“巰基-烯/炔”點(diǎn)擊反應(yīng)在有機(jī)材料合成中的應(yīng)用

章諫正 任杰 劉藝帆 吳松華

摘要：“巰基-烯1/炔”（“Thiol-ene/yne”）光化學(xué)反應(yīng)是近年來發(fā)展的一類新型的點(diǎn)擊反應(yīng)，具有高度的選擇性，并可與多種化學(xué)合成方法交互使用，成為有機(jī)材料制備的又一重要途徑。文章介紹了“巰基-烯/炔”點(diǎn)擊反應(yīng)及其反應(yīng)機(jī)理，在此基礎(chǔ)上著重介紹了“巰基-烯/炔”點(diǎn)擊化學(xué)在材料表面改性、功能水凝膠制備、功能性聚合物微球、高度支化聚合物、雜化材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：巰基-烯/炔;點(diǎn)擊反應(yīng);合成

中圖分類號(hào)：0631.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）02-0056-07

點(diǎn)擊化學(xué)（click Chemistry）是由化學(xué)家Sharp.1ess在2001年提出的一種新型有機(jī)合成概念，點(diǎn)擊反應(yīng)是一種以碳一雜原子成鍵反應(yīng)（C-X-C）為基礎(chǔ)的組合化學(xué)新方法，并借助這些反應(yīng)來簡(jiǎn)單高效地獲得分子多樣性。典型的點(diǎn)擊化學(xué)如銅催化的疊氮一炔基Husigen環(huán)加成反應(yīng)（Copper-Catalyzed Azide-AI-kvne Cycloaddition）。點(diǎn)擊化學(xué)的引入和發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)和制備復(fù)雜的高性能聚合物、小分子有機(jī)化學(xué)和藥物等產(chǎn)生了重大影響，其作為新型的有利的化學(xué)合成工具，在大分子工程、藥物合成、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物技術(shù)、聚合物納米粒子等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

近幾年，一系列新型點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)受到了極大的關(guān)注，比如基于硫醇的化學(xué)反應(yīng)，包括“巰基一烯”“巰基一炔”“巰基一異氰酸酯”“巰基-溴”等。其中“巰基一烯快”作為典型的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)底物豐富、可設(shè)計(jì)選擇范圍廣，可以用于制備各種新型功能材料。本文介紹了“巰基一烯/炔”點(diǎn)擊化學(xué)基本原理，以及在材料表面改性、功能水凝膠制備、功能性聚合物微球、高度支化聚合物、雜化材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1“巰基-烯/炔”點(diǎn)擊反應(yīng)介紹

1.1“巰基一烯”點(diǎn)擊反應(yīng)介紹

“巰基一烯”反應(yīng)作為一種簡(jiǎn)單的C-S成鍵反應(yīng)，其被發(fā)現(xiàn)已有100多年的歷史，這種反應(yīng)具有非常吸引人的優(yōu)勢(shì)：首先，這種C-S成鍵反應(yīng)可以在多種條件下進(jìn)行，包括通過自由基、親核試劑、酸、堿;其次，各種各樣的烯烴可用作合適的底物，包括活化和非活化的多取代的烯烴;第三，幾乎所有的硫醇都可以用于反應(yīng)，包括功能性強(qiáng)的物質(zhì);最后，這種反應(yīng)非常迅速，而且反應(yīng)條件溫和，可以在空氣環(huán)境中進(jìn)行。1938年Kharasch等提出了“巰基一烯”化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，如圖1所示，巰基在捕獲自由基后與雙鍵完成自由基加成反應(yīng)形成C-S鍵。Jacoblrie于20世紀(jì)90年代初系統(tǒng)的綜述了不同類型“巰基一烯”化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理及應(yīng)用前景。在聚合物材料領(lǐng)域，Bow-man和Holye等利用“巰基一烯”反應(yīng)制備了幾乎完美的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料。

“巰基-烯”點(diǎn)擊反應(yīng)可由自由基引發(fā)，常用的熱自由基引發(fā)劑為：偶氮類化合物或者過氧化物，此反應(yīng)也可以使用紫外光引發(fā)，例如使用二苯甲酮類、安息香類化合物在紫外光下既可以引發(fā)反應(yīng)。同時(shí)，此反應(yīng)也可以使用自然光引發(fā)，如圖2是使用一種Ru配合物為光氧化劑，使用苯胺為還原劑引發(fā)反應(yīng)，除此之外，此反應(yīng)還可以使用紅光、氧化還原體系進(jìn)行自由基引發(fā)。值得一提的是，此反應(yīng)使用有機(jī)胺、有機(jī)磷等堿作為催化劑引發(fā)Michael加成，如圖3所示。生成的產(chǎn)物是反Markovnikov規(guī)則的，而使用酸催化反應(yīng)是，得到的產(chǎn)物是復(fù)合Markovnikov規(guī)則的吲。

