今天給大家介紹的文章是最近發(fā)表在Macromolecules上的Enamine Organocatalysts for the Thiol-Michael Addition Reaction and Cross-Linking Polymerizations，通訊作者是Christopher N. Bowman教授。
巰基-邁克爾“點擊”反應是一類被廣泛應用于材料化學中的表面修飾、黏合、高分子耦合等多個領域的高效反應。前人的研究表明，巰基-邁克爾加成反應的效率及速率受到巰基酸性、催化劑堿性或親核性以及雙鍵親電性等諸多因素的影響。例如，常見的堿催化巰基-邁克爾加成反應就易受到堿性條件下二硫鍵的生成等副反應的干擾。
為解決這類反應中，堿催化劑催化反應帶來的問題，前人的研究表明，采用親核性催化劑，以圖1中所示催化機理催化反應，能夠有效避免堿催化機理帶來的副反應問題。常見的親核催化劑包括三價膦催化劑或胺催化劑。其中，部分三價膦催化劑具有良好的催化性能。但其催化過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物具有顯著的細胞毒性，限制了該類催化劑的發(fā)展，也不符合可持續(xù)發(fā)展的原則。
圖1. 親核性催化劑催化巰基-邁克爾加成反應的機理示意簡圖
本文中作者介紹了以烯胺為親核催化劑催化的巰基-邁克爾加成反應的可行性（圖2），比較了不同結(jié)構(gòu)催化劑對反應的影響，并對該方法在高分子交聯(lián)體系中的應用進行了初步嘗試。
圖2. 巰基-邁克爾加成反應中的烯胺催化循環(huán)示意圖
具體實驗過程中，作者首先采用巰基丙酸丁酯（BMP）與丙烯酸正己酯（HA）為反應的小分子模型，利用不同結(jié)構(gòu)的烯胺進行催化劑結(jié)構(gòu)的篩選（圖3）。結(jié)果表明，相比具有部分類似結(jié)構(gòu)的四氫吡咯與嗎啉，烯胺具有顯著更強的催化效力，其應用顯著提高了反應的速率與轉(zhuǎn)化率（圖4）。若將烯胺結(jié)構(gòu)視為胺與酮反應的產(chǎn)物，前人研究表明，環(huán)酮的環(huán)大小顯著影響了產(chǎn)物烯胺的親核性。其他影響因素包括生成胺正離子中間體的鍵角等。作者的結(jié)果也表明，相對烯胺3、5，催化劑2、4、6具有更強的親核性（圖5）?？紤]到巰基的pKa~11，而烯胺的pKa僅為~9，作者在此進一步確認反應催化主要通過親核機理進行。
圖3. 小分子模型反應篩選示意圖
圖4. 烯胺（相比不加入催化劑，以及加入四氫吡咯或嗎啉）催化反應轉(zhuǎn)化率曲線
圖5. 模型小分子烯胺親核性與堿性，及對應催化效率圖
隨后，作者將模型小分子烯胺對應的二級胺與2-（2-硝基苯基）氯甲酸丙酯（NPPOCl）反應，引入光敏基團，得到一系列光致堿，即NPPOC-二級胺，以期在光照條件下釋放出二級胺，在體系中與環(huán)酮原位生成烯胺，催化加成反應，從而應用于之后的光交聯(lián)實驗。
在該方面的研究中，作者首先將NPPOC-二級胺+環(huán)酮的原位光敏催化體系應用于小分子模型反應中，并采用與前文類似的方法分析反應速率?？芍?，原位催化體系中依舊顯示烯胺的催化效果優(yōu)于二級胺體系，且環(huán)戊酮對應烯胺催化效果優(yōu)于環(huán)己酮體系（圖6a）。另外，在DPPOC-二乙胺對應的的體系中，作者觀察到，相比二級胺催化體系，烯胺催化體系中加成反應存在明顯的誘導期（圖6b）。作者對這一系列反應現(xiàn)象做出解釋，認為這是因為“光照釋放二級胺-與環(huán)酮反應生成烯胺”過程快于巰基-邁克爾加成反應，因此光脫保護的二級胺傾向于優(yōu)先于酮反應生成烯胺，而非作為堿催化劑直接催化加成反應。而在這一過程中，六元環(huán)的穩(wěn)定性降低了其與二級胺的反應速率，從而降低了催化循環(huán)中烯胺的生成速率，也就影響了加成反應的轉(zhuǎn)化率。
圖6. 紅外監(jiān)測不同烯胺催化體系巰基轉(zhuǎn)化率-時間曲線
隨后，作者還對光致烯胺催化體系中光照的影響進行了分析，顯示短暫的光照即能開啟催化，但持續(xù)的光照確實能提升催化效率（圖6c），這也與作者對機理的推測相符。
由此，作者將該有機光致催化體系應用于高分子網(wǎng)絡的交聯(lián)中，以四(3-巰基丙酸)季戊四醇酯（PETMP）為多巰基單體，以三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）為多烯鍵單體，進行進行高分子交聯(lián)網(wǎng)絡的制備。隨著紫外輻照，烯胺催化體系體現(xiàn)出了較普通光致二級胺體系極高的硫醇轉(zhuǎn)化率（圖7）。
圖7. 將催化體系應用于高分子交聯(lián)網(wǎng)絡合成的硫醇轉(zhuǎn)化率-時間曲線
綜上所述，本文中作者介紹了一類烯胺催化劑，能夠比類似堿催化劑更高效地催化巰基-邁克爾加成反應。另外，作者通過光保護基策略實現(xiàn)了光致烯胺原位生成，并成功將其應用于高分子交聯(lián)網(wǎng)絡的合成。該新型有機催化體系憑借其催化過程的環(huán)境友好特性，有望在巰基-邁克爾加成反應相關的生物材料領域獲得更多應用。
作者：ZY 審校：ZZC
DOI: 10.1021/acs.macromol.0c02128
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c02128
