点击化学在高分子研究中的进展

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1、点击化学在高分子研究进展高分子C091陈超096343摘要点击化学是2001年诺贝尔化学奖获得者美国化学家Sharpless提出的一种 快速合成大量化合物的新方法。本文首先概括了点击化学的概念、特征和类型， 然后对其在高分子研究中的进展进行了综述。详细地梳理了点击化学与新型聚合 方法的联用以及点击化学在合成功能聚合物和控制聚合物拓扑结构方面的应用 与研究。关键词：点击化学；高分子；聚合物；进展“Click Chemistry” 常译成“点击化学”，是2001年诺贝尔化学奖获得 者美国化学家Sharpless提出的一种快速合成大量化合物的新方法，是继组合化 学之后又一给传统有机合成化学带来重大革

2、新的合成技术。目前，该技术已在众 多研究领域得到迅速发展，如在DNA、自组装、表面修饰、超分子化学、树枝状 分子、功能聚合物、组合化学、蛋白质组学、生物偶联技术和生物医药等方面展 示了广泛的应用前景。1点击化学的提出从20世纪末开始，随着新药物需求的增长和高通量筛选方法的出现，使大量 新型分子的合成成为化学合成的迫切任务，建立分子库、发展分子多样性成了重 要的课题。在这个浩瀚的潜在备选分子结构库中，肯定有着解决各种化学问题的 答案那就是，许多不同的分子有着人们期待的功能。而困难就是如何找到这些分 子。新功能分子的创造，往往是利用类似结构（做出与拥有目标功能的已知结构 相类似的结构），或者从未经

3、检验的结构中搜寻。在现代化学150余年的历史中， 发展出了将分子片段相互连接的多种技术。其中有相当多是很精致的，要求在严 格控制的条件下细致地操作高活性的反应物。2001年，Scripps研究所的化学家， 给那些最佳的化学反应起了一个名字“点击化学”。这些反应易于操作，并能高 产率生成目标产物，很少甚至没有副产物，在许多条件下运作良好（通常在水中 特别好），而且不会受相连在一起的其他官能团影响。“点击”意味着用这些方法 把分子片段拼接起来就像将搭扣2部分“喀哒”扣起来一样简单。无论搭扣自身 接着什么，只要搭扣的2部分碰在一起，它们就能相互结合起来。而且搭扣的2 部分结构决定了它们只能和对方相互

4、结合起来。2点击化学反应特征点击化学实质是指选用易得原料，通过可靠、高效而又具选择性的化学反应 来实现碳杂原子连接（CXC），低成本、快速合成大量新化合物的一套强大且 实用合成方法。其核心是利用一系列靠的、模块他的反应生成含杂原子化合物。 这些反应通常具有如下特征：（1）所用原料易得；（2）反应操作简单，条件温和， 对氧、水不敏感；（3）产物收率高、选择性好；（4）产物易纯化、后处理简单。3点击化学的主要反应类型3.1环加成反应点击化学的思想在杂原子参与的环加成反应中得到充分的体现，这些模块化 融合的过程把2个不饱和的反应物结合起来，生成许多有趣的五元杂环和六元杂 环。通常其反应基团是相对非极

5、性的，这些融合反应涵盖广泛的反应，如Diels Alder反应。最有用的是1，3一偶极环加成反应，其中以叠氮化物和炔的反应 最为突出。端基炔和叠氮化合物的1，3一偶极环加成反应有点击反应的“ cream of the crop”之称。叠氮化合物和乙炔的环加成反应早在20世纪早期就有报道， 但反应生成1，4-和1，5一二取代三唑混合物。后来使用Cu（ I）催化剂可得到区 域选择性的1，4-三唑且产率高达91，反应时间也由原来的18h缩短8h23.2亲核开环反应ffl 1非催化（A）及编催化（B）的叠氮化物一炫环加成反应亲核开环反应主要是三元杂原子张力环的亲核开环以释放它们内在的张力能，如环氧衍生

6、物、氮杂环丙烷、环状硫酸酯、环状硫酰胺、吖丙啶离子和环 硫离子等。在这些三元杂环化合物中，环氧衍生物和吖丙啶离子是点击化学 反应中最常用的底物，可以通过它们的开环形成各种高区域选择性的化合物。此 类反应可在醇/水混合溶剂或无溶剂下进行。这一类反应还包括，8一不饱和羰基 化合物的迈克尔加成反应。NUBnOHH：l3.3非醇醛的羰基化合物温和的缩合反应这类可靠而广泛应用的反应包括：（1）醛或酮与1, 3二醇反应生成1, 3一环Respselcctivity of oxirane这类可靠而广泛应用的反应包括：（1）醛或酮与1, 3- 氧戊环；（2）醛与肼或胲反应生成腙和肟；（3）a -和6 -羰基醛

7、、酮和酯生成杂环 化合物。3. 4碳碳多键的加成反应烯烃在锇催化下的氨基羟基化和二羟基化的反应中表现出独特的活性，仅用 等量的卤代氨盐，就能在室温下进行快速和几乎定量的氨基羟基化反应，a , p -不饱和酸和胺有更高的反应活性。4在高分子研究中的进展4.1.1点击化学与ATRP结合点击化学与ATRP结合在高分子学科中的研究主要集中在2个方面：一是通过二 者结合制备功能聚合物，二是通过结合合成精确可控的特殊高分子拓扑结构。 制备功能聚合物：张璟焱等人利用ATRP和点击化学合成了一对主链带相反电荷、支链均为 PNIPAM链的接枝型离聚物（聚（甲基丙烯酸-co-甲基丙烯酸叠氮丙酯）-g-聚（N-异

