Takata等[21,55,56]分别在2008,2009,2010年报道了氧化腈化合物在聚合物合成中的应用.通过同源双端基氧化腈与双功能化的炔烃、烯烃和腈通过1,3-偶极环加成点击反应,制备出相应的聚异噁唑、聚异噁唑啉以及聚噁二唑(表1).概括来说该类聚合反应具有以下优点:(1)反应材料没有爆炸危险;(2)1,3-偶极子和亲偶极子的多样化;(3)形成的键为C—C键,键合更为牢固;(4)操作简单;(5)无催化剂参与反应.这些特点使得聚合物材料的制备变得更为容易,结构更为明确,从而使其物理、化学性能均有所提高。

在2012年,Koyama等[57]报道了一种级联功能化技术,这种级联功能化是基于该组以前工作的基础之上而发现的.该组合成了2-(环氧丙氧基)-1-萘并氧化腈与2-[5-(乙氧羰基)戊氧基]-1-萘并氧化腈,这两种双功能化分子作为级联功能化试剂(Eq.8).首先双功能化分子上的氧化腈与聚合物链上的炔、烯和腈发生环加成反应，形成相应的环系,而后再由亲电试剂与环氧基和酯基发生亲电加成,从而完成最终反应.文中作者分别应用上述两种试剂对聚丙烯腈、丁腈橡胶和天然橡胶进行修饰,获得了相应的反应产物.同时作者还观察到了这两种试剂与天然橡胶、丁腈橡胶和三元乙丙橡胶可以在无溶剂条件下进行固相反应,而且反应产率较高.最后作者还应用N,N-二乙基己二胺作为亲电试剂与表面修饰有环氧基团的天然橡胶进行亲电加成反应,从而达到交联剂的作用,使天然橡胶形成体型网状结构,虽然从结构上来看,这种体型橡胶相较于通用硫化橡胶有着更强的键合方式,但是最终形成的材料力学性能不佳,所以这个方向还是有这很大的发展前景。

2013年,Boons课题组[58]通过4-乙烯基苯甲醛(VBA)和1-氯甲基-4-乙烯基苯(VBC)可逆加成-断裂链转移共聚制备出了带有叠氮、肟和硝酮的聚合物,在高价碘试剂作用下肟将转化为变为氧化腈,通过SPAAC和SPANOC(strain-promotedalkyne-nitrileoxidecycloaddition)反应使聚合物上的叠氮和氧化腈基团与功能化二苯基环辛炔反应,从而生成侧挂功能性基团的聚合物(Scheme12)。2013年,Wu等[59]采用聚苯乙烯负载的乙烯砜与氧化腈之间的1,3-偶极反应制备3-单取代异噁唑,而后再在叔丁醇钾的条件下将3-单取代异噁唑从聚合物上解离下来.该方法具有操作简单、产率较高和粗产物纯度高等优点(Scheme13)。

2013年,Takata课题组[60]发展了一种应用氧化腈在无催化剂条件下将带有标记酮的支链双功能化分子接枝到不饱和碳链共聚物上的方法.在存在亲核试剂的条件下,米氏酸加热后形成的烯酮可以与亲核试剂加成得到相应修饰的支状化聚合物;而没有亲核试剂存在条件下,米氏酸加热形成的烯酮可以自行反应形成如图所示的四元环结构(Scheme14).研究表明,在无催化剂的条件下可高效将PEG接枝到不饱和聚合物EPDM和PAN之上,而且成功将修饰有该米氏酸的PAN和NB的交联在一起。

3氧化腈其他领域的研究

生物分子在材料表面的特定检测是仿生材料和芯片技术发展过程中一个大的挑战.首先,这种材料需要一个特定性很强的组件,而这个组件需要有良好的定向分子识别功能.经过改性的生物分子可以通过共价键的方式来实现特定材料对分子的定向识别.共价键固定生物分子可以看作是一种特殊的生物标记形式,同时它也是对材料的一种修饰.大多数的生物分子都具有复杂的结构,所以要求这些化学结合反应不能受靶向分子官能团的影响,同时也不能受到细胞环境的影响.研究表明,基于氧化腈无金属催化的点击反应是一个理想的选择.Gutsmiedlet等[61]通过降冰片烯修饰的DNA衍生物与氧化腈的环加成反应展示了其在这个领域潜在的优势.在这之后,Heaney等[62,63]通过炔烃和环辛炔修饰的树脂基与氧化腈修饰的DNA进行生物分子识别.值得一提的是,氧化腈与叠氮的化学正交性,已经通过杂双功能化的交联剂和聚合物得以证明,因此扩大了这两种功能化基团的应用范围[64～66]。

Ravoo等[67]发现了一种在温和条件下快速有效地选择性固定方法.这种方法的载体是用十一烷基叠氮修饰玻璃,并用微接触SPAAC反应(μC-SPAAC)让玻璃表面的叠氮与环辛炔肟反应将肟基团修饰在玻璃表面.当被检测物质中含有二乙酰氧基碘苯(diacetoxyiodobenzene,BID)时,肟基团会生成氧化腈,就可以与一些不饱和烃类化合物(如烯烃、炔烃、环炔等)在室温条件下反应生成相应的氮杂环化合物,从而可将相应的生物分子结合到探针模版上达到检测的目的;当被检测物质中不含有BID这类高碘试剂,肟就不会变为氧化腈,只有叠氮与相应的环炔发生SPAAC反应,从而达到对环炔进行检测的目的(Scheme15).结果表明,这一技术可以使玻璃表面具备两种不同的修饰基团,而这两种基团在不同的条件又会与不同的试剂进行反应,以达到其对特殊修饰的生物分子进行特定区域的识别的功能。

另外,氧化腈的点击反应不仅仅可以应用在生物分子识别领域,还可以应用于一些含有不饱和键的碳材料的修饰方面.2011年,Minakata等[68]报道应用叔丁基次碘酸使肟氧化为氧化腈,然后再温和的条件下与富勒烯表面的不饱和键进行环加成,从而接入一个修饰基团.虽然该工作只对富勒烯上进行简单的甲基和苯基的修饰,但这是一个良好的开端,预示氧化腈的点击反应在纳米材料的改性与功能化方面将有许多潜在的应用。.

4结论与展望

综上所述,基于氧化腈的点击反应作为点击化学的新成员,其已经在生物化学、药物化学、聚合物化学、超分子化学以及在生物分子识别等领域得到了一定的应用.相较于Cue-AAC反应,基于氧化腈的点击反应不仅具有无需金属铜盐作催化剂,整个合成过程绿色等优点,而且具有原料制备相对简单、活性更高、良好的区域选择性等特点.另外,氧化腈不仅可以与炔烃反应,还可与烯烃、腈反应形成相应的含氮杂环化合物.其中,最重要的是该类反应条件温和、无催化剂、保证了反应产物中无重金属污染,这对于生物制药领域来说是至关重要的.然而,就目前的研究情况来看,基于氧化腈的点击反应的应用范围相对Cue-AAC反应要小.另外,有些基于氧化腈的点击反应的速度和效率有待进一步提高等.因此,进一步发展新型、高效、绿色以及原子经济性高的基于氧化腈的点击反应是未来发展趋势之一。