Mannich反应改性高分子材料的应用进展

吴梦欣，马建中，，吕斌，张文博，田振华

(1.陕西科技大学 轻工科学与工程学院 中国轻工业皮革清洁生产重点实验室，陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710021；3.陕西科技大学 前沿科学与技术转移研究院，陕西 西安 710021)

Mannich反应是20世纪初发展起来的重要的有机化学反应，此反应的命名源于对它进行了系统且深入研究的德国化学家Carl Ulvich Franz Mannich。Mannich反应最初的定义为在酸催化下，甲醛、胺(氨)与含有活泼α-氢的化合物发生三组分缩合，脱水得到β-氨甲基类化合物(Mannich碱)。后来人们对Mannich反应的范围进行了扩展，把含有活泼氢的化合物(酸组分)与各种醛(醛组分)、胺(氨)或亚胺(胺组分)的缩合反应都称之为Mannich反应(图1)。由下式可以看出Mannich碱是由次甲基(亚甲基)将酸组分和胺组分连接起来的分子，使得Mannich碱具有许多特殊的性能而应用于不同的领域。

图1 Mannich反应Fig.1 Mannich reaction

Mannich反应的实质是酸组分上的活泼氢被氨甲基取代，得到β-氨甲基化合物，反应一般包含三个组分，即含活泼氢的酸组分、醛组分和胺组分，其中酸组分可以是含酮基、酚基、酰胺基、磷酸基等的化合物；醛组分最早为甲醛，后来人们也采用其他醛如乙醛、丁醛、糠醛、苯甲醛、乙二醛、戊二醛等来进行Mannich反应；胺组分的亲核性要略大于含活泼氢的酸组分，伯胺(氨)或仲胺都含有氢原子，均可发生Mannich反应，但伯胺(氨)上的氢原子不止一个，使得反应更加复杂且产物不均一，为了得到单一的产物常采用仲胺，常用的仲胺有二甲胺、二乙胺、二乙醇胺以及各种类型的氨基酸等。Mannich反应是一种重要的有机合成反应，同时也广泛应用于改性高分子材料，本文主要介绍其在改性乙烯基聚合物、木质素和蛋白质的相关应用。

1 Mannich反应改性乙烯基类聚合物

乙烯基类聚合物是由丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸等单体经聚合而成的一类水溶性高分子，该类聚合物通常为阴离子型，在实际应用中存在一些不足，如在皮革生产中产生“败色”效应，使用时受pH值限制，在吸附、脱色过程中不能有效去除带负电荷的微粒，受共存盐影响较大等。因此采用合理的分子设计对其进行改性，制备含阳离子基团的乙烯基类聚合物是非常有必要的。

含阳离子基团的乙烯基类聚合物的制备方法主要有两种，一是阳离子单体与阴离子单体直接聚合，二是在乙烯基类聚合物上引入阳离子基团。所述第一种方法阳离子单体的选择范围较窄，且价格昂贵，合成的聚合物分子量难以控制，且稳定性差，因此不利于产业化生产。在乙烯基类聚合物上引入阳离子基团采用最多的方法是通过Mannich反应引入阳离子基团，该方法反应条件温和，操作简单，所得到的两性的聚合物各性能均比较优异，经济效益高，因而所合成的产品被广泛应用于皮革、造纸、油田、水处理、日用化工等领域中。

1.1 乙烯基类聚合物的Mannich反应研究

乙烯基聚合物的Mannich反应机理已经有相关报道，其主要围绕乙烯基类聚合物上的丙烯酰胺单元及丙烯酸单元的Mannich反应开展。

Mcdonald C J[1]采用13C NMR研究了碱催化下甲醛、二甲胺与聚丙烯酰胺的Mannich反应，研究了此反应的转化率、平衡常数及反应机理，指出此Mannich反应产物的形成服从二级反应的动力学规律，即与聚酰胺及甲醛与二甲胺快速形成的中间体——二甲胺基甲醇的浓度有关(图2)，当加入1 mol过量的二甲胺时，Mannich缩合产物减少，可说明该反应是一个可逆的过程。

