卡宾在聚合物交联反应中的研究进展

郭欣怡，朱光明，张雪蓓，李锐超

（西北工业大学化学与化工学院，西安 710129）

0 前言

卡宾也叫碳烯，是一种中性化合物，其二价碳原子的价壳层中只有6 个电子［1］。最早在1942年，化学家Meerwein报道了在紫外光照射下重氮甲烷脱掉氮气生成了活泼亚甲基，这个活泼的亚甲基与乙醚溶剂发生了没有选择的C—H 活化［2］。在1961年，化学家Skell和Etter 首次报道了铜催化下重氮乙酸乙酯脱去氮气形成可以与环己烯发生选择性反应的卡宾，他们共同证明了铜催化剂介导的卡宾转移反应优于紫外光诱导的反应［3］，此后金属卡宾得到了快速的发展。2002年，Liu 等报道了卡宾聚合（CP）的第一个实例，随后，通过CP 合成了传统方法无法得到的在聚合物主链的碳原子上连接用极性取代基官能化的各种碳链聚合物，通过CP 获得的聚合物具有独特的光物理性能和立体结构［4-5］。直到2018年，Jurberg和Davies教授首次证明了芳基重氮碳酸酯在可见光的诱导下，在无催化剂且室温条件下就可以进行可控高效的卡宾转移反应［6］。

卡宾前体有多种结构，如重氮化合物、N-杂环（被邻位孤电子稳定的卡宾）、卤代烷等。其中，重氮类化合物是合成卡宾中间体常见的前体之一，他可以表示为R2C=N2，其中根据R 的不同可以分为4 种共振结构式。R 基团电负性的不同对该化合物的反应性及稳定性均有影响，主要可以分为5种，如图1所示，（1）R1与R2 同为吸电子基团，由于诱导效应的作用，该重氮化合物亲核性降低，稳定性提高；（2）R1为氢原子。R2为吸电子基团，此时这种供体-受体型重氮化合物的反应性高于第一种；（3）R1为给电子基团，R2为吸电子基团，这种类型的重氮化合物反应活性高于第二种；（4）R1 为给电子基团，R2 为氢原子，这时该重氮化合物的反应活性更高，而稳定性已大大降低；（5）R1和R2均为给电子基团，这种重氮化合物的反应活性非常高，稳定性极差，属于易爆危险化合物。

图2 TPD及其衍生物与C60的化学反应Fig.2 Chemical reaction of TPD and its derivatives with C60

卡宾是高度反应的亲核试剂，它可以在光或热活化时，参与多种化学反应，使其在有机合成、化学催化、生物组织黏合等方面广泛应用。由于卡宾类化合物的反应活性较高，与此同时卡宾化合物也面临着难以储存和安全性的困难。近十几年里，科学家们逐渐设计了各种新的卡宾电子较稳定的结构，这些可在室温环境下稳定存在的卡宾在半导体技术［7］、附着涂层［8］、生物化学标记、电子器件等各方面都有广泛应用。在这些应用中，活性卡宾主要是与聚合物发生化学反应，这种反应形式不仅可以提高材料的抗冲击性、热稳定性、力学强度等，还能够为其增加新的功能。

本文综述了多种可以诱导高分子材料交联的较稳定的卡宾前体化合物，其中，它可以通过C—H 插入反应［C—H插入交联（CHic）］来交联多种聚合物，从而建立新的交联体系，C—H 基团作为反应物，在几乎所有类型的有机表面上都可以进行大量的应用［9］。

1 三氟甲基类卡宾化合物

三氟甲基（—CF3）是一种电负性好、稳定性强的含氟化合物基团，三氟甲基重氮化合物在卡宾反应机理中可进行多种反应，如与烯/炔烃的环丙基化反应、X—H键插入反应、硫叶立德的［2，3］-σ重排反应［10］等。

1980年，Brunner等［11］以2，2，2-三氟苯乙酮为起始原料，进行了一系列反应，合成了3-三氟甲基-3-苯基二氮杂嗪（TPD），并获得了60 %的合成产率，证明了TPD 符合生物系统光化学标记试剂所需的大多数标准。2007年，Satoru 等［12］采用3-三氟甲基-3-苯基二氮嗪与C60进行光化学反应，得到了光标记的C60衍生物，有望构建各种生物功能化富勒烯。2013年，Michio等［13］采用TPD 衍生物与C60进行光解反应，生成了一系列衍生物，可以进行蛋白质标记，有望应用于生物医学领域。2016年，Yutaka 等［14］使用TPD 衍生物与DNA 和蛋白质进行交联，制备光活性DNA，这种光亲和交联可以实现DNA 结合蛋白质的高性能分析。这种稳定的TPD 分子还能够共价接枝到聚合物主链上，从而形成应用于聚合物/组织界面结合的生物黏附剂。

