徐佳碧, 程 月, 盧新嶺, 靳曉寧, 王勇

(天津大學理學院, 天津 300350)

“點擊化學(click chemistry)”是由化學家Sharpless在2001年首次提出的一個合成概念[1],它指的是一組強大的、幾乎100%可靠的選擇性反應,通過開辟以碳-雜原子鍵(C-X-C)合成為基礎(chǔ)的組合化學新方法,簡單高效地獲得分子多樣性。點擊化學反應具備條件溫和、反應迅速、產(chǎn)量高、副產(chǎn)物少、分離提純簡便等諸多優(yōu)點,現(xiàn)已被廣泛應用于材料科學、納米技術(shù)、有機合成、新藥研發(fā)等多個領(lǐng)域,Sharpless教授也因點擊化學第二次獲得諾貝爾化學獎。隨著分離科學的不斷發(fā)展,點擊化學憑借其獨特的優(yōu)勢在分離材料的構(gòu)建中備受青睞。當前比較公認的點擊化學反應類型包括四類,分別是環(huán)加成反應、親核開環(huán)反應、非醇醛的羰基化學以及碳碳多鍵的加成反應。然而,在分離材料領(lǐng)域中報道最多的主要是疊氮-炔環(huán)加成、巰基-烯和巰基-炔3類點擊反應(圖1)。

圖 1 分離材料領(lǐng)域中常見的3種點擊反應Fig. 1 Three common click reactions that mainly emerged in analytical chemistry a. azide-alkyne reaction; b. thiol-alkyne reaction; c. thiol-alkyne reaction.

圖 2 雙層CD-CSP的合成途徑[15]Fig. 2 Synthetic pathway of the bilayer cyclodextrin-based chiral stationary phase (CD-CSP)[15] a. synthesis of alkyne-β-CD; b. synthesis and immobilization of N3-β-CD; c. click reaction-mediated construction of the bilayer CD-CSP.

作為最經(jīng)典的點擊化學反應,疊氮-炔環(huán)加成最早由Huisgen[2]于20世紀60年代報道,通過加熱疊氮和炔的混合物可以得到兩種構(gòu)型的三唑基產(chǎn)物。21世紀初,Meldal團隊[3]和Sharpless團隊[4]發(fā)現(xiàn),Cu(Ⅰ)的催化不僅可以加速該反應,同時能夠大幅提高位置選擇性,獲得單一構(gòu)型的三唑基產(chǎn)物。疊氮-炔環(huán)加成反應現(xiàn)已成為固定官能團的高效策略,其主要優(yōu)勢在于:(1)疊氮和炔官能團對大多數(shù)活性基團和廣泛的溶劑、pH以及溫度均具有較高的惰性;(2)疊氮化物和炔烴對水或氧的耐受性很強,可以快速引入活性官能團;(3)反應容易進行,產(chǎn)率高,產(chǎn)物中的三唑基團具有芳香性和形成氫鍵的能力。然而,Cu(Ⅰ)的細胞毒性在一定程度上限制了該反應在生物相關(guān)領(lǐng)域中的應用。另外,疊氮化合物大多具有易爆性,必須將其保存于安全、通風、陰涼的區(qū)域,在實驗過程中必須嚴格按照操作規(guī)范進行使用,避免其在遇熱、摩擦、震動、撞擊或與金屬接觸時產(chǎn)生爆炸危險。

隨著對點擊化學研究的不斷深入,巰基-烯和巰基-炔加成反應受到越來越多的關(guān)注。這類反應最初是由Posner[5]在1905年發(fā)現(xiàn),作為無金屬催化的綠色點擊反應,通過自由基引發(fā)或邁克爾加成反應機理快速在烯烴鍵上引入巰基,生成穩(wěn)定的硫醚鍵。該反應的主要優(yōu)勢在于:(1)高效,由熱或光引發(fā)化學反應;(2)反應條件溫和,可以在水介質(zhì)中進行,適用于大范圍苛刻的反應環(huán)境;(3)無需金屬催化劑,無金屬殘留。另外,與巰基-烯點擊反應相比,巰基-炔點擊反應通常被認為發(fā)生了二次加成。在空間位阻允許的情況下,巰基-炔點擊反應可以接枝更多的功能分子,有利于在材料表面大量修飾活性基團。

