℃，拉伸强度：63.0 ± 2.5 MPa,杨氏模量：1512 ± 259 MPa, 断裂伸长率：7.5 ± 0.9%）、稳定性（Td5%:307 ℃）以及耐溶剂性，可媲美普遍应用的热固性树脂材料。
C=C/C=N交换反应赋予该材料显著的网络重构能力，在相同温度下，其特征应力松弛时间仅为C=N PU对照组的1/20左右。因此，这类材料可以通过热压进行多次回收再加工，同时保持其化学完整性、热性能和机械性能。进一步，研究人员发现通过改变动态键邻位的取代基，可以对材料应力松弛速度（吸电子基加快、推电子基减慢）进行高效调控。最后，研究人员探索了这类材料的形状记忆功能，将其在高温段（~150 ℃）进行快速键交换以重构其3D永久网络，从而具备复杂的初始几何形状；在中温段（~90 ℃）达到玻璃化转变温度后进行链段运动，从而获得弹性以编辑其临时形状；快速降至室温固定临时形状后重新升温（如浸入热水）则可引发快速形状记忆（< 3 s）过程。综上所述，本工作首次将C=C/C=N交换反应应用于聚合网络，构筑了一类无催化剂、可再加工、可形状记忆且具备优异机械性能的共价自适应网络智能材料，为无催化剂CANs智能材料的发展提供了新的思路。
该工作由博士研究生李鹏云在曲大辉教授和顾睿锐特聘副研究员的指导下完成，并得到了田禾院士的悉心指导。该工作得到国家自然科学基金、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、上海市科技重大专项、上海科学技术委员会、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心等项目资金支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202406708