根据CCS Chemistry期刊于2024年3月1日发表的题为“Long-Range Electronic Effect-Promoted Ring-Opening Polymerization of Thioctic Acid to Produce Biomimetic Ionic Elastomers for Bioelectronics”的研究论文，现撰写以下学术报告向中国科研同行介绍此项研究。本研究由Hongfei Huang, Huijing Wang, Lijie Sun, Ruohan Zhang, Luzhi Zhang, Zekai Wu, Yaxuan Zheng, Yang Wang, Wei Fu, Youwei Zhang, Rasoul Esmaeely Neisiany及Zhengwei You共同完成。

一、 学术背景与目标

本研究聚焦于高分子化学与材料科学交叉领域，旨在开发一种合成性能优越、适用于生物电子学应用的新型聚二硫化物弹性体的新方法。聚二硫化物（Poly(disulfide)s）因其动态共价键特性，在柔性可穿戴电子、智能材料和药物递送等领域展现出巨大潜力。然而，传统的聚二硫化物合成方法通常需要外部刺激（如热、光）或使用有毒的引发剂，这限制了其应用范围，尤其是在对生物相容性有严苛要求的生物电子学领域。

硫辛酸（Thioctic acid, TA）是一种生物基可再生环状1,2-二硫戊烷单体，是合成聚二硫化物的理想前体。已有研究通过热或光引发的开环聚合（Ring-opening polymerization, ROP）来制备基于TA的聚合物，但这些方法仍受限于有毒引发剂、复杂过程或外部加热需求。

基于团队前期利用电子效应调控动态键活性的工作基础，本研究提出了一个核心科学设想：远程电子效应（long-range electronic effect） 能否显著改变二硫键的化学反应活性？具体而言，通过使TA的羧基去质子化形成羧酸根负离子，该电子给体基团是否能在跨越多个碳原子的距离上极化S-S键，从而降低其键能并促进其开环聚合？本研究的目标是验证这一原理，并基于此开发一种无需外部刺激和引发剂的、温和、简单、高效的TA开环聚合新方法，最终制备出一系列兼具优异机械性能、自修复性、可降解性、生物相容性、导电性及组织样柔软度的仿生离子弹性体，以满足生物电子学器件的关键需求。

二、 详细研究流程

研究流程主要包括材料设计与合成、结构与反应动力学表征、材料性能系统评价以及理论计算验证四个部分，各环节紧密衔接，层层递进。

流程一：材料设计与合成 首先，研究者设计了以硫辛酸（TA）和胆碱碳酸氢盐为原料的简单混合体系。胆碱碳酸氢盐在此作为去质子化试剂和生物相容性阳离子来源。具体合成步骤分两级： 1. 胆碱硫辛酸盐（ChOTA）的制备：将TA和胆碱碳酸氢盐以1:1摩尔比溶解在氘代二甲基亚砜（DMSO-d6）中，室温反应30分钟，通过核磁共振氢谱和碳谱（¹H NMR, ¹³C NMR）确认形成了离子液体ChOTA。 2. 离子液晶聚二硫化物（i-LCPD）的合成：将TA与胆碱碳酸氢盐以不同的摩尔比（n:m = 1:1, 0.8:1, 0.7:1, 0.6:1）溶解在乙醇中，室温搅拌30分钟形成含有ChOTA和过量TA的前驱体溶液。然后将溶液倒入聚四氟乙烯模具中，在25°C、环境条件下反应12小时，随后再真空处理12小时，最终得到一系列透明的黄色弹性体薄膜，分别命名为i-LCPD n:m。整个过程完全在室温下进行，无需任何外部刺激或外加引发剂。

流程二：化学结构表征与聚合反应动力学分析 此流程旨在确认聚合物结构，并深入探究“去质子化促进开环聚合”的机理。 1. 化学结构确证： * NMR与FTIR：通过¹H NMR和¹³C NMR分析了TA、ChOTA及各比例i-LCPD，证实了TA羧基的去质子化（羧酸根-COO⁻的形成）以及环状二硫戊烷开环生成聚二硫化物主链。傅里叶变换红外光谱中C=O伸缩振动峰从TA的1686 cm⁻¹位移至ChOTA的1557 cm⁻¹和1390 cm⁻¹，确证了去质子化过程。 * 分子量测定：使用凝胶渗透色谱法（GPC）测得i-LCPDs (1:1, 0.8:1, 0.7:1, 0.6:1)的数均分子量（M_n）分别为522、571、310和772 kDa，证明了该方法能高效合成高分子量聚合物。 * 形貌与元素分布：扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析显示i-LCPD薄膜表面致密光滑，元素分布均匀。