色譜分離是通過待分離物質(zhì)在固定相和流動相之間分配系數(shù)的不同導致遷移速度的差異實現(xiàn)分離,同時利用多樣性的檢測手段對分離后的各組分進行分析。與其他分離策略相比,色譜分離效率高、速度快、靈敏度高,現(xiàn)已發(fā)展成為分析化學領(lǐng)域中最為重要的、應用最為廣泛的分離分析方法之一。其中,色譜分離材料作為分離系統(tǒng)的核心組成部分,直接決定色譜的分離模式和分離效能。作為一種強大的合成工具,點擊化學在色譜分離材料研究中具有廣泛的應用范圍和巨大的發(fā)展?jié)摿?其設(shè)計思路通常是在固定相載體上受控引入具有疊氮基、巰基、烯基或炔基的可點擊前體,然后與帶有炔基、烯基、巰基和疊氮基活性基團的功能性分子進行點擊接枝反應。本文重點概述了近5年點擊化學在色譜分離材料研究中的最新進展,分別通過柱色譜分離和膜色譜分離兩大領(lǐng)域展開介紹。在此基礎(chǔ)上,探討了點擊化學在制備新型色譜分離材料過程中的關(guān)鍵作用和潛在優(yōu)勢,希望進一步為分離材料的合理設(shè)計和分離模式的精準調(diào)控提供有益參考。

1 基于點擊化學的柱色譜分離材料

柱色譜法是將分離材料填裝于柱管內(nèi)作為固定相的一種色譜方法,其分離過程在色譜柱內(nèi)進行,現(xiàn)已成為分析分離領(lǐng)域中適用范圍最廣、使用頻率最高的色譜法之一。隨著材料科學和色譜技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的研究者發(fā)現(xiàn),點擊化學這一類簡單、高效、專一的反應可以為柱色譜分離材料的快速制備和表面修飾注入新的活力。2004年,Hoffmann團隊[6]證明了硅膠上的疊氮基單分子層與活化的乙炔可以定量發(fā)生疊氮-炔環(huán)加成反應,提出了一種新穎的載體表面衍生化方法,這一工作推動了點擊化學在色譜改性材料方面的發(fā)展。隨后,Finn團隊[7]利用疊氮-炔環(huán)加成反應將親和配體固定在生物相容性好的瓊脂糖上,制備了用于選擇性親和層析的功能化瓊脂糖材料。Fréchet團隊[8]通過疊氮-炔環(huán)加成反應分別將長鏈烷基和大豆胰蛋白酶抑制劑共價鍵合至聚合物載體上,制備了能夠分離多種多肽和蛋白質(zhì)的反相和親和模式HPLC固定相。2006年,Lindner團隊[9]將炔基化的金雞納生物堿衍生物共價接枝在疊氮基改性硅膠表面,制備了高效的手性固定相(CSP),證明了疊氮-炔環(huán)加成固定化策略在手性色譜分離材料構(gòu)建中的實用性。同年,Liang團隊[10]將多種炔基化的功能分子鍵合至疊氮基改性的二氧化硅載體上,進一步證明了點擊化學是一種制備功能化HPLC固定相的有效策略。2007年,該團隊再次利用點擊反應開發(fā)了一系列共價鍵合單糖、二糖和寡糖的親水相互作用色譜固定相,并展現(xiàn)了其在高效分離極性化合物方面的潛能[11]。此后,基于點擊化學合成各式各樣色譜分離材料的大門被徹底打開?，F(xiàn)主要針對制備柱色譜分離材料過程中涉及的以下3種點擊反應類型展開詳細介紹。

1.1 基于疊氮-炔點擊反應的柱色譜分離材料

由于疊氮基與炔基都比較容易被引入到所需要的化合物結(jié)構(gòu)中,且生成的三唑橋環(huán)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,因此疊氮-炔環(huán)加成被認為是制備柱色譜分離材料的一種可靠和直接的方法。

一方面,疊氮-炔環(huán)加成反應可用于對環(huán)糊精手性固定相(CD-CSP)進行骨架的固定和表面功能調(diào)控[12-16]。起初,Zhang等[12]首次以硫酸銅和抗壞血酸鈉作為催化劑,將單-6-疊氮-β-CD(N3-β-CD)固定在炔基化硅膠表面上,制備了新型的天然CD-CSP,成功拆分了多種手性對映異構(gòu)體。同年,Wang等[13]以有機可溶的CuI(PPh3)催化疊氮-炔環(huán)加成反應制備了天然和衍生CD-CSPs,提高CD鍵合量的同時簡化了后處理過程,極大地推動了點擊化學在CD-CSP構(gòu)建中的發(fā)展。最近,Li等[15]在多孔硅膠表面自上而下地構(gòu)建了復式CD雙分子層,制備了三唑橋聯(lián)反向串聯(lián)的天然CD-CSP。具體合成步驟如圖2所示:首先,單-6-甲苯磺酰基-β-CD(TsO-β-CD)與丙炔胺反應,得到單-(6-脫氧-6-丙炔胺)-β-CD(炔基化-β-CD)(圖2a);然后,TsO-β-CD與疊氮化鈉反應得到N3-β-CD,再通過醚鍵將其固定在二氧化硅表面(圖2b);最后,炔基化-β-CD和N3-β-CD功能化的二氧化硅之間發(fā)生點擊反應(圖2c),得到雙層CD-CSP。CD雙分子層與三唑橋鏈臂間的協(xié)同效應有效地提高了對丹磺酰氨基酸和小分子芳香酸的手性選擇性。由此可見,疊氮-炔環(huán)加成反應不僅是設(shè)計開發(fā)CD二聚體新型功能表面材料的重要工具,同時引入的三唑橋聯(lián)基團還可以提供氫鍵和π-π作用位點,有助于實現(xiàn)固定相對目標物的多重識別。除此之外,疊氮-炔環(huán)加成反應也是制備CD衍生CSP的一種重要方式,比如Jin等[16]將手性氨基酸L-炔丙基甘氨酸、堿性化合物丙炔胺、酸性化合物4-戊炔酸引入至醚鍵橋連的N3-CD-CSP上,對CD小口端的活性基團進行點擊調(diào)節(jié)。通過鍵入不同的修飾基團,疊氮-炔環(huán)加成反應可以將新的手性識別位點、氫鍵作用以及空間位阻效應引入至天然的CD-CSP中,從而增強固定相對手性分子的識別及分離性能,擴充CD-CSP家族的同時有利于考察不同種類的衍生基團對手性分離的影響。

