雙硫-烯的光引發(fā)反應(yīng)

劉光耀,苗 苗,安澤勝

(上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海200444)

點擊化學(xué)(click chemistry)是化學(xué)家巴里·夏普萊斯(Barry Sharpless)在2001年提出的一個合成概念[1],主要是指通過小單元的拼接,快速可靠地完成各類分子的化學(xué)合成.值得注意的是,該方法是以碳-雜原子鍵(C—X—C)合成為基礎(chǔ)的組合化學(xué)新方法,并且借助此類反應(yīng)能簡單高效地獲得分子多樣性.點擊化學(xué)主要包括以下類型:環(huán)加成反應(yīng),例如最為常用的炔烴和疊氮化物的1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng);碳碳多鍵加成反應(yīng);親核開環(huán)反應(yīng);非醇醛的羰基化學(xué)反應(yīng).點擊化學(xué)反應(yīng)過程簡單、快捷、高效、通用,相對于一般的有機合成過程,其反應(yīng)原料易得、反應(yīng)條件溫和、對氧氣和水不敏感、產(chǎn)物收率高、副反應(yīng)極少甚至沒有、選擇性好,而且與一般有機反應(yīng)產(chǎn)物的提純需要過層析柱不同,點擊化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物便于提純.因此,這種穩(wěn)定高效的化學(xué)反應(yīng)得到了廣泛應(yīng)用,在高分子合成、藥物合成與開發(fā)、材料化學(xué)、生物有機化學(xué)等領(lǐng)域已成為近年來最為常用的合成方法之一[2].

點擊化學(xué)已在聚合物的多個研究方向得到廣泛發(fā)展,如對聚合物主鏈進行修飾[3-6]、樹狀高分子的合成[7-8]和星形聚合物的制備[9-10]等.在日常生產(chǎn)和生活中特別受到關(guān)注的是炔烴和疊氮化物的點擊化學(xué),應(yīng)用也最為廣泛.以Cu(I)作為催化劑的炔烴和疊氮化物的點擊化學(xué),反應(yīng)過程簡單迅速,具有適用性廣、產(chǎn)率高的優(yōu)點,但是具有一個明顯的缺點——需要使用金屬催化劑Cu(I).Cu(I)會使反應(yīng)體系對環(huán)境產(chǎn)生危害和污染,對生物體產(chǎn)生毒性;當(dāng)用于納米技術(shù)時,會引起納米分散體系的聚集,在一定程度上限制了其在生物體內(nèi)和納米方面的應(yīng)用[2].為了解決類似炔烴和疊氮化物1,3-偶極環(huán)加成存在的問題,硫醇-烯點擊化學(xué)受到關(guān)注.

硫醇的使用已有百年歷史,應(yīng)用極其廣泛.因為硫醇具有很強的反應(yīng)活性,硫醇-烯點擊化學(xué)不僅可以進行自由基過程[3],也可以進行親核加成過程[11].硫醇-烯反應(yīng)光引發(fā)自由基過程(見圖1,圖中hv指紫外光照射)是在光照條件下,光引發(fā)劑(photo-initiator,PI)引發(fā)反應(yīng)開始,PI吸收紫外光能量形成自由基PI·與硫醇作用,使硫醇變?yōu)閹€基自由基1(圖1中的物質(zhì)1)[12];巰基自由基與烯烴作用形成新的自由基2(圖1中的物質(zhì)2);新的自由基再與硫醇作用,奪取硫醇上的氫得到終產(chǎn)物3(圖1中的物質(zhì)3),硫醇變?yōu)閹€基自由基繼續(xù)參與反應(yīng)[7,13-15].硫醇-烯自由基化學(xué)反應(yīng)中常常要用到引發(fā)劑,常用的光引發(fā)劑分為裂解型光引發(fā)劑和奪氫型光引發(fā)劑.最常用的裂解型光引發(fā)劑是安息香雙甲醚(UV-651,圖2中的物質(zhì)4);最常用的奪氫型光引發(fā)劑是二苯甲酮(diphenylmethanone,BP)(圖2中的物質(zhì)5),兩種引發(fā)劑的引發(fā)機理如圖2所示[16].

