点击化学

材料科学与工程学院 本科生课程论文 课程名称 论文题目：点击化学及其应用 学生姓名：杨一昭 学 号：201230320221 所在学院：材料科学与工程 提交日期: 2014.12.19 点击化学及其应用 摘要：“Click chemistry”[1],常译成“点击化学”,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,是继组合化学之后又一给传统有机合成化学带来重大 革新的合成技术 关键词：点击化学， 原位点击 人类在21世纪的最大课题之一是保护环境。橡胶、塑料和合成纤维虽然与人类的生活密切相关，但大多不能自然分解，其废弃物会造成白色污染。 20世纪90年代末刚刚实现工业化的聚乳酸(Poly Lactic Acid，PLA)是其中最有发展前景的一种，它是一种真正的新型绿色高分子材料，也是目前综合性能最出色的环保材料【1】 1点击化学的提出 一个可成药化合物应满足以下条件：含有不少于30个非氢原子，分子量不小于500 D，由c、N、O、P、s、cl和Br组成，在室温下稳定和对水、氧稳定等。1996年cuid等”1通过计算机模拟计算得出具备此条件的化台物有1矿个；然而，到目前为止已知的满足此条件的化合物仅有1 06—107个，即只有很少的药物被开发出来。从20世纪末开始，随着新药物需求的增长和高通量筛选方法的出现，使大量新型分子的台成成为化学合成的迫切任务．建立分子库、发展分子多样性成了重要的课题。借助现代技术的力量，手性技术、高通量筛选等新技术正在快速提高化学合成药物的质量和开发速度。1990年代的新兴技术——缝合琵学…是这努越粒一矮重要技术，毽在结梅类型多样性上还有稂夫的局限性，艇它比传统合成化学更依赖于单体官能团间的反应。点击化学的提出，则顺应了化学合成对分子多样性的要求。 2 点击化学的反应特征 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合成来实现碳杂原子连接(c—x—c)，低成本、快速合成大量新化合物的一套可靠的合成方法。其核心就是利用一些强大的可靠的、模块他的反应生成含杂原子化合物。 (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。从能量与机理的角度,碳-碳多重键都可以成为点击化学反应的活性组件。(2)绝大部分反应涉及碳-杂原子(主要是氮,氧,硫)键的形成。(3)点击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)点击反应一般是融合(fusion)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。 这些特征可在环氧化物与多种不同亲核试剂的开环反应中展现出来 3.点击化学的反应类型 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[3] ,也包括杂环Diels-Alder反应[4] ;亲核开环反应,特别是张力杂环的亲电试剂开环;非醇醛的羰基化学;碳碳多键的加成反应。叠氮化合物和乙炔的环加成反应早在20世纪早期就有报道,但反应生成1,4-和1,5-二取代三唑混合物。后来使用Cu(Ñ)催化剂可得到区域选择性的1,4-三唑且产率高达91%,反应时间也由原来的18 h缩短为8h[6]。Cu(Ñ)盐催化的反应机理[7]见图2。 亲核开环反应 亲核开环反应主要是三元杂原子张力环的亲核开环以释放它们内在的张力能,如环氧衍生杂环丙烷、环状硫酸酯、环状硫酰胺、吖丙啶离子和环硫离子等。在这些三元杂环化合物中,环氧衍生物和吖丙啶离子是点击反应中最常用的底物,可以通过它们的开环形成各种高区域选择性的化合物。此类反应可在醇P水混合溶剂或勿需溶剂下进行。以双环氧乙烷和苄胺反应为例[1](图3),在质子溶剂甲醇的存在下,得到90%收率的1,4-二醇;当无溶剂时,得到94%的1,3-二醇。
4.点击化学的应用 4.1在大分子中的应用 们常常利用偶合反应来制备嵌段、星形、梳形以及环形等聚合物,但是由于端基活性的问题常使得目标聚合物收率低和结构不规整,因而逐渐被其它方法所取代。具有高转化率的点击反应则为这一传统方法带来了新的生机，主要由以下成就：1）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2）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。3）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。 4.2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）。
4.3点击化学在功能聚合物合成中的应用 ABPP(activity2basedproteinprofiling)是利用活性位点导向探针去标记蛋白质并鉴定它们在复杂蛋白 质组内的表达水平和功能。体外(invitro) 组合化学是在一个反应过程中同时合成和挑选活性分子。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）。
4．4点击化学在纳米颗粒和碳纳米管研究中的应用 点击化学在纳米颗粒和碳纳米管研究的应用很有成就的，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） Aida等利用点击化学方法在碳纳米管的内外层表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）
4.5点击化学在其他方面的应用 点击化学在多孔材料中的应用：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 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。 点击化学在分析检测中的应用：Cu（Ⅰ）常作为叠氮化物与炔基化物的催化剂；而Cu（Ⅰ）可由Cu（Ⅱ）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（Ⅱ）。他们将叠氮