【毕业学位论文】基于巯基点击化学制备环形高分子的研究

摘 要 环形高分子作为一种拓扑结构的高分子，与线性高分子不同，分子结构中没有分子链末端， 分子链上所有单元的物理化学性质相同， 因而表现出许多不同的物理化学性质，比如回转半径与流体力学体积更小，粘度更低，热稳定性更好等等。这些特殊的性质使得环形高分子成为一类非常重要的拓扑结构高分子。目前主要采用两种方法来制备，分别是环膨胀法以及关环法。相比于环膨胀法而言，关环法拥有更多的优势，比如关环法可以制备分子量分布狭窄的环形高分子。本文将可逆加成 巯基点击化学结合起来，通过关环法制备分子量分布狭窄的环形聚合物。 本文工作的主要内容和取得的成果如下： 通过分子设计，首先成功合成了两种二硫代酯 转移剂，使其末端带有能发生高效巯基点击化学反应的基团，这些基团分别是二硫吡啶基团和单溴马来酰亚胺基团。然后选择了 3 类聚合单体，分别是甲基丙烯酸甲酯 ( N， 后两种单体是水溶性单体，通过 合成功制备了分子量分布狭窄的三种线形聚合物， 这些线形聚合物末端都具备发生巯基点击化学反应的能力。最后，将聚合物在合适的溶剂中溶解，浓度稀释至 10入还原剂硼氢化钠，切除二硫酯后得到巯基，同时线形聚合物在溶液中发生分子内反应成环。 线形聚合物发生关环反应形成环形聚合物 后，其流体力学体积将减小。本文通过征，考查其分子量分布曲线的变化情况，发现其分子量分布指数并没有发生改变，但其整体分子量分布曲线向后移动，这符合流体力学体积减小的特点，表明环形聚合物的形成。 线形聚合物发生关环反应形成环形聚合物后，由于发生成环反应，首尾两端反应之后会消去一个小分子。 本文通过基质辅助激光解析 表征，考查了制备的聚合物绝对分子量的变化，发现反应前后分子量确实减小，而且减小的分子量和消去的小分子的相对分子量相等，进一步说明本文成功制备了环形高分子。 本文成功制备的环形高分子都是在水溶剂中反应的，由于关环法需要大量的溶剂，纯水溶剂避免了大量有毒溶剂的使用，该制备方法具有绿色 于制备特定功能的高分子具有十分重要的意义。 关键词： 环形高分子；可逆加成基点击化学；链转移剂 研究类型： 基础研究 s of of as of of on of as we to by of is by of of as We as by by of we of We of by in is 0by is by in of We is to of A be in of of of by We is of we We of in an a of It is of of of 录 1 绪论 . 1 击化学的研究现状 . 1 击化学反应及特点 . 1 击化学在纳米材料改性领域的应用 . 1 击化学在高分子设计领域的应用 . 3 金属催化的点击化学研究现状 . 4 巯基点击化学 . 4 应 . 5 控 /活性自由基聚合 . 5 可控 /活性自由基聚合概述 . 5 基于可控 /活性聚合制备新颖结构的高分子 . 6 环形高分子的研究现状 . 6 选题意义及创新内容 . 8 2 具备巯基点击化学的功能的 转移剂的合成 . 20 验部分 . 20 要药品与仪器 . 20 能性 转移剂 P的合成步骤 . 20 能性 转移剂 P的合成步骤 . 21 征方法 . 23 果与讨论 . 23 能性 转移剂 P的氢核磁光谱分析 . 23 能性 转移剂 P的氢核磁光谱分析 . 24 章小结 . 25 3 线形聚合物的制备 . 26 验部分 . 26 要药品与仪器 . 26 形聚合物 A（ 制备 . 26 形聚合物 B（ 制备 . 