高分子科學

高分子科學

正文

高分子科學實驗

高分子科學在我國已有50年的歷史,老一輩高分子科學家為我國高分子科學的建立與發展做出了卓越貢獻,並為今後的發展培養了一大批人才,我們應該永遠牢記他們。 近年來,伴隨著世界高分子科學的發展,我國高分子科學基礎研究的整體水平有了明顯提高,隨著科教興國戰略的實施,研究條件有了明顯改善,本文是基於學科管理中學科前沿調研、學科發展研討等形成的材料中摘要而寫的,凝練了高分子領域集體的智慧,力圖反映近期高分子科學前沿、熱點和發展趨勢,僅供讀者參考。 對於近年來高分子科學學科基金資助情況已有介紹對於2004年我國高分子學者的某些重要研究進展也已進行綜述 近年世界高分子科學在諸多領域取得重要進展,主要是控制聚合、超分子聚合物、聚合物納米微結構、高通量篩選高分子合成技術、超支化高分子、光電活性高分子等方面。

高分子合成化學

高分子科學的誕生源於高分子合成化學。世界上目前每年生產的2萬多億噸高分子都是以高分子合成化學為基礎而實現的。因此,高分子合成化學作為高分子科學重要的基礎和支撐分支學科,其發展對高分子科學與工程發展起著十分重要的推動作用。高分子合成化學研究從單體合成開始,研究高分子合成化學中最基本問題,探索新的催化劑體系、精確控制聚合方法、反應機理以及反應歷程對產物聚集態的影響規律等,高分子合成化學基礎研究具有雙重作用,一是運用已有合成方法研究聚合物結構調控;二是設計新的合成方法,獲得新穎聚合物。 20世紀90年代以來在高分子合成化學領域中,前沿領域是可控聚合反應,包括立構控制,相對分子質量分布控制,構築控制、序列分布控制等。其中,活性自由基聚合和疊代合成化學研究最為活躍。活性自由基聚合取得了許多重要的成果,但還存在一些問題。活性自由基的發展前景,特別是工業套用前景以及未來研究工作趨勢是令人關心的問題。對於活性自由基聚合反應機理的深入研究、在較低的溫度下能快速進行聚合的研究是目前受到關注的研究方向。疊代合成化學是唯一可用來製備多肽、核酸、聚多糖等生物高分子和具有精確序列、單分散非生物活性高分子齊聚物的方法。樹枝狀超支化高分子的合成就是此合成策略的成功套用例證之一,是過去10年高分子合成中最具影響力的發展方向。樹枝狀超支化聚合物由於其獨特球形分子形狀,分子尺寸,支化圖形和表面功能性賦予它不同於線型聚合物的化學和物理性質。