另一方面,除了CSP之外,疊氮-炔環(huán)加成反應也用于其他非手性柱色譜分離材料的制備[17-21],簡單的一步點擊反應可將功能化單體輕松引入載體中制備新型改性色譜固定相。冠醚是一類典型的大環(huán)聚醚化合物,能與金屬離子、質(zhì)子化胺等陽離子物質(zhì)發(fā)生強相互作用。疊氮-炔環(huán)加成反應能以較高的接枝率將冠醚基團點擊接枝到硅膠載體上,獲得的硅基冠醚固定相表現(xiàn)出良好的色譜性能,不僅在反相液相色譜(RPLC)模式下能分離多環(huán)芳烴、取代苯的位置異構(gòu)體和大環(huán)內(nèi)酯類抗生素,同時在正相液相色譜(NPLC)模式下能有效分離C60和C70富勒烯[17]。糖類是天然親水性化合物,具有多個羥基,研究一種簡單有效的方法制備糖類官能化固定相具有重要意義。Wang等[18]采用疊氮-炔環(huán)加成點擊反應制備葡萄糖和麥芽糖功能化甲基丙烯酸酯單體,然后通過單步原位共聚法制備糖類功能化整體柱,這種點擊方法避免了費時且不可控的后修飾操作,優(yōu)化后的整體柱對核苷類化合物、酚類化合物和苯甲酸衍生物等極性化合物具有良好的分離性能,同時可以從人類IgG胰蛋白酶消化物中高選擇性且高效富集糖肽。這種單步制備糖類功能化整體柱的方法不僅為極性化合物的分離和選擇性捕獲提供了一種新型的親水色譜柱,而且為整體固定相的制備提供了一種簡單高效的方法。

1.2 基于巰基-烯點擊反應的柱色譜分離材料

盡管疊氮-炔環(huán)加成反應在色譜分離材料的制備中很受歡迎,但是由于需要銅催化劑,增加了后處理的難度,越來越多的研究者們開始致力于以無金屬催化的點擊化學反應構(gòu)建分離材料。巰基-烯加成反應具備點擊化學反應的所有優(yōu)點,由自由基或親核試劑引發(fā),無需金屬催化,簡化了純化過程,具有高度的選擇性,產(chǎn)生的副產(chǎn)物可忽略不計。另外,多種活化和未活化的烯類物質(zhì)均可作為反應的底物,以區(qū)域選擇性的方式定量生成穩(wěn)定的硫醚鍵。于是,該反應逐漸被用于設(shè)計與制備形形色色的柱色譜分離材料?，F(xiàn)從手性和非手性色譜分離兩大應用展開介紹。

1.2.1手性色譜分離

巰基-烯點擊反應可以直接將手性選擇劑快速精準地鍵合到載體上,或者對現(xiàn)有手性材料進行后修飾,進一步擴充手性分離材料的種類。基于巰基-烯加成反應制備的手性柱色譜分離材料主要包括CD類[22-25]、奎寧(QN)類[26-31]、纖維素類[32,33]、氨基酸類[34-37]以及其他手性選擇劑修飾的CSPs[38-41]。

