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華南理工唐本忠院士團(tuán)隊(duì)秦安軍教授 JACS：溫和條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的腈基高效轉(zhuǎn)化及堿催化的腈-疊氮點(diǎn)擊聚合的建立

2024-03-01 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：堿催化腈-疊氮點(diǎn)擊聚合 PATAs 溶解性熱穩(wěn)定性

三鍵單體由于其豐富的化學(xué)性質(zhì)，以其制備的聚合物往往含有不飽和鍵，被廣泛應(yīng)用于光電、信息、生物等高新技術(shù)領(lǐng)域。相比于炔（?C≡C?）和異腈（?N≡C），同屬于三鍵單體的腈（?C≡N）類化合物，來源和種類更加豐富，價(jià)格也更加低廉，并且有些還作為常用溶劑，例如乙腈等，而且在自然界中發(fā)現(xiàn)的腈類化合物也達(dá)到120種。但腈的碳氮三鍵非常穩(wěn)定，化學(xué)性質(zhì)相對比較惰性。?C≡N直接轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>?C=N?雙鍵在熱力學(xué)上難以實(shí)現(xiàn)，此反應(yīng)的聚合熱ΔH較小，其熵變ΔS為負(fù)值，由熱力學(xué)公式ΔG = ΔH - TΔS可知，整個(gè)過程是一個(gè)吉布斯自由能ΔG增加的過程，這種反應(yīng)在熱力學(xué)上較難發(fā)生。因此，基于腈類單體的聚合反應(yīng)條件通常比較苛刻，如高溫、微波輔助、氧炔焰封管、過渡金屬催化或超強(qiáng)酸介導(dǎo)等，而且所制備的含氮聚合物難以溶解或熔融（如圖1A-C）。這些苛刻的反應(yīng)條件不利于聚合反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，而且過渡金屬催化的防疫容易在聚合產(chǎn)物中殘留痕量金屬，對高分子的溶解性以及光電性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，并有可能帶來生物毒性，限制了材料的應(yīng)用，這些因素都極大地限制了腈類單體聚合反應(yīng)的發(fā)展。所以，建立便捷高效、高選擇性、條件溫和、無過渡金屬催化腈類單體的新型聚合反應(yīng)制備含氮功能聚合物具有非常重要的意義。

圖1. 腈類單體的聚合反應(yīng)

該課題組前期研究表明，通過活化策略，可以提高三鍵單體的反應(yīng)活性。如在炔基鄰位引入強(qiáng)吸電子基團(tuán)（磺酰基、羰基、酯基、鹵素等），可以實(shí)現(xiàn)炔與疊氮、氨基、羥基、巰基等單體的高效聚合（Aggregate 2023, 4, e350; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 1672; J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 5437; Nat. Commun. 2023, 14, 3524; Chem. Sci. 2023, 14, 10718; Chem. Sci. 2020, 11, 3931; Macromolecules, 2020, 53, 2516; Macromolecules, 2020, 53, 5248; 2019, 52, 4526; Sci. China Chem. 2022, 65, 771; Sci. China: Chem. 2019, 62, 1198; Polym. Chem. 2020, 11, 3075; Polym. Chem. 2020, 11, 2568）。或在炔基鄰位引入α-C(sp³)?H鍵，實(shí)現(xiàn)炔基活化C(sp³)?H鍵的同時(shí)，C(sp³)?H也促進(jìn)炔基的反應(yīng)（ACS Macro Lett. 2019, 8, 1068; Macromolecules 2024, 57, 122; Macromolecules 2020, 53, 3358.）。

最近，華南理工大學(xué)唐本忠院士團(tuán)隊(duì)秦安軍教授等，在前期工作的基礎(chǔ)上，采用在氰基鄰位引入α-C(sp³)?H鍵策略，成功實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下氰基的高效轉(zhuǎn)化，并成功建立了堿催化的腈-疊氮點(diǎn)擊聚合，制備了一系列區(qū)域規(guī)整的功能聚(5-氨基-1,2,3-三唑)（PATAs），如圖1D所示。

作者通過對聚合反應(yīng)條件的系統(tǒng)優(yōu)化，得出了最佳的聚合反應(yīng)條件：（1）對于芳基疊氮單體，可使用價(jià)格低廉的NaOH（20 mol%）為催化劑，DMSO/H₂O（體積比8:2）為溶劑，單體溶度為0.10 M，室溫空氣中反應(yīng)15 min；（2）對于烷基疊氮，則使用t-BuOK為催化劑，DMSO為溶劑，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)12 h。通過系列腈類單體1和疊氮單體2的聚合，驗(yàn)證了該聚合反應(yīng)的普適性與高效性，所得產(chǎn)物最高重均分子量M_w可高達(dá)204000，產(chǎn)率可高達(dá)99%（圖2A）。通過模型化合物的制備（如圖2B和2C）及單體和聚合物的核磁共振氫譜和碳譜的解析和對照，證明該聚合反應(yīng)具有非常高的區(qū)域選擇性，聚合產(chǎn)物為聚(5-氨基-1,2,3-三唑)（圖3）。所得聚合物在大極性有機(jī)溶劑（如DMF、DMSO、DMAc等）中具有非常好的溶解性，并且具有非常好的熱穩(wěn)定性，其5%熱分解溫度T_d在262 - 328 °C之間，為其后續(xù)的加工與應(yīng)用提供了保障。