圖1 硫醇-烯光引發(fā)自由基反應(yīng)的機理Fig.1 Mechanism of photo-initiated thiol-ene reaction

圖2 不同類型光引發(fā)劑的引發(fā)機理Fig.2 Mechanism of initiated reaction with diあerent types of photo-initiator

硫醇-烯反應(yīng)過程具有點擊化學(xué)良好的優(yōu)點,反應(yīng)迅速、不需使用溶劑、反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率高,具有廣泛的適用性[13],更重要的是硫醇-烯反應(yīng)不使用1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)中的Cu(I)等金屬催化劑.但是,硫醇-烯反應(yīng)同樣存在弊端:硫醇類反應(yīng)物具有刺鼻的氣味,在使用過程中對人的傷害很大;硫醇在空氣中易揮發(fā)并易被空氣中的氧氣氧化形成含有雙硫鍵的雙硫化合物,在硫醇的使用和儲存方面帶來不便.同時,硫醇-烯點擊化學(xué)反應(yīng)過程中有很多副反應(yīng),特別是在自由基終止過程中,容易產(chǎn)生副產(chǎn)物(見圖1).本工作的研究目的就是在硫醇-烯光照自由基化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上,找到一種比硫醇更穩(wěn)定、反應(yīng)副產(chǎn)物更少,但參與的反應(yīng)具有硫醇-烯反應(yīng)優(yōu)點的反應(yīng)物.

已有研究表明,雙硫化物在光照條件下會直接發(fā)生雙硫鍵的斷裂[10],也可以由引發(fā)劑引發(fā)雙鍵斷裂[12],形成巰基自由基,由巰基自由基與烯發(fā)生反應(yīng).因此,選取硫醇的氧化物—–雙硫化物與烯反應(yīng),形成雙硫-烯光引發(fā)反應(yīng).雙硫-烯反應(yīng)中使用雙硫化物可以有效避免硫醇氧化現(xiàn)象,也可以減少副反應(yīng)的發(fā)生.

本工作就是在硫醇-烯的光照自由基化學(xué)基礎(chǔ)上,研究二硫化物與烯的反應(yīng)(雙硫-烯反應(yīng)).圖3為雙硫化物與烯烴的反應(yīng)機理,雙硫化物的雙硫鍵經(jīng)光引發(fā)劑引發(fā)形成兩個巰基自由基加到烯烴的兩端,得到目標(biāo)產(chǎn)物.當(dāng)發(fā)生硫醇-烯反應(yīng)時,烯烴的活性、不同類型的反應(yīng)引發(fā)劑、溶劑的極性都可能對實驗速率產(chǎn)生影響,所以本實驗研究了不同活性烯烴、不同類型引發(fā)劑、反應(yīng)溶劑等對反應(yīng)速率的影響.

圖3 二硫化物與烯光反應(yīng)機理Fig.3 Mechanism of photo-initiated disulf i de-ene reaction

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

二苯甲酮(BP)、N,N’-二甲基甲酰胺(dimethylformamide,DMF)購于國藥(上海)化學(xué)試劑有限公司,純度為分析純(analytical reagent,AR);安息香雙甲醚(UV-651)購于百靈威公司,純度為99%;二乙基二硫醚購于Alfa Aesar公司,純度為99%;降冰片烯、3-丁烯-1-醇購于Sigma Aldrich公司,純度均為99%.

Spectroline紫外燈UV-365 nm(SB-100P/F);BRUKER AV 500 MHz核磁共振波譜儀;Agilent 6890N/5975/EI氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析儀.

