卡賓在聚合物交聯反應中的研究進展

郭欣怡，朱光明，張雪蓓，李銳超

（西北工業大學化學與化工學院，西安 710129）

0 前言

卡賓也叫碳烯，是一種中性化合物，其二價碳原子的價殼層中只有6 個電子［1］。最早在1942年，化學家Meerwein報道了在紫外光照射下重氮甲烷脫掉氮氣生成了活潑亞甲基，這個活潑的亞甲基與乙醚溶劑發生了沒有選擇的C—H 活化［2］。在1961年，化學家Skell和Etter 首次報道了銅催化下重氮乙酸乙酯脫去氮氣形成可以與環己烯發生選擇性反應的卡賓，他們共同證明了銅催化劑介導的卡賓轉移反應優于紫外光誘導的反應［3］，此后金屬卡賓得到了快速的發展。2002年，Liu 等報道了卡賓聚合（CP）的第一個實例，隨后，通過CP 合成了傳統方法無法得到的在聚合物主鏈的碳原子上連接用極性取代基官能化的各種碳鏈聚合物，通過CP 獲得的聚合物具有獨特的光物理性能和立體結構［4-5］。直到2018年，Jurberg和Davies教授首次證明了芳基重氮碳酸酯在可見光的誘導下，在無催化劑且室溫條件下就可以進行可控高效的卡賓轉移反應［6］。

卡賓前體有多種結構，如重氮化合物、N-雜環（被鄰位孤電子穩定的卡賓）、鹵代烷等。其中，重氮類化合物是合成卡賓中間體常見的前體之一，他可以表示為R2C=N2，其中根據R 的不同可以分為4 種共振結構式。R 基團電負性的不同對該化合物的反應性及穩定性均有影響，主要可以分為5種，如圖1所示，（1）R1與R2 同為吸電子基團，由于誘導效應的作用，該重氮化合物親核性降低，穩定性提高；（2）R1為氫原子。R2為吸電子基團，此時這種供體-受體型重氮化合物的反應性高于第一種；（3）R1為給電子基團，R2為吸電子基團，這種類型的重氮化合物反應活性高于第二種；（4）R1 為給電子基團，R2 為氫原子，這時該重氮化合物的反應活性更高，而穩定性已大大降低；（5）R1和R2均為給電子基團，這種重氮化合物的反應活性非常高，穩定性極差，屬于易爆危險化合物。

圖2 TPD及其衍生物與C60的化學反應Fig.2 Chemical reaction of TPD and its derivatives with C60

卡賓是高度反應的親核試劑，它可以在光或熱活化時，參與多種化學反應，使其在有機合成、化學催化、生物組織黏合等方面廣泛應用。由于卡賓類化合物的反應活性較高，與此同時卡賓化合物也面臨著難以儲存和安全性的困難。近十幾年里，科學家們逐漸設計了各種新的卡賓電子較穩定的結構，這些可在室溫環境下穩定存在的卡賓在半導體技術［7］、附著涂層［8］、生物化學標記、電子器件等各方面都有廣泛應用。在這些應用中，活性卡賓主要是與聚合物發生化學反應，這種反應形式不僅可以提高材料的抗沖擊性、熱穩定性、力學強度等，還能夠為其增加新的功能。

本文綜述了多種可以誘導高分子材料交聯的較穩定的卡賓前體化合物，其中，它可以通過C—H 插入反應［C—H插入交聯（CHic）］來交聯多種聚合物，從而建立新的交聯體系，C—H 基團作為反應物，在幾乎所有類型的有機表面上都可以進行大量的應用［9］。

1 三氟甲基類卡賓化合物

三氟甲基（—CF3）是一種電負性好、穩定性強的含氟化合物基團，三氟甲基重氮化合物在卡賓反應機理中可進行多種反應，如與烯/炔烴的環丙基化反應、X—H鍵插入反應、硫葉立德的［2，3］-σ重排反應［10］等。

