（材料物理与化学专业论文）atrp与点击化学相结合制备环状大分子.pdf

东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名奎垒盈导师签名：叠必 日期： 列竺! 垒习 l i i ii i i i1 11 0 6 5 8 摘要 摘要 环状聚合物是一类具有特殊结构的聚合物，具有不同于线性支化聚合物的 性质，引起了人们广泛的关注。由于其合成困难，其研究报道目前很少。且前驱 体的合成都是基于阳离子或者阴离子聚合技术，往往实验反应条件苛刻，可选择 的单体种类有限。 活性自由基聚合技术和点击化学反应为合成各种特殊结构的聚合物提供了 有效的手段，这类聚合物包括星形、环形、嵌段、接枝、超支化聚合物，而且反 应条件不再苛刻，单体适用范围很广。 本论文主要研究了环状聚合物的合成。 1 首先制备了含有炔基及二硫代酯官能团的引发剂，通过原子转移自由基 聚合( a t i 冲) 和可逆加成断裂链转移反应( r a f t ) 等可控活性自由基聚合制备了 在特定位置上带有炔基和叠氮基团的线形聚合物前驱体i p s - n 3 和1 - p m m a b p s n 3 ；然后，在极稀浓度下，i - p s - n 3 和i - p m m a b p s - n 3 分别进行分子内点击 成环反应，制备了环状聚苯乙烯c p s 和蝌蚪形环状嵌段聚合物c p s b - p m m a 。 2 将环状聚苯乙烯侧链上羟基酯化改性为c p s 。b r ，分别进行以下反应：( a ) c p s b r 引发甲基丙烯酸羟乙酯( h e m a ) a t r p 聚合得到c p sbp h e m a ；( b ) c p s b r 在叠氮钠条件下改性为c p s - n 3 ，c p s - n 3 与双炔偶氮化合物经点击化学 合成8 字形聚苯乙烯。并通过红外光谱( i r ) ，核磁共振氢谱( 1 h n m r ) ，凝胶渗 透色谱( g p c ) 以及紫外光谱( u v ) 对聚合物的结构与性质进行表征。 关键词：环状聚合物，可控活性自由基聚合，原子转移自由基聚合，点击化 学，蝌蚪形聚合物，8 字形聚合物 东南大学硕一i ：学位论文 a b s t r a c t a sak i n do fs p e c i a lp o l y m e r , c y c l i cp o l y m e r sh a v ea t t r a c t e dag r e a td e a lo f a t t e n t i o nd u ot ot h eu n i q u ep r o p e r t i e su n l i k el i n e a ra n db r a n c h e dp o l y m e r s b e c a u s e o ft h ei n h e r e n ts y n t h e t i cd i f f i c u l t y , t h e r ea r eo n l yf e wr e p o r t so nc y c l i cp o l y m e r sf o r t h em o m e n t a l lt h ep r e p a r i n gp r e c u r s o r sf o rt h ec y c l i cp o l y m e r sa r es y n t h e s i s e d b a s e do nt h ec a t i o n i co ra n i o n i cp o l y m e r i z a t i o nt e c h n i q u e ，n o to n l yt h er i g o r o u s o p e r a t i o nc o n d i t i o n sa r en e e d e d ，b u ta l s ot h ec h o i c eo fm o n o m e rt y p ei sv e r yl i m i t e d t h ec o n t r o l l e dr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ( c r p ) t e c h n i q u ea n d c l i c k r e a c t i o n f a c i l i t a t et h ep r e p a r a t i o no fp o l y m e r sw i t i lp r e d e t e r m i n e dm o l e c u l a ra r c h i t e