CD的空腔結(jié)構(gòu)及手性中心使其能夠與大量手性分子形成主客體包合物,因此,被廣泛用作手性色譜分離中的手性選擇劑。通過巰基-烯點擊反應,將單巰基取代的β-CD共價接枝在雙鍵功能化的硅膠載體上,可以合成結(jié)構(gòu)明確可控的單(6-巰基-6-去氧)-β-CD-CSP(圖3a),最大限度地保留天然CD的本征結(jié)構(gòu)[24]。由于橋聯(lián)臂無識別作用位點,這種鍵合方式非常有利于對天然CD的本征手性識別能力進行考察。通過與三唑橋聯(lián)CD-CSP和咪唑嗡橋聯(lián)CD-CSP進行手性拆分行為比較發(fā)現(xiàn),功能性橋聯(lián)臂在提升部分對映體選擇性的同時也會小幅損失CD的本征手性識別能力。因此,采取不同類型的點擊化學反應可以引入不同功能的橋聯(lián)臂,為CD-CSP結(jié)構(gòu)的精準設(shè)計以及手性樣品的高效拆分提供有益參考。

為了發(fā)展高度通用的色譜分離材料體系,Lu等[31]通過簡單的巰基-烯表面點擊反應制備了一系列結(jié)構(gòu)明確的QN橋聯(lián)CD復式手性結(jié)構(gòu)(圖3b)。其中QN和CD不僅能很好地展示出各自的分離能力,實現(xiàn)分離通量的互補,而且對各自難以分離的分析物展現(xiàn)出協(xié)同增強的作用,在保持高選擇性的同時成倍提升了分離通量。所構(gòu)建的雙相CSP對多種液相色譜模式具有良好的適用性和穩(wěn)定性。簡單高效的巰基-烯點擊反應將QN和CD有效鍵合,推動了這種相對通用的雙相手性拆分平臺的進一步發(fā)展。

圖 3 基于巰基-烯反應制備的手性色譜分離材料Fig. 3 Chiral chromatographic separation materials prepared based on thiol-alkene addition reaction a. mono(6-mercapto-6-deoxy)-β-CD-CSP[24]; b. QN-CD-CSPs[31]; c. 3,5-dichlorophenyl carbamated cellulose-bonded CD-CSP[32]; d. L-Cys-PCN-222[37].

纖維素及其衍生物也是較為通用的手性選擇劑。Li等[32]將烯丙基纖維素的衍生物通過熱引發(fā)劑點擊接枝在巰基丙基硅膠上,制備了纖維素鍵合固定相(圖3c),可以在RPLC模式下成功地用于6種手性殺菌劑對映體的拆分。巰基-烯加成反應的溫和條件有利于維持纖維素的有序立體結(jié)構(gòu),同時定向合成的高產(chǎn)率也能提供足夠的手性基團鍵合量,使新固定相具有良好的手性色譜性能。

L-半胱氨酸(L-Cys)作為一種常見的手性選擇劑,其結(jié)構(gòu)本身含有的巰基可以直接用于點擊反應。例如,Gao等[37]將一種新型的L-Cys修飾的手性鋯基金屬有機骨架(L-Cys-PCN-222)點擊連接到帶有烯基的毛細管壁上(圖3d),成功制備了鍵合型開管柱,有效分離了17種手性化合物,包括氨基酸、咪唑啉酮、芳酮羧酸類農(nóng)藥以及氟喹諾酮類化合物。

1.2.2非手性色譜分離

巰基-烯點擊反應為非手性色譜分離材料的合成和化學修飾開辟了新的途徑,通過將一種或多種類型的功能分子引入色譜載體中,實現(xiàn)了色譜材料和分離模式的多樣化。這些功能分子主要包括疏水或親水基團[42-46]、離子液體[47-53]、兩性離子[54,55]、交聯(lián)共聚物[56-59]及其他功能單體[60,61]等。

通過引入疏水或親水基團對固定相進行親疏水改性,可以有針對性地高效分離目標物。張麗華課題組[42]提出了一種新型功能化的多孔整體材料制備策略(圖4a),通過一步溶膠-凝膠反應制備了含有大量乙烯基的大孔/介孔有機硅整體材料,豐富的雙鍵分布為巰基-烯點擊化學反應修飾高密度官能團提供了大量活性位點,該方法獲得了C18基團在雜化整體材料上的高表面覆蓋率,進一步證明了其在烷基苯和多肽的RPLC模式中的適用性。

圖 4 基于巰基-烯反應制備的非手性色譜分離材料Fig. 4 Non-chiral chromatographic separation materials prepared based on thiol-alkene reactiona. C18-functionalized organosilicon monolith[42]; b. Sil-VMB-VSS[48]; c. quaternary ammoniation functionalized cysteine-zwitterionic stationary phase[55]; d. Sil@Poly (AHPS-co-MBAAm)[56].