1980年，Brunner等［11］以2，2，2-三氟苯乙酮為起始原料，進行了一系列反應，合成了3-三氟甲基-3-苯基二氮雜嗪（TPD），并獲得了60 %的合成產率，證明了TPD 符合生物系統光化學標記試劑所需的大多數標準。2007年，Satoru 等［12］采用3-三氟甲基-3-苯基二氮嗪與C60進行光化學反應，得到了光標記的C60衍生物，有望構建各種生物功能化富勒烯。2013年，Michio等［13］采用TPD 衍生物與C60進行光解反應，生成了一系列衍生物，可以進行蛋白質標記，有望應用于生物醫學領域。2016年，Yutaka 等［14］使用TPD 衍生物與DNA 和蛋白質進行交聯，制備光活性DNA，這種光親和交聯可以實現DNA 結合蛋白質的高性能分析。這種穩定的TPD 分子還能夠共價接枝到聚合物主鏈上，從而形成應用于聚合物/組織界面結合的生物黏附劑。

在組織黏合劑領域，卡賓基團對聚合物的交聯也起到了重要的作用。Ivan Djordjevic等［15-18］合成了適合于外科的液體復合黏合劑，他們使用聚酰胺接枝芳基含氟甲基的重氮化合物（PDz）與多臂聚己內酯三醇（PCLT）組成的二元復合材料，其中PCLT 作為黏性PDz 的增塑劑，這種黏合劑在低劑量的UVA（365 nm）光照下，接枝的二氮轉化為可進行共價插入反應的卡賓，從而可以完成外科手術的組織交聯，如圖3所示。2020年該組研究了一種新型的強力組織黏合劑材料CaproGlu，其具有低黏度和疏水性的獨特功能，它是一種新的黏結濕基質的生物材料，可以在不含任何溶劑的液體配方中快速黏合水合組織，如圖3所示，同時還對GaproGlu 進行了評估，證明其水解浸出液不含遺傳性毒物，也不會引起皮膚致敏。2022年該組還報道了混合硫醇/烯/二氮嗪雙面生物黏合劑，是硫醇/烯可再吸收彈性體通過每個大分子的可調光活性，與卡賓生物黏合劑結合成3組分混合網絡，通過光流變儀監測雙交聯，其中405 nm引發硫醇/烯彈性體網絡形成，365 nm活化二氮嗪接枝的聚己內酯四醇，這種交聯劑所形成的聚合物網絡動態模量在10～800 kPa，搭接剪切黏合強度為160 kPa。

圖3 透明聚合物和組織之間的夾層基質交聯以及分子間交聯Fig.3 Demonstration of sandwich substrate cross-linking between transparent polymer and tissue as well as intermolecular crosslinking

2019年以來，三氟甲基類卡賓中間體的研究更廣泛用作低表面活性能聚合物及生物組織的高效交聯劑，Simhadri 等［19-20］合成出3 種類似結構的卡賓交聯劑G1、G2、G3，如圖4所示，由于第一種和第二種分子的揮發能力較高，經分析，它們具有很大的爆炸風險，因此否定了這2 種的應用，對于第三種交聯劑，它在溫和可控的條件下分解成卡賓，并將其應用于低表面能的聚乙烯織物的加固，還進行了聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚己內酯和聚異戊二烯的交聯實驗。2021年，該組制作了3 種卡賓前體，有第一代合成的交聯劑和第二代合成的2 種交聯劑，將這3 種卡賓前體與高密度聚乙烯（PE-HD）反應，在搭接剪切實驗中，可以觀察到（Ⅱ）的機械順應性能好于（Ⅰ），（Ⅰ）好于第一種化合物，但是機械順應性與附著力并不對應，然后將（Ⅱ）處理聚丙烯，表現出了大于2.5 MPa 的結合力，（Ⅰ）處理的聚甲基丙烯酸甲酯表現出了4.3 MPa 的強結合力。

圖4 5種三氟甲基類卡賓前體的結構式Fig.4 Structural formula for five trifluoromethyl carbene precursors