1.2 實驗過程

雙硫-烯反應(yīng)過程中使用的雙硫化物為二乙基二硫醚,結(jié)構(gòu)為圖4中的物質(zhì)6.為了比較不同類型引發(fā)劑對反應(yīng)的影響,使用裂解型光引發(fā)劑—–安息香雙甲醚(UV-651)和奪氫型光引發(fā)劑二苯甲酮.為研究不同反應(yīng)活性的烯烴對反應(yīng)的影響,使用3-丁烯-1-醇(圖4中的物質(zhì)7)和降冰片烯(圖5中的物質(zhì)8),因為分子空間結(jié)構(gòu)不同,降冰片烯的活性高于3-丁烯-1-醇[3].在選取極性溶劑時,由于引發(fā)劑和反應(yīng)物不溶于水,故選取極性有機溶劑N,N’-二甲基甲酰胺(DMF).

實驗均在避光條件下進行,具體實驗步驟如下:稱取二乙基二硫醚(0.82 g,6.7 mmol)、3-丁烯-1-醇(0.5 g,6.8 mmol)與安息香雙甲醚(0.007 g,0.027 mmol),將三者混合均勻;實驗組S1取100μL混合液,未除氧,紫外燈未預(yù)熱,在室溫下直接紫外光照15 min;實驗組S2取100μL混合液,氮氣除氧30 min,紫外燈未預(yù)熱,在室溫下通氮氣保護,紫外光照15 min;對反應(yīng)前后的樣品進行核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)測試1H NMR光譜.

稱取二乙基二硫醚(0.82 g,6.7 mmol)、3-丁烯-1-醇(0.5 g,6.8 mmol)與二苯甲酮(0.061 g,0.34 mmol),將三者混合均勻.實驗組S3取200μL混合液,氮氣除氧30 min,紫外燈未預(yù)熱,在室溫下氮氣保護,紫外光照2 h;實驗組S4取160μL混合液,加入160μL DMF,V(反應(yīng)物)∶V(DMF)=1∶1,氮氣除氧30 min,紫外燈未預(yù)熱,在室溫下氮氣保護,紫外光照2 h.測試反應(yīng)前后樣品的1H NMR光譜.

圖4 S1～S4反應(yīng)后的1H NMR光譜Fig.41H NMR spectra of S1～S4 reactions

稱取二乙基二硫醚(0.41 g,3.3 mmol)、降冰片烯(0.4 g,3.3 mmol)與安息香雙甲醚(0.041 g,0.16 mmol),將三者混合均勻.實驗組S5取200μL混合液加入鉗口瓶中,不加其他溶劑,氮氣除氧30 min,預(yù)熱紫外燈10 min,在室溫下通氮氣保護,紫外光照1 h.測試反應(yīng)前后樣品的1H NMR光譜.

圖5 S5～S7反應(yīng)后的1H NMR光譜Fig.51H NMR spectra of S5～S7 reactions

稱取二乙基二硫醚(0.41 g,3.3 mmol)、降冰片烯(0.41 g,3.3 mmol)與二苯甲酮(30 mg,0.16 mmol),將三者混合均勻.實驗組S6取200μL混合液加入鉗口瓶中,不加其他溶劑,氮氣除氧30 min,預(yù)熱紫外燈10 min,在室溫下通氮氣保護,紫外光照1 h.實驗組S7取200μL混合液加入鉗口瓶中,并加入200μL DMF,V(反應(yīng)物)∶V(DMF)=1∶1,氮氣除氧30 min,預(yù)熱紫外燈10 min,在室溫下通氮氣保護,紫外光照1 h.測試反應(yīng)前后樣品的1H NMR光譜.

1.3 實驗樣品表征

對實驗樣品的NMR測試使用BRUKER AV 500 MHz核磁共振波譜儀,測試1H NMR光譜所使用的氘代試劑為氘代氯仿(CDCl3),使用美國Agilent 6890N/5975/EI氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析儀(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS)進行表征,溶劑為正己烷.