離子液體指的是一類在室溫或接近室溫條件下呈液態(tài)、完全由有機陽離子和有機或無機陰離子組成的液體。得益于其優(yōu)異的理化性質(zhì),離子液體逐漸發(fā)展成為色譜分離的理想材料。通過對離子液體進行功能化設(shè)計,從而引入不同的功能性基團,可以實現(xiàn)多種分離需求。Ren等[48]采用硫醇-烯點擊反應,將嵌有咪唑基離子液體的C18鏈和芳基磺酸鹽兩種單體成功修飾到二氧化硅的表面(Sil-VMB-VSS),制備了一種新型的反相/親水/離子交換混合模式液相色譜固定相(圖4b),其多模式保留能力可以為各種類型的化合物和復雜樣品提供靈活的選擇性。高效的巰基-烯點擊反應使多種功能基團同時修飾載體成為可能,為合成混合模式固定相提供了一種可行的途徑。

氨基酸作為典型的兩性離子化合物,常被用作兩性離子功能分子制備固定相。Wang等[55]基于Cys與乙烯基功能化二氧化硅之間的巰基-烯點擊化學反應,制備了Cys兩性離子固定相。另外,分別用溴乙烷、1-溴辛烷和1-溴十八烷進行改性,得到了一系列季銨功能化的固定相(圖4c),實現(xiàn)了在反相/離子交換混合模式下對酸性和堿性蛋白質(zhì)的選擇性分離。這種簡單的點擊反應推動了兩性離子固定相在蛋白質(zhì)分離方面的進一步應用。

聚合物刷因具有三維納米結(jié)構(gòu)的柔性聚合物鏈,可以提供豐富的功能結(jié)合位點,增加材料和目標之間的相互作用。Shao等[56]把巰基-烯表面點擊聚合作為合成聚合物刷的有力工具,以N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAAm)為交聯(lián)劑,3-烯丙氧基-2-羥基-1-丙磺酸鈉鹽(AHPS)為單體,將支鏈共聚物接枝至巰基二氧化硅上(圖4d),制備出親水/陽離子交換固定相Sil@Poly (AHPS-co-MBAAm)。最后基于混合模式保留機制,成功實現(xiàn)了核苷、堿基和酸性化合物的高效分離以及糖肽的高選擇性富集。這種由巰基-烯點擊反應接枝的三維支鏈共聚物提供了豐富的功能結(jié)合位點,賦予了二氧化硅顆粒較高的親水性和協(xié)同的靜電作用,進一步提升了固定相對目標物的選擇性和分離效率。

1.3 基于巰基-炔點擊反應的柱色譜分離材料

巰基-炔點擊反應通常被認為是巰基與三鍵、雙鍵之間的次序加成反應,是巰基-烯加成反應的重要延伸與拓展。該點擊反應類型最早由Bowman課題組[62]在2009年提出,目標是在巰基-烯點擊反應的基礎(chǔ)之上,繼續(xù)發(fā)展一系列可靠且高選擇性的碳-硫成鍵反應來實現(xiàn)原子之間的高效連接,有利于新型高性能材料的模塊化制備。目前,巰基-炔反應作為一種強有力的合成手段,已逐漸滲透進入色譜分離領(lǐng)域,在構(gòu)建交聯(lián)型[63-65]、聚合型材料[66]以及手性修飾[67]等研究中發(fā)揮重要作用。

Shields等[63]通過將1,4-二乙炔基苯和1,6-己二硫醇引入到巰基功能化的二氧化硅表面,制備了在極端pH條件下非常穩(wěn)定的高交聯(lián)固定相,結(jié)果表明,使用巰基-炔反應有望創(chuàng)制穩(wěn)定和多樣化的固定相,通過添加不同的共聚物和單體,有可能產(chǎn)生多種類型的新相。Ma等[66]采用光引發(fā)的巰基-炔聚合反應,通過與多種類型的硫醇共聚,在紫外透明的熔融二氧化硅毛細管內(nèi)原位制備多種雜化單體。這些雜化單體產(chǎn)生了具有較大貫通孔隙尺寸/骨架尺寸比的雙連續(xù)多孔結(jié)構(gòu),使得毛細管整體柱對復雜樣品具有較強的分離能力,成功應用于牛血清白蛋白胰酶消化物的分離。這種光引發(fā)的巰基-炔聚合可在10 min內(nèi)完成,比溶膠-凝膠化學、熱引發(fā)自由基聚合和開環(huán)聚合等合成雜化整體柱的方式更加節(jié)省時間,為其他雜化整體材料的制備提供了一種簡便快速的方式。另外,嚴秀平團隊[67]利用巰基-炔點擊反應將3種具有不同手性中心的結(jié)構(gòu),包括1-巰基甘油(TGC)、巰基琥珀酸(MSA)和N-乙酰半胱氨酸(NAC)共價連接在微孔有機網(wǎng)絡(MONs)材料上(圖5),成功制備了毛細管柱并實現(xiàn)了多種手性化合物的氣相色譜拆分,其分辨率和選擇性優(yōu)于3種商用手性毛細管柱。這種基于巰基-炔點擊反應的手性后修飾策略,為合成手性MONs材料提供了一種簡單可行的方法,極大地開發(fā)了手性MONs材料應用在手性分離方面的巨大潛力。