27 形聚合物 C（ 制备 . 18 征方法 . 18 果与讨论 . 18 形聚合物 A 的 线分析 . 19 形聚合物 B 的 线分析 . 19 形聚合物 C 的 线分析 . 19 章小结 . 31 4 环形高聚物的制备 . 32 验部分 . 32 要药品与仪器 . 32 形聚 制备 . 32 形聚 N,制备 . 33 形聚甲基丙烯酸甲酯（ 制备 . 34 征方法 . 35武汉纺织大学硕士学位论文 果与讨论 . 36 形聚 N, 线分析 . 36 形聚 N,质谱分析 . 37 形聚 线分析 . 28 形聚 质谱分析 . 29 形聚甲基丙烯酸甲酯（ 线分析 . 30 章小结 . 41 5 结论 . 43 参考文献 . 44 附录 . 47 致谢 . 48 绪论 1 1 绪论 击化学的研究现状 击化学反应及特点 点击化学的概念是由美国科学家 ,它是一种新的有机合成方法，即反应时引入)作为催化剂，使炔基和叠氮化合物之间发生加成反应，反应之后生成一种五元环化学物，由于该反应具有反应十分高效，反应之后没有副产物，反应条件十分温和等众多的有别于传统有机化学合成方法的优点，所以一经提出在许多领域都引起了广泛的重视。例如表面改性领域，任何一种材料，只要其表面自身带有或者表面能接上叠氮化合物或炔基化合物，那么就可以利用点击化学反应对其表面进行改性,这样就给我们提供了对一 些较难改性的物质进行改性 的新的思路。同时还被广泛应用在如在大分子自主装，聚合物的功能化修饰等领域上。 通过长期对自然的观察，研究者们发现如核酸，多糖以及蛋白质这类由自然界合成的分子，几乎全部是由碳原子以及不同的原子通过缩合反应所制备的聚合物。自然界的合成策略是将小的构筑单元通过模式化的组合化学的方式，但是自然界通过这种方式获得了各种各样具有严谨结构的高分子。而点击化学核心正是来源于自然界的这一特点。 点击化学从根本上来说是一种合成方法，就是用简单的方式来得到结构十分严谨的分子。目前为止，几乎没有任何一种化学方法能够和自然界一样十分好的控制反应体系中共价键的断裂和生成。所以，点击化学反应唯有从高活性的反应物中选取，具体的要求就是：无副产物，原料易得，立体选择性好，反应十分温和等等。之所以不饱和碳体系能成为点击化学反应的核心，其最重要的原因正是其原料很容易得到。经过不断探索，目前为止，研究者们已经发现了多组满足点击化学具体要求的反应体系。如 )催化的叠氮和炔烃的加成反应，炔基之间的偶联反应等等。 点击化学在纳米材料改性领域的应用 在点击化学的概念提出不久，它对材料科学和高分子合成领域就产生了重大的影响。尽管 )催化炔基和叠氮化合物发生加成的反应有着许多的限制要求， 比如反应过程中需要 )作为催化剂以及末端炔烃的限制等等。 但是在点击化学应用到材料科学领域之后，研究者们很快就发现了点击化学的优势，并利用利用点击化学的特点制备了一系列新颖的材料。2如， 他的合作者通过点击化学反应将末端带有叠氮武汉纺织大学硕士学位论文 2 基团的聚苯乙烯分子接枝到表面经过炔烃修饰的单壁碳纳米管表面。12示，反应在相对低的温度下 (60 )和相对短的时间 (24h)下都具有很高的效率。 壁碳纳米管通过点击化学改性示意图 和一般的对纳米材料表面改性 方法相比，点击化学提供了 一条对纳米材料改性的新路径。这种方法不但可以控制纳 米材料表面接枝聚合物的密 度的同时减少了副反应的发生，纯化过程相对简单。 与 研究工作相似， 应也被用来对碳纳米管进行改性。13比如他的合作者利用微波辐射辅助，将邻位喹啉甲烷反应到单壁碳纳米管表面，反应示意图如图 示。