席雁生等[2]在研究聚丙烯酰胺的Mannich反应过程中发现，在反应期间可从反应混合物中分离出羟甲基聚丙烯酰胺，因此对Mcdonald提出的聚丙烯酰胺的Mannich反应机理进行了修正(图3)，提出反应为三级反应，并通过考察反应动力学指出了导致聚合物凝胶化现象的原因：当反应过程中聚合物分子链上羟甲基浓度高于一定值后，会发生羟甲基间或羟甲基与酰胺基间的脱水而使分子交联，最终可能达到聚合物的凝胶点。

图3 修正的聚丙烯酰胺的Mannich反应中间体生成方程式Fig.3 Modified equation for Mannich reactionintermediates of polyacrylamide

乙烯基类聚合物中的酰胺基团上的氮原子受酰基的影响，氮原子上的未共用电子对离域，使得氮上的氢易以质子的形式被夺取，因此可作为Mannich反应的酸组分进行Mannich反应。而乙烯基类聚合物中的羧基具有吸电诱导效应，使得其ɑ-H具有一定的酸性发生Mannich反应，但其酸性较差，因此鲜见报道。马建中[3]研究了甲醛、二乙胺与丙烯酸均聚物羧基ɑ-H的Mannich反应，采用NMR、FTIR、DSC等对产物进行表征，结果表明通过Mannich反应能成功地在丙烯酸均聚物分子侧基上引入叔胺基团，即在适宜条件下，丙烯酸均聚物中羧基ɑ-H具有足够活性发生Mannich反应(图4)。并指出酸组分与胺组分的亲核能力与反应介质的pH值有关，因此每一个Mannich反应均有一个适宜的反应pH值。

图4 聚丙烯酸的Mannich反应[3]Fig.4 Mannich reaction of polyacrylamide

1.2 在制革中的应用

在制革中乙烯基聚合物的Mannich反应常发生在丙烯酰胺单元上，但也有少量关于丙烯酸单元上的Mannich反应，改性后的乙烯基聚合物可用作鞣剂、复鞣剂和染色助剂。

Otto G[4]是较早研究丙烯酰胺聚合物鞣剂的Mannich反应的研究人员之一，他们利用Mannich反应改性聚丙烯酰胺制备了一系列产品，这些产品可用作鞣剂、填充剂、染色助剂等使用。

沈一丁等[5]以硫酸化蓖麻油及乙烯基单体合成共聚物，以甲醛和二甲胺为原料通过Mannich反应制备出了两性丙烯酸树脂乳液，将其用于皮革复鞣剂可避免以往丙烯酸树脂复鞣剂着色不饱满和不均匀的缺点。

笔者所在课题组[6-7]采用自由基引发、溶液聚合法合成聚合物基体，之后采用Mannich反应引入阳离子基团，制备出了两性丙烯酸复鞣剂ARA和MTA，其中ARA复鞣剂具有很好的耐光性，适合制作浅色革或白色革，将其用于铬鞣革的复鞣时可完全或部分代替铬鞣剂，且不会影响阴离子型染料对坯革的着色性；MTA因其分子中含有多种活性基团，因此是一种多功能复鞣剂，可用于皮革生产过程中的预鞣、复鞣、填充，可达到助鞣、吸铬、选择填充、吸油、助染等多种效果。

此外，笔者所在课题组[8]通过对改性的丙烯酸树脂的NMR、FTIR分析证明共聚物结构中羧基α-H具有足够的活性发生Mannich反应，通过合理的分子设计在丙烯酸树脂分子侧基上引入叔胺基团，制备一种新型两性丙烯酸树脂复鞣剂，应用于山羊皮服装革可有效减少“败色”现象，此反应对于皮革化学品及其他精细化学品的合成、开发与应用具有广阔的前景。

笔者所在课题组[9]还采用Mannich反应将单宁酸接枝到乙烯基类聚合物中，合成了一种单宁酸改性的乙烯基聚合物鞣剂，将其结合2%铬粉鞣制绵羊酸皮可明显提高坯革的收缩温度和物理机械性能，可实现降低铬污染及减少铬用量的目的。