圖 5 巰基-炔點擊策略用于手性氣相色譜的后合成手性MONs的示意圖[67]Fig. 5 Illustration for the thiol-alkyne click strategy to post-synthesize chiral microporous organic networks (MONs) for chiral GC[67]

2 基于點擊化學的膜色譜分離材料

膜分離技術(shù)是源于20世紀初期并在20世紀60年代迅速崛起的一門新興的分離技術(shù)。膜分離技術(shù)以具有選擇性分離功能的分離膜為核心,借助外界力量或以化學位差為推動力,實現(xiàn)不同組分的分離、純化與濃縮。膜分離通常在常溫環(huán)境下進行、無相態(tài)變化或化學變化、簡單易操控、節(jié)能環(huán)保、可在分子級別內(nèi)進行物質(zhì)分離,現(xiàn)已被廣泛應用于食品、醫(yī)藥、水處理等多個研究領(lǐng)域中,逐漸發(fā)展成為分離科學中強有力的分離手段之一。其中,膜色譜是將膜分離技術(shù)和色譜法有機地結(jié)合起來,采用一定孔徑的膜作為介質(zhì),在其表面或孔隙中鍵合功能分子,利用目標分子與膜的相互作用進行分離純化。膜色譜融合了膜分離技術(shù)樣品容量大、壓力低和色譜法選擇性高、分析速度快的優(yōu)點,逐漸發(fā)展成為色譜分離領(lǐng)域中的一個重要分支。盡管目前很多膜材料并未被真正地應用于膜色譜分離技術(shù)中,但其通過對膜基質(zhì)進行功能改性的設(shè)計思路與膜色譜原理基本一致。因此,本文將這些具有膜色譜分離潛能的膜材料統(tǒng)稱為膜色譜分離材料。作為整個分離系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的組成部分,其結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化是十分重要的。起初,Cai等[68]采用疊氮-炔環(huán)加成反應成功制備了聚偏氟乙烯接枝共聚物膜,這一工作極大地刺激了點擊化學在膜領(lǐng)域的發(fā)展。與傳統(tǒng)合成策略相比,點擊化學憑借其反應條件溫和、反應速率快、選擇性高等優(yōu)點為膜的合成與表面改性提供了更精確、可控和高效的平臺?，F(xiàn)針對3種常見的點擊反應類型在膜色譜分離材料制備中的應用加以介紹和討論。

2.1 基于疊氮-炔點擊反應的膜色譜分離材料

利用具有高選擇的疊氮-炔環(huán)加成反應可以在膜表面錨定多種類型的功能分子,實現(xiàn)膜表面官能化。通常是先將膜表面或成膜聚合物進行疊氮或炔基功能化,再通過簡單的一步點擊反應,將炔基或疊氮官能化分子接枝到膜上。不同的功能分子賦予膜材料多樣性的功能與應用?；诏B氮-炔環(huán)加成反應構(gòu)建的膜色譜分離材料主要在提高膜防污性能[69-72]和物質(zhì)選擇性分離[73-75]領(lǐng)域中受到了廣泛應用。

膜污染一直是限制其快速發(fā)展的瓶頸問題。膜的實際應用條件和分離系統(tǒng)非常復雜,常常伴隨多種類型污染物的存在,容易造成膜結(jié)構(gòu)的不良變化和分離性能的顯著惡化,大大縮短膜的使用壽命。為了克服膜污染的問題,制備高效的防污膜被視為從源頭上提高防污性能最有效、最基本的方法。林立剛團隊[70]對乙烯-乙烯醇共聚物膜進行炔基功能化,然后利用點擊反應將疊氮化的β-CDs固定在其表面。經(jīng)過處理后,親水膜的油水分離性能顯著提高,且β-CDs的“分子籠”幾何結(jié)構(gòu)可以誘導多種客體分子進入空腔,對可溶性有機污染物表現(xiàn)出良好的吸附性能。最終,通過簡單的一步膜過濾操作即可阻斷乳化油滴,處理混合污染物廢水。除此之外,該研究組還提出了一種基于β-CDs的滑動超分子聚合物刷(SSPBs)動態(tài)表面修飾的膜制備方法[71](圖6)。通過疊氮-炔環(huán)加成反應,將具有三維親水性結(jié)構(gòu)的SSPBs引入到乙烯-乙烯醇共聚物膜基質(zhì)中?；瑒拥挠H水環(huán)提供了一個主動排斥系統(tǒng),提高水通量的同時減少了多種污染物與膜表面直接接觸。這種三維膜表現(xiàn)出較高的表面親水性、水下疏油性和防污性?？梢钥闯?基于疊氮-炔環(huán)加成反應的三維親水膜制備策略簡單高效,為膜的功能化修飾提供了思路。