碳纳米管在有机无机溶剂中的溶解性比较差，这一特点一直 壁碳纳米管通过 限制这碳纳米管在很多领域的应用。而这种高效的接枝改性方法为我们解决这一问题提供了新的思路。 利用点击化学反应的优势，研究者们开发出 了对金纳米粒子的改性的一系列新的方法。14一个有趣的例子就是， 人使用 加成反应将氢键系统固定到硫醇的自主装单分子层上。随后，通过氢键作用将金纳米粒子固定到其表面。15反应如图 示。另外一个例子就是首先在金纳米粒子表面接枝马来酰亚胺基团，16然后利用 应将不饱和的 固定到金纳米粒子表面。自主装的金纳米粒子能够更进一步的被应用到生物探测器或者是超分子自主装领域。利用叠氮和炔烃反应的唯一性，这些概念能很容易的被扩展到金属或者金属氧化物纳米粒子功能化改性方面。13绪论 3 纳米粒子通过点击氢键作用固定示意图 点击化学在高分子设计领域的应用 点击化学对高分子化学的价值是显而易见的， 已经有很多科研小组报道了利用 )催化 1,3 偶合加成反应制备树枝状高分子，枝化高分子，线性高分子和环形高分子。17及他们的合作者通过 合加成反应合成了树枝状高分子，首次将这类反应应用到了高分子化学领域。18从他们开始， 合加成反应逐渐的被广泛应用到了不同的树枝状高分子的合成与改性中。另外也有研究小组报道利用 应合成和改性树枝状高分子，19例如 用成反应的可逆性，制备了热响应性的树枝状高分子。 其合作者利用点击化学反应将不同的功能性基团高效的反应到树枝状高分子上20将点击化学反应与 应结合在一起， 其合作者制备了具有严谨结构的树枝状高分子，他们首先合成了含 1 个马来酰亚胺基团与 2 个炔基单元的分子以及含 2 个呋喃单元和 1 个叠氮单元的分子，然后利用他们之间的相互反应，合成第一代，第二代，第三代的树枝状高分子。23点击化学不仅仅在树枝状高分子的合成和功能化改性方面有着广泛的应用，而且在功能性高分子的合成方面也起到了很重要的作用。点击化学反应对功能基团有着很强的忍受性，这使得这类反应能够很容易将反应性基团引入到高分子表面。24击化学反应的高产率和选择的唯一性不仅仅能够使大量各种各样的功能基团被引入到高分子链上，而且能够使许多大分子同时和级联功能化。 开环聚合 (开环异位聚合 (离子聚合，氮氧稳定自由基聚合 (原子转移自由基聚合，可逆加成 上述活性聚 合与点击化学反应交叉在一起的时候，我们能够制备分子量可控的功能性高分子。事实上，将点击化学反应与活性聚合联系在一起， 我们可以很容易制备一些用其他方法很难去制备的聚合物。 例如，脂肪族聚酯是一类很重要的高分子，但由于主链的不稳定性，在聚合物修饰改性期间很容易降解，而由于点击化学反应温和的条件，有课题组报道了利用点击化学反应与 26武汉纺织大学硕士学位论文 4 其合作者将 应和 )催化的 1,3 偶合加成反应联系在一起，制备出嵌段环形高分子。27该反应首先用原子转移自由基聚合和开环聚合的方法制备出结构十分严谨的高分子，随后对其末端进行功能化改性。最后利用 应，将两种高分子结合在一起形成环形嵌段高聚物。通过点击化学反应，我们还可以利用接枝的方法合成具有严谨结构的功能性高聚物刷，例如利用一步法将末端基团为马来酰亚胺基团的 末端基团为炔基的 起接枝到 高分子主链上。这个反应的接枝效率超过 90%。28在制备星形高分子方面， 9其合作者做出了非常十分杰出的工作，这个课题组报导了多臂端基为二烯结 构的功能核，通过与可逆加成 到聚合物的 应，得到了许多种星形聚合物结构，相对于不同种类的合物以及不同臂数星形核 相比，其反应效率在 65%到 91%之间，他们通过将应和点击化学反应结合在一起，进一步制备了 星形聚合物，这种星形聚合物的制备方法是首先通过 酯化反应，得到一端为炔基，另一端为二烯的构， 将得到的 通过 合制备的 及含有 3 个叠氮基团的小分子一锅通过两种方法进行反应，分别是 “ “种方法。