8、丙基丙烯酰胺）和季铵化的聚（甲基丙烯酸二甲胺基乙酯-co-甲基丙烯酸叠氮丙 酯）-g-聚（N-异丙基丙烯酰胺），该聚合物可以形成对温度敏感的聚离子复合物胶 束体系。Lutz等人通过点击化学和ATRP制备了带有羟基、羧基、乙烯基功能末 端的聚苯乙烯遥爪聚合物和具生物偶联、药物载体和分离潜能的羟基、氨基及氨 基酸端基生物相容性聚合物一一聚丙烯酸低聚乙二醇酯。5 制备独特拓扑结构聚合物：段明等人通过点击化学与ATRP结合制备高产率树状星型聚合物6 （其他见1.3 节）。4.1.2点击化学与NMP（氮氧调控活性自由基聚合）或皿（可逆加成断裂链转移 活性自由基聚合）结合因为RAFT聚合链转移剂分子的结构

9、与ATRP引发剂分子有很大不同，聚合时 RAFT链转移剂插入到单体C-S键而ATRP引发剂插入CX键中，但是S元素同时相邻 2个C原子而卤素只能与1个C原子相连，这就使RAFT聚合在某种条件下能直接 合成出某些ATRP不能得到的结构的高分子，如多嵌段或者环形高分子；NMP也有 不同于ATRP的优势，因此NMP和RAFT与点击化学的结合研究被开展起来。Ergin 等人采用点击化学技术把苯并恶嗪基团引入通过NMP合成的聚苯乙烯-氯甲基苯 乙烯共聚物主链，然后通过热开环苯并恶嗪基团使该体系产生了交联疽Gondi 等人则报道采用点击化学结合RAFT制备遥爪聚合物，该类聚合物在表面改性、生 物偶联方面有

10、潜在应用。4.2点击化学制备功能聚合物Hilborn等首次应用点击化学合成水凝胶：他们用1-叠氮基-2-氨基乙烷等端 氨基物质在碳酰二咪唑为耦合中介的条件下，制备了有叠氮基和炔基官能化的新 型聚乙烯醇(PVA)水凝胶，该类化合物因为点击化学使其具有了生物兼容性而被 广泛应用于生物靶向聚合物中9；王育才等人通过点击化学合成了聚磷酸酯为 壳、聚己内酯为核的纳米颗粒10功能聚合物。杨晓慧将点击反应应用于开发新型 肝靶向载药系统goRive等人则报道通过点击反应将聚己内酯改性，成功将羟基、 双键和ATRP等引入到分子链上，为功能化直链聚酯的合成提供简易可行方法。4.3点击化学控制聚合物分子拓扑结构4.

11、3.1合成梳形高分子一般通过点击化学与ATRP技术结合来实现侧链均一的梳形聚合物，即使用有 机卤化物引发聚合反应，大分子产物因而具有卤素末端，该末端与叠氮化钠极易 反应而叠氮化，从而可利用点击反应对聚合物端基进行改性制备大分子单体，将 这些大分子单体进行简单聚合即可制备梳形聚合物。4.3.2制备星形高分子Hoogenboom等人用炔己醇开环聚合己内酯(CL)得到端基带一个炔基的聚己 内酯(PCL)，再将7个伯羟基改性为叠氮基团的。环糊精与其进行Click反应，即 可得到7臂星状PCL14。而Gao等人采用先臂后核顺序合成了多臂星形聚苯乙烯 (PS)，先合成了带卤化物的末端的大分子PSBr，叠氮

12、化为PS-N3后再与多炔化合 物反应制得3臂、4臂星形聚苯乙烯12。4.3.3制备超支化及树枝高分子段明等人通过点击化学结合ATRP方式合成了聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯 树枝状新型聚合物13Shen等人合成了第24代并引入了 1,2,3-三噻唑结构的偶 氮苯树枝状大分子何，而Lee等人从丙炔漠和树枝状苄醇制得相应的树枝状苄基 丙炔基醚。这种含有3个反应点的叠氮化物与乙炔树枝状物的三聚反应及含叠氮 基树枝状物和含乙炔基树枝状物的偶合反应，可高效率地制备对称或不对称的三 唑树枝状聚合物15。5展望自点击化学提出以来，由于其具备原料易得、反应条件温和、产物收率高、 选择性好和易于分离提纯等特点，使其

13、光论是在药物开发中，还是在商分子台 成中均被证明是一释极其实用的合成方法。目前点击化学在药物并发和高分子中 都已从最初的研究阶段进入实际成用阶段。但是，点击化学的研究和应用还都处 在发展阶段。将来发现更多快速、离效、可靠、高选择性的反应并将其应用从最 初的药物开发拓展到高分子合成、超分子化学、纳米技术及表面改性等领域将是 点击化学的发展方向。参考文献1 Kolb H C, Finn M G Sharpless K B. Angew. Chem.Int.Ed.,2001.40:2004-2022 Rostovtsev V, Green L G, Fokin V V, et a1. Angew.

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