双亲分子在水、有机溶剂或离子液体中能组装成胶束、囊泡、液晶、纳米纤维等丰富的有序聚集体。设计功能性的双亲分子,探究组装体内的非共价相互作用,有助于人们加深对生物组装机制的理解,制备新型的多功能材料,推动化学及相关领域的发展。由咪唑类离子液体(ILs)参与构筑的有序聚集体不仅引入了 ILs独特的理化性质,还为体系提供了静电、氢键、π-π堆积等丰富的非共价作用力。为了探究新颖的组装方法,获得多形貌和多功能的组装材料,可以通过以下几种方法进行改进。一方面,基于ILs优良的可设计性,可以对咪唑进行结构改性或将功能性基团引入到双亲分子的亲水头部、疏水尾部和反离子中。另一方面,利用非共价相互作用进行有机-无机共组装,可以灵活、有效地引入无机材料的特性和功能。此外,基于双亲分子的小分子凝胶制备简单,可设计性强,易于获得对光、温度、pH等刺激响应的智能软材料,从而开发组装体的应用领域,探究结构和功能的关系。本论文设计并合成了一系列功能性的咪唑类双亲分子,通过多种非共价相互作用调节组装体的形貌,实现响应性和功能性可控组装。主要研究工作分为以下六个部分:1.偶氮苯化合物具有高效、可逆的顺-反光异构化性质。由于疏水性较强,研究者们多将其作为聚集体的添加剂或合成疏水尾部含偶氮苯基团的双亲分子。我们设计合成了偶氮苯基团位于亲水头部的表面活性离子液体[C14mimAzo]Br,详细研究了其在水溶液中的聚集行为。偶氮苯的引入降低了头部的亲水性和静电排斥,在无添加剂的情况下可以自组装形成囊泡。通过1H NMR和UV-vis吸收光谱测试表明,紫外灯照射后[C14mimAzo]Br转变为弯曲的顺式结构。较大的空间位阻不利于分子的紧密堆积,导致囊泡破裂。密度泛函理论(DFT)计算进一步表明,反式[C14mimAzo]Br与H2O的相互作用更弱,因而更有利于聚集体的形成。2.选择了阳离子型的聚离子液体([PMAzoVIm]Br)和聚丙烯酸(PAA),通过简单的无模板相分离法制备了光和湿度响应的聚离子液体多孔膜。由于聚离子液体的支链中引入了偶氮苯基团,紫外光照射产生的顺式异构体改变了复合物的体积和分子内的空间位阻,使膜的多孔结构发生改变。通过湿度调节还可以使孔结构实现可逆的开关转换。利用FTIR、SAXS和UV-vis吸收光谱研究了孔结构形成和转变的机理。超高的溶胀率、吸水率和带电性使膜对阳离子染料亚甲基蓝具有优异的选择性吸附能力。3.基于β-环糊精(β-CD)与两性离子液体MIPS-LiTFSI的主-客体作用,在质子型离子液体硝酸乙基铵(EAN)中制备了超分子离子凝胶。19F NMR和2D ROESY 1H NMR测试表明,只有TFSI0与β-CD发生了络合。TFSI-与β-CD之间的主-客体作用、咪唑阳离子和TFSI--间的静电相互作用以及三种化合物的分子间氢键促进了离子凝胶的形成。通过调节β-CD和MIPS-LiTFSI的摩尔比,可以获得具有不同机械性能和热稳定性的离子凝胶。溶剂EAN的选择、两性离子对锂盐的解离、β-CD对TFSI-的包结以及β-CD在凝胶中的通道构型提高了超分子离子凝胶的导电性。4.基于上一部分的工作基础,我们设计合成了不对称的Gemini型两性离子液体(AzoIPS-LiTFSI),分子中的偶氮苯和TFSI-作为两种客体分子,与β-CD存在不同的作用机制,制备了低分子量的超分子水凝胶。通过调节光照或温度可以实现可逆的凝胶-溶胶转变。对主、客体分子的结合化学计量比、包结方式,凝胶中的非共价相互作用以及光和热响应机制进行了详细的研究。有趣的是,可以通过不同波长的光照使β-CD沿着客体分子穿梭。电导率的值会伴随着凝胶-溶胶转变进行可逆的切换,在电传感器材料中具有潜在的应用价值。5.基于双亲分子与多金属氧酸盐(POM)的有机-无机共组装法结合了有机组装体的多样性和无机材料的多功能性,可用于制备具有优异性能的组装材料。人们选择对POM进行化学改性或将其作为阳离子型双亲分子的反离子进行组装,制备的材料通常不溶于水。为了探究新颖、简便的组装方法:(1)我们将两性双亲分子(C16IPS)与磷钨酸(HPW)进行有机-无机共组装,由于C16IPS的阴、阳离子通过共价键相连,与电荷离域的POM同时存在静电引力和斥力,制备了具有晶态和非晶态网络的超分子水凝胶。通过平衡有机-无机共混物的刚性和柔性,得到了丰富的组装形貌(纳米纤维束、支化的纳米纤维、交织的蠕虫状胶束、高度平行的蠕虫状胶束、囊泡和无序的蠕虫状胶束)。鉴于水凝胶在生物系统和材料科学中的广泛应用,这些发现有利于突出有机-无机二元超分子水凝胶的潜力,填补动力学和热力学控制的凝胶过程之间的空白。(2)为了详细探究组装体内的非共价相互作用,选择了两种具有不同阳离子构型的两性双亲分子C16IPS和C16bIPS,分别与硅钨酸(HSiW)进行组装。HSiW上的氧原子与咪唑环C-2位质子的氢键作用和空间位阻会影响水凝胶的形貌和流变学性能。而C16bIPS与HSiW摩尔比的不同会使蠕虫状胶束呈现平行、垂直和倾斜的排列方式,并在大尺度范围堆积形成六角相。该研究有利于理解两性双亲分子结构与组装形貌和水凝胶机械性能的关系。6.基于上一部分的工作基础,我们将含稀土铕的POM(EuW10)与两性双亲分子C20IPS进行共组装,得到了具有优异发光性能的可注射水凝胶。通过调节C20IPS与EuW10的摩尔比,可以获得具有不同流变学和发光性能的水凝胶。有趣的是,基于热响应的溶胶-凝胶转变,荧光发光强度与温度呈现两组线性相关曲线。此外,酸/碱气体会显著影响水凝胶的发光特性,有利于制备多刺激响应的发光软材料。