基于催化的S-V反應含酰胺鍵聚合物的合成方法研究

劉 偉，趙 躍

(國網安徽省電力有限公司 電力科學研究院，安徽 合肥 230601)

“點擊化學”在高分子科學和材料科學中發揮著越來越重要的作用?；阢~催化疊氮炔環加成反應(CuAAC)的點擊化學概念由Sharpless等報道[1-3]。在2004年應用于合成聚合物化學后，應用CuAAC反應制備聚三唑端官能化聚合物和其他復雜大分子(后聚合)的研究也取得了成功[4-7]。受這一概念啟發，其他點擊反應，如硫醇烯反應、硫醇炔反應、Diels-Alder(D-A)反應和氨基炔反應已成功地引入聚合物化學中，用于制備含硫醚，分別是含乙烯基硫、含碳-碳或碳雜原子共軛和含烯胺的聚合物。然而，在某些情況下，過渡金屬催化劑的使用、相對較高的反應溫度或紫外光照射在一定程度上阻礙了它們的應用[8]。

含酰胺的化合物/聚合物在許多天然產物以及尼龍和芳酰胺等合成聚合物中非常普遍和重要[9]。酰胺形成的經典有機反應，包括胺與羧酸或活化衍生物的偶聯反應，胺與羧酸的催化酰化，甲酰胺與胺的轉酰胺，以及過渡金屬(Ru、Au、Fe和Cu)催化醇或醛與胺的氧化偶聯，均已得到很好的研究[10-12]。目前在高分子化學中只引入了幾種傳統的和新興的酰胺鍵形成反應，但仍存在反應效率低、底物范圍窄等問題。Vilarrasa等報道了催化Staudinger-Vilarrasa(S-V)反應，即在室溫下使用2,2'-聯吡啶二烯(PySeSePy)作為催化劑或活化劑，將羧酸與有機疊氮化合物直接酰胺化，并與上述傳統的酰胺鍵形成反應進行了比較。催化S-V反應具有底物范圍廣、反應效率高、操作簡便、反應條件溫和、無金屬等優點[13-15]。然而，盡管有機合成已經取得了很大進展，但這種有效的反應在聚合物化學中還沒有實現。考慮到先前在聚合物科學中引入點擊反應的成功，催化S-V反應與以往的點擊化學反應(如CuAAC、巰基烯和D-A反應)具有相當的效率。

1 實驗部分

1.1 材料

丙二酸、戊二酸、己二酸、壬二酸、癸二酸、新戊酸、琥珀酸、亞油酸、苯甲酸、對苯二甲酸：純度均大于99.0%；2,2-雙(4羧基苯基)六氟丙烷、硬脂酸、2-甲基己酸、1,3,5-苯三甲酸、1,12-二溴代癸烷、草酸、吡美利酸、1,18-十八烷二甲酸、聚乙二醇單甲醚、疊氮化鈉(NaN3)、六甲基磷酸三胺(HMPA)：純度均大于98.0%；三甲基膦(Me3P，1.0 mmol/L甲苯溶液)，茴香酸、胡椒酸、丙烯酸叔丁酯、2-溴吡啶、1,4-二(溴甲基)苯、丁二酸酐、1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、溴化鋰(LiBr)：純度均大于99.0%；苯乙烯(St)：純度大于99.5%；1-(4-甲氧基苯基)-環丙烷羧酸：純度大于97.0%；4-二甲氨基吡啶(DMAP)：純度大于99.0%，用于真空顯示；水合肼：純度大于85.0%；鹽酸體積分數為37%。

1.2 合成步驟

1.2.1二酸和二嗪催化S-V聚合的一般程序

將0.5 mmol/L二元酸、0.5 mmol/L二肼和0.2 mmol/L吡咯烷酮適量添加到50 mL反應管中，之后添加2.4 mL濃度為1.0 mol/L的Me3P甲苯溶液，溫度為0 ℃，在手套箱中攪拌。將反應管加熱到40 ℃氣泡消失后24 h，加入3 mL水，攪拌30 min；然后加入適量水和甲醇，過濾、真空干燥過夜。粗產物經甲醇沉淀純化。