“巰基-烯”點(diǎn)擊反應(yīng)作為一種構(gòu)建新型材料的手段具有非常多的優(yōu)勢(shì)：①烯烴化合物非常豐富，可供選擇性大，可以合成大量各種結(jié)構(gòu)的化合物;②點(diǎn)擊反應(yīng)反應(yīng)速度快，可常溫常壓下進(jìn)行如果是紫外光引發(fā)情況下可以在幾秒內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)率達(dá)到90%以上;③此點(diǎn)擊反應(yīng)由雖然由自由基引發(fā)，但是反應(yīng)過程不受空氣中氧氣的影響，操作簡(jiǎn)單;④如果使用雙巰基和雙硫醇化合物反應(yīng)，可以生成高分子聚合物，次為典型的逐步加成反應(yīng)，分子量以及聚合物的封端都是可控的。

1.2“巰基-炔”（Thiol-yne）反應(yīng)介紹

與“巰基-烯”點(diǎn)擊反應(yīng)類似，“巰基一炔”也是一種基于巰基與不飽和鍵之間的點(diǎn)擊反應(yīng)。其反應(yīng)過程如圖4所示，可以看出：每個(gè)炔基首先與單個(gè)硫醇反應(yīng)形成乙烯基硫醚，隨后使乙烯基硫醚與第二個(gè)硫醇反應(yīng)，從而產(chǎn)生1，2-二取代的加合物，與傳統(tǒng)的“巰基一烯”反應(yīng)相比，該兩步反應(yīng)在許多方面類似于伯胺和隨后的仲胺與環(huán)氧的順序反應(yīng)，可以大大提高得到的聚合物的交聯(lián)密度和取代度。Fairbanks等最近研究了1，9-十二烷二炔（DDY）和季戊四醇四（3-巰基丙酸酯）（PETMP）作為模型的硫醇一炔光聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和機(jī)理。這種光聚合的動(dòng)力學(xué)表明，點(diǎn)擊反應(yīng)相對(duì)迅速，超過80%的硫醇官能團(tuán)在第一分鐘內(nèi)就開始反應(yīng)。與由PETMP和類似的二乙烯基醚聚合形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，“巰基一炔”反應(yīng)形成更高的交聯(lián)密、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和模量。因此，“巰基一炔”點(diǎn)擊反應(yīng)在制備高交聯(lián)密度的聚合物、超支化結(jié)構(gòu)材料、生物大分子結(jié)構(gòu)種具有較好的應(yīng)用前景嘲。

2點(diǎn)擊反應(yīng)在材料合成中的應(yīng)用

2.1點(diǎn)擊反應(yīng)在材料表面改性中的應(yīng)用

材料表面性能是決定材料物理化學(xué)性能的重要因素，為了提升材料的附著力、親水疏水性、抗腐蝕性、界面相容性、表面粗糙度等性能，可通過表面修飾實(shí)現(xiàn)。近年來，“巰基一烯/炔”點(diǎn)擊化學(xué)由于反應(yīng)條件簡(jiǎn)單、選擇性強(qiáng)、可選擇反應(yīng)物豐富等特點(diǎn)，其在材料表而改性方而具有很大的應(yīng)用前景。

Steo等使用“巰基-烯”點(diǎn)擊反應(yīng)對(duì)有機(jī)硅表面進(jìn)行了改性，先使用KH550將有機(jī)硅表面接上胺基，然后使用氨基與酰亞胺之間的反應(yīng)接上雙鍵，如圖5所示，接上雙鍵以后，可以利用“巰基一烯”反應(yīng)接上各種功能性的終端，這些含巰基的高分子是通過RAFT聚合反應(yīng)得到，例如可以接上聚苯乙烯、或者聚丙烯酸，或者聚葡萄糖等，經(jīng)過這些改性后，有機(jī)硅表面表現(xiàn)出不同的親水或者親油性能。

如此表面改性的研究有很多，例如對(duì)鋼、聚二氟乙烯等表面進(jìn)行改性，使得鋼表面接上巰基，然后使用點(diǎn)擊反應(yīng)在鋼表面修飾上各種離子型或者不同基團(tuán)的終端，利用XPS對(duì)其表面進(jìn)行分析，利用細(xì)菌在鋼表面的生長(zhǎng)狀況表征了不同方法改性后對(duì)鋼表面耐菌性的區(qū)別，如圖6所示。

2.2點(diǎn)擊反應(yīng)在水凝膠合成中的應(yīng)用

水凝膠是一種極為親水的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料，能夠在水中迅速吸水膨脹并保持凝膠狀態(tài)，在人造器官、組織工程的支架和藥物負(fù)載等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。為了使得水凝膠具備環(huán)境響應(yīng)功能，可以在分子結(jié)構(gòu)中引入對(duì)pH值、環(huán)境溫度、光信號(hào)和電磁信號(hào)等敏感的基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)水凝膠的智能化。He等使用二巰基和二烯烴化合物在硼酸的催化下合成了一種智能水凝膠，將兩片水凝膠接觸放置在室溫條件下即可自愈合。Xu等也利用“巰基一炔”反應(yīng)制備了一種智能水凝膠，可以實(shí)現(xiàn)自愈合，如圖7所示。