Mathieu 等［21］證明了編織超高分子量聚乙烯（PEUHMW）織物與小分子交聯劑的局部交聯可以增強織物的抗撕裂和穿孔能力，如圖5（a）所示，這是由于構成機織織物的紗線內部之間形成交聯造成的，這種驗證可以為提高PE-UHMW 材料的柔軟防彈衣的保護提供支持。Stefania等［22-23］通過實驗和計算完成了對重氮結構與功能關系的研究，調整重氮化合物的電子特性改變了其活化能和活化溫度，證明了富電子的重氮化合物對C—H 插入的功效較大，2022年他們報道了一種通過三氟甲基芳基二氮嗪的電子優化來提高二氮嗪試劑性能的有效策略，通過改變兩芳基連接處的結構實現電子的優化，合成了一種重氮化合物，如圖5（b）所示。這種電子優化的二氮雜環也可以在更低的溫度和更長的波長下活化，且參與發生熱活化的C—H插入反應的效率可以高達91 %。Zhao 等［24］報道了納米級聚二甲基硅氧烷（PDMS）通過化學非破壞性C—H 插入，雙二氮嗪交聯劑用于在熱活化時沿相鄰的PDMS 鏈共價連接甲基（插入Si—C—H 鍵），如圖5（c）所示。交聯后的PDMS 的機械耐久性明顯增強，剪切黏附強度是未交聯樣品的一半，交聯后其表面還耐酸腐蝕。

圖5 三氟甲基卡賓的插入反應Fig.5 Insertion reaction of trifluoromethyl carbene

Kaustav 等［25］利用二氮嗪分子將可溶的聚合物轉化為不溶性材料，緩解了溶液處理有機發光二極管（OLED）制造中層的從順序沉積、溶液引起的表面侵蝕和層混合相關缺陷的問題。雙二氮嗪在長波長/低功率紫外光（1.8 mW/cm2）下照射5～20 min 后會形成卡賓，與聚合物或小分子發生CHic 反應形成交聯網絡，通過對OLED 器件的交聯性能的研究，表明3-三氟甲基（芳基）二氮嗪的交聯工藝是制造聚合物發光二極管（LED）的一種極具潛力的方法。

Ping 等［26］將卡賓前體接枝到聚酰胺胺樹枝狀聚合物（PAMAM）上，然后溶解在水性溶劑中形成黏性凝膠來合成電響應交聯的黏合劑，低電壓可以觸發卡賓基團交聯電極表面和相鄰的樹枝狀聚合物，如圖6所示，交聯的引發和傳播依賴于電壓和時間，這種能夠根據控制電壓從而調節材料性能和黏合強度。

圖6 卡賓電響應交聯電極表面與PAMAMFig.6 Carbene electric response crosslinked electrode surface with PAMAM

2 重氮酯類卡賓化合物

自1883年Curtius 第一次報道了重氮乙酸乙酯的合成［27］以來，重氮酯類化合物逐漸吸引了化學家的興趣，重氮酯類化合物可以在一些金屬的催化或在光熱作用下分解產生卡賓和氮氣。在近十年中，重氮酯類化合物的研究發展迅速，在小分子的設計與合成、聚合物的交聯和功能化以及醫學藥物等均有廣泛應用。

2018年，Jurberg 和Davies 教授［6］對不同重氮酯類化合物做了紫外-可見吸收光譜分析的研究，表明芳基乙酸酯類重氮化合物可以在可見光區域400～500 nm的波長范圍內吸收并進行光解，可以實現有機分子的溫和功能化。并且提出了反應溫和、選擇性強的環丙烷化、O—H 插入、N—H 插入和C—H 插入反應。這為有機合成和化學生物學的應用開辟了新的空間。