c t u r e s s u c ha sb l o c k ，g r a f t e d ，s t a r , c y c l i ca n dh y p e r b r a n c h e dp o l y m e r s ，w h i c hh a v ea 谢d e r a n g eo fm o n o m e r sa n dh a v en oh a r s hr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，c o m p a r e dw i ml i v i n gi o n i c p o l y m e r i z a t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h es y n t h e s i so fc y c l i cp o l y m e r s 1 t h ei n i t i a t o r s 、析ma l k y n y la n dd i t h i o e s t e rg r o u p sw e r es y n t h e s i z e df i r s t l y , a n d t h el i n e a rp o l y m e rp r e c u r s o r so f1 - p s - n 3a n d1 - p m m a - b - p s - n 3b e a r i n ga l k y n y la n d n i t r i n ew e r es y n t h e s i s e dv i ac r p , s u c ha sa t o mt r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ( a t r p ) a n dr e v e r s i b l ea d d i t i o na n df r a g m e n t a t i o nc h a i nt r a n s f e r ( r a f t ) t h e n ， b o t hi - p s n 3a n d1 p m m a b p s - n 3o c c u r r e dt h ei n t e r m o l e c u l a rc l i c kr e a c t i o ni nv e r y d i l u t ec o n c e n t r a t i o nr e s p e c t i v e l y , a n dt h e c y c l i cp o l y s t y r e n e ( c - p s ) a n d t h e t a d p o l e - s h a p e dc y c l i cb l o c kc o p o l y m e r ( c p s b p m m a ) w e r ep r e p a r e d 2 t h eh y d r o x y lg r o u po nt h es i d ec h a i no fc - p sw a sm o d i f i e dt ob ra t o mv i a e s t e r i f i c a t i o nt os y n t h e s i z ec - p s b lc - p s b ro c c u r r e dt h ef o l l o w i n gr e a c t i o n ：( a ) t h e c p s b ri n i t i a t eh y d r o x y e t h y lm e t h a c r y l a t e ( h e m a ) t op r e p a r ec - p s b p h e m av i a a t r p ；( b ) a f t e rc - p s b rw a sm o d i f yt oc - p s - n 3i nc o n d i t i o n so f s o d i u ma z i d e ，t h e 8 - s h a p e dp sw a ss y n t h e s i z e db yt h ec l i c kr e a c t i o nb e t w e e nc p s n 3a n dd i a l k y n y l a z o i ec o m p o u n d ，t h es t r u c t u r e so fc y c l i cp o l y m e r sa n dt h e i rp r e c u