1.3 在造纸中的应用

经Mannich反应改性的聚丙烯酰胺类聚合物用作造纸工业的助留剂可表现出优异的应用性能。Lu S J等[10]采用氧化-还原自由基引发、反相乳液聚合法合成不同分子量和电荷含量的丙烯酰胺和丙烯酸钠的共聚物，再向体系中加入二甲胺和甲醛经Mannich反应对该阴离子型的聚合物进行阳离子化改性，应用于造纸加工中填料的助留剂，具有令人满意的助留效果。栾春刚等[11]直接以聚丙烯酰胺、二甲胺和甲醛为原料制得一种阳离子型聚丙烯酰胺的造纸助剂，并将其应用于植物纤维和石膏纤维的混合造纸过程中，使纸张具有更好的物理机械性能。

与上述不同的是，陈夫山等[12]采用甲醛、二甲胺和聚丙烯酸-丙烯酰胺通过Mannich反应制得叔胺型两性共聚物，再用硫酸二甲酯季铵化得到季铵化的两性共聚物，应用于抄纸过程的助留助滤剂，季铵化的两性共聚物与叔胺型两性共聚物相比阳电荷显著增加，因此其在酸性、中性和碱性条件下均表现出很好的助留作用。

此外，张光华等[13]利用Mannich反应原理，以酸性溶液中显阳离子性的壳聚糖为胺组分，阴离子的聚丙烯酰胺为碱组分，甲醛为醛组分通过Mannich反应形成一种具有强阳离子-弱阴离子的两性聚合物，将其用于造纸增强剂具有优异的增强效果。

1.4 在水处理中的应用

聚丙烯酰胺是普遍采用的絮凝剂，但由于其在水中溶解度小、分散性较差，采用Mannich反应在酰胺基上接入亲水性的叔胺基团以提高其在水中的溶解度。Pelton R H[14]以14C标记的甲醛、乙二胺及聚丙烯酰胺为原料通过Mannich反应制备了一种阳离子聚丙烯酰胺，并用硫酸二甲酯季铵化，最终产物中同时含有叔胺型和季胺型阳离子聚丙烯酰胺，采用透析法对产物进行分离纯化，可作为一种有效的絮凝剂。

后有学者[15]发现Mannich反应所使用的胺多为二甲胺，而其他一些低烷基链的胺在理论上也可发生该反应，却少见报道，因此其选用二乙胺、N，N-甲基乙基胺、乙二胺、N，N-二甲基丙二胺、N-甲基对二氮己烷参与Mannich反应，对所得产品进行絮凝实验并进行对比分析，结果表明随着烷基链的增加絮凝速度及效果有所提高。Song H等[16-17]首先进行淀粉接枝聚丙烯酰胺得到一种阴离子型聚合物，然后通过加入二甲胺和甲醛发生Mannich反应得到一种两性聚合物絮凝剂，应用实验表明，两性淀粉接枝聚丙烯酰胺处理工业废水的效果明显优于其他类型的聚丙烯酰胺絮凝剂。叔胺型阳离子性不是很明显，因此其又以丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵和淀粉为单体，采用自由基共聚合成三元接枝共聚物，接着进行Mannich反应，制备出一种分子链上同时含有叔胺和季胺基团的淀粉基强阳离子型高分子聚合物，其可高效去除油田废水中的油和固体悬浮物，应用于油田废水处理前景广阔。

1.5 在油田中的应用

常用的聚丙烯酰胺类驱油剂会部分水解产生羧基基团，羧基与无机盐产生中和作用，导致聚丙烯酰胺类驱油剂抗盐性差，因此采用Mannich反应可降低丙烯酰胺的水解，进而提高丙烯酰胺类聚合物驱油剂的增粘和抗盐能力。

苟绍华等[18]首先合成丙烯酰胺和N-羟甲基丙烯酰胺的二元共聚物，再以甲醛和二甲胺为原料对其进行Mannich改性，Mannich反应的实质是酰胺上的氢被氨甲基取代，因此可降低酰胺的水解活性，检测结果表明所制备的聚合物Mannich碱驱油剂的增粘和抗盐能力均有所提高。

