有机聚合物材料表面受限光感应C–H键转换反应研究进展

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{attr}3204{/attr}聚合物材料普遍具有表面能低和反应惰性的特点, 限制了其在光、电、分离、生物医用等领域的应用. 表面改性是有机高分子材料高性能化的重要手段, 其涉及的核心科学问题是表面C–H键的活化/转换化学. 光化学反应具有快速高效、化学选择性高、环境友好、可低温反应、时间/空间精确可控等特点, 在有机聚合物材料表面改性上具有突出优势. 北京化工大学杨万泰院士等在《中国科学：化学》发表综述，介绍了其课题组多年来在有机聚合物材料表面受限光感应C–H键转换反应方面