结果显示 “法的效率要更高一些， 制备的聚合物的分子量分布指数更小一些。 由于 “法中点击化学反应形成的五元环结构会被 应中使用的 影响，从而使副反应发生，反应效率降低，这限制了它的应用。 金属催化的点击化学研究现状 尽管 出的点击化学反应具有众多的优点，但是由于 )等金属催化剂具有细胞毒性，这样限制了其在生物领域的应用。近些年来，科学工作者一直在寻找无金属催化的点击化学反应体系。经过不懈的努力，研究者们迄今为止已经开发出了许多种无金属催化的点击化学体系。 巯基点击化学 巯基基团应用到化学反应中已经 有很长的历史。最初，巯基 是巯基有很重的气味，不易保存，不稳定等特点，使得它的应用受到了很大的限制。如今，由于许多有效的稳定剂的发展使得这些问题都已经得到了很大的改善。现在，有大量的文献报道了巯基反应的过程和动力学，研究者们能很容易的制备大量的巯基化合物。特别是对于巯基点击化学的研究更是成为了一个热点。 巯基点击化学反应一般有自由基的反应以及亲核反应两种。以巯基为基础的点击化学反应主要包括巯基和烯烃的反应32，与溴化物的反应33，与异氰酸酯的反应34和与马来酰胺35反应等等。 与其他的点击化学反应相比较，巯基点击化学反应的优点和缺点都十分突出。首先，绪论 5 巯基基团具有很高的反应活性，这样就使得巯基点击化学的反应底物的可选取的范围很大。但是我们必须注意到，这也是它的劣势，高的反应活性将使得容忍官能团的能力降低。常温下，在巯基点击化学反应中，巯基 用最多的反应。由于不需要金属作为催化剂，巯基 如巯基 用这一特点， 其合作者通过巯基 38基 年来发展起来的巯基点击化 学反应，他最大的特点是可以在水溶液中反应。 人通过对溴代马来酰亚胺和巯基以及含半胱氨酸体系的研究，首次发现了这类反应，和马来酰亚胺的迈克尔加成不一样，这类取代反应根据投料比的不同，发生双取代或单取代。通过此反应，我们可以对 样的生物分子进行定量的改性，由于底物的巯基原料来源很广，溴代马来酰亚胺的合成相对简单，使得这类反应具有相当的潜力。 应 应是一类十分重要的有机合成手段，这个反应由 及他的老师 先发现和记录。这对师徒也因为 应的发现于 1950 年同时获得诺贝尔化学奖。 应的基本原理是通过缺电子的二烯体系和富电子的双烯体系由 4 2 环加成反应获得较为稳定的六元环结构。 应符合点击化学所规定条件，同时不需要金属作为催化剂，反应可以被用在 生物领域。同别的点击化学反应相比，应具有可逆性，可以由温度的调节对其进行热力学控制。同时 且在异核的原子之间也能生成较为稳定的六元环结构。 控/活性自由基聚合 控 /活性自由基聚合概述 目前自由基聚合无论在机理方面还是在应用方面都已经非常成熟，这种聚合方法有许多的优点，比如条件十分温和，能在水溶液中反应，可用的单体很多等等。比起离子聚合，配位聚合等其它的连锁聚合，自由聚聚合在商业上的应用最为广泛，工业上自由基聚合物约占聚合物总产量的一半以上 14，由此可以知道自由基聚合的地位。但是由于其慢引发，快增长，速终止的聚合机理，使其分子量和分子量分布难以精确控制。 与其相反，阴离子聚合的聚合机理则为快引发，慢增长，无终止及无转移，这使其具有活性聚合的特征，例如单体消耗完毕，阴离子仍然保持有活性，加入新单体，可以继续聚合；分子量随转化率线性增加，分子量分布窄，聚合物的端基、组成、结构和分子量都可以控制。 