r s o r sw e r e c h a r a c t e r i z e db yi r , 1 h n m r , u v s p e c t r aa n dg p c k e yw o r d s ：c y c l i cp o l y m e r s ，c o n r o l l e d l i v i n gr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n , a t o mt r a n s f e r r a d i c a l p o l y m e r i z a t i o n , c l i c kc h e m i s t r y , t a d p o l e - s h a p e dp o l y m e r , e i g h t - s h a p e dp o l y m e r i i 目录 目录 摘要1 a b s t r a c t 1 i j 录i i i 第一章绪论1 1 1 活性自由基聚合1 1 1 1 活性自由基的特点及其发展1 1 2 原子转移自由基聚合( a t r p ) 2 1 2 1a t r p 的反应机理2 1 2 2a t r p 的特点3 1 - 3 可逆加成断裂链转移反应( 黜虾t ) 3 1 3 1r a f t 聚合的发展一3 1 3 2r a f t 聚合反应机理4 1 3 3r a f t 聚合的特点及应用5 1 4 点击化学( c l i c kc h e m i s t r y ) 一6 1 4 1 点击化学的概念6 1 4 2 点击化学的特征6 1 4 3 点击化学的反应类型7 1 4 4 点击化学的应用8 1 5 环状聚合物的研究进展1 0 1 5 1 环状聚合物的发展现状1 0 1 5 2 单环聚合物的合成方法1 l 1 5 - 3 复杂坏状聚合物的合成方法一1 5 1 6 本论文设计思想1 6 第二章利用a t r p 和点击化学制各环状蝌蚪形嵌段聚合物17 2 1 引。占17 2 2 实验试剂及仪器18 2 2 1 实验试剂18 2 2 2 化学试剂的精制19 2 2 3 实验仪器19 2 3 实验部分2 0 2 3 1 蝌蚪形嵌段聚合物( c p sbp h e m a ) 的合成路线2 0 2 3 2 蝌蚪形嵌段聚合物( c p sbp h e m a ) 的合成2 1 2 3 2 1 引发剂2 。甲基2 溴一丙酸( 4 甲基_ 4 一羟甲基) 1 ( m b p p e ) 的合成2l 2 3 2 2 线形溴代聚苯乙烯( 1 p s b r ) 的合成2 2 2 3 2 3 线形叠氮化聚苯乙烯( 1 p s n 3 ) 的合成2 2 2 3 2 4 环状聚苯乙烯( c 。p s ) 的合成2 2 2 3 2 5 蝌蚪形环状聚合物( c p sbp h e m a ) 的合成2 2 2 4 结果与讨论2 3 2 4 1m b p p e 的表征分析2 3 东南大学硕l 学位论文 2 4 2 线形叠氮化聚苯乙烯( 1 p s - 1 叱) 及环状聚苯乙烯( c p s ) 的表征分 析：1 4 2 4 3 蝌蚪形环状聚合物( c p sbp h e m a ) 的合成2 6 2 5 小结2 7 第三章利用a t r p 、r a f t 和点击化学制备蝌蚪形聚合物2 9 3 1 引言2 9 3 2 实验试剂及仪器2 9 3 2 1 实验试剂2 9 3 2 2 化学试剂的精制3 0 3 2 3 实验仪器3 0 3 3 实验部分3 0 3 3 1 环状嵌段聚合物( c p s b p m m a ) 的合成路线3 0 3 3 2r a f t 试剂化合物( 1 ) 的制备3l 3 3 2 1c p d b 的制备。31 3 3 2 2m 虾t 试剂化合物( 1 ) 的制各3 2 3 3 3 甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 的r a f t 反应3 2 3 3 4 聚甲基丙烯酸甲酯的氨解3 2 3 3 51 p m m a bp sb r 的制备3 3 3 3 6 c - p s b p m m a 的制备3 3 3 4 结果与讨论3 3 3 4 1r a f t 试剂化合物( 1 ) 的表征3 3 3 4 2i - p m m a s h 的表征3 5 3 4 3c p sbp m m a 的合成一3 7 3 5 小结3 8 第四章利用a t r p 和点击化学制备8 字形聚苯乙烯4 0 4 1 引言4 0 4 2 实验试剂及仪器4 1 4 2 1 原料和试剂4 1 4 2 2 实验仪器。