2 結(jié)果與討論

2.1 雙硫-烯反應(yīng)可行性

為了證明雙硫-烯光照反應(yīng)的可行性,主要通過NMR和氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀進行表征,實驗結(jié)果如表1所示,[]表示物質(zhì)的量.各實驗組反應(yīng)后的1H NMR光譜如圖4和5所示,圖中箭頭所指的位置即為新產(chǎn)生物質(zhì)的峰.新峰的生成可以證明實驗組反應(yīng)的發(fā)生,若沒有新峰出現(xiàn),則說明反應(yīng)沒有發(fā)生或者低于檢測限.S1～S4這4組實驗的反應(yīng)物為二乙基二硫醚和3-丁烯-1-醇,發(fā)生反應(yīng)的實驗組為S2,S4,產(chǎn)物較為明顯的峰在1.2,2.3和2.5處出現(xiàn).S5～S7這3組實驗的反應(yīng)物為二乙基二硫醚和降冰片烯,3組反應(yīng)全部發(fā)生,產(chǎn)物較為明顯的峰出現(xiàn)在1.2,2.3,2.5和3.0的位置.NMR測試的表征結(jié)果可以說明雙硫和烯烴發(fā)生反應(yīng).

表1 雙硫-烯光照實驗總結(jié)Table 1 Summary of disulf i de-ene reactions

為了進一步證明雙硫鍵斷裂后所形成的巰基自由基加到了雙鍵兩端并得到目標(biāo)產(chǎn)物,選取S5,S6進行GC-MS測試.S5,S6是二乙基二硫醚與降冰片烯之間的反應(yīng)(見圖6),光引發(fā)劑分別為安息香雙甲醚和二苯甲酮,預(yù)計目標(biāo)產(chǎn)物(圖6中的物質(zhì)9)的相對分子質(zhì)量約為216.GC-MS測試結(jié)果如圖7所示,圖中TIC指的是總離子流圖(total ion chromatogram).由圖可見,12.587和13.370 min出現(xiàn)的峰為目標(biāo)產(chǎn)物峰,相對分子質(zhì)量都是216,進一步證明了雙硫-烯反應(yīng)的可行性,并且可以證明兩種不同類型的光引發(fā)劑都可以引發(fā)反應(yīng)的進行并得到目標(biāo)產(chǎn)物.GC-MS測試中其他時間出現(xiàn)的峰是反應(yīng)物和引發(fā)劑的峰.在兩個不同時間出現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的峰,原因可能是發(fā)生了同分異構(gòu)現(xiàn)象,即目標(biāo)產(chǎn)物(物質(zhì)9)產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)上的同分異構(gòu)體.

圖6 二乙基二硫醚與降冰片烯的反應(yīng)方程式Fig.6 Experiment reaction equation of diethyl disulf i de and norbornene

2.2 雙硫-烯反應(yīng)動力學(xué)過程

為探究二乙基二硫醚與降冰片烯轉(zhuǎn)化率隨時間的變化,本工作選取S7作為研究對象,研究雙硫-烯光照反應(yīng)的動力學(xué)過程.分別在實驗組S7反應(yīng)0,10,20,30,40,50,60 min時取樣測試的1H NMR光譜,得到轉(zhuǎn)化率隨時間變化的關(guān)系(見圖8).圖8中[二乙基二硫醚]∶[降冰片烯]∶[光引發(fā)劑]=1∶1∶0.050,V(反應(yīng)物)∶V(DMF)=1∶1. 可以看出,在反應(yīng)的開始階段轉(zhuǎn)化率變化不大,這是因為反應(yīng)開始是引發(fā)階段,之后是線性增加階段,隨著光照時間的增加,轉(zhuǎn)換率越來越高,所以增加光照時間可以提高轉(zhuǎn)化率.當(dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達到一定值時,轉(zhuǎn)化率變化變慢,因為自由基濃度降使轉(zhuǎn)化率下降.