后來科學家們逐漸發現利用卡賓的插入反應可以進行聚合物的接枝交聯反應，首先合成帶有重氮酯基團的化合物，然后將這種化合物作為單體進行聚合反應或與其他化合物進行共聚反應，得到含有重氮酯基的聚合物分子鏈，然后在光照或熱的環境下可以與其他分子鏈進行反應，形成交聯網絡聚合物。Philip 等［28］基于含有重氮丙二酸基團的共聚物，經過光和熱活化，通過標準薄膜沉積技術（旋涂、浸涂）從溶液沉積到固體基底上。重氮丙二酸基團活化后分解形成卡賓，進行Chic 反應，合成和Chic 反應如圖7（a）所示，此時網絡和共價表面附著同時發生，活化過程中產生的卡賓不能進行wolff 重排反應，交聯過程非常迅速。這種方法可用于寬光譜表面上生成寬范圍的聚合物層和微結構。Gregor 等［29］報道了基于卡賓中間體通過C—H 插入反應生成表面連接的聚合物網絡。將含有重氮基團的N，N-二甲基丙烯酰胺共聚物涂覆到被硅烷自組裝覆蓋的固體基體上，通過光（波長為254 nm 或360 nm的紫外光照射厚度約為120 nm的膜）或熱（80～180 ℃）的誘導活化后形成卡賓，通過C—H插入到相鄰的聚合物鏈及襯底的自組裝單層中，形成表面附著的聚合物網絡，如圖7（b）所示。其中在與硅烷自組裝時對β 位的重氮進行脫保護處理，將氨基甲酰叔丁酯在異戊基腈、乙酸和二氯甲烷的環境下回流80 min 得到重氮基團。Jonas Kost 等［30］研究了在相對溫和的條件下形成表面附著聚合物網絡的熱活化，將重氮苯基酯基基團的交聯劑引入到共聚物中，然后將其沉積在固體基底上。合成了2-（2-二氮雜-2-苯乙酰氧基）甲基丙烯酸乙酯（PEDAz），并將其在真空環境下進行聚合，通過涂敷與聚合物連接，如圖7（c）所示。Alexander等［31］通過將重氮交聯劑與另外2種化合物反應得到三元共聚物，然后將含有重氮集團的聚合物通過熱活化釋放氮氣形成卡賓進行Chic反應，如圖7（d）所示。當將熱印模施加于含有重氮集團的共聚物表面時，印模的輪廓會映射到聚合物膜中，從而實現底物的交聯和共價表面附著，達到創建結構化表面的目的，這是半導體技術中的光刻過程。

圖7 重氮酯類卡賓化合物的合成及其插入反應Fig.7 Synthesis and insertion reaction of diazo ester carbene compounds

國內對于重氮卡賓交聯劑的研究還不是很多。復旦大學潘翔城課題組［32］合成了3 種重氮酯類交聯劑，其中2 種重氮交聯劑步驟較目前其他合成重氮化合物的路徑相比更為簡便，他們采用乙二醇和丙三醇為原料，合成了乙烷-1，2-二烷基雙（2-重氮-2-苯乙酸酯）和丙烷-1，2，3-三?；?-重氮-2-苯乙酸酯）的重氮交聯劑，并將其與乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、聚己內酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、乙烯-丁烯高聚物（POE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和苯乙烯-丙烯腈共聚物（SAN）進行交聯并測試了其凝膠含量。Yi 等［33］合成了一種雙重氮化合物，如圖8所示，然后將該化合物與聚［（9，9-二辛基芴-2，7-二基）-共-（4，4′-（N-（4-仲丁基苯基）二苯胺）］（TFB）材料混合，放置在紫外線下照射并加熱，實現快速的交聯，采用這種卡賓交聯的TFB 材料可以使其HOMO能級從-5.3 eV 降至-5.5 eV，從而提供更小的空穴傳輸能壘。當用作量子點發光二極管（QLED）時，其功率效率和電流效率分別提高15 %和83 %，因此雙重氮的卡賓交聯劑可用于增強QLED器件的性能。

圖8 雙重氮化合物插入TFB材料C—H鍵的反應Fig.8 Reaction of double nitrogen compound inserted into C—H bond of TFB material