1.2.2聚合物-N3端基與幾種羧酸酰化反應的一般程序

在氮氣氣氛下，將濃度0.1 mmol/L的PS-N3適量、0.012 6 g濃度為0.04 mmol/L的PySeSePy和濃度為0.2 mmol/L的羧酸適量添加到配有磁力攪拌器的50 mL反應管中；然后將1.5 mL的Me3P溶液注入上述混合物中，溫度為0 ℃；幾分鐘后，當不再觀察到有氮氣氣泡時，將反應混合物在溫度40 ℃條件下持續攪拌24 h。然后，在混合物中加入2～3 mL四氫呋喃，并將溶液沉淀到冷甲醇中。聚合物通過過濾獲得，并在真空烘箱中于溫度30 ℃條件下持續干燥24 h。PEG-N3端基的?；磻^程與PS-N3類似，只是PEG-N3與羧酸反應，用冷無水乙醚作沉淀劑[16]。

1.2.3N3-聚合物-N3的端基與幾種羧酸的?；磻囊话愠绦?/p>

在氮氣氣氛下，將濃度為0.1 mmol/L的N3-PS-N3適量、0.025 1 g濃度為0.08 mmol/L的PySeSePy和濃度為0.4 mmol/L的羧酸適量加入裝有磁力攪拌器的50 mL反應管中，之后將市售Me3P溶液(1.0 mmol/L甲苯溶液，3.0 mL，3.0 mmol/L)以0 ℃幾分鐘后，當不再觀察到氮氣氣泡時，將反應混合物在溫度40 ℃條件下持續攪拌24 h，然后在混合物中加入2～3 mL四氫呋喃，并將溶液沉淀到冷甲醇中。聚合物通過過濾獲得，并在真空烘箱中于溫度30 ℃條件下持續干燥24 h。

2 結果與討論

2.1 S-V催化聚合聚酰胺的合成與表征

對于通過催化S-V反應進行的直接聚合，選擇十四烷二酸和1,12-二氮雜十二烷作為模型單體來優化聚合條件。隨著聚合時間的延長，聚合物的收率增加，24 h內達到94%。同時，所得聚酰胺的分子量達到約28 ku。假設酰胺鍵之間的氫鍵可能導致所得聚合物在甲苯中的溶解度相對較低，導致進一步的鏈生長停止[17]。此外，當PySeSePy的濃度從40 mmol/L提高到80 mmol/L時，所得聚合物的產率和分子量均降低，且多分散指數變寬。在此基礎上，確定了最佳聚合條件：反應時間24 h，反應溫度40 ℃,單體濃度為0.2 mol/L，Me3P濃度為1.0 mol/L。在此反應條件下，成功合成了一系列具有各種功能的聚酰胺。催化S-V聚酰胺化的合理機理，具體如圖1所示。二嗪磷與Me3P反應生成Staudinger磷腈；同時，部分的二羧酸被PySeSePy激活生成二硒酯。然后，Staudinger磷腈與二硒醚反應生成中間產物N-PMe3SePy。中間體通過與剩余的二元酸反應迅速轉化為聚酰胺和更多的二烯酸酯，這是整個聚合過程中的關鍵反應[18]。根據催化S-V聚酰胺化的可能機理，聚酰胺的端基可包括氨基或硒(NH2-PA-NH2，Py-Se-PA-Se-Py，NH2-Se-PA-Se-Py)。

圖1 催化S-V聚酰胺化的可能機理Fig.1 Possible mechanism for catalyzing the polyamideization of S-V

制備的聚合物的結構通過1H NMR、FT-IR、MALDI-TOF-MS光譜和SEC進行了表征，具體如圖2、圖3所示；所得聚合物PA1214用于結構表征。

(a)

