今天给大家介绍的文章是最近发表在Macromolecules上的Enamine Organocatalysts for the Thiol-Michael Addition Reaction and Cross-Linking Polymerizations，通讯作者是Christopher N. Bowman教授。
巯基-迈克尔“点击”反应是一类被广泛应用于材料化学中的表面修饰、黏合、高分子耦合等多个领域的高效反应。前人的研究表明，巯基-迈克尔加成反应的效率及速率受到巯基酸性、催化剂碱性或亲核性以及双键亲电性等诸多因素的影响。例如，常见的碱催化巯基-迈克尔加成反应就易受到碱性条件下二硫键的生成等副反应的干扰。
为解决这类反应中，碱催化剂催化反应带来的问题，前人的研究表明，采用亲核性催化剂，以图1中所示催化机理催化反应，能够有效避免碱催化机理带来的副反应问题。常见的亲核催化剂包括三价膦催化剂或胺催化剂。其中，部分三价膦催化剂具有良好的催化性能。但其催化过程产生的副产物具有显著的细胞毒性，限制了该类催化剂的发展，也不符合可持续发展的原则。
图1. 亲核性催化剂催化巯基-迈克尔加成反应的机理示意简图
本文中作者介绍了以烯胺为亲核催化剂催化的巯基-迈克尔加成反应的可行性（图2），比较了不同结构催化剂对反应的影响，并对该方法在高分子交联体系中的应用进行了初步尝试。
图2. 巯基-迈克尔加成反应中的烯胺催化循环示意图
具体实验过程中，作者首先采用巯基丙酸丁酯（BMP）与丙烯酸正己酯（HA）为反应的小分子模型，利用不同结构的烯胺进行催化剂结构的筛选（图3）。结果表明，相比具有部分类似结构的四氢吡咯与吗啉，烯胺具有显著更强的催化效力，其应用显著提高了反应的速率与转化率（图4）。若将烯胺结构视为胺与酮反应的产物，前人研究表明，环酮的环大小显著影响了产物烯胺的亲核性。其他影响因素包括生成胺正离子中间体的键角等。作者的结果也表明，相对烯胺3、5，催化剂2、4、6具有更强的亲核性（图5）。考虑到巯基的pKa~11，而烯胺的pKa仅为~9，作者在此进一步确认反应催化主要通过亲核机理进行。
图3. 小分子模型反应筛选示意图
图4. 烯胺（相比不加入催化剂，以及加入四氢吡咯或吗啉）催化反应转化率曲线
图5. 模型小分子烯胺亲核性与碱性，及对应催化效率图
随后，作者将模型小分子烯胺对应的二级胺与2-（2-硝基苯基）氯甲酸丙酯（NPPOCl）反应，引入光敏基团，得到一系列光致碱，即NPPOC-二级胺，以期在光照条件下释放出二级胺，在体系中与环酮原位生成烯胺，催化加成反应，从而应用于之后的光交联实验。
在该方面的研究中，作者首先将NPPOC-二级胺+环酮的原位光敏催化体系应用于小分子模型反应中，并采用与前文类似的方法分析反应速率。可知，原位催化体系中依旧显示烯胺的催化效果优于二级胺体系，且环戊酮对应烯胺催化效果优于环己酮体系（图6a）。另外，在DPPOC-二乙胺对应的的体系中，作者观察到，相比二级胺催化体系，烯胺催化体系中加成反应存在明显的诱导期（图6b）。作者对这一系列反应现象做出解释，认为这是因为“光照释放二级胺-与环酮反应生成烯胺”过程快于巯基-迈克尔加成反应，因此光脱保护的二级胺倾向于优先于酮反应生成烯胺，而非作为碱催化剂直接催化加成反应。而在这一过程中，六元环的稳定性降低了其与二级胺的反应速率，从而降低了催化循环中烯胺的生成速率，也就影响了加成反应的转化率。
图6. 红外监测不同烯胺催化体系巯基转化率-时间曲线
随后，作者还对光致烯胺催化体系中光照的影响进行了分析，显示短暂的光照即能开启催化，但持续的光照确实能提升催化效率（图6c），这也与作者对机理的推测相符。
由此，作者将该有机光致催化体系应用于高分子网络的交联中，以四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯（PETMP）为多巯基单体，以三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）为多烯键单体，进行进行高分子交联网络的制备。随着紫外辐照，烯胺催化体系体现出了较普通光致二级胺体系极高的硫醇转化率（图7）。
图7. 将催化体系应用于高分子交联网络合成的硫醇转化率-时间曲线
综上所述，本文中作者介绍了一类烯胺催化剂，能够比类似碱催化剂更高效地催化巯基-迈克尔加成反应。另外，作者通过光保护基策略实现了光致烯胺原位生成，并成功将其应用于高分子交联网络的合成。该新型有机催化体系凭借其催化过程的环境友好特性，有望在巯基-迈克尔加成反应相关的生物材料领域获得更多应用。
作者：ZY 审校：ZZC
DOI: 10.1021/acs.macromol.0c02128
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c02128