4l 4 3 实验部分4 2 4 3 18 字形聚苯乙烯( 8 - p s ) 的制备4 2 4 3 1 - 1c p s b r 的制备4 2 4 3 1 2c p s b r 的叠氮化反应4 2 4 3 1 38 字形聚苯乙烯( 8 - p s ) 的制备一4 2 4 4 结果与讨论4 2 4 5d 、结4 4 第五章总结4 6 致谢。4 7 参考文献4 8 作者简介6 0 第一章绪论 第一章绪论 近几十年来，人们对于结构复杂的非线形聚合物的合成和性质进行了大量的 研究，这些聚合物包括梳形、h 形、兀形、星形、超支化和环状聚合物等。其中， 环状聚合物是一类具有特殊拓扑结构的聚合物，包括单环和多坏结构的聚合物。 环状聚合物的高分子链为循环圆圈，没有起点和终点，使其具有很多与线形聚合 物不同的物理性质，如更低的摩擦系数、更高的密度、更高的玻璃化转变温度、 更低的粘性等等。因此，环状聚合物一直备受高分子领域研究人员的关注。由于 合成网难，环状聚合物的研究报道目前很少，且大部分研究都是基于阴离子聚合 技术。 近年来，随着活性自由基聚合的发展和点击化学等许多高效反应出现，为环 状聚合物的制备提供了基础，采用活性自由基聚合技术制备环状聚合物的研究工 作已被报道，其特殊的物理性质也越来越多地引起人们的关注。因此，环状聚合 物的研究具有非常重要的意义，并且这些研究工作也极大地促进了高分子科学的 发展。 1 1 活性自由基聚合 1 1 1 活眭自由基的特点及其发展 1 9 5 6 年，美国科学家s z w a r c 发现在无水、无氧、无杂质和低温条件下，在四 氢呋喃溶剂中，萘钠引发苯乙烯阴离子聚合不存在任何链终止反应和链转移反应 i l l ，得到的聚合物溶液在高真空条件下低温存放数月，其活性种浓度仍保持不变。 若再加入苯乙烯，聚合反应仍能继续进行，得到分子量更高的聚苯乙烯。若加入 第二种单体( 如丁二烯) ，可得到丁二烯一苯乙烯一丁二烯三嵌段共聚物。s z w a r e 把这种聚合方法叫做“活性聚合”，其主要特点如下： ( 1 ) 引发速率远远大于增长速率，几乎同时引发、同时增长； ( 2 ) 聚合过程中不存在任何终止反应和转移反应，其活性种浓度保持不变，到 单体完全消耗完也不终止，若再加入第二种单体，聚合反应仍能继续进行； ( 3 ) 每一个聚合物链都以同样的速率增长，聚合物的分子量可以人为控制，聚 合度( d p ) 可以根据单体和引发剂用量的比例求得： d p = 单体 引发剂 ( 1 1 ) ( 4 ) 所得到的聚合物的分子量分布( p d i ) 很窄，且其分布符合泊松分布： 东南大学硕士学位论文 p d l 2 m w m n = i + ( 1 d p )( 1 2 ) 控制活性自由基聚合是目前制备可控分子量和分子量分布窄的聚合物以及 结构明确的聚合物、共聚物、嵌段和接枝共聚物、聚合物刷等的重要方法，已引 起了学术界和工业界的极大兴趣。近年来，自由基活性聚合引起了国内外高分子 化学家的广泛兴趣，并已取得了长足的进展。目前比较成功的聚合体系主要有 i n i f e r t e r 自由基聚合、稳定自由基聚合、氮一氧稳定的自由基聚合( n i t r o x i d e m e d i a t e dl i v i n gr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n s ，n m p ) 、原子转移自由基聚合( a t o m t r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，a t i 冲) 和可逆加成一断裂一链转移聚合( r e v e r s i b l e a d d i t i o na n df r a g m e n t a t i o nc h a i nt r a n s f e r ，r a f t ) 。 1 2 原子转移自由基聚合( a t r p ) 原子转移自由基聚合( a t r p ) 是1 9 9 5 年王锦山等【2 。4 1 和s a w a m o t o 等l 5 , 6 1 分别 独立发现的。这种自由基聚合反应以卤代烷作引发剂，过渡金属络合物作催化剂， 有效地抑制了自由基双基终止的反应，可实现多种单体的活性聚合和可控自由基 聚合，成为高分子合成领域的研究热点。 它是建立在有机合成中广泛应用的原子转移自由基加成反应( a t o mt r a n s f e r r a d i c a la d d i t i o n ，a t r a ) 的基础上【7 j 。a t r a 是建立碳一碳键的有效方法，以过渡 金属物如c u ，r u 等作为催化剂，其催化机理如s c h e m e1 1 所示。 