1、高等高分子化学与物理之,点 击 化 学,专业：材料科学与工程 姓名：张礼华 学号：230129317,点击化学概述 点击化学特征 点击化学反应类型 点击化学的应用,点击化学概述,点击化学Click Chemistry，又译为“链接化学”、“动态组合化学” 、“速配接合组合式化学”。 是 2001年诺贝尔化学奖获得者美国化学家Sharpless 提出的一种快速合成大量化合物的新方法。 在DNA、自组装、表面装饰、超分子化学、树枝状化学、功能聚合物、组合化学、蛋白质化学、生物偶联技术和生物医药等方面应用较为广泛。,点击化学特征,点击化学实质是指选用易得原料，通过可靠、高效而又具选择性的化学反应来实
2、现碳杂原子连接(C-X-C) ，低成本、 快速合成大量新化合物的一套强大且实用的合成方法。其核心是利用一系列可靠的、 模块化的反应生成含杂原子化合物。 这些反应通常具有如下特征： 所用原料易得； 反应操作简单，条件温和，对氧、 水不敏感； 产物收率高、选择性好； 产物易纯化、 后处理简单； 通常具有较高的热力学驱动力， 使反应迅速，并得到单一产物。,点击化学反应的特征,点击化学反应必须是模块化、应用范围宽、高产率和立体选择性的，通常还具有较高的热力学驱动力，使反应迅速，并得到单一产物。点击化学反应有着下列的共同特征：（1）许多反应的组件是衍生于烯烃和炔烃，这些都是石油裂化的产物。从能量与机理的
3、角度, 碳-碳多重键都可以成为点击化学反应的活性组件。,点击化学反应的特征,(2)绝大部分反应涉及碳-杂原子(主要是氮、氧、硫)键的形成。这与近年来重视碳-碳键形成的有机化学方向不同。 (3)点击化学反应是很强的放热反应，通过高能的反应物或稳定的产物都可以实现。 (4)点击化学反应一般是融合过程(没有副产物) 或缩合过程(产生的副产物为水)。 (5)很多点击化学反应不受水的负面影响, 水的存在反而常常起到加速反应的作用。,点击化学反应类型,点击反应主要有4种类型: 环加成反应, 特别是1, 3-偶极环加成反应, 也包括杂环 Diels -Alder反应； 亲核开环反应, 特别是张力杂环的亲电试
4、剂开环； 非醇醛的羰基化学； 碳碳多键的加成反应。,点击化学的应用,点击化学在大分子化合物合成中的应用： （1）树枝状化合物的合成 Nierengarten等在富勒烯C60表面进行click-click双点击化学反应，在其表面结合上不同种类的化合物。 Autruc等采用电极反应制备出聚乙二醇树枝状化合物，并将其覆盖在金纳米颗粒表面，有效地改善了金纳米颗粒的分散性。 Kakkar等通过点击化学反应制备了具有不同结构的三臂树枝状分子（图1）。,点击化学的应用,图1 通过Cu1催化的click反应进行G112和13的第一代枝状化合物的合成,点击化学的应用,点击化学在大分子化合物合成中的应用： （2）
5、生物大分子的合成(原位点击法) Borges等首先采用多个模块合成炔基化合物，然后与叠氮化合物发生点击化学反应，将其组装成1,4取代的1,2,3-三唑环化合物，一种类似于脯氨酸的结构。 Health等采用原位点击法合成一种类似于蛋白质捕获物质的抗体，利用该方法制备捕获物质时，并不需要优先考虑它对目标蛋白质的亲和能力，而且原位点击反应能提供一个很大的识别空间，识别结果也很容易重现（图2）。,点击化学的应用,图2 点击化学原位合成蛋白质捕获物质,点击化学的应用,点击化学在功能聚合物合成中的应用: Emrick等将点击化学应用于开发新型抗癌聚合物药物。 Brown等通过二叠氮化物与三、四炔基化合物发
6、生1,3偶极环加成反应，生成高稳定的1,2,3-三唑环化合物，制备出新型热固性树脂，可用作金属防腐剂和粘结剂。 Tunca等采用“one-top”法合成ABC型嵌段共聚物。 Reineke等在生物血清介质中，将海藻糖基团连接在DNA上，增加了DNA亲和力，与细胞表面更易结合。 Lecomte等采用click反应对聚己内酯分子链进行修饰。聚己内酯链成功地接枝了羟基、ATRP引发剂以及聚乙二醇，并扩大应用于丙烯酸酯中（图3）。,点击化学的应用,图3 点击化学法进行聚己内酯的化学修饰与接枝,点击化学的应用,点击化学在电极表面修饰中的应用：,Collman等首次将点击化学应用到电极表面修饰的研究中（图