2.3點(diǎn)擊反應(yīng)應(yīng)用于高分子微球的合成

高分子微球是一種尺寸在微米級(jí)的有機(jī)聚合物，其尺寸小、均一性好、表面基團(tuán)豐富，所以已廣泛應(yīng)用于色譜填料、生物醫(yī)學(xué)、信息工程等領(lǐng)域。相比普通烯烴聚合物通過自由基聚合物反應(yīng)得到高分子微球，“巰基一烯，炔”點(diǎn)擊反應(yīng)速度快、條件簡(jiǎn)單、反應(yīng)底物豐富、可控性強(qiáng)、產(chǎn)率高，所以已成為高分子微球的有力合成手段。

Jasinski等利用“巰基-烯”點(diǎn)擊反應(yīng)使用雙巰基化合物和雙烯烴化合物在表面活性劑的存在下進(jìn)行乳液聚合，合成了粒徑在150nm左右的高分子微球，如圖8所示。

同樣，“巰基-烯”點(diǎn)擊反應(yīng)還可以用于制備各種形貌的微球，例如Tan等使用線性PMMA作為制孔劑合成了多孔性的高分子微球，如圖9所示。孔徑值達(dá)到12.39um。Teixeira等使用礦物油作為核層，殼層使用“巰基-烯”點(diǎn)擊反應(yīng)合成了一種功能性囊泡。Amato等利用炔烴與巰基之間的反應(yīng)合成了一種粒徑均一的高分子微球，微球表面可以是巰基或者炔基，然后可以使用相應(yīng)的反應(yīng)對(duì)這種微球表面進(jìn)行改性。

2.4點(diǎn)擊反應(yīng)應(yīng)用于超支化材料的合成

超支化材料是一種樹枝狀的大分子結(jié)構(gòu)，其合成可通過含可反應(yīng)的兩種官能團(tuán)的化合物ABx通過鏈增長(zhǎng)反應(yīng)得到，超支化材料由于分子結(jié)構(gòu)之間無纏結(jié)、含有大量的端基，因此在聚合物共混、生物大分子等許多方面都有較好的應(yīng)用前景。由于一分子炔烴可以和兩分子巰基反應(yīng)，所以“巰基一炔”點(diǎn)擊反應(yīng)在超支化材料制備領(lǐng)域有較好的前景。很多研究團(tuán)隊(duì)使用“巰基-烯/炔”之間的反應(yīng)合成了各種超支化結(jié)構(gòu)，例如，Dominik等利用一種端基分別為炔烴和巰基的化合物，利用互相之間的反應(yīng)合成了一種支化結(jié)構(gòu)的高分子，如圖10所示。

2.5點(diǎn)擊反應(yīng)與活性聚合等方法結(jié)合使用

“巰基一烯/炔”點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)迅速、反應(yīng)底物豐富、收率高，是構(gòu)成C-S鍵的有力手段，在高分子合成領(lǐng)域有著應(yīng)用的應(yīng)用前景，而且此反應(yīng)可以與AT-PR、RAFT等活性自由基聚合反應(yīng)結(jié)合，用于合成各種可以合成各種特殊結(jié)構(gòu)的功能聚合物，包括超支化、交聯(lián)、接枝和環(huán)形等，如圖11所示。Zhang等利用RAFT活性自由基反應(yīng)合成了聚苯乙烯高分子，分子鏈終端為雙硫酯基使用還原劑還原為巰基，然后可以使用“巰基一烯”點(diǎn)擊化學(xué)對(duì)其進(jìn)行改性。類似將點(diǎn)擊反應(yīng)與RAFT等活性聚合聯(lián)用的研究還有很多，有的是使用含雙鍵的RAFT試劑之間將雙鍵引入高分子鏈中，有的使用含雙鍵的化合物對(duì)陰離子聚合封端，將雙鍵引入高分子鏈中。

2.6點(diǎn)擊反應(yīng)在雜化材料中的應(yīng)用

有機(jī)硅材料因其特殊結(jié)構(gòu)和性能己成為材料科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，“巰基一烯快”點(diǎn)擊化學(xué)在雜化材料的合成中也有較多應(yīng)用，賦予材料新的物理化學(xué)性能。Bing等利用含巰基的POSS化合物與嵌入雙鍵的聚乙二醇高分子的四氫呋喃溶液在水中形成兩親性的囊泡，殼層使用點(diǎn)擊反應(yīng)固化，這種囊泡具有一定的溫敏性，在不同溫度下會(huì)出現(xiàn)收縮或者膨脹的現(xiàn)象。Cascdo等使用乙烯基二茂鐵合成了一種二茂鐵有機(jī)硅雜化的材料，提升了材料的耐高溫性能，如圖12所示。

3結(jié)語

“巰基-烯”和“巰基-炔”點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)是近年來興起的一種新型材料合成手段，是搭建C-S鍵一種有力工具，其反應(yīng)速度快、可選擇底物豐富、產(chǎn)率高，在材料表面改性、功能水凝膠制備、功能性聚合物微球、高度支化聚合物、雜化材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著人們研究的深入，“巰基-烯/炔”點(diǎn)擊反應(yīng)在信息功能材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料、生物新材料等領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用。