r x m ， m t 叶i x 牙- v 、y s c h e m e1 1t h em e c h a n i s mo f a t r a 1 2 1a t i 心的反应机理 a t r p 的反应机理如s c h e m e1 2 所示。在a t r p 过程中，过渡金属化合物 m t n 通过氧化还原反应从有机卤化物“提取”卤原子，产生氧化物种m t 叶1 x 和自 由基r 。接着自由基r 和烯烃m 反应，生成链自由基r m 。r m 与蚶1 x 反 应，得到目标产物r m x ，同时过渡金属被还原为m ，。这类反应的产率很高， 可达9 0 以上。由于m t n m t n + 1 氧化还原过程，可使体系内有效地保持一个很低 的自由基浓度，从而大大减少自由基问的终止反应。可以设想，当卤化物是聚合 物即r - m n x 时，也可与m t n 进行原子转移反应，生成新的增长链自由基r - m n 。 2 第一章绪论 它可以继续进行链增长反应，生成新的链自由基r - m 叶l 。这个反应反复进行， 直到生成预定分子量的聚合物为止，而卤化物则不能和单体发生链增长反应。 l h + m t n ；= 苎r + m t n + 1 x ： + m k t j + m r _ n i x + m t n = ；：= r m 。+ m t n + 1 x p n _ x + m c n ；= 当p n + m t n + 1 x d 1 2 2a t r p 的特点 与传统的活性聚合如阴离子聚合、阳离子聚合和基团转移聚合( g t p ) 相比， a t r p 提供了一种有效、方便和便宜地制备活性聚合物和设计高分子结构的新途 径。 a t r p 反应条件较温和，适用单体广泛，对杂质不太敏感，可以同时适用于 非极性和极性单体，如烯烃类和( 甲基) 丙烯酸酯类单体等，比阴( 阳) 离子聚 合和g t p 要缓和得多。同时，由于活性种是自由基，因此，a t r p 不仪仅局限于 本体聚合和溶液聚合，而且可以扩展到悬浮聚合、乳液聚合、甚至超临界c 0 2 等 方法中，提供了聚合方式的多样性。制备的聚合物相对分子质量可以控制在1 0 3 1 0 5 ，m w m n 介于1 0 5 - 1 5 z 问。用a t r p 法可以实现端基功能化( 共) 聚合物、 嵌段共聚物、梯度共聚物、星形共聚物、支化聚合物的合成。另外，工业上已使 用或可以制备的、廉价的、品种多样的卤代烷，为聚合物结构设计的多样性提供 了便利条件1 8 1 。 迄今为止，采用原子转移自由基聚合已成功地制备了分子量大小可控、分子 量分布较窄的端基官能团聚合物1 9 1 、大分子单体l 姗、梯形共聚物、接枝共聚物 【1 2 】以及结构复杂的星形聚合物【1 3 】、超支化聚合物1 1 4 1 等。 1 3 可逆加成断裂链转移反应( r a f t ) 1 3 1r a f t 聚合的发展 可逆加成一断裂链转移聚合( 黜址t ) 技术首先是由r i z z a r d o 等在3 7 届国际高分 子大会上公布的【1 5 】，成功的实现了 t 活性自由基聚合，并发现了具有高链转 移常数和特定结构的链转移剂双硫酯( z c s 2 r ) 。 双硫代酯的结构如s c h e m e1 3 所示。其中z 基团和r 基团的结构决定了聚合的 可控性，z 基团一般应能够活化c = s 与自由基的反应，r 基团必须是一个好的自 3 东南人学硕士学位论文 由基离去基团，并且离去后能有效地引发单体的聚合。 1 3 - c p d b s c h e m e1 3t h es t r u c t u r eo fd i t h i o e s t e r 常见的能用于r a f t 聚合的二硫代酯类化合物，如s c h e m e1 4 所示： z = p h z = p h z = p h z = p h z - 趾卜r r = c ( c h 3 ) 2 p h r = c h ( c h 3 ) p h i p c h 2 p h r = c ( c h 3 ) 2 c n 化合物a z = c h 3 z = p h z = p h z = p h r = c h 3 p h r = c h ( c h 3 ) c n c h 2 c h 2 c 0 2 h r = c h ( c h 3 ) c n c h 2 c h 2 c h 2 0 h r = c h ( c h 3 ) c n c h 2 c h 2 c 0 2 n a s c h e m e1 4t h ec h a i nt r a n s f e ra g e n t s 1 3 2r a f t 聚合反应机理 r a f t 聚合是由二硫代酯调控的聚合体系，传统引发阶段产生的链增长自由 基进攻硫原子，生成一个自由基中间体1 6 ，1 7 1 ，该中间体两臂中的任何一个均可 以发生裂解，再次释放出二硫代酯和一个链增长自由基。 