高分子合成化學發展需注意

(1)與無機化學、配位化學、有機化學等的融合與滲透,吸取這些學科領域的研究成果開發新的引發/催化體系,這是合成化學的核心,是高分子合成化學與聚合方法原始創新發展的關鍵。對於傳統的工業化單體,需要利用新型引發P催化體系和相應聚合方法,研究開發合成新的微觀結構的聚合物新材料。
(2)與有機合成化學和高分子化學緊密結合,將有機合成化學的先進技術“嫁接”到高分子合成化學中,研發高分子合成的新方法,實現高分子合成的可設計化、定向化和控制化,這裡包括通過非共價鍵的分子間作用力結合來“合成”超分子體系。
(3)在大分子工程方面,不僅要達到控制聚合物的分子量與分子量分布,而且要開發設計合成多種拓撲結構的聚合物鏈(如超支化聚合物、星型多臂嵌段共聚物、樹枝狀聚合物、濃密刷型聚合物等)的新合成技術。
國家自然科學基金鼓勵並支持從事高分子合成化學基礎研究的課題,將注意各分支學科的平衡協調發展,對暫時冷門的研究方向,將予以持續資助。目前,我國在負離子聚合、正離子聚合和偶聯聚合等方面的研究需要吸引中青年研究人員加入。同時在高分子合成化學領域近期應關注以下幾個方向:(1)新的聚合反應和新的聚合方法特別是酶催化聚合和微生物聚合等;(2)功能性高分子合成;(3)高分子鏈結構的設計和控制合成;新型超支化聚合物的合成;新型樹形大分子的合成;樹枝化聚合物的合成;聚合物分子刷的合成;新型多肽的化學合成等;(4)藉助分子間弱相互作用及特殊識別作用組裝合成新型聚合物;(5)聚合反應機理方面的研究;(6)通過量子化學計算和計算機模擬準確預測聚合物結構與性能之間關係,指導分子設計和高分子合成。 國際上重要的高分子合成進展有:可控自由基聚合和活性配位聚合又有許多新進展。Fujita等[4]報導了配位聚合方法乙烯的活性聚合。聚合溫度25～50℃,分子量分布很窄(1.05～1.19),分子量可高達40萬,催化活性很高(20000min-1atm-1)。 Marks[5]以有機鈦化合物催化苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯共聚,獲得雙全同無規共聚物,在此催化劑作用下,苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的均聚反應生成間規均聚物。 將組合化學研究方法發展運用到高分子合成的催化體系高通量篩選方法研究只有三、四年的時間,但發展很快。許多學術研究小組、研究中心和工業界實驗室都開始進行研究。幾乎每個月都有相關的學術會議。“MacromolRapidCommun”已分別於2003年第1期和2004年第1期出版了兩期專集,前者只有15篇論文,後者升至45篇,有望改變傳統研究方式和速度。我國高分子學術界和工業界尚未對此領域給予充分重視。
高度支化的聚合物是具有前沿性並具有潛力的研究方向。2003年含超支化聚合物一詞的論文有302篇,2004年含樹枝狀聚合物一詞的論文有450篇,呈現出非常活躍的景象。Percec[6]提出了一種合成新概念termini-TerminatorMultifunctinalInitiator,即被保護的多功能團化合物,它能夠定量和不可逆的中斷活性聚合或鏈式有機反應,去除保護基團後,其活性官能團能100%再引發活性聚合,再引發過程中,TERMINI重複單元新產生一個支化點。利用這種方法與活性自由基聚合相結合發展了一種全新的收斂法合成超支化聚合物的方法。 Britz等[7]利用碳納米管作為受限反應器,將環氧化富勒烯灌裝到單臂碳納米管中,然後引發環氧化富勒烯開環聚合形成線形聚合物,獲得了用其他方法難以製備的聚合物,為在受限空間進行可控高分子合成開闢了新途徑。
　