黄伟等[19]采用具有增粘作用的脂肪族碳五石油树脂和丙烯酰胺通过自由基聚合制备二元共聚物，再经Mannich反应制备一种疏水性的聚合物Mannich碱，其具有较好的增粘、耐温和耐盐性，可用于三次采油的驱油剂。

1.6 其他应用

Mannich反应改性的乙烯基聚合物除以上应用外，近年来也有了其他的应用研究。α-烯烃磺酸钠具有优良的起泡和抗硬水性能，但当水中的电解质达到一定含量时，磺酸基与Ca2+等阳离子结合产生沉淀，影响其起泡及稳泡能力。徐亚霞等[20]采用α-烯烃磺酸钠、丙烯酰胺、甲醛和几种仲胺为主要原料，通过共聚和Mannich反应，制得改性的α-烯烃磺酸钠，所得产物有望作为气田抗高盐泡排剂使用。

El-hamshary H等[21]先对淀粉进行接枝改性合成淀粉接枝聚丙烯酰胺，再对其进行Mannich改性，采用不同的试剂进一步季铵化得到一种可生物降解的阳离子水凝胶，其具有很好的吸水性能并且可生物降解，有望用于农业生产。

2 Mannich反应改性木质素

木质素是一类具有大量羟基的天然聚合物，其组成单元有三种，包括对香豆醇、松柏醇、芥子醇。木质素是由高度取代的苯丙烷单元以碳碳键和醚键等形式的键随机连接而成的具有三维空间结构的生物大分子。在木质素的结构单元中，苯环上酚羟基的邻位和对位以及侧链羰基的α位上的氢原子较活泼，容易与醛和胺发生Mannich反应生成木素胺，此反应为木质素的改性开拓了新领域。因Mannich反应在木质素中引入的胺基团在酸性条件下发生离子化而产生正电荷，使木质素具有高的亲水性，且能保持高的分子链，因此是一个极具潜力的改性方法。

早在1955年Gabriel W E等[22]采用甲醛和二级胺与未磺化的木质素进行Mannich反应，制备了一种新型水溶性木素胺，将其应用于皮革鞣剂中具有很好的鞣性，自此开启了这一领域研究工作的热潮。

2.1 在吸附金属离子中的应用

由于木质素的三维网状和非线性结构，使得其在溶液中不会解卷并缠绕大颗粒形成稳定的絮凝物，将其直接用于重金属离子吸附时吸附容量非常低，通常低于10 mg/g，因此采用Mannich反应对其进行改性，胺的接枝使其具有线性部分，有利于其发挥吸附作用，同时引入的碱性胺基可与酸性金属离子进行螯合提高其吸附容量。

Ge Y Y等[23]采用甲醛和甲胺对碱木质素进行Mannich反应改性，所制备的Mannich碱作为生物吸附剂应用于水溶液中铅离子的去除，其对Pb2+的吸附容量可达碱性木质素的4.2倍，但其在低pH值下吸附效果不理想。为了提高木质素基吸附剂应用的pH范围，该研究者[24]在对木质素进行Mannich反应改性的基础上，再对其进行磺甲基化，其pH值在3.0～8.0之间对Pb2+均具有较高的吸附去除效率，达74.0%以上。

Luo X G等[25]首先采用甲醛和三亚甲基四胺对木质素进行Mannich反应改性，使其带上胺基，随后通过胺基的螯合作用在胺化木质素上引入Fe3+(图5)，制备一种高效去除低浓度磷酸盐的木质素基吸附剂，去除率高达90%以上，并且该吸附剂可部分回收利用。