武汉纺织大学硕士学位论文 6 由活性阴离子聚合的特点可知，自由基聚合要想成为活性聚合，就必须使自由基浓度降低，以此来减弱双基终止。一般的方法是让活性增长自由基与某化合物反应，通过链终止反应或者是链转移反应，构成低活性的休眠种，但同时休眠种仍然能分解成增长自由基，形成平衡，并且平衡要倾向于休眠种一边，以降低自由基浓度。根据这一设想，如今已经发展出来众多的可控活性聚合方法， 应用最为广泛的主要有王锦山博士于 1995年在卡内基 转移自由基聚合 (15,该方法的核心是引发体系的构建，一般以有机卤化物作为引发剂，过渡金属卤化物作为作为载体，为了增加溶解度一般还需加入配体以此构成三元的引发体系。 另外还有 授于 1998年在第 37界国际高分子大会上提出的可逆加成 16该方法的核心是制备链转移常数高的特种链转移剂，使这种链转移剂和链增长自由基之间进行退化转移，以此来降低自由基浓度，实现可控活性自由基聚合。 基于可控 /活性聚合制备新颖结构的高分子 科学家和工程师们一直对构建困难甚至是不可能的分子结构非常感兴趣。金字塔作为地球上最古老和最稳定的结构之一有超过 5000 年的历史，他们这么长的时间在沙漠条件下生存下来，是因为成千上万的立方石块组成了他坚实的基础以及牢固的结构。材料科学家总是需要将不同的简单的体系组装成复杂的高功能性的体系。高分子科学家 1907 年制备了世界上第一种合成高分子即酚醛塑料。 50 年以后也就是在1956 年 现了活性阴离子聚合可以解决链增长过程中的控制问题。在接下来的四十年时间里，自由基聚合发展的非常迅速。而且活性，可控聚合的概念也被提出了。 活性 /可控聚合的基本原理是通过的物理或 者化学的作用使链增长自有基末端在有活性和失活之间不停的转换。例如原子转移自由基聚合 (单电子转移活性自由基聚合，以及链转移自由基聚合依赖的是化学的作用完成在活性和失活之间的转换。而氮氧稳定自由基聚合 (是需要通过温度的调节来完成在活性和失活之间的转换。 合适的催化体系和反应条件可 以制备链长度可控的聚合物 以及末端带有功能性基团的聚合物。数以千计的科学文献已经报道了使用不同的功能性单体，引发剂，催化剂和溶剂证明了上述的可行性。更进一步的说，多功能性引发剂，单体的开发使可控活性自有基聚合能够合成不同结构的聚合物。 在 10 年前化学世届产生了一个巨大的进步，化学家被提醒可以使用高效率的有机反应去修饰复杂的高分子链。 他的合作者提出了点击化学的概念，点击化学的定义是原料易得，产率非常高，产物是立体有选择性的，得到的副产物能够很容易通过非色谱法被除掉。点击化学从提出开始，在高分子科学界就有一些的杰出科学家在讨论关于点击化学在高分子领域应用的优点和缺点。他们认为点击化学中的许多定义标准对于高分子化学领域应该被稍微的修改，如反应时间快，效率高，反应稳定，化学选择性和单一反应轨迹等要求都应该被仔细考虑修改。 绪论 7 有许多科学技术敏锐的认识到将点击化学与 可控活性自由基聚合结合在一起将在高分子领域有巨大的潜力。最初，大部分的 研究人员集中研究利用铜催化的叠氮 。事实上，末端带有叠氮的聚合物通过能很容易被制备出来，就是将末端溴基团转变为叠氮。不仅仅小分子比如说染料和碳水化合物可以通过点击化学接到大分子的末端而且相对分子量 比较大的分子如蛋白质也可 以通过点击化学被接到高分子末端。 他的合作者们在 2007 年已经仔细的报道过将活性聚合与点击化学结合在一起制备不同聚合物的可行性。 