高分子科學與生命科學的交叉研究

國際發展態勢表明:眾多高分子背景學者的研究方向開始集中在與生命科學相關的高分子研究方面,對生物高分子、醫用高分子、生物大分子體系理論計算模擬、高分子科學中的生物技術和大分子化學生物學等相關研究前沿的科學問題是近期需給予重點關注的方向,從美國化學會年會的論文就可反映這一點。 高分子科學是研究分子量在數千至數百萬甚至數千萬大分子合成、結構與性能的學科,而生命科學中的核心物質DNA、多肽、蛋白質,聚多糖等都是分子量很高的大分子,屬於高分子科學研究的對象,而由這些生物大分子構成的細胞又構成了生命。因此,高分子科學與生命科學存在著不可分割的聯繫和許多有待進行學科交叉研究的前沿問題。主要有以下3個層面的交叉點:(1)在DNA、蛋白、多糖、高分子藥物及診斷試劑等研究方面存在著分子水平層面的交叉點;(2)高分子科學在小尺寸藥物傳輸系統、單層、雙層和多層高分子膜和生物感測的研究方面存在著細胞層面上的交叉;(3)高分子科學在軟組織或骨組織工程在人體組織和生命層面上有著很好的交叉點。 過去高分子科學向生命科學和現代醫學領域的滲透給給現代生物醫學帶來的巨大變化。就高分子科學與生命科學交叉的研究領域而言,以前的研究主要集中在用傳統高分子材料製備生物醫用材料,如組織工程的支架、人造器官、藥物傳輸載體等高分子。在藥物學領域,高分子藥物控釋技術幾乎從根本上改變了傳統的給藥概念和模式,成為藥物治療科學中的一個里程碑。在醫用高分子方面,由於植入體內高分子的套用,對提高醫療水平,改善人類生活質量、減輕疾病對人們健康的影響,均起了重要作用。 用於醫療中診斷、治療、修復或替換人體組織或器官的生物醫用高分子材料要求高分子在具有特殊功能與性能的同時還具有對人體組織、血液不產生不良作用的性質。生物醫用高分子的研究與開發對提高人民健康水平、國防和國家經濟發展都具有重要意義。由於生物醫用高分子產品的附加值非常高,而其質量直接與使用者生命安全相關,已開發國家多年來已將生物醫用高分子的研究作為優先發展的重點領域。近年來,國際上此領域的研究蓬勃發展,出現了許多新的研究熱點並孕育著新的突破。在用於藥物控制釋放高分子研究領域,高分子2藥物、高分子2蛋白質結合體、高分子2基因聚絡物和高分子微膠束等涉及生物高分子藥物的研究方向已成為高分子科學研究者進入現代生物醫學領域的切入點。體現了生物大分子與合成高分子相互融合,傳統高分子科學與現代生命科學相互融合。總之,從高分子分子設計、高 分子結構,到高分子凝聚態、高分子組裝;從分子運動到生物屏障的跨越;從分子間相互作用到載藥系統與生命系統間的相互作用等方面的研究,高分子科學都發揮出越來越重要的作用。高分子科學工作者應抓住際遇,與生命科學與技術、納米科學與技術和生物納米技術相結合,為高分子學科的發展,為國家社會與經濟的發展做出貢獻。 高分子科學研究者除了繼續重視生物醫用高分子研究之外,還須通過運用高分子科學研究特長和知識,從分子水平研究生物大分子結構、相互作用等,為研究生物大分子在生命體系中生命過程做出應有的貢獻。通過研究高分子組裝和高級有序結構構築、手性高分子、配位高分子以及受生物啟發或模擬生物體系高分子的研究,在高分子科學與生命科學之間架起跨接的橋樑。今後在高分子科學與生命科學交叉研究中應重視下列領域的研究: 組織工程研究中支架高分子的仿生微觀結構和高分子的生物降解性,特別是可誘導細胞與組織生長、降解速度可控的高分子; 利用生物學原理將蛋白質、細胞生長因子、酶及多肽等生物活性物質固定在生物醫用高分子等醫用材料的表面,通過表面修飾構建第三代的生物活性醫用植入或介入診療高分子等;研究具有優異抗凝血性、生物相容性及抗菌性的高分子;用於基因治療的高分子藥物控釋體系,特別需重視非病毒高分子基因載體,大分子蛋白類藥物釋放載體以及靶向性和釋放速度可控性; 運用生物技術發展高分子合成方法也是國際上非常重視的研究方向;開展酶催化聚合、微生物法合成聚羥基烷酸酯等生物醫學高分子;大分子化學生物學:運用高分子科學的原理與方法以研究和揭示與生物大分子相關的生命運動的化學本質,研究生物大分子的結構與其生物活性的關係;研究生物體內的蛋白質-蛋白質、多(寡)糖2蛋白質等相互作用、研究分子識別; 非生物活性與生物功能大分子的自組裝過程與超分子結構的深入研究對加深蛋白質等重要生物大分子的結構與功能的關係的理解,以天然蛋白如膠原蛋白、彈性蛋白、蠶絲蛋白、蜘蛛蛋白等為例,揭示生物大分子自組裝原理、結構及其生物學效應;推動大分子分子(簇)器件與高性能仿生高分子材料的發展; 合成可實現溶液中精巧高級結構的聚合物的研究:非天然齊聚物或高聚物的分子內弱相互作用控制其二級結構(摺疊與螺鏇等精緻結構),模擬或複製生物大分子結構與功能,理解摺疊與螺鏇構象、結構與性能。通過合成出具有與生物高分子相同的摺疊機理以天然高分子所顯示的精巧水平和程度形成三維結構、功能和性能,從合成高分子或生物高分子衍生物,探討通過控制高級結構獲得與生物分子類似功能的可能性; 運用合成高分子結構研究的基本理論方法開展生物大分子及其人工合成類生物大分子結構的理論計算模擬研究;高分子生物學效應和生物大分子相互作用的表征新方法及其套用,用於生物感測與檢測的高分子等。