7、4）。他们首先在Si表面覆盖一层金纳米颗粒，然后放置在叠氮十一烷基硫醇与烷基硫醇混合溶液中，在其表面形成混合单层薄膜，然后将电极浸渍在0.1M KPF6、0.5M红菲绕啉二磺酸铜（）乙炔-二茂铁混合溶液中，发生click反应，达到电极表面进行共价键合修饰的目的。,图4 点击化学修饰电极表面,点击化学的应用,点击化学在纳米颗粒和碳纳米管研究中的应用： Williams等在二氧六环或其与环己烷的混合溶液中，叠氮功能化的金纳米颗粒与含炔基的二茂铁、荧光分子发生1,3偶极环加成反应，从而在金纳米颗粒表面共价键合上了有机物，很好地改善了金纳米颗粒的分散性。 Murphy等利用点击化学方法制备了功能金纳米
8、棒。他们采用磺酸基和马来酸基团共聚物来修饰金纳米棒。含双官能团的叠氮化物分子、与其连接的氨基官能团和马来酸分子反应，形成叠氮化物-金纳米棒。磺酸基阻碍了金纳米棒在水中的凝聚，使其具有良好的分散性。 Mirkin等通过叠氮功能化的超顺磁性氧化铁纳米颗粒与炔化的核苷酸发生click反应，在磁性纳米颗粒表面稳定地结合上高密度的核苷酸（图5）。,图5 通过CuACC将核苷酸结合在超顺磁性氧化铁纳米颗粒表面：（上面）结合过程以及（下面）水溶性的三羟基丙基三唑胺化合物和互补的核苷酸链,点击化学的应用,点击化学的应用,点击化学在纳米颗粒和碳纳米管研究中的应用： Aida等利用点击化学方法在碳纳米管的内外层表
9、面结合上了不同的化合物。他们首先在碳纳米管内外层表面嵌合上六苯蒄（HBCs），再组装上三甘醇（TEG）。此时碳纳米管的内外层并无区别，这样的碳纳米管进行原位后修饰。在外表面进行修饰时，由于内表面活性基团的可及度比外表面更低，因此，选择大分子如树枝状大分子接枝在碳纳米管外表面上，而大分子不能进入内部修饰内表面。他们采用枝状炔基化合物（G2-炔），同时，两性HBCs进行甲苯磺酰胺化，然后与NaN3溶液反应生成二叠氮-HBCs（1）（图6） SEM与TEM对干燥的样品进行观察（图7）。,点击化学的应用,图6 树枝状化合物的结构以及HBCs碳纳米管原位功能化的两个步骤,图7 碳纳米管自组装的SEM和T
10、EM图,点击化学的应用,Prestidge等采用点击化学在多孔硅上进行聚乙二醇化，修饰其表面，有效地缓解了多孔硅表面高活性Si-Hx的钝化作用，以及使用过程造成表面磨损后产生的不良影响。 首先对多孔硅进行炔基功能化，再与叠氮功能化的聚乙二醇进行点击化学反应（图8）。,点击化学在多孔材料中的应用：,图8 多孔硅聚乙二醇化的点击化学反应路线,点击化学的应用,点击化学在分析检测中的应用： Cu（）常作为叠氮化物与炔基化物的催化剂； 而Cu（）可由Cu（）在抗坏血酸钠溶液中还原获得。 Jiang等采用显色法通过点击化学反应来检测Cu（）。他们将叠氮功能化的金纳米颗粒与炔基功能化的金纳米颗粒混合钝化后分
11、散在H2O/t-BuOH混合溶液中，得到深红色溶液。室温下加入Cu2+和还原剂抗坏血酸钠于混合溶液中，发现颜色开始慢慢减退，同时澄清液中会有沉淀产生，并沉入底部。这种检测方法在其他高浓度阳离子的存在下仍具有高效性。,点击化学的应用,点击化学在荧光物质修饰中的应用：Rao等采用点击化学反应制备荧光生物传感器检测蛋白酶，他们先在金纳米颗粒表面结合上炔基化合物，再与叠氮修饰的荧光素酶发生点击化学反应，然后将蛋白酶水解click后得到的物质，水解的量与蛋白酶的浓度成一定比例关系，从而达到检测的目的（图9）。,点击化学的应用,图9 金纳米颗粒表面物质与重组细胞荧光素酶蛋白质的点击化学,点击化学的应用,点
12、击化学在生物领域的应用： 由于CuAAC反应不受溶剂的限制，叠氮基团与炔基团易被引入至各种物质结构中，而不干扰其原有的性能，因此特别适用于生物领域。 Caruso等和Geet等通过CuAAC反应进行层层组装，实现了同种组分的层层组装以及一些非电荷、非氢键聚合物的组装。这种方法形成的层状结构依靠共价键连接，具有更高的稳定性，当溶剂条件变化时也不易分解，克服了传统层层组装技术中依靠静电引力或氢键相连接，不耐溶剂性的弱点。 近年来，Caruso等又将CuAAC层层组装技术应用到生物领域中，他们首先利用CuAAC反应组装成聚乙二醇多层薄膜，薄膜最后以炔化状态存在，就可将带有叠氮基团的糖类、抗体、缩氨酸结合在聚乙二醇薄膜上，增加它们的附着力，有利于细胞的培养。 Tirrell等利用CuAAC反应实现了在哺乳动物细胞中双色标记蛋白质数量。,展望,点击化学已经从理论阶段进入了实用性阶段的研究。 实验证明点击化学能有效地改善一些传统方法的不足，成为众多领域里化合物合成及表面修饰的新方法。 点击化学的应用范围需要扩大，目前仅局限在叠氮化物与端基炔化物的1,3偶极环加成反应。 点击化学催化剂种类单一，目前常用的就是Cu（）配合物催化。此类催化剂要求去除氧气，以免被氧化而失效，因此也限制了点击化学的发展。 点击化学需要进行深入研究，很多问题需要深入探索。,
