三鍵單體由于其豐富的化學性質，以其制備的聚合物往往含有不飽和鍵，被廣泛應用于光電、信息、生物等高新技術領域。相比于炔（?C≡C?）和異腈（?N≡C），同屬于三鍵單體的腈（?C≡N）類化合物，來源和種類更加豐富，價格也更加低廉，并且有些還作為常用溶劑，例如乙腈等，而且在自然界中發現的腈類化合物也達到120種。但腈的碳氮三鍵非常穩定，化學性質相對比較惰性。?C≡N直接轉變為?C=N?雙鍵在熱力學上難以實現，此反應的聚合熱ΔH較小，其熵變ΔS為負值，由熱力學公式ΔG = ΔH - TΔS可知，整個過程是一個吉布斯自由能ΔG增加的過程，這種反應在熱力學上較難發生。因此，基于腈類單體的聚合反應條件通常比較苛刻，如高溫、微波輔助、氧炔焰封管、過渡金屬催化或超強酸介導等，而且所制備的含氮聚合物難以溶解或熔融（如圖1A-C）。這些苛刻的反應條件不利于聚合反應的實驗操作，而且過渡金屬催化的防疫容易在聚合產物中殘留痕量金屬，對高分子的溶解性以及光電性質產生較大影響，并有可能帶來生物毒性，限制了材料的應用，這些因素都極大地限制了腈類單體聚合反應的發展。所以，建立便捷高效、高選擇性、條件溫和、無過渡金屬催化腈類單體的新型聚合反應制備含氮功能聚合物具有非常重要的意義。
圖1. 腈類單體的聚合反應
該課題組前期研究表明，通過活化策略，可以提高三鍵單體的反應活性。如在炔基鄰位引入強吸電子基團（磺酰基、羰基、酯基、鹵素等），可以實現炔與疊氮、氨基、羥基、巰基等單體的高效聚合（Aggregate 2023, 4, e350; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 1672; J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 5437; Nat. Commun. 2023, 14, 3524; Chem. Sci. 2023, 14, 10718; Chem. Sci. 2020, 11, 3931; Macromolecules, 2020, 53, 2516; Macromolecules, 2020, 53, 5248; 2019, 52, 4526; Sci. China Chem. 2022, 65, 771; Sci. China: Chem. 2019, 62, 1198; Polym. Chem. 2020, 11, 3075; Polym. Chem. 2020, 11, 2568）。或在炔基鄰位引入α-C(sp3)?H鍵，實現炔基活化C(sp3)?H鍵的同時，C(sp3)?H也促進炔基的反應（ACS Macro Lett. 2019, 8, 1068; Macromolecules 2024, 57, 122; Macromolecules 2020, 53, 3358.）。
最近，華南理工大學唐本忠院士團隊秦安軍教授等，在前期工作的基礎上，采用在氰基鄰位引入α-C(sp3)?H鍵策略，成功實現了在溫和條件下氰基的高效轉化，并成功建立了堿催化的腈-疊氮點擊聚合，制備了一系列區域規整的功能聚(5-氨基-1,2,3-三唑)（PATAs），如圖1D所示。
作者通過對聚合反應條件的系統優化，得出了最佳的聚合反應條件：（1）對于芳基疊氮單體，可使用價格低廉的NaOH（20 mol%）為催化劑，DMSO/H2O（體積比8:2）為溶劑，單體溶度為0.10 M，室溫空氣中反應15 min；（2）對于烷基疊氮，則使用t-BuOK為催化劑，DMSO為溶劑，氮氣保護下反應12 h。通過系列腈類單體1和疊氮單體2的聚合，驗證了該聚合反應的普適性與高效性，所得產物最高重均分子量Mw可高達204000，產率可高達99%（圖2A）。通過模型化合物的制備（如圖2B和2C）及單體和聚合物的核磁共振氫譜和碳譜的解析和對照，證明該聚合反應具有非常高的區域選擇性，聚合產物為聚(5-氨基-1,2,3-三唑)（圖3）。所得聚合物在大極性有機溶劑（如DMF、DMSO、DMAc等）中具有非常好的溶解性，并且具有非常好的熱穩定性，其5%熱分解溫度Td在262 - 328 °C之間，為其后續的加工與應用提供了保障。
圖2.（A）腈-疊氮點擊聚合，（B）小分子模型反應，（C）M2與M3單晶結構
圖3. 氰基和疊氮單體、模型化合物及聚合物的核磁共振氫譜及碳譜
隨后，作者提出了該點擊聚合可能的機理，如圖4所示。由于氰基的強吸電子性，其α-氫相對比較活潑，在堿存在下極易被去質子化，生成碳負離子（I），該碳負離子可被堿的金屬離子（M+）穩定。α-碳負離子反過來又能與鄰位的氰基共軛從而激活氰基，使其很容易與疊氮基發生[2 + 3]環加成反應，從而選擇性地生成1,2,3-三唑-4H-亞胺碳酰離子（II）。隨后，II從反應體系中得到一個質子，生成1,2,3-三唑-4H-亞胺（III），并進一步快速異構化為5-氨基-1,2,3-三唑（IV）。重復上述步驟，就能以逐步聚合的方式生成PATAs。
圖4、腈-疊氮點擊聚合可能的機理
由于該聚合反應非常高效，可便利地將具有AIE特性的TPE基元引入到聚合物主鏈中，從而賦予聚合物AIE特性，如圖5所示。考慮到含TPE的P1a2d的AIE性質以及其主鏈中含有大量的5-氨基-1,2,3-三唑基元，有望用于實現對金屬離子的識別。通過對17種金屬離子作用，發現該聚合物能實時、特異性、靈敏地識別Fe(III)離子，其檢測限LOD低至1.205 × 10?7 M（圖6）。
圖5. 含TPE的P1a2d的AIE性質
圖6. 含TPE的P1a2d對Fe(III)離子的靈敏檢測
作者還研究了P1a2d在生物領域的初步應用（圖7）。MTT實驗顯示，當P1a2d的濃度高達128 μM時，HeLa細胞的存活率還幾乎保持在100%，說明該聚合物具有非常好的生物相容性。而且P1a2d能靶向識別細胞中的溶酶體，與商業染料LysoTracker Red DND-99 (LTR)的共定位率能達到0.81。其原因可能是由于細胞攝取機制的內吞途徑，以及含有許多5-氨基-1,2,3-三唑單元的聚合物結構的弱堿性。
圖7. P1a2d對溶酶體的靶向成像
由于腈-疊氮點擊聚合所得PATA每個重復單元均原位產生伯胺基團，作者通過系統的優化，實現了五氟苯酚活性酯對PATA的后修飾，其接枝率可高達99%。考慮到腈-疊氮點擊聚合以及活性酯后修飾都是在堿性條件下進行，作者還實現了疊氮、腈、活性酯單體的“一鍋、多組分”串聯聚合，如圖8所示。
圖8.（A）活性酯對P1a2a的高效后修飾；（B）腈、疊氮、活性酯單體的“一鍋、多組分”串聯聚合
該工作以“Efficient Conversion of Inert Nitriles to Multifunctional Poly(5-amino-1,2,3-triazole)s via Regioselective Click Polymerization with Azide Monomers under Ambient Conditions”為題發表在Journal of the American Chemical Society上，論文第一作者為華南理工大學王佳博士（現松山湖材料實驗室副研究員），通訊作者為秦安軍教授和唐本忠院士。其他作者為華南理工大學田甜碩士、李明照博士生、陳潔博士生、以及香港中文大學（深圳）張榮遠博士。相關研究工作獲得國家自然科學基金等項目的資助。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/jacs.3c12588