图5 Fe-复合木质素吸附剂的合成路线[25]Fig.5 Synthetic route of Fe-composite lignin adsorbent

2.2 在复合材料中的应用

由于木质素是一种可缓慢完全降解的天然高分子材料，因此可用于可溶性氮肥缓释的载体。Li W Z[26]采用Mannich反应对木质素进行改性，后应用于尿素的缓释载体，实验结果显示Mannich反应改性的木质素与尿素有更强的相互作用，且对尿素的扩散常数更低，因此Mannich反应改性的木质素更有利于用于农业中尿素肥料缓释的载体。

未改性的木质素作为一种阴离子表面活性剂，将其用作减水剂所产生的气泡非常大且不均匀，这不利于砂浆的保水，为了满足木质素可作为砂浆外加剂的应用需求，必须要对其进行改性以提高其引气性能。Zheng D F等[27]以甲醛、乙二胺和造纸黑液中的木质素为原料，通过Mannich反应合成一种带有胺基的木质素表面活性剂，将其用于预湿拌砂浆的外加剂，保水率可达89.1%，且小的掺合量可提高硬化砂浆的粘结强度，因此胺化木质素是一种卓越的砂浆外加剂。

Zhou W P等[28]首先对碱木质素进行羟基化处理，增加了木质素中酚羟基的含量，接着通过加入二亚甲基三胺和甲醛使羟基化的木质素发生Mannich反应而引入胺基，该产品用于聚氨酯薄膜的生产可显著提高其拉伸强度，同时热稳定性能也有所改善。Liu J等[29]采用木质素胺对水性聚氨酯进行改性以增强水性聚氨酯的抗老化性能和力学性能，该木质素胺采用木质素、甲醛和二亚乙基三胺经Mannich反应合成。

Mendis G P等[30]将木质素进行水解和Mannich反应改性，将其用于环氧树脂中，作为一种绿色环保可持续的固化剂。

Yue X等[31]采用碱木质素为原料，通过Mannich反应，以甲醛和二乙烯三胺对其进行氨甲基化，将制备的阳离子木素胺用于聚氯乙烯/木粉复合材料之间的界面改性剂，发现以木素胺处理过的木粉不但不影响所制备的复合材料的力学性能，还可以降低复合材料的吸水率，并推测了其对复合材料的界面改性机理(图6)。

图6 木素胺对聚氯乙烯/木粉复合材料的改性机理[31]Fig.6 Modification mechanism of lignin amine onPVC/wood flour composites

除此之外，Mannich改性木素胺还有许多其他方面的应用，如用作絮凝剂[32]、橡胶粘合剂[33]、沥青的乳化剂[34]等。

3 Mannich反应改性蛋白质

蛋白质是由氨基酸以“脱水缩合”的方式组成的多肽链经过盘曲折叠形成的具有一定空间结构的天然有机大分子。蛋白质的化学修饰是通过化学试剂对蛋白质肽链上的特定活性基团进行改性，使部分肽键断裂或引入各种功能基团，包括对氨基酸残基的酰化、去酰胺、磷酸化、糖基化、水解以及氧化等，通过新基团的引入而改变蛋白质的结构、构象、净电荷、疏水性等，从而改善其功能性质。

蚕丝纤维是一种由18种α-氨基酸经一定排列顺序组成的天然高分子，由其所制成的织品手感柔软，光泽柔和，穿着舒适，吸、放湿性好，既保暖又散热等，因此备受广大消费者的青睐。然而其也有一些缺点，如耐光稳定性差，易褪色等，因此为了克服这些不足需要对其进行化学改性。在构成蚕丝纤维的氨基酸中，酪氨酸具有酚式的结构[35]，不但含量较高，而且大多分布在纤维的非晶区域内，容易实现其化学改性。