圖2.（A）腈-疊氮點(diǎn)擊聚合，（B）小分子模型反應(yīng)，（C）M2與M3單晶結(jié)構(gòu)

圖3. 氰基和疊氮單體、模型化合物及聚合物的核磁共振氫譜及碳譜

隨后，作者提出了該點(diǎn)擊聚合可能的機(jī)理，如圖4所示。由于氰基的強(qiáng)吸電子性，其α-氫相對比較活潑，在堿存在下極易被去質(zhì)子化，生成碳負(fù)離子（I），該碳負(fù)離子可被堿的金屬離子（M⁺）穩(wěn)定。α-碳負(fù)離子反過來又能與鄰位的氰基共軛從而激活氰基，使其很容易與疊氮基發(fā)生[2 + 3]環(huán)加成反應(yīng)，從而選擇性地生成1,2,3-三唑-4H-亞胺碳酰離子（II）。隨后，II從反應(yīng)體系中得到一個(gè)質(zhì)子，生成1,2,3-三唑-4H-亞胺（III），并進(jìn)一步快速異構(gòu)化為5-氨基-1,2,3-三唑（IV）。重復(fù)上述步驟，就能以逐步聚合的方式生成PATAs。

圖4、腈-疊氮點(diǎn)擊聚合可能的機(jī)理

由于該聚合反應(yīng)非常高效，可便利地將具有AIE特性的TPE基元引入到聚合物主鏈中，從而賦予聚合物AIE特性，如圖5所示。考慮到含TPE的P1a2d的AIE性質(zhì)以及其主鏈中含有大量的5-氨基-1,2,3-三唑基元，有望用于實(shí)現(xiàn)對金屬離子的識別。通過對17種金屬離子作用，發(fā)現(xiàn)該聚合物能實(shí)時(shí)、特異性、靈敏地識別Fe(III)離子，其檢測限LOD低至1.205 × 10^?⁷ M（圖6）。

圖5. 含TPE的P1a2d的AIE性質(zhì)

圖6. 含TPE的P1a2d對Fe(III)離子的靈敏檢測

作者還研究了P1a2d在生物領(lǐng)域的初步應(yīng)用（圖7）。MTT實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)P1a2d的濃度高達(dá)128 μM時(shí)，HeLa細(xì)胞的存活率還幾乎保持在100%，說明該聚合物具有非常好的生物相容性。而且P1a2d能靶向識別細(xì)胞中的溶酶體，與商業(yè)染料LysoTracker Red DND-99 (LTR)的共定位率能達(dá)到0.81。其原因可能是由于細(xì)胞攝取機(jī)制的內(nèi)吞途徑，以及含有許多5-氨基-1,2,3-三唑單元的聚合物結(jié)構(gòu)的弱堿性。

圖7. P1a2d對溶酶體的靶向成像

由于腈-疊氮點(diǎn)擊聚合所得PATA每個(gè)重復(fù)單元均原位產(chǎn)生伯胺基團(tuán)，作者通過系統(tǒng)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了五氟苯酚活性酯對PATA的后修飾，其接枝率可高達(dá)99%。考慮到腈-疊氮點(diǎn)擊聚合以及活性酯后修飾都是在堿性條件下進(jìn)行，作者還實(shí)現(xiàn)了疊氮、腈、活性酯單體的“一鍋、多組分”串聯(lián)聚合，如圖8所示。

圖8.（A）活性酯對P1a2a的高效后修飾；（B）腈、疊氮、活性酯單體的“一鍋、多組分”串聯(lián)聚合

該工作以“Efficient Conversion of Inert Nitriles to Multifunctional Poly(5-amino-1,2,3-triazole)s via Regioselective Click Polymerization with Azide Monomers under Ambient Conditions”為題發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上，論文第一作者為華南理工大學(xué)王佳博士（現(xiàn)松山湖材料實(shí)驗(yàn)室副研究員），通訊作者為秦安軍教授和唐本忠院士。其他作者為華南理工大學(xué)田甜碩士、李明照博士生、陳潔博士生、以及香港中文大學(xué)（深圳）張榮遠(yuǎn)博士。相關(guān)研究工作獲得國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/jacs.3c12588

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（責(zé)任編輯：xu）

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