圖3 PA1214的MALDI-TOF-MS光譜Fig.3 MALDI-TOF-MS spectrum of PA1214

由圖3可知，當使用線性模式檢測進行分析時，PA1214在MALDI-TOF-MS光譜中表現出2種不同的分布：一種是碎片離子[PA-SeH+H]+(實驗質量=1 571.3 u，理論質量=1 573.4 u)；另一種是碎片離子[PySe-PA-SeH+H]+(實驗質量=1 732.6 u，理論質量=1 731.7 u)。這2個碎片離子是聚合物末端C—Se鍵斷裂的結果，這些數據有力地支持了疊氮酸高效聚合的發生。

2.2 酰胺功能化(多)嵌段、星形和側鏈聚合物的構建

聚酰胺和酰胺端官能化聚合物的成功制備啟發我們構建更復雜的拓撲聚合物，如(多)嵌段、星形和側鏈聚合物。以PEG-N3/PS-N3和二羧酸為起始組分，進行了疊氮鏈端基和酸基之間的S-V催化反應[19]。該高效偶聯反應的效率通過1H NMR和SEC進行了表征，具體如圖4所示。

(a)

以PEG-N3與對苯二甲酸的模型反應為例討論了偶聯反應。預先制備的PEG-N3和與對苯二甲酸的偶聯產物的1H NMR光譜分別如圖5和圖6所示。

圖5 PEG-N3的1H NMR光譜(a) 制備的PEG-N3的1H NMR光譜(b)PEG-N3與胡椒酸S-V反應的酰胺官能化PEGCDCl3的CNMR譜Fig.5 1H NMR spectra of PEG-N3(a)1H NMR spectraof prepared PEG-N3 (b) CNMR spectra of amide functionalized PEG CDCl3 reacting PEG-N3 with piperic acid S-V

圖6 PEG-N3與對苯二甲酸偶聯反應產物的1H NMR譜圖Fig.6 1H NMR spectra of the coupling reactionproducts of PEG-N3 and terephthalic acid

1H NMR譜中7.86×10-6～7.89×10-6處的新共振信號(見圖5)歸因于芳香環質子，表明芳香環的成功引入。偶聯產物(PEG-PEG)的收率(質量分數)達(99±5)%的實驗誤差，這是由特征峰(圖6中的芳香環質子c)和甲氧基質子(圖6中的b)的相對峰面積估計的。此外，1H NMR估計的結果與使用高斯函數的偶聯產物(PEG-PEG)SEC曲線的峰分裂結果(紅色，見圖4(a))很好地一致。SEC曲線(紅色，圖4(a))中偶聯聚合物(PEG-PEG)的面積分數約為91.5%，其余的PEG鏈(8.5%的面積分數)被認為是在一個鏈端含有單酰胺基的PEG鏈或沒有疊氮功能的PEG鏈的混合物。同時，觀察到SEC軌跡明顯向雙分子量方向移動，這表明PS-PS的形成。這一結果證實了偶合反應對PS-N3也是高效的。

通過PEG-N3/PS-N3與偏苯三甲酸的高效偶聯反應合成了3臂星形PEG和PS。預先制備的PEG-N3及其點擊偶聯產物的SEC曲線如圖4(a)和圖7所示。結果表明，當疊氮基與羧基的摩爾比為3.2∶3.0時，PEG-N3與偏苯三甲酸的高效偶聯反應效率最高。在SEC曲線中，3臂星形PEG的面積分數約為94.9%(藍色，圖4(a))，略高于其他傳統點擊反應制備的面積分數。與初始PEG-N3樣品具有相同保留時間的小峰可表示在鏈端含有單酰胺基的PEG鏈和不含疊氮官能團的PEG的混合物[20]。通過PEG-N3與偏苯三甲酸的S-V催化反應得到的三臂星形PEG的1H NMR光譜進一步證明了高效偶聯反應的高效性。由圖8可知，一個新的質子峰出現在8.48×10-6～8.50×10-6處。3臂星形PEG的百分比約為100%(帶±5%的實驗誤差)，這是由特征峰(圖中的芳香環質子a)和甲氧基(圖8中的c)的相對峰面積估計的。并且估計結果也與使用高斯函數的3臂星形聚合物的SEC曲線的峰分裂結果一致(藍色，在圖4(a)中)，表明3臂星形聚合物以定量產率制備。

