巯基-迈克尔“点击”反应是一类被广泛应用于材料化学中的表面修饰、黏合、高分子耦合等多个领域的高效反应。研究表明,巯基-迈克尔加成反应的效率及速率受到巯基酸性、催化剂碱性或亲核性以及双键亲电性等诸多因素的影响。如常见的碱催化巯基-迈克尔加成反应就易受到碱性条件下二硫键的生成等副反应的干扰。
为解决这类反应中,碱催化剂催化反应带来的问题,研究表明,采用亲核性催化剂,以图1中所示催化机理催化反应,能够有效避免碱催化机理带来的副反应问题。常见的亲核催化剂包括三价膦催化剂或胺催化剂。其中,部分三价膦催化剂具有良好的催化性能。但其催化过程产生的副产物具有显著的细胞毒性,限制了该类催化剂的发展,也不符合可持续发展的原则。
图1. 亲核性催化剂催化巯基-迈克尔加成反应的机理示意简图
本文介绍了以烯胺为亲核催化剂催化的巯基-迈克尔加成反应的可行性(图2),比较了不同结构催化剂对反应的影响,并对该方法在高分子交联体系中的应用进行了初步尝试。
图2. 巯基-迈克尔加成反应中的烯胺催化循环示意图
具体实验过程中,首先采用巯基丙酸丁酯(BMP)与丙烯酸正己酯(HA)为反应的小分子模型,利用不同结构的烯胺进行催化剂结构的筛选(图3)。结果表明,相比具有部分类似结构的四氢吡咯与吗啉,烯胺具有显著更强的催化效力,其应用显著提高了反应的速率与转化率。若将烯胺结构视为胺与酮反应的产物,前人研究表明,环酮的环大小显著影响了产物烯胺的亲核性。其他影响因素包括生成胺正离子中间体的键角等。结果表明,相对烯胺3、5,催化剂2、4、6具有更强的亲核性。考虑到巯基的pKa~11,而烯胺的pKa仅为~9,进一步确认反应催化主要通过亲核机理进行。
图3. 小分子模型反应筛选示意图
随后,将模型小分子烯胺对应的二级胺与2-(2-硝基苯基)氯甲酸丙酯(NPPOCl)反应,引入光敏基团,得到一系列光致碱,即NPPOC-二级胺,以期在光照条件下释放出二级胺,在体系中与环酮原位生成烯胺,催化加成反应,从而应用于之后的光交联实验。
在该方面的研究中,首先将NPPOC-二级胺+环酮的原位光敏催化体系应用于小分子模型反应中,并采用与前文类似的方法分析反应速率。可知,原位催化体系中依旧显示烯胺的催化效果优于二级胺体系,且环戊酮对应烯胺催化效果优于环己酮体系。另外,在DPPOC-二乙胺对应的的体系中,相比二级胺催化体系,烯胺催化体系中加成反应存在明显的诱导期。对这一系列反应现象的解释为:因为“光照释放二级胺-与环酮反应生成烯胺”过程快于巯基-迈克尔加成反应,因此光脱保护的二级胺倾向于优先于酮反应生成烯胺,而非作为碱催化剂直接催化加成反应。而在这一过程中,六元环的稳定性降低了其与二级胺的反应速率,从而降低了催化循环中烯胺的生成速率,也就影响了加成反应的转化率。
随后对光致烯胺催化体系中光照的影响进行了分析,显示短暂的光照即能开启催化,但持续的光照确实能提升催化效率。
由此,将该有机光致催化体系应用于高分子网络的交联中,以四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯(PETMP)为多巯基单体,以三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)为多烯键单体,进行进行高分子交联网络的制备。随着紫外辐照,烯胺催化体系体现出了较普通光致二级胺体系极高的硫醇转化率。
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