2.3 雙硫-烯反應(yīng)的影響因素

研究氧氣對反應(yīng)的影響時,將表1中的實驗組S1與S2對比,無氮氣保護的S1沒有發(fā)生反應(yīng),在氮氣保護下S2反應(yīng)可以發(fā)生,說明在雙硫-烯反應(yīng)過程中需要氮氣保護.原因可能是在光照下,光引發(fā)劑形成自由基空氣中的氧氣作用,失去了引發(fā)作用.

研究光引發(fā)劑類型對反應(yīng)的影響時,得到裂解型光引發(fā)劑和奪氫型光引發(fā)劑都可以引發(fā)反應(yīng)發(fā)生的結(jié)論.將表1中的實驗組S2與S3對比,S3中所使用的光引發(fā)劑是S2的12.5倍,且S3光照時間更久,但是反應(yīng)依舊未發(fā)生.兩次實驗使用的光引發(fā)劑不同,S2使用的是裂解型光引發(fā)劑安息香雙甲醚(UV-651),S3使用的是奪氫型光引發(fā)劑二苯甲酮(BP),因此可得:雖然裂解型光引發(fā)劑和奪氫型光引發(fā)劑都可以引發(fā)反應(yīng),但是不同類型的光引發(fā)劑對雙硫-烯反應(yīng)會產(chǎn)生一定影響.當(dāng)其他條件一致時,裂解型光引發(fā)劑的光引發(fā)效果優(yōu)于奪氫型光引發(fā)劑.

圖7 S5和S6反應(yīng)后進行GC-MS測試結(jié)果Fig.7 GC-MS results of S5 and S6 reactions

烯烴的活性對硫醇-烯反應(yīng)的影響很大,為了證明烯烴對雙硫-烯反應(yīng)也會產(chǎn)生一定的影響,進行了實驗S3和S6.表1中的實驗組S3和S6使用相同的引發(fā)劑,而且反應(yīng)物以及光引發(fā)劑的使用量均相同,唯一的不同是使用了不同活性的烯烴,S3反應(yīng)物中烯烴是3-丁烯-1-醇,S6中是降冰片烯.S6光照1 h就發(fā)生反應(yīng),S3光照2 h仍沒有發(fā)生反應(yīng),原因是降冰片烯的反應(yīng)活性強于3-丁烯-1-醇,所以反應(yīng)物的活性對雙硫-烯反應(yīng)也會產(chǎn)生影響,反應(yīng)物活性越強,反應(yīng)越容易發(fā)生.

圖8 雙硫-烯光照反應(yīng)動力學(xué)過程Fig.8 Kinetics of photo-ininitated reaction between disulf i de and enes

將S3與S4對比,S4中加入DMF后,反應(yīng)實現(xiàn),而S3未反應(yīng).將S6和S7對比,如圖5(c),(d)所示,S6尚有反應(yīng)物降冰片烯特征峰的剩余(見圖5(c)中的d,d’),而S7完全反應(yīng),明顯可見DMF的加入可以加快反應(yīng)的進行,使反應(yīng)更容易發(fā)生,說明加入一定量極性溶劑有利于雙硫-烯反應(yīng)的發(fā)生.

3 結(jié)束語

本實驗已經(jīng)證明了雙硫-烯反應(yīng)可以在紫外光照射和無氧條件下,由光引發(fā)劑引發(fā)反應(yīng)發(fā)生.研究發(fā)現(xiàn):反應(yīng)物活性越強,越有利于反應(yīng)的發(fā)生;裂解型光引發(fā)劑相較于奪氫型光引發(fā)劑,更有利于反應(yīng)的發(fā)生;一定量極性溶劑的存在會促進反應(yīng)的發(fā)生.但是本階段研究中雙硫-烯反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率不高,不能達到100%,并且反應(yīng)物的類型較為單一.接下來的研究將通過改變反應(yīng)的影響因素來提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率,增加反應(yīng)物種類,并發(fā)展雙硫化物與炔烴等其他不飽和烴的反應(yīng),以及擴展雙硫-烯點擊化學(xué)在高分子化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用.

致謝 感謝鄧紅梅老師對本工作的大力支持！

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