3 N-雜環卡賓化合物

1991年，Arduengo 成功分離出了第一個能穩定存在的氮雜環卡賓，氮雜環卡賓有σ 電子排斥特性和sp2 雜化軌道的孤對電子，因此會與過渡金屬軌道相互作用，從而可以與過渡金屬相配位。NHC 是電中性分子，根據卡賓在氮雜環上的連接結構不同，如圖9所示，主要分為5 種：（1）1，3-二取代的氫化咪唑碳酸鹽；（2）1，3-二取代咪唑卡賓；（3）2，4-二取代的三唑醇；（4）3-二取代的噻咔卡賓；（5）在（2）的R 取代處連接一個手性取代基或其他官能團，這類卡賓可以形成一個用于不對稱合成的二嚙狀雙配位卡賓。

圖9 氮雜環卡賓的類型Fig.9 Types of nitrogen heterocyclic carbene

當前，被研究最多的是第二種類型的卡賓結構，因為他有一個帶有6 個電子的5 中心結構，所以它的化學性質更穩定，通常也被用作金屬催化劑的配體。Romain 等［34-35］設計了2 種含鈀的聚合物催化劑，其中一種是由苯乙烯接枝的聚環氧乙烷和苯并咪唑氯化單元作為N-雜環卡賓制成，如圖10所示，另一種是兩親性星型聚合物負載Pd（Ⅱ）-NHC2單元的催化劑，實驗者通過將雜環卡賓接枝在聚合物上，便可以實現Pd（OAc）2催化的交聯反應，第二種交聯聚合物膠束為Suzuki-Miyaura 和Heck 交叉偶聯反應提供了優勢，催化過程中幾乎沒有金屬浸出，且這種膠束催化劑易于回收。

圖10 含鈀元素的卡賓催化劑合成路線Fig.10 Synthesis route of carbene catalyst containing palladium

4 其他結構的卡賓化合物

除了上述的三氟甲基類、重氮酯類、N-雜環卡賓外，還有多種卡賓結構類型，Hakim 等［36］合成了8 個交聯劑，如圖11所示，其中4 個為全氟苯基疊氮化合物（PFPA）光交聯劑。PFPA 在波長250 nm 的輻射下進行C—H 鍵的單重態插入，因此PFPA 比普通的芳基疊氮化合物更受歡迎，PFPA 衍生物易于制備且儲存穩定，而且在光激發下產生非常快速有效的反應，但存在一個主要的缺點是其激發波長可能會損壞一些紫外線敏感的基板材料。Jing 等［37］報道了一種溫度控制的不同粒徑的銀納米粒子Ag-NP 系統，Ag-NP 通過插入反應在表面上被呋喃基取代的卡賓官能化，這種交聯可以根據Ag-NPs 的不同粒徑而控制其表面化合物的聚集，如圖12所示。

圖11 PFPA光交聯劑Fig.11 PFPA photocrosslinker

圖12 銀納米粒子的表面改性Fig.12 Surface modification of Ag NPs

5 結語

利用卡賓進行插入反應，分子鏈中含有一個活性卡賓結構的聚合物可以與其他聚合物進行交聯；含有2個及以上活性卡賓結構的化合物可以對多個分子鏈進行交聯，已有研究對聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚己內酯、聚異戊二烯等化合物進行交聯反應，這種交聯方式可以提高聚合物的抗撕裂、穿孔能力、機械耐久性、搭接剪切強度等，使缺乏化學反應基團結構的聚合物擁有三維網絡后可應用于更多產品，如生物組織黏合劑、柔性防彈衣、OLED/QLED器件、薄膜沉積技術等。

卡賓化合物是有機化學中不可缺少的部分，隨著人們對卡賓前體化合物的研究，逐漸克服了其合成和分離的困難以及穩定性差的困難，卡賓反應已被應用于聚合物的結構設計和功能化研究，因此相關研究有助于拓寬聚合物的發展。綜上所述，卡賓化合物的反應推動著聚合物材料的發展，開展相關科學研究有助于對新型材料的研發和應用。