1. 反应动力学与机理研究：
   • 核磁共振化学位移分析：对比TA和ChOTA的¹H NMR谱图发现，去质子化后，环状二硫戊烷环上距离羧酸根最远的质子（Ha, Hb）的化学位移向高场移动，表明羧酸根的给电子效应通过远程电子效应影响了整个环的电子密度分布。
   • 拉曼光谱实时监测：实时拉曼光谱显示，ChOTA中S-S键的特征峰（约510 cm⁻¹）随时间变化迅速，表明其反应活性高；随着体系中TA比例增加（即去质子化程度降低），S-S键峰的变化速率减缓。
   • 流变学实时监测：流变仪实时检测前驱体溶液粘度变化，发现ChOTA（即i-LCPD 1:1前驱体）溶液的粘度增长趋势远高于其他比例，印证了其更快的聚合反应速率。
   • 密度泛函理论计算：采用Gaussian 09软件（B3LYP/6-31G**基组）和VASP软件包进行理论计算。
     • 静电势分析：通过Multiwfn对TA和ChOTA的波函数进行分析，绘制静电势分布图。结果显示，去质子化后，环状二硫戊烷环上的碳和氢原子静电势更负，表明电子密度增加；两个硫原子（S1, S2）的静电势差值绝对值从2.11增大到4.31 kcal/mol，直接证明了S-S键发生了极化。
     • 键能计算：采用爬坡弹性带方法模拟S-S键断裂过程。计算得出TA中S-S键的键能为3.23 eV，而去质子化形成ChOTA后，S-S键能降低至2.94 eV。这从能量角度定量解释了去质子化如何通过远程电子效应降低S-S键能，从而促进其开环反应。

流程三：液晶结构、热学及性能系统表征 此流程全面评估了所得i-LCPD材料的物理化学性能及其与微观结构的关系。 1. 液晶结构与热性能： * 偏光显微镜与XRD：在偏光显微镜下观察，除i-LCPD 1:1外，其余比例的i-LCPD薄膜均显示出明显的双折射图案，呈现“蓝色液晶宇宙”状貌，证实了材料中液晶相的形成。i-LCPD 1:1由于聚合速率过快，离子液体来不及充分自组装形成有序液晶结构，故双折射不明显。X射线衍射图谱进一步证实，随着TA含量增加（去质子化程度降低），反应速率减慢，分子有更充分的时间自组装，材料的结晶度/有序度增加。 * 热性能分析：热重分析表明材料的热分解温度在176-200°C之间。差示扫描量热法和动态热机械分析显示，随着液晶有序度增加，材料的熔点升高（从70°C至115°C），玻璃化转变温度（T_g）也从约-80°C升至约-20°C。

1. 力学与自修复性能：

   • 力学性能：通过单轴拉伸测试，i-LCPDs的机械性能可调。随着液晶相含量增加（TA比例增高），断裂强度从4.0±0.68 kPa增至62.8±2.13 kPa，断裂伸长率从1100±109%大幅提升至6100±582%，韧性也显著增强。材料的杨氏模量在18.2±6.0 到 111.1±36.7 kPa范围内，与神经、心脏、皮肤等生物组织的模量相匹配。
   • 室温自修复：利用材料内部丰富的非共价键（氢键、静电相互作用）以及去质子化后动态性增强的二硫键，i-LCPDs表现出优异的室温瞬时自修复能力。将切断的样品断面接触，在室温下放置2小时后，其拉伸强度、最大伸长率等力学性能可恢复至原始值的90%以上。动态应变扫描流变测试直观展示了材料网络在低应变下为固体（储能模量G‘ > 损耗模量G“）、高应变下破裂（G“ > G’）、应变恢复后网络瞬时重建（G‘ 迅速恢复并超过G“）的自修复过程。
   • 弹性与能量耗散：循环拉伸测试表明材料具有良好的弹性恢复能力。首次大应变循环出现明显的滞后环，归因于牺牲键（氢键等）的断裂耗散能量；在第二次即刻循环中能量耗散减小；若将样品松弛3小时后再测试，则恢复与首次循环相似的曲线，说明牺牲键得以重建。

2. 电学与自修复性能：

   • 离子导电性：由于材料中存在可移动的胆碱阳离子，i-LCPDs具有离子导电性。电化学阻抗谱测试表明，随着ChOTA含量（去质子化程度）增加，材料电阻减小。i-LCPD 1:1至0.6:1的离子电导率在2.39×10⁻² 到 0.28×10⁻² S m⁻¹范围内可调。
   • 电学自修复：实时电阻监测显示，将切断的i-LCPD 0.6:1样品接触后，电阻迅速下降并接近初始值。构建了一个包含i-LCPD 0.6:1、LED和电源的简单电路：当材料被切断时LED熄灭；当断面接触时LED立即点亮，并且愈合后的材料在承受大拉伸变形时，LED亮度会随应变增大而明显变暗，演示了材料同时具备导电自修复性和应变传感能力。