Joshi N S等[36]发现通过Mannich反应可以高选择性地将芳胺类物质与酪氨酸酚羟基通过共价键连接在一起，实现蚕丝的功能化改性。因此可以借助Mannich反应通过醛类的桥接作用将芳伯胺染料染到蚕丝织物上，这种染色方法以共价键的形式将染料和蚕丝连接在一起，具有较高的染色牢度。李鑫等[37]用具有芳伯胺结构的酸性染料和甲醛通过Mannich反应对蚕丝进行染色，并探讨了Mannich染色法的最佳工艺，并证明了Mannich法染色蚕丝的有效性。范素菊等[38]选用商品染料酸性绿20、酸性棕4和甲醛通过Mannich反应上染蚕丝纤维，将染色后的蚕丝织物进行碱性水解，并且采用酪氨酸作为蚕丝的模拟物，与染料和甲醛进行Mannich反应，对碱性水解液和模拟产物进行液质分析对比，验证了芳伯胺染料与蚕丝纤维中酪氨酸残基以共价键的形式结合在一起。白银路等[39]用毒性低于甲醛的其他醛与C.I.酸性绿20通过Mannich反应上染蚕丝纤维，实验结果表明选用丙酮醛作为醛组分代替甲醛染色效果较好，解决了Mannich染色法中甲醛污染问题。

郑旭等[40]首先合成含有芳伯胺基团的紫外线吸收剂和受阻胺光稳定剂，并将其通过Mannich反应接枝到蚕丝酪氨酸残基，提高了蚕丝的耐光稳定性。

Wang C W等[41]通过Mannich氨甲基化反应在明胶分子链上引入磺酸基侧链，成功制备了一种新型的水泥分散剂，该分散剂具有较好的分散能力且可生物降解。

4 Mannich反应对其它聚合物的改性

Zhang X Y[42]首次提出采用多聚甲醛、四臂-聚乙二醇-胺基(PEG)和含酚羟基的聚集诱导发光染料(PhE)经Mannich反应制备具有聚集诱导发光活性的PEG-PhE荧光聚合物纳米粒子(FPNs)，该材料具有优异的荧光发射性能，水分散性良好以及低生物毒性，因此有望用于生物医学成像。

Budnyak T M等[43]以甲醛为交联剂，采用Mannich反应将壳聚糖固定在二氧化硅的表面，得到壳聚糖二氧化硅复合材料，研究表明其对V5+、Mo6+、Cr6+具有很好的吸附性能。

Unlu C H等[44]在碱性水溶液中采用木聚糖、甲醛和二甲胺经Mannich反应制备一种阳离子表面活性剂，胺基的引入赋予木聚糖新的性能，如成膜性能和抑菌性，有望用于药物载体或抗菌剂。

陈晨晓等[45]以明胶作为氮源，亚磷酸为含有活泼氢的化合物，与乙二醛发生Mannich反应，将亚磷酸基团引入到明胶分子的氨基上，从而制备出明胶蛋白磷-氮阻燃剂(图7)。实验结果表明，明胶蛋白类阻燃剂应用于一般的非耐久性整理，表现出了较好的阻燃性。

5 展望

广大研究者对Mannich反应已有大量研究，其研究领域与应用范围在不断扩大，发展前景广阔。笔者认为Mannich反应改性高分子材料将有以下几个研究重点。

首先，采用Mannich反应对乙烯基聚合物进行改性的过程中，研究者主要关注丙烯酰胺单元上的Mannich反应，而有学者证明丙烯酸聚合物上羧基α-H也具有弱的Mannich反应活性，因此在利用Mannich反应提高高分子材料的性能之外，采用现有的新技术手段对反应的机理进行研究是非常有必要，如采用实时在线FTIR反应分析技术跟踪关键反应组分和过渡组分的浓度变化，从而理解Mannich反应机理，并通过分子模拟进行理论验证，对于实现材料的可控制备具有非常重要的意义。其次，由于Mannich反应的普遍性，其亦可作为将纳米粒子与高分子材料交联起来的手段。最后，自Mannich反应提出到现在，采用Mannich反应改性高分子材料的过程中醛组分通常采用甲醛，其反应活性高且分子结构简单，使其易于发生Mannich反应，但其危害极大，为了清洁生产及环保应用，开发其他安全性更高的醛(如戊二醛、乙二醛等)代替甲醛作为Mannich反应的醛组分进行Mannich反应势在必行。但由于其他醛的反应活性相比于甲醛较弱，使得Mannich反应的效率降低，因此如何平衡醛的安全性与反应效率的关系将是接下来的研究热点。