圖 6 通過疊氮-炔點擊耦合反應形成滑動超分子聚合物刷的策略示意圖[71]Fig. 6 Schematic diagram of the sliding supramolecular polymer brushes formation strategy via the azide-alkyne click coupling reaction[71]

另外,對分離膜進行合理設(shè)計有助于實現(xiàn)對特定物質(zhì)的高親和性和高通量篩選。Tatsuo Maruyama團隊[73]嘗試了一種基于點擊化學的相分離制備親和膜的新方法。在含疊氮的表面活性劑存在下,通過相分離法制備了多孔聚合物膜,然后再與水中的炔基化分子點擊結(jié)合,完成在膜表面上的固定化。結(jié)果顯示,兩種不同的炔基化分子修飾的聚合物膜分別對六聚組氨酸標記蛋白和萬古霉素展現(xiàn)出較強的親和性,使其在復雜基質(zhì)中對兩種物質(zhì)的分離純化成為可能。由于點擊固定化是在水中進行的,因此這種點擊反應進一步拓寬了多種水溶性功能分子在制備親和膜中的應用范圍。

2.2 基于巰基-烯點擊反應的膜色譜分離材料

近年來,采用巰基-烯點擊化學反應快速制備或功能化膜分離材料的報道越來越多,獲得的分離膜因其獨特的結(jié)構(gòu)和性能在油水分離[76-80]、氣體分離[81-84]、水環(huán)境污染物去除[85-89]以及其他物質(zhì)的選擇性分離領(lǐng)域[90-92]中有著廣闊的應用前景。

日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及石油泄漏等造成的油污染日益嚴重,現(xiàn)已成為全球性的環(huán)境挑戰(zhàn)之一。如何快速有效地處理含油廢水已成為水凈化領(lǐng)域亟待解決的問題。得益于膜獨特的分離性能和可調(diào)節(jié)的孔隙率,膜分離已被公認為是一種高效的油水分離方法。然而,油在膜表面的吸附和聚集容易造成膜污染,嚴重影響膜的分離效率和使用壽命,因此,提高膜的防污性能同樣至關(guān)重要。Shen等[77]提出了一種巰基-烯點擊聚合方法用于制備具有超親水和超疏油能力的聚乙二醇(PEG)修飾的聚丙烯腈(PAN)膜(圖7a)。首先用堿溶液將原始的PAN膜水解,然后與半胱胺鹽酸鹽反應生成巰基化膜表面,最后將聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMA)通過點擊反應共價接枝到膜表面,得到PEG修飾的PAN膜。該膜對幾種水包油乳化劑的分離效率高達99.9%,展現(xiàn)出良好的油水分離性能。研究還發(fā)現(xiàn),即使經(jīng)過3次循環(huán)過濾,該膜的分離通量也能恢復到95%以上的高水平,表明其在分離過程中具有較強的抗污能力。由此可見,巰基-烯點擊反應可以作為一種巧妙的接枝途徑,用于油水分離膜表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計與改性。

圖 7 基于巰基-烯點擊反應制備的膜分離材料Fig. 7 Membrane separation materials prepared based on thiol-alkene click reaction a. PEG-modified PAN membrane[77]; b. PEG-g-PES comb-like copolymer membrane[82]; c. tetrabromobisphenol A molecularly imprinted membrane[85].

除油污染以外,CO2的大量排放也嚴重影響地球的生態(tài)環(huán)境,發(fā)展高效、可持續(xù)的CO2分離方法對碳捕獲和再利用技術(shù)至關(guān)重要。膜分離作為一種綠色分離技術(shù),因其分離效率高、能耗低、穩(wěn)定性好而被認為是分離CO2的理想策略。利用巰基-烯點擊化學方法,可制備一種以聚醚砜(PES)為主鏈提供機械支撐、低相對分子質(zhì)量的PEG為側(cè)鏈提供CO2運輸通道的梳狀共聚物膜(圖7b)[82]。通過改變PEG側(cè)鏈的長度和密度可調(diào)控微相分離的精細結(jié)構(gòu),進而實現(xiàn)共聚物膜對CO2的最佳分離性能,優(yōu)化后的共聚物膜對CO2顯示出優(yōu)異的滲透性和選擇性。可以看出,基于簡單的巰基-烯點擊化學反應對共聚物材料的微觀結(jié)構(gòu)進行調(diào)控有助于進一步優(yōu)化膜的氣體分離性能。