通過PEG-N3/PS-N3與偏苯三甲酸的高效偶聯反應合成了3臂星形PEG和PS(方案S7b和S10)。預先制備的PEG-N3及其點擊偶聯產物的SEC曲線如圖4a和圖7所示。結果表明，當疊氮基與羧基的摩爾比為3.2∶3.0時，PEG-N3與偏苯三甲酸的高效偶聯反應效率最高。在SEC曲線中，3臂星形PEG的面積分數約為94.9%(藍色，圖4a)，略高于其他傳統點擊反應制備的面積分數。6c，25與初始PEG-N3樣品具有相同保留時間的小峰可表示在鏈端含有單酰胺基的PEG鏈和不含疊氮官能團的PEG的混合物。通過PEG-N3與偏苯三甲酸的S-V催化反應得到的3臂星形PEG的1H NMR譜進一步證明了高效偶聯反應的高效性。在圖8中，一個新的質子峰出現在8.48×10-6～8.50×10-6(A)處。3臂星形PEG的百分比約為100%(帶±5%的實驗誤差)，這是由特征峰(圖中的芳香環質子a)和甲氧基(圖8中的c)的相對峰面積估計的。并且估計結果也與使用高斯函數的3臂星形聚合物的SEC曲線的峰分裂結果一致(藍色，在圖4a中)，表明3臂星形聚合物以定量產率制備。

圖7 PEG-N3及其與偏苯三甲酸偶聯產物的SEC曲線Fig.7 SEC curve of prepared PEG-N3 and itscoupling product with trimellitic acid

圖8 PEG-N3與偏苯三甲酸的偶聯產物的1H NMR光譜Fig.8 1H NMR spectra of the coupling productof PEG-N3 and triphenyl trimeric acid

圖9 側鏈酰胺官能化PS(c)、預先制備的P(S-co-CMS-N3)(b)和P(S-co-CMS)(a)在25 ℃的1H NMR光譜CDCl3中的CFig.9 Side chain amide functionalized PS(c)， pre-prepared P(S-co-CMS-N3)(b)and P(S-co-CMS)(a) in 1H NMR spectrum°CDCl3 at 25 ℃ c

由圖9可知，1H NMR光譜清楚地顯示了CMS亞甲基質子的共振峰從4.24×10-6移動到3.76×10-6(b，圖9)，證實了后聚合改性反應的完成。同時，1H NMR分析表明PS的側鏈酰胺官能度含量高于98%。聚合改性后觀察到的SEC痕跡明顯向低分子量方向移動，這可能歸因于聚合物鏈之間的氫鍵相互作用或聚合物鏈與SEC固定相之間的吸附相互作用。

3 結語

綜上所述，首次成功地將催化S-V反應作為高分子科學中一種高效的化學策略。這種新的策略可以進一步有效地用于構建各種含酰胺的聚合物，包括通過直接點擊聚合的聚酰胺、通過后聚合的酰胺官能化聚合物以及酰胺連接(多)嵌段共聚物和星形聚合物。最吸引人的一點，目前的策略可以很容易的在無金屬的溫和條件下操作，并且具有相對較高的效率，這可以與先前報道的那些突出的點擊反應(CuAAC、巰基炔、巰基烯和D-a反應)相比較。這一策略為酰胺類聚合物的高效生產開辟了一條新的途徑。值得注意的是，如果將來能夠降低催化劑的負載量，這種化學作為點擊策略的潛在用途是可行的。