ii n i t i a t o r 生呻2i h p n + 8 2 罕。8 哏；兰p s 干8 r z 芝 1 2 l m o n o m e r _ p m p + m o n o m e r 叫p n + l p m + u s - c l - s - - p z 3 s 2 午一s p n + r z 3 4 宁s干8_h一8。乏唱1+upnz厶一 5 6 v i ，r ，p n 。，p m 。，2 ，5，d e a dp o l y m e r s c h e m e1 5t h em e c h a n i s mo fr a f r 4 r v 之i 第一章绪论 如s c h e m e1 5 所示，r a f t 聚合反应分为链引发、链转移、链增长、链平衡、 链终止五个步骤。 引发剂首先分解产生初级自由基，初级自由基再与单体加成形成单体自由 基：链增长反应生成链自由基p n 。在链转移剂1 存在下，链增长自由基p n 与链 转移剂1 结合形成活性中间体2 ；同时，活性中间体2 又可逆地断裂生成新的自 由基4 和新的链转移剂3 。新的链转移剂3 和链转移剂1 性质相同，可充当新一 轮可逆加成一断裂反应过程中的链转移剂。新的链转移剂3 与链自由基p r o 再次 形成活性中间体，同时该活性中问体可逆地断裂出新的自由基p n 和新的链转移 剂6 ，链转移剂6 也能充当新一轮可逆加成一断裂反应过程中的链转移剂。如此 可逆循环进行下去，提供了一个链平衡循环过程，使自由基聚合中的活性链增长 过程得以控制，得到分子量分布指数( p d i ) 较低的聚合物。 1 3 3r a f t 聚合的特点及应用 与其它活性自由基聚合技术相比，r a f t 聚合最大的优点就在于单体来源广 泛0 8 ：9 1 ，几乎所有能够进行自由基聚合的单体都能进行r a f t 聚合。而且反应条 件也比较温和，可以在低温水中聚合单体。r a f t 聚合可以通过本体、溶液、乳 液、悬浮等多种方法实现，借助于活性末端引入功能基团，并可合成线形、嵌段、 星型等多种具有精细结构的高分子聚合物。试剂x = z ( x ) r 的有效性依赖于其链 转移常数，而链转移常数又由基团x 、z 和r 的性质决定。有效的r a f t 试剂必 须满足z 基团能够提高中间态自由基的稳定性，r 基团容易离去，同时又能很好 地再引发聚合。r a f t 聚合最有效的试剂是一类二硫代酯类化合物，即x 是s 原子，r 是一种易离去的、再引发能力很强的基团，z 基团要能提高r a f t 试剂 的活性。只要选择合适的r a f t 试剂和反应条件，就可以获得一定分子量的、分 子量分布较窄的聚合物。 总之，r a f t 体系具有以下优点：适用单体种类广、聚合温度较低、能制备 分子量较高的、分子量分布较窄的聚合物，聚合物分子量可以由单体和链转移剂 的投料比及聚合时间控制；再加入新单体可以制备嵌段共聚物或更高分子量的聚 合物等等。 运用r a f t 聚合，通过改变引发剂与r a f t 试剂初始浓度的比值可以有效 地控制聚合物分子量及其分布，得到一定分子量且分子量分布窄的聚合物。所得 聚合物链端含有r a f t 试剂基团，保持了聚合物的活性，再加入单体，可生成嵌 段、星型、和其它特殊结构的聚合物，进行分子设计。利用r a f t 聚合所制得的 嵌段、星型、接枝聚合物可用作两亲性聚合物、热塑性弹性体、分散剂、塑流控 制剂，工程塑料及聚合物改性剂，还可用于成像领域、电子设备( 如感光保护膜) 、 粘合剂、密封材料等1 2 0 1 。 5 东南火学硕士学位论文 1 4 点击化学( c l i c kc h e m i s t r y ) 1 4 1 点击化学的概念 点击化学( c l i c kc h e m i s t r y ) 又译为：“链接化学 、“动态组合化学”( d y n a m i c c o m b i n a t o r i a lc h e m i s t r y ) 、“速配接合组合式化学 ，它是由2 0 0 1 年美困诺贝尔 化学奖获得者、史格堡研究院( s k a g g si n s t i t u t e ) 化学生物研究所的研究员贝瑞 夏普利斯( k b a r r ys h a r p l e s s ) 等提出的【2 。