另外,人類活動排放的大量污染物進入水體會使水環(huán)境的理化性質(zhì)和生物組成發(fā)生改變,進而造成水質(zhì)惡化,破壞生態(tài)環(huán)境,甚至危害人體健康。目前,利用經(jīng)濟環(huán)保的膜分離技術(shù)去除水環(huán)境中的污染物備受關(guān)注。其中,具有分子選擇性的分子印跡膜材料可在膜及其孔表面形成選擇性的再結(jié)合位點,在特異性識別和去除污染物方面表現(xiàn)出前所未有的優(yōu)越性。Yu等[85]利用巰基-烯反應制備了一種對四溴雙酚A具有精確捕獲和分離能力的分子印跡膜材料(圖7c),在不同化學環(huán)境中均表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性,為選擇性去除水環(huán)境中的四溴雙酚A提供了可能。巰基-烯這種特異性點擊反應為定制分子印跡膜材料提供了新的思路,進一步推動高選擇性識別和分離技術(shù)的發(fā)展。

2.3 基于巰基-炔點擊反應的膜色譜分離材料

巰基-炔點擊反應已被報道用于各種用途的功能材料的合成,特別在聚合物的制備中,該方法有望形成均勻穩(wěn)定的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。在膜分離材料領(lǐng)域中,常采用巰基-炔點擊反應制備聚合物膜用于分離環(huán)境中的污染物[93-95]和氣體[96]等。

納米復合膜是將連續(xù)的致密相和分散的多孔相結(jié)合,利用聚合物膜作為結(jié)構(gòu)支撐,多孔納米材料作為快速傳輸通道。其中,實現(xiàn)無填料堆積和無缺陷是賦予納米復合膜高滲透性和高選擇性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。Chen等[93]引入了一種界面橋接策略,將含炔基的共價有機骨架(COF)通過巰基-炔點擊反應初步接枝到親水性Cys橋上,然后再與聚乙烯亞胺(PEI)和均苯三甲酰氯(TMC)交聯(lián),最終得到聚酰胺復合膜(PA/COF-C膜)(圖8)。這種基于點擊化學的親水性改進策略最大限度地提高了COF材料與聚合物膜的相容性并減少了膜缺陷。優(yōu)化后的納米復合膜材料對多種染料和抗生素具有優(yōu)異的滲透性和選擇性,展現(xiàn)出在工業(yè)廢水處理方面的應用潛力。

圖 8 (a)通過界面橋接方法制備PA/COF-C納米復合膜示意圖和(b)PA/COF-C層的合成化學反應[93]Fig. 8 (a) Schematic illustration for the fabrication of polyamide/covalent organic framework-Cys (PA/COF-C) nanocomposite membrane by an interfacial bridging method, and (b) chemical reaction of the formation of PA/COF-C layer[93]

聚合物獨特的理化性質(zhì)決定了其在氣體傳輸方面應用的可能,適當?shù)馗淖兙W(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以調(diào)控它們的分離性能。高交聯(lián)的蓖麻油基聚氨酯膜因通過巰基-炔點擊反應而形成了具有良好結(jié)構(gòu)的交聯(lián)網(wǎng)絡和靈活的柔性硫醚鍵,展現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能和熱穩(wěn)定性,為氣體高效輸送提供保障[96]。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使得該膜對CO2具有較高的選擇性,可以高效分離CH4和H2中的CO2。

3 總結(jié)與展望

本文綜述了近5年來點擊化學在色譜分離材料研究方面的最新進展,主要從柱色譜分離和膜色譜分離兩個方面對疊氮-炔環(huán)加成、巰基-烯和巰基-炔加成3種常用的點擊反應類型進行了討論。可以看出,盡管點擊化學的發(fā)展歷時較短,但其憑借獨特的優(yōu)勢在分離科學領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展,尤其是基于巰基加成反應的應用顯示出日益增長的趨勢。點擊化學不僅為色譜分離材料的快速合成與精準修飾提供了一種強大高效的工具,同時有助于進一步提升材料的分離性能,例如疊氮-炔環(huán)加成反應生成的三唑雜環(huán)能夠提供氫鍵、π-π作用位點或靜電作用位點,增強材料和目標物之間的相互作用;巰基-炔反應經(jīng)首次加成后生成的雙鍵可為其他功能分子提供額外的二次加成接枝位點,有利于實現(xiàn)分離功能互補;簡單的點擊反應操作擴大了單體的選擇范圍,豐富了表面功能多樣化整體柱的制備工藝,且較高的產(chǎn)率顯著提高了整體柱的柱效等。相信未來仍有大量的相關(guān)工作值得去探索,主要挑戰(zhàn)集中在設(shè)計更新穎的分離材料、開發(fā)更多專屬性的反應類型、提高功能分子的鍵合效率以及改善材料的分離效能等方面,以繼續(xù)深度挖掘點擊化學的潛在應用價值。