3. 降解性、生物相容性与抗菌性：

   • 热介导降解：主链中大量的二硫键赋予了材料动态和可降解的特性。将i-LCPDs置于80°C水溶液中加热，通过紫外-可见光谱实时监测，发现在330 nm处出现并增强的环状单体二硫键特征吸收峰，证实聚合物降解为单体。降解产物可被重新聚合，实现了材料的循环利用。
   • 生物相容性评估：使用浓度为2000 mg L⁻¹的i-LCPDs浸提液培养3T3细胞。Calcein-AM/PI双染结果显示，细胞存活率在3天后仍高于94%。CCK-8细胞增殖实验也表明细胞在含i-LCPDs的培养基中生长良好。i-LCPD 0.6:1因含有大量可电离的羧基，使微环境偏酸性，细胞生长稍慢。
   • 抗菌性能：通过活/死细菌染色和测量细菌溶液浊度（OD600）评估，i-LCPDs对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出抗菌性能。SEM图像显示i-LCPDs能破坏细菌表面的完整性。

三、 主要研究结果

本研究取得了一系列系统且相互印证的结果： 1. 成功开发了新的聚合方法：实验证实，仅通过简单混合TA和胆碱碳酸氢盐，在室温下即可快速制备高分子量的离子液晶聚二硫化物弹性体（i-LCPDs），无需任何外部刺激或引发剂。 2. 揭示了“远程电子效应促进聚合”的机理：通过NMR化学位移分析、静电势理论计算、拉曼光谱和流变学监测，结合密度泛函理论计算，从电子密度变化和键能降低两个层面，确证了TA去质子化后形成的羧酸根负离子，可通过远程电子效应极化S-S键，将其键能从3.23 eV降低至2.94 eV，从而显著提升其开环聚合反应活性。同时，去质子化的羧酸根本身也可作为亲核试剂进攻二硫键，进一步促进开环。 3. 获得了具有优异综合性能的材料：所制备的i-LCPDs是一类全新的仿生离子导体，集成了多种理想特性：室温自修复（力学与电学）、可调导电性（10⁻² S m⁻¹量级）、可降解与可循环、良好的生物相容性、抗菌性以及与生物组织匹配的柔软度（杨氏模量18.2-111.1 kPa）。 4. 建立了结构与性能的关联：通过调控TA与胆碱碳酸氢盐的比例，可以控制去质子化程度，进而调控聚合反应速率、液晶相有序度，最终实现对材料力学性能（强度、伸长率、模量）、导电性和热稳定性的精细调控。 5. 展示了潜在的应用前景：材料的透明、可拉伸、导电、自修复及生物相容等特性，使其在生物电子学领域（如可植入器件、柔性传感、人机接口）具有明确的应用潜力。简单的电路演示验证了其作为自修复导电器件和应变传感器的可行性。

四、 结论与意义

本研究得出结论：远程电子效应是一种能够显著改变二硫键反应活性的有效原理。基于此原理建立的去质子化促进开环聚合方法，为合成高性能聚二硫化物提供了一种温和、简单、高效且环境友好的新策略。

其科学价值在于： 1. 提出了新概念与新机理：将“远程电子效应”系统性地引入到动态共价键化学和可控聚合领域，为理解和调控特定官能团（如二硫键）的反应性提供了新的理论视角和设计原则。 2. 发展了新方法：突破了传统聚二硫化物合成对刺激或毒性引发剂的依赖，为在温和条件下制备功能高分子开辟了新途径。 3. 创制了新材料：成功制备了一类集多重优异性能于一体的仿生离子液晶弹性体，为生物电子学等前沿领域提供了新的材料候选。

其应用价值在于：所开发的i-LCPDs材料因其独特的性能组合，有望直接应用于对生物相容性、力学匹配性、可降解性及信号传导有高要求的先进生物电子器件中，例如可穿戴/可植入健康监测设备、柔性神经电极、电子皮肤等。

五、 研究亮点

1. 核心机理的创新性：首次明确提出并实验结合理论验证了“远程电子效应”可用于高效驱动二硫键的开环聚合，是该研究的核心科学亮点。
2. 合成方法的简洁与绿色性：聚合过程极其简单（室温混合）、条件温和、无需外部刺激、不使用有毒引发剂，符合绿色化学理念。
3. 材料性能的集成性与优越性：单一种材料同时实现自修复、可降解、生物相容、抗菌、导电、组织柔软等多种先进功能，且性能指标优异，满足了生物电子学对材料的多元化苛刻要求。
4. 研究手段的系统性：结合了深入的机理探索（多种光谱、理论计算）和全面的性能表征，从分子层面到宏观性能，构建了完整的研究链条，结论坚实可信。

六、 其他有价值的内容

研究还指出，这种针对硫辛酸的去质子化远程电子效应策略，可能是一种被部分忽视但强大的合成策略。进一步拓展应用这一策略，有望激发一系列新的化学反应，并合成出更多有价值的物质。这为后续研究指明了方向，具有启发性。此外，文中详尽的支撑信息提供了大量补充数据和图表，为同行复现和深入研究提供了充分依据。