其核心是利用一系列可靠、高效而 又具有选择性的化学反应，如环加成反应和亲核开环反应等，其中研究和应用最 为成熟的是由c u ( i ) 催化的端基炔和叠氮化物生成的l ，4 二取代的1 ，2 ，3 三唑 的h u i s g e n 偶极环加成反应，反应条件温和，最终产物收率高，甚至不需要专门 的分离提纯。点击化学用少量简单可靠和高选择性的化学转变来获得更广泛的多 样性分子，开创了快速、有效、甚至是1 0 0 可靠的、高选择性地制造各类新化 合物的合成化学新领域。因此，目前已有少量应用点击反应制备星状 2 2 1 、梳状 2 3 1 及超支化【2 4 j 等各类聚合物研究的报道。 1 4 2 点击化学的特征 点击化学反应必须是模块化、应用范围宽、高产率和立体选择性的，通常还 具有较高的热力学驱动力，使反应迅速，并得到单一产物。点击化学反应一般具 有以下的共同特征： ( 1 ) 反应模块化，主要体现在h u i s g e n s1 ，3 偶极环加成反应上，即叠氮化合物和 炔基化合物反应都能生成含有三唑的化合物。 ( 2 ) 起始原料或反应物易得。 ( 3 ) 反应操作简单，条件温和，如反应过程对氧气和水不敏感。 ( 4 ) 不需溶剂或用一些易于除去的溶剂，如水。 ( 5 ) 反应具有立体选择性，但不要求对映异构选择性。 ( 6 ) 反应收率高，副产物少。 ( 7 ) 产物在生理条件下稳定。 ( 8 ) 产物易分离，后处理简单。 ( 9 ) 应用范围广，如在组合化学、有机物合成、蛋白质和d n a 的标记方面都 有应用。 ( 1 0 ) 很多点击反应不受水的负面影响，水的存在反而常常起到加速反应的作用。 事实上，水是点击反应的常用溶剂，其原因是：a 、有机分子在水中不能充分溶 解时，会有更高的自由能，使反应过程在水溶剂中比在有机溶剂中具有更高的表 观速率常数，常能得到产率较高的单一产物；b 、在有些反应中，反应物之间的 反应速度比反应物与水的反应更快，如s c h o t t e n b a u m a n n 反应，用酰卤在水中 6 第一章绪论 生成酰胺；c 、水是一个极好的热吸收器，对放热反应过程是有利的。此外，水 可以消除质子性官能团对反应的干扰( 在生物活性有机分子中含有很多o h 和 _ 官能团) ，因此不需要进行基团保护，并且对环境友好。 1 4 3 点击化学的反应类型 点击反应主要有4 种类型：( 1 ) 环加成反应，特别是l ，3 偶极坏加成反应口5 1 ， 也包括杂环d i e l s a l d e r 反应【2 6 1 ；( 2 ) 亲核开环反应，特别是张力杂环的亲电试 剂丌坏；( 3 ) 非醇醛的羰基化学反应；( 4 ) 碳碳多键的加成反应。 ( 1 ) 环加成反应 通常其反应基团是相对非极性的，如l ，3 一偶极坏加成反应和d i e l s a l d e r 反 应。叠氮化合物和炔的1 ，3 偶极环加成反应早在2 0 世纪早期就有报道 2 t i ，如 s c h e m e1 6 ，1 7 所示。 r 协c u n 7 敝酽 s t e p w i s e ( ” 彭f 芋咖 誊紧门、r 2 oo n 薷n n 瞥 r 乞三兰_ c u l n l t c u t n r s c h e m e1 61 , 3 - d i p o l a rc y c l i c a d d i t i o nr e a c t i o n a 蹙：警黔 静篙- 一” 一” 已茹、2 ，c u i ( c a t ) 8 尊一胃 舻墨面一h + 一酽 矗2 静 1 ，4t r i a z o l e s c h e m e1 71 , 3 - d i p o l a rc y c l i c a d d i t i o nr e a c t i o nw i t h ( a ) n oc a t a l y s t ；( b ) c u ( i ) a sc a t a l y s t 该反应有以下特点：a 、室温下反应进行得很慢；b 、反应条件简单；c 、反 应产率高，无副产物，易纯化；d 、应用范围宽；e 、原料对生物分子和生命体系 的反应条件表现出惰性；f 、具有几乎定量的反应收率。 最近，r o s t o v t s e v 等发现，在c u ( i ) 催化下，叠氮化物炔类的1 ，3 一偶极环加 7 东南大学硕1 ：学位论文 成反应速率可增加大约1 0 6 倍，几乎定量地选择性生成1 ，4 一取代的l ，2 ，3 三唑， 反应能在各种溶剂中进行，甚至在纯水中反应也能很好地进行。因此，叠氮化物 和炔在c u ( i ) 催化下的l ，3 一偶极环加成反应被称为点击化学的“c r e a mo ft h e c r o p ”，得到了高分子科学家和材料学家的广泛关注，文中所指“点击反应 ，如 无特殊说明，即是指此类反应。 ( 2 ) 亲核开环反应 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，如环氧衍生物、氮杂环丙烷、环状硫酸酯、环状硫酰胺、吖丙啶筠离子和环 硫绘离子等。在这些三元杂环化合物中，环氧衍生物和吖丙啶鳐离子是点击化学 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a ，1 3 一不饱和羰基 化合物的迈克尔加成反应( m i c h a e la d d i t i o nr e a c t i o n ) 。 ( 3 ) 非醇醛的羰基化学 这类可靠且应用广泛的反应包括：a 、醛或酮与1 ，3 二醇反应生成1 ，3 一环氧戊 环；b 、醛与肼或胲反应生成腙和肟；c 、仅羰基醛、酮和1 3 羰基醛、酮和酯生成 杂环化合物。 ( 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 , 1 3 一不 饱和酸和胺有更高的反应活性1 2 8 l 。 1 4 4 点击化学的应用 ( 1 ) 原位点击化学( i ns i t uc l i c kc h e m i s t r y ) “原位点击化学是一种用于药物开发的新策略；选择在酶的生理活性条件 下，发生点击反应借助于酶的优势构象对小分子物质亲和力的不同，高选择性地 合成更具药效的酶自身的抑制剂，从动力学上实现特定产物的选择性合成。 h j a 籼 翻r 廿簟f 搿m e d s c h e m e1 8t h e i ns i t uc l i c kc h e m i s t r y t e c h n i q u e 娑囊 - d e t e c t i o n b y ，姻 ( 2 ) 点击化学在药物开发中的应用 叠氮化物和炔环加成反应生成的产物具有- 杂环结构，与起标靶作用的先导 8 第一章绪论 化合物结构十分相似，故点击化学可用于先导化合物库的建立。在过去几年中， 美国c o e l a c a n t h 公司所做的工作尤为引人注目。他们利用液相点击化学合成了各 种扫描分子库，包括2 0 0 0 0 0 个单体化合物，每个均达到了相当高的纯度和产量。 ( 3 ) 点击化学在表面修饰中的应用 点击化学反应以其高反应活性的特点成为一种表面修饰的新手段，为表面改 性注入了新的活力。c o l l m a n 等【2 9 1 首次将点击化学应用于对电极表面修饰的研究 中。他们将叠氮化的配体在金电极表面形成单分子层，然后将炔化的二茂铁修饰 到电极表面，并通过循环伏安法考察了电极性能，讨论了不同配体在表面的吸附。 ( 4 ) 点击化学在高分子合成中的应用 人们常常利用偶合反应来制备嵌段、星形、梳形以及环状等聚合物。但是由 于端基活性的问题常使得目标聚合物收率低，或者结构不规整，因此偶合反应逐 渐被其它方法所取代。而具有高转化率的点击化学则为这一传统方法带来了生 机。近几年，1 ，3 一偶极环加成点击化学反应在被广泛地应用于功能化高分子的合 成与大分子的修饰。f r 6 c h e t 和h a w k e r 首次将点击化学反应应用于聚合物的合成。 此后又将它与原子转移自由基聚合相结合，合成了许多各种各样的聚合物。现在， 点击化学从聚合物的本体聚合到合成复杂的大分子的合成都具有广泛的应用。 点击反应在聚合物制备中主要有两类作用。其一是引进功能基团改进聚合 物的性能，例! t l l h i l b o m 等【3 0 j 首次将点击反应用于水凝胶的合成。在碳酰二咪唑 为偶合媒介的条件下，他们用端氨基的化合物j t l 1 叠氮基，2 一氨基乙烷、丙炔胺 或n 甲基丙炔胺与聚乙烯醇( p v a ) ，通过点击化学反应制备了由叠氮基和炔基功 能化的新颖p v a 水凝胶，这种水凝胶被广泛用于生物标靶、生物分子或者细胞中。 其二是充当链接基团构筑特殊结构的高分子，可以用来合成梳形1 3 1 3 6 】、线形 3 7 - 3 9 】、交联网状h 0 4 2 1 、星形 4 3 , 4 4 1 、树枝状【4 5 ，4 6 1 和支化h 7 1 以及环状聚合物f 4 羽。 ( 5 ) 点击化学与a t r p 的结合 点击化学与活性自由基聚合方法的组合为制备新型聚合物材料提供了有利 的研究工具。a t r p 是目前应用最为广泛的活性自由基聚合方法之一。由于a t r p 方法自身的特点，它很容易在聚合物末端引入叠氮基团，因此将a t r p 与点击化 学二者的优点相结合，为制备分子量分布窄的功能性聚合物提供了一种普适方法 4 9 - 5 2 】 o l u t z 等【5 3