在组织黏合剂领域，卡宾基团对聚合物的交联也起到了重要的作用。Ivan Djordjevic等［15-18］合成了适合于外科的液体复合黏合剂，他们使用聚酰胺接枝芳基含氟甲基的重氮化合物（PDz）与多臂聚己内酯三醇（PCLT）组成的二元复合材料，其中PCLT 作为黏性PDz 的增塑剂，这种黏合剂在低剂量的UVA（365 nm）光照下，接枝的二氮转化为可进行共价插入反应的卡宾，从而可以完成外科手术的组织交联，如图3所示。2020年该组研究了一种新型的强力组织黏合剂材料CaproGlu，其具有低黏度和疏水性的独特功能，它是一种新的黏结湿基质的生物材料，可以在不含任何溶剂的液体配方中快速黏合水合组织，如图3所示，同时还对GaproGlu 进行了评估，证明其水解浸出液不含遗传性毒物，也不会引起皮肤致敏。2022年该组还报道了混合硫醇/烯/二氮嗪双面生物黏合剂，是硫醇/烯可再吸收弹性体通过每个大分子的可调光活性，与卡宾生物黏合剂结合成3组分混合网络，通过光流变仪监测双交联，其中405 nm引发硫醇/烯弹性体网络形成，365 nm活化二氮嗪接枝的聚己内酯四醇，这种交联剂所形成的聚合物网络动态模量在10～800 kPa，搭接剪切黏合强度为160 kPa。

图3 透明聚合物和组织之间的夹层基质交联以及分子间交联Fig.3 Demonstration of sandwich substrate cross-linking between transparent polymer and tissue as well as intermolecular crosslinking

2019年以来，三氟甲基类卡宾中间体的研究更广泛用作低表面活性能聚合物及生物组织的高效交联剂，Simhadri 等［19-20］合成出3 种类似结构的卡宾交联剂G1、G2、G3，如图4所示，由于第一种和第二种分子的挥发能力较高，经分析，它们具有很大的爆炸风险，因此否定了这2 种的应用，对于第三种交联剂，它在温和可控的条件下分解成卡宾，并将其应用于低表面能的聚乙烯织物的加固，还进行了聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚己内酯和聚异戊二烯的交联实验。2021年，该组制作了3 种卡宾前体，有第一代合成的交联剂和第二代合成的2 种交联剂，将这3 种卡宾前体与高密度聚乙烯（PE-HD）反应，在搭接剪切实验中，可以观察到（Ⅱ）的机械顺应性能好于（Ⅰ），（Ⅰ）好于第一种化合物，但是机械顺应性与附着力并不对应，然后将（Ⅱ）处理聚丙烯，表现出了大于2.5 MPa 的结合力，（Ⅰ）处理的聚甲基丙烯酸甲酯表现出了4.3 MPa 的强结合力。

图4 5种三氟甲基类卡宾前体的结构式Fig.4 Structural formula for five trifluoromethyl carbene precursors

Mathieu 等［21］证明了编织超高分子量聚乙烯（PEUHMW）织物与小分子交联剂的局部交联可以增强织物的抗撕裂和穿孔能力，如图5（a）所示，这是由于构成机织织物的纱线内部之间形成交联造成的，这种验证可以为提高PE-UHMW 材料的柔软防弹衣的保护提供支持。Stefania等［22-23］通过实验和计算完成了对重氮结构与功能关系的研究，调整重氮化合物的电子特性改变了其活化能和活化温度，证明了富电子的重氮化合物对C—H 插入的功效较大，2022年他们报道了一种通过三氟甲基芳基二氮嗪的电子优化来提高二氮嗪试剂性能的有效策略，通过改变两芳基连接处的结构实现电子的优化，合成了一种重氮化合物，如图5（b）所示。这种电子优化的二氮杂环也可以在更低的温度和更长的波长下活化，且参与发生热活化的C—H插入反应的效率可以高达91 %。Zhao 等［24］报道了纳米级聚二甲基硅氧烷（PDMS）通过化学非破坏性C—H 插入，双二氮嗪交联剂用于在热活化时沿相邻的PDMS 链共价连接甲基（插入Si—C—H 键），如图5（c）所示。交联后的PDMS 的机械耐久性明显增强，剪切黏附强度是未交联样品的一半，交联后其表面还耐酸腐蚀。

图5 三氟甲基卡宾的插入反应Fig.5 Insertion reaction of trifluoromethyl carbene

Kaustav 等［25］利用二氮嗪分子将可溶的聚合物转化为不溶性材料，缓解了溶液处理有机发光二极管（OLED）制造中层的从顺序沉积、溶液引起的表面侵蚀和层混合相关缺陷的问题。双二氮嗪在长波长/低功率紫外光（1.8 mW/cm2）下照射5～20 min 后会形成卡宾，与聚合物或小分子发生CHic 反应形成交联网络，通过对OLED 器件的交联性能的研究，表明3-三氟甲基（芳基）二氮嗪的交联工艺是制造聚合物发光二极管（LED）的一种极具潜力的方法。