但由于铜催化的叠氮 要铜作为催化剂而且对空气特别 敏感，这些特点限制了他在 生物领域和活性机体中的应用。因此一些其他的反应被重新考虑应用到高分子化学中。如今一些新的无金属催化的点击化学反应已经被发现，在 未来将能更好的和活性自由 基结合一起制备新型的高分子。 环形高分子的研究现状 线性高分子的许多性质，如结晶度，玻璃化转变温度，流变性等全部都取决于线形高分子链的链末端。而环形高分子没有分子链末端，这一和线性高分子不同的特点吸引了许多科学家对其进行研究。环形高分子在稀溶液和熔体相中展现出许多和线形高分子不同的物理性质。 在熔体相中，由于线形高分子具有分子链末端，因此它可以像蛇一样在熔体中运动。线形高分子的分子链末端比起分子链内的链更加容易运动。而环形高分子在熔体中则像变形虫一样运动。线形高分子与相对应的环形高分子相比具有更高的密度，更高的玻璃化转变温度，更高的极限溶解温度，更快的结晶速率以及更高的折射指数等等特性。 在稀溶液中，理论上计算在溶剂中，环形高分子与线形高分子的回转半径之比为 良溶剂中则为 个结果和实验符合的很好。和 线形高分子比较，环形高分子被发现具有更小的流体力学体积，由于这一特点，我们可以通过凝胶渗透色谱 (分子量分布曲线是否移动来判断环形高分子是否形成。 对于在试验中发现的环状高分子的性质，有些科学家提出了有一些质疑。他们提出质疑的主要原因是环状高分子是由聚合物的末端耦合形成的，所形成其实是线性聚合物与环形聚合物的混合物，在混合物里面，环状聚合物的纯度到底有多少，这是影响环形分子性质的非常重要的因素。所以要消除这些质疑就必须合成出纯度更高的环形高分子。要得到纯度更高的环状分子，关环反应条件是极端重要的。首先就是首尾两端发生耦合的基团其反应效率要非常高，其次副产物要少便于提纯。点击化学反应非常符合上述的条件，因此越来越多的研究者将点击化学应用到环形高分子的合成中去。 明了 )催化叠氮炔反应可以合成环状的聚苯乙烯。通过相似的条件，其他的环形均聚物，环形嵌段共聚物以及更加精细的环形高分子结构都可能被制武汉纺织大学硕士学位论文 8 备出来。最新的例子是 合作者使用 应合成环形高分子。环形高分子的制备思路是模拟生物分子的序列定义的折叠过程。为了达到这个目的，研究者首先进行了苯乙烯的 合，在聚合一段时间后，被保护的马来酸酐被注射入这个体系，它会迅速的被消耗，同时苯乙烯会一直聚合，因此功能性单体能够被嵌入高分子链的任意一段。这种方法允许各种环状聚合物的制备包括蝌蚪形，双环型和打结型高分子等。因此 应已经成为制备这种高分子结构的首选。无论如何，不同的例子已经证明了这种有效的方法的可行性。 选题意义及创新内容 作为最古老的拓扑结构高分子之一，环形高分子的研究有着悠久的历史。如今，由于环形高分子合成领域的重大发展，环形高聚物的研究重新成为了研究热点。由于没有分子末端，环形高分子与线性高分子的性质有着许多明显的区别。比如更小的旋转半径，更小的流体力学体积，更低的熔融粘度，以及更高的热稳定性。目前为止，环形高分子的合成策略一般有两种：环膨胀法以及关环法。 所谓环膨胀法，一般是通过一个已经制备好的活性环状分子链不断的聚合单体，使环不断的膨胀长大。在整个反应过程中，环的结构始终是稳定的。这种方法能够在浓溶液中，得到分子量特别大，纯净的环形高分子。但是，环膨胀方法有一些很明显的缺点，比如很难精确的控制得到的环形聚合物的分子量和多分散指数。另外，按照环膨胀法，我们很难去制备一些结构更为复杂的环形高分子，比如蝌蚪型，八字型的聚合物。 关环法制备环状聚合物，一般是通过分子设计在线性聚合物首尾两端接上能够发生高效反应的基团，使得线性高分