“巯基-烯/炔”点击反应在有机材料合成中的应用

章谏正 任杰 刘艺帆 吴松华

摘要：“巯基-烯1/炔”（“Thiol-ene/yne”）光化学反应是近年来发展的一类新型的点击反应，具有高度的选择性，并可与多种化学合成方法交互使用，成为有机材料制备的又一重要途径。文章介绍了“巯基-烯/炔”点击反应及其反应机理，在此基础上着重介绍了“巯基-烯/炔”点击化学在材料表面改性、功能水凝胶制备、功能性聚合物微球、高度支化聚合物、杂化材料等领域的应用。

关键词：巯基-烯/炔;点击反应;合成

中图分类号：0631.3 文献标志码：A 文章编号：1001-5922（2021）02-0056-07

点击化学（click Chemistry）是由化学家Sharp.1ess在2001年提出的一种新型有机合成概念，点击反应是一种以碳一杂原子成键反应（C-X-C）为基础的组合化学新方法，并借助这些反应来简单高效地获得分子多样性。典型的点击化学如铜催化的叠氮一炔基Husigen环加成反应（Copper-Catalyzed Azide-AI-kvne Cycloaddition）。点击化学的引入和发展对设计和制备复杂的高性能聚合物、小分子有机化学和药物等产生了重大影响，其作为新型的有利的化学合成工具，在大分子工程、药物合成、蛋白质组学、生物技术、聚合物纳米粒子等各个领域发挥重要的作用。

近几年，一系列新型点击化学反应受到了极大的关注，比如基于硫醇的化学反应，包括“巯基一烯”“巯基一炔”“巯基一异氰酸酯”“巯基-溴”等。其中“巯基一烯快”作为典型的点击化学反应，反应底物丰富、可设计选择范围广，可以用于制备各种新型功能材料。本文介绍了“巯基一烯/炔”点击化学基本原理，以及在材料表面改性、功能水凝胶制备、功能性聚合物微球、高度支化聚合物、杂化材料等领域的应用。

1“巯基-烯/炔”点击反应介绍

1.1“巯基一烯”点击反应介绍

“巯基一烯”反应作为一种简单的C-S成键反应，其被发现已有100多年的历史，这种反应具有非常吸引人的优势：首先，这种C-S成键反应可以在多种条件下进行，包括通过自由基、亲核试剂、酸、碱;其次，各种各样的烯烃可用作合适的底物，包括活化和非活化的多取代的烯烃;第三，几乎所有的硫醇都可以用于反应，包括功能性强的物质;最后，这种反应非常迅速，而且反應条件温和，可以在空气环境中进行。1938年Kharasch等提出了“巯基一烯”化学反应机理，如图1所示，巯基在捕获自由基后与双键完成自由基加成反应形成C-S键。Jacoblrie于20世纪90年代初系统的综述了不同类型“巯基一烯”化学反应的反应机理及应用前景。在聚合物材料领域，Bow-man和Holye等利用“巯基一烯”反应制备了几乎完美的网络结构材料。

“巯基-烯”点击反应可由自由基引发，常用的热自由基引发剂为：偶氮类化合物或者过氧化物，此反应也可以使用紫外光引发，例如使用二苯甲酮类、安息香类化合物在紫外光下既可以引发反应。同时，此反应也可以使用自然光引发，如图2是使用一种Ru配合物为光氧化剂，使用苯胺为还原剂引发反应，除此之外，此反应还可以使用红光、氧化还原体系进行自由基引发。值得一提的是，此反应使用有机胺、有机磷等碱作为催化剂引发Michael加成，如图3所示。生成的产物是反Markovnikov规则的，而使用酸催化反应是，得到的产物是复合Markovnikov规则的吲。

“巯基-烯”点击反应作为一种构建新型材料的手段具有非常多的优势：①烯烃化合物非常丰富，可供选择性大，可以合成大量各种结构的化合物;②点击反应反应速度快，可常温常压下进行如果是紫外光引发情况下可以在几秒内反应产率达到90%以上;③此点击反应由虽然由自由基引发，但是反应过程不受空气中氧气的影响，操作简单;④如果使用双巯基和双硫醇化合物反应，可以生成高分子聚合物，次为典型的逐步加成反应，分子量以及聚合物的封端都是可控的。

1.2“巯基-炔”（Thiol-yne）反应介绍

与“巯基-烯”点击反应类似，“巯基一炔”也是一种基于巯基与不饱和键之间的点击反应。其反应过程如图4所示，可以看出：每个炔基首先与单个硫醇反应形成乙烯基硫醚，随后使乙烯基硫醚与第二个硫醇反应，从而产生1，2-二取代的加合物，与传统的“巯基一烯”反应相比，该两步反应在许多方面类似于伯胺和随后的仲胺与环氧的顺序反应，可以大大提高得到的聚合物的交联密度和取代度。Fairbanks等最近研究了1，9-十二烷二炔（DDY）和季戊四醇四（3-巯基丙酸酯）（PETMP）作为模型的硫醇一炔光聚合反应的动力学和机理。这种光聚合的动力学表明，点击反应相对迅速，超过80%的硫醇官能团在第一分钟内就开始反应。与由PETMP和类似的二乙烯基醚聚合形成的网络结构相比，“巯基一炔”反应形成更高的交联密、玻璃化转变温度和模量。因此，“巯基一炔”点击反应在制备高交联密度的聚合物、超支化结构材料、生物大分子结构种具有较好的应用前景嘲。