Ping 等［26］将卡宾前体接枝到聚酰胺胺树枝状聚合物（PAMAM）上，然后溶解在水性溶剂中形成黏性凝胶来合成电响应交联的黏合剂，低电压可以触发卡宾基团交联电极表面和相邻的树枝状聚合物，如图6所示，交联的引发和传播依赖于电压和时间，这种能够根据控制电压从而调节材料性能和黏合强度。

图6 卡宾电响应交联电极表面与PAMAMFig.6 Carbene electric response crosslinked electrode surface with PAMAM

2 重氮酯类卡宾化合物

自1883年Curtius 第一次报道了重氮乙酸乙酯的合成［27］以来，重氮酯类化合物逐渐吸引了化学家的兴趣，重氮酯类化合物可以在一些金属的催化或在光热作用下分解产生卡宾和氮气。在近十年中，重氮酯类化合物的研究发展迅速，在小分子的设计与合成、聚合物的交联和功能化以及医学药物等均有广泛应用。

2018年，Jurberg 和Davies 教授［6］对不同重氮酯类化合物做了紫外-可见吸收光谱分析的研究，表明芳基乙酸酯类重氮化合物可以在可见光区域400～500 nm的波长范围内吸收并进行光解，可以实现有机分子的温和功能化。并且提出了反应温和、选择性强的环丙烷化、O—H 插入、N—H 插入和C—H 插入反应。这为有机合成和化学生物学的应用开辟了新的空间。

后来科学家们逐渐发现利用卡宾的插入反应可以进行聚合物的接枝交联反应，首先合成带有重氮酯基团的化合物，然后将这种化合物作为单体进行聚合反应或与其他化合物进行共聚反应，得到含有重氮酯基的聚合物分子链，然后在光照或热的环境下可以与其他分子链进行反应，形成交联网络聚合物。Philip 等［28］基于含有重氮丙二酸基团的共聚物，经过光和热活化，通过标准薄膜沉积技术（旋涂、浸涂）从溶液沉积到固体基底上。重氮丙二酸基团活化后分解形成卡宾，进行Chic 反应，合成和Chic 反应如图7（a）所示，此时网络和共价表面附着同时发生，活化过程中产生的卡宾不能进行wolff 重排反应，交联过程非常迅速。这种方法可用于宽光谱表面上生成宽范围的聚合物层和微结构。Gregor 等［29］报道了基于卡宾中间体通过C—H 插入反应生成表面连接的聚合物网络。将含有重氮基团的N，N-二甲基丙烯酰胺共聚物涂覆到被硅烷自组装覆盖的固体基体上，通过光（波长为254 nm 或360 nm的紫外光照射厚度约为120 nm的膜）或热（80～180 ℃）的诱导活化后形成卡宾，通过C—H插入到相邻的聚合物链及衬底的自组装单层中，形成表面附着的聚合物网络，如图7（b）所示。其中在与硅烷自组装时对β 位的重氮进行脱保护处理，将氨基甲酰叔丁酯在异戊基腈、乙酸和二氯甲烷的环境下回流80 min 得到重氮基团。Jonas Kost 等［30］研究了在相对温和的条件下形成表面附着聚合物网络的热活化，将重氮苯基酯基基团的交联剂引入到共聚物中，然后将其沉积在固体基底上。合成了2-（2-二氮杂-2-苯乙酰氧基）甲基丙烯酸乙酯（PEDAz），并将其在真空环境下进行聚合，通过涂敷与聚合物连接，如图7（c）所示。Alexander等［31］通过将重氮交联剂与另外2种化合物反应得到三元共聚物，然后将含有重氮集团的聚合物通过热活化释放氮气形成卡宾进行Chic反应，如图7（d）所示。当将热印模施加于含有重氮集团的共聚物表面时，印模的轮廓会映射到聚合物膜中，从而实现底物的交联和共价表面附着，达到创建结构化表面的目的，这是半导体技术中的光刻过程。

图7 重氮酯类卡宾化合物的合成及其插入反应Fig.7 Synthesis and insertion reaction of diazo ester carbene compounds

