“点击化学”在高分子和材料科学中应用

2022-09-10

叠氮化物/炔烃的“点击”反应 (也叫沙普利斯“点击”反应) 是近期新发现的反应, 可以通过后成型过程满足高分子的许多附加配位体的要求, 包括 (1) 经常生产, (2) 官能团的的高耐受性, (3) 溶剂反应的惰性, 不论它们的质子/质子惰性或极性/非极性的特点, (4) 在各种界面反应, 例如固/液, 液/液甚至固/固界面。当前的评论将问题集中在反映本身以及其在高分子科学, 材料和表面科学的广泛应用。

1 线性高分子和凝胶中的点击反应

由于许多大分子化学聚合反应需要特殊官能团的存在, 因此, 成功引导了聚合反应后对聚合物和凝胶配体的固定有相当大的兴趣。当使用活性聚合机理时, 这是最重要的, 因为特别是高度精确的化学机理和活性聚合反应的平衡往往具有高度的底物特异性, 因此, 即使是少量的官能团或固定所需要的偶联剂都会对它产生强烈的影响。另一个问题涉及到大量的聚合物配体 (即侧链改性聚合物) 或树枝状物的结合, 为达到这一目的, 需要高效率的耦合反应。进一步的兴趣是直接针对混合溶剂中聚合物的多样化的功能化。由于许多聚合物有限的溶解度, 后功能化反应的反应物不能总是应用于衍生聚合物的均相溶液中。在这种情况下, 就需要在非均相反应介质中的高效反应。因此, Sharpless点击反应成为公众关注的中心也就不足为奇了, 最近因为它的高效率, 即使在非均匀反应体系中, 不考虑配体的结构, 产率也经常>99%。

2 活性自由基聚合 (ATRP, NMP和RAFT)

ATRP已广泛使用在联同叠氮/炔的点击反应, 也代表了第一次强烈地利用 (准) 活性聚合反应和叠氮/炔的点击化学之间的结合的例子。结合这两个反应的三种不同的策略已被描述:a) 利用叠氮遥爪大分子单体, b) 通过烷基-遥爪大分子, c) 在侧链内使用叠氮或乙炔基团。

3 生物分子, 细胞和病毒中的点击反应

当然, 点击反应特别适用于生物分子人工配体的结扎, 因为这种反应尤其是在保存肽, 蛋白质, 碳水化合物的结构完整性的条件下是极其有益的。因此, 除了传统的链接方式 (例如, 二硫键交换, 酰胺链接, 还原胺化, Staudinger型结扎) , 这种方法当然对生物标记有着重要贡献。最近的评论处理了这个主题, 因此, 这里的重点是新实验。其中一个证实了叠氮/炔点击反应的实用性的例子是由Melda和同事们提供的, 他们在固相合成的过程中对肽使用了点击反应。基于这一认识, Ghadiri和同他的事使用点击反应生成了环状肽。

Ju和同事们用纯的热2, 3-Huisgen热反应将罗丹明染料链接到寡核苷酸末端。起始的寡核苷酸展示了一个终端氨基, 在80℃, 乙炔改性的罗丹明染料存在的条件下, 这反过来有可能会受到热偶极环加成过程。Finn和同事们提交了一个令人印象深刻的例子, 叠氮/炔的点击反应的完整性和多功能性, 关于改善所有60位烟草花叶病毒的要求。病毒衍生物的产生显示了60叠氮, 或炔键, 带有罗丹明B染料的最终耦合使标记病毒的表面产生了60种基团的附着物。使用的催化剂用系统是以CuIISO4/三 (羧乙基) 膦 (TCEP) /催化剂/Cu0为基础的。在p H值为8.0的磷酸盐缓冲溶剂体系中 (加5%的叔丁基醇) , 这两种系统产生了100%的附着效率。

Tirell和工作人员通过将非天然的氨基酸叠氮-丙氨酸, azidohomoalanine, azidonor valine, 和azidonorleucine纳入到活细胞中证实了活性系统中的生物标记。随后, 纳入的报告和量化通过“点击”一个乙炔改性的生物素配体到大肠杆菌的细菌表面, 这显示出了叠氮基团。人们发现超纯的溴化亚铜 (纯度99.999%) 在催化点击反应上更为优越。Cravatt和工作人员已报告了一个使用活性基础蛋白质谱 (ABPP) 的相关方法, 它依赖于ABPP作为化学蛋白质组学方法, 它采用积极定点探针, 同时可视细胞环境中的蛋白质活性变化。总之, 叠氮/炔点击化学的结合证明了酶活性中心的貌相以及寻找活性蛋白中心新的结合结构的一个新的方法。显然, 对屏动态组合库, 完全随机的方法 (没有这种酶的活性部位的认识) 以及至少部分指导的方法是可行的。因此, 这种方法指出了未来关联现象的研究, 也可能用于超分子化学和材料科学中。

4 结论与展望

在过去的几年中, 点击反应已经证明了它的效率以及在材料化学与科学领域的使用, 特别是在聚合物科学领域的应用。太多的化学家, 厌倦了广泛使用保护组策略和反应不足的进展, 几十年一直在寻找点击式反应。现在, 随着到来的叠氮化物/炔烃-1, 3-偶极环加成点击反应, 至少在这个方向已经实现了可见的步骤, 这解释了这个反应在其初期时的巨大影响。关于聚合物基板方面, 反应明确地加速了带有功能性配体的聚合物的使用, 定位在主链或各自的侧链位置。最重要的是, 在聚合物和表面配体密度的控制是一个简单方便的方法, 使分子识别的研究更详细。当然, 将来会出现新的其它点击式反应, 材料科学家手中的强劲的化学工具, 通过简单的化学反应制备与建设前景问题相符合的砖型时代。

摘要：在聚合过程取得成功之后, 高分子成型就成为了大分子科学领域的一项重要任务。环化加成反应, 通过金属催化叠氮化物/炔烃的“点击”反应 (端基乙炔和叠氮化物之间的Huisgen 1, 3双环化反应的变体) , 代表了这方面的重要努力。将高效率 (通常大于95%) 与官能团和溶剂的高耐受性以及合适的反应温度 (25-70℃) 结合在一起。当前的评论集合了该反应在高分子科学 (线形高分子, 分子树, 凝胶剂) 领域应用的新近文献及其碳纳米管, 富勒烯和固体培养基的表面成型相关反应的应用。

关键词：“点击”反应,1, 3偶极环加成,表面,聚合反应,高分子