2点击反应在材料合成中的应用

2.1点击反应在材料表面改性中的应用

材料表面性能是决定材料物理化学性能的重要因素，为了提升材料的附着力、亲水疏水性、抗腐蚀性、界面相容性、表面粗糙度等性能，可通过表面修饰实现。近年来，“巯基一烯/炔”点击化学由于反应条件简单、选择性强、可选择反应物丰富等特点，其在材料表而改性方而具有很大的应用前景。

Steo等使用“巯基-烯”点击反应对有机硅表面进行了改性，先使用KH550将有机硅表面接上胺基，然后使用氨基与酰亚胺之间的反应接上双键，如图5所示，接上双键以后，可以利用“巯基一烯”反应接上各种功能性的终端，这些含巯基的高分子是通过RAFT聚合反应得到，例如可以接上聚苯乙烯、或者聚丙烯酸，或者聚葡萄糖等，经过这些改性后，有机硅表面表现出不同的亲水或者亲油性能。

如此表面改性的研究有很多，例如对钢、聚二氟乙烯等表面进行改性，使得钢表面接上巯基，然后使用点击反应在钢表面修饰上各种离子型或者不同基团的终端，利用XPS对其表面进行分析，利用细菌在钢表面的生长状况表征了不同方法改性后对钢表面耐菌性的区别，如图6所示。

2.2点击反应在水凝胶合成中的应用

水凝胶是一种极为亲水的三维网状结构材料，能够在水中迅速吸水膨胀并保持凝胶状态，在人造器官、组织工程的支架和药物负载等领域有着广泛的应用前景。为了使得水凝胶具备环境响应功能，可以在分子结构中引入对pH值、环境温度、光信号和电磁信号等敏感的基团，实现水凝胶的智能化。He等使用二巯基和二烯烃化合物在硼酸的催化下合成了一种智能水凝胶，将两片水凝胶接触放置在室温条件下即可自愈合。Xu等也利用“巯基一炔”反应制备了一种智能水凝胶，可以实现自愈合，如图7所示。

2.3点击反应应用于高分子微球的合成

高分子微球是一种尺寸在微米级的有机聚合物，其尺寸小、均一性好、表面基团丰富，所以已广泛应用于色谱填料、生物医学、信息工程等领域。相比普通烯烃聚合物通过自由基聚合物反应得到高分子微球，“巯基一烯，炔”点击反应速度快、条件简单、反应底物丰富、可控性强、产率高，所以已成为高分子微球的有力合成手段。

Jasinski等利用“巯基-烯”点击反应使用双巯基化合物和双烯烃化合物在表面活性剂的存在下进行乳液聚合，合成了粒径在150nm左右的高分子微球，如图8所示。

同样，“巯基-烯”点击反应还可以用于制备各种形貌的微球，例如Tan等使用线性PMMA作为制孔剂合成了多孔性的高分子微球，如图9所示。孔径值达到12.39um。Teixeira等使用矿物油作为核層，壳层使用“巯基-烯”点击反应合成了一种功能性囊泡。Amato等利用炔烃与巯基之间的反应合成了一种粒径均一的高分子微球，微球表面可以是巯基或者炔基，然后可以使用相应的反应对这种微球表面进行改性。

2.4点击反应应用于超支化材料的合成

超支化材料是一种树枝状的大分子结构，其合成可通过含可反应的两种官能团的化合物ABx通过链增长反应得到，超支化材料由于分子结构之间无缠结、含有大量的端基，因此在聚合物共混、生物大分子等许多方面都有较好的应用前景。由于一分子炔烃可以和两分子巯基反应，所以“巯基一炔”点击反应在超支化材料制备领域有较好的前景。很多研究团队使用“巯基-烯/炔”之间的反应合成了各种超支化结构，例如，Dominik等利用一种端基分别为炔烃和巯基的化合物，利用互相之间的反应合成了一种支化结构的高分子，如图10所示。

2.5点击反应与活性聚合等方法结合使用

“巯基一烯/炔”点击化学反应迅速、反应底物丰富、收率高，是构成C-S键的有力手段，在高分子合成领域有着应用的应用前景，而且此反应可以与AT-PR、RAFT等活性自由基聚合反应结合，用于合成各种可以合成各种特殊结构的功能聚合物，包括超支化、交联、接枝和环形等，如图11所示。Zhang等利用RAFT活性自由基反应合成了聚苯乙烯高分子，分子链终端为双硫酯基使用还原剂还原为巯基，然后可以使用“巯基一烯”点击化学对其进行改性。类似将点击反应与RAFT等活性聚合联用的研究还有很多，有的是使用含双键的RAFT试剂之间将双键引入高分子链中，有的使用含双键的化合物对阴离子聚合封端，将双键引入高分子链中。

2.6点击反应在杂化材料中的应用

有机硅材料因其特殊结构和性能己成为材料科学研究领域的热点之一，“巯基一烯快”点击化学在杂化材料的合成中也有较多应用，赋予材料新的物理化学性能。Bing等利用含巯基的POSS化合物与嵌入双键的聚乙二醇高分子的四氢呋喃溶液在水中形成两亲性的囊泡，壳层使用点击反应固化，这种囊泡具有一定的温敏性，在不同温度下会出现收缩或者膨胀的现象。Cascdo等使用乙烯基二茂铁合成了一种二茂铁有机硅杂化的材料，提升了材料的耐高温性能，如图12所示。

3结语

“巯基-烯”和“巯基-炔”点击化学反应是近年来兴起的一种新型材料合成手段，是搭建C-S键一种有力工具，其反应速度快、可选择底物丰富、产率高，在材料表面改性、功能水凝胶制备、功能性聚合物微球、高度支化聚合物、杂化材料等领域有着广泛的应用。随着人们研究的深入，“巯基-烯/炔”点击反应在信息功能材料、复杂结构材料、生物新材料等领域有着更为广泛的应用。