国内对于重氮卡宾交联剂的研究还不是很多。复旦大学潘翔城课题组［32］合成了3 种重氮酯类交联剂，其中2 种重氮交联剂步骤较目前其他合成重氮化合物的路径相比更为简便，他们采用乙二醇和丙三醇为原料，合成了乙烷-1，2-二烷基双（2-重氮-2-苯乙酸酯）和丙烷-1，2，3-三酰基三（2-重氮-2-苯乙酸酯）的重氮交联剂，并将其与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）、聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、乙烯-丁烯高聚物（POE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和苯乙烯-丙烯腈共聚物（SAN）进行交联并测试了其凝胶含量。Yi 等［33］合成了一种双重氮化合物，如图8所示，然后将该化合物与聚［（9，9-二辛基芴-2，7-二基）-共-（4，4′-（N-（4-仲丁基苯基）二苯胺）］（TFB）材料混合，放置在紫外线下照射并加热，实现快速的交联，采用这种卡宾交联的TFB 材料可以使其HOMO能级从-5.3 eV 降至-5.5 eV，从而提供更小的空穴传输能垒。当用作量子点发光二极管（QLED）时，其功率效率和电流效率分别提高15 %和83 %，因此双重氮的卡宾交联剂可用于增强QLED器件的性能。

图8 双重氮化合物插入TFB材料C—H键的反应Fig.8 Reaction of double nitrogen compound inserted into C—H bond of TFB material

3 N-杂环卡宾化合物

1991年，Arduengo 成功分离出了第一个能稳定存在的氮杂环卡宾，氮杂环卡宾有σ 电子排斥特性和sp2 杂化轨道的孤对电子，因此会与过渡金属轨道相互作用，从而可以与过渡金属相配位。NHC 是电中性分子，根据卡宾在氮杂环上的连接结构不同，如图9所示，主要分为5 种：（1）1，3-二取代的氢化咪唑碳酸盐；（2）1，3-二取代咪唑卡宾；（3）2，4-二取代的三唑醇；（4）3-二取代的噻咔卡宾；（5）在（2）的R 取代处连接一个手性取代基或其他官能团，这类卡宾可以形成一个用于不对称合成的二啮状双配位卡宾。

图9 氮杂环卡宾的类型Fig.9 Types of nitrogen heterocyclic carbene

当前，被研究最多的是第二种类型的卡宾结构，因为他有一个带有6 个电子的5 中心结构，所以它的化学性质更稳定，通常也被用作金属催化剂的配体。Romain 等［34-35］设计了2 种含钯的聚合物催化剂，其中一种是由苯乙烯接枝的聚环氧乙烷和苯并咪唑氯化单元作为N-杂环卡宾制成，如图10所示，另一种是两亲性星型聚合物负载Pd（Ⅱ）-NHC2单元的催化剂，实验者通过将杂环卡宾接枝在聚合物上，便可以实现Pd（OAc）2催化的交联反应，第二种交联聚合物胶束为Suzuki-Miyaura 和Heck 交叉偶联反应提供了优势，催化过程中几乎没有金属浸出，且这种胶束催化剂易于回收。

图10 含钯元素的卡宾催化剂合成路线Fig.10 Synthesis route of carbene catalyst containing palladium

4 其他结构的卡宾化合物

除了上述的三氟甲基类、重氮酯类、N-杂环卡宾外，还有多种卡宾结构类型，Hakim 等［36］合成了8 个交联剂，如图11所示，其中4 个为全氟苯基叠氮化合物（PFPA）光交联剂。PFPA 在波长250 nm 的辐射下进行C—H 键的单重态插入，因此PFPA 比普通的芳基叠氮化合物更受欢迎，PFPA 衍生物易于制备且储存稳定，而且在光激发下产生非常快速有效的反应，但存在一个主要的缺点是其激发波长可能会损坏一些紫外线敏感的基板材料。Jing 等［37］报道了一种温度控制的不同粒径的银纳米粒子Ag-NP 系统，Ag-NP 通过插入反应在表面上被呋喃基取代的卡宾官能化，这种交联可以根据Ag-NPs 的不同粒径而控制其表面化合物的聚集，如图12所示。

图11 PFPA光交联剂Fig.11 PFPA photocrosslinker

图12 银纳米粒子的表面改性Fig.12 Surface modification of Ag NPs

5 结语

利用卡宾进行插入反应，分子链中含有一个活性卡宾结构的聚合物可以与其他聚合物进行交联；含有2个及以上活性卡宾结构的化合物可以对多个分子链进行交联，已有研究对聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚己内酯、聚异戊二烯等化合物进行交联反应，这种交联方式可以提高聚合物的抗撕裂、穿孔能力、机械耐久性、搭接剪切强度等，使缺乏化学反应基团结构的聚合物拥有三维网络后可应用于更多产品，如生物组织黏合剂、柔性防弹衣、OLED/QLED器件、薄膜沉积技术等。

卡宾化合物是有机化学中不可缺少的部分，随着人们对卡宾前体化合物的研究，逐渐克服了其合成和分离的困难以及稳定性差的困难，卡宾反应已被应用于聚合物的结构设计和功能化研究，因此相关研究有助于拓宽聚合物的发展。综上所述，卡宾化合物的反应推动着聚合物材料的发展，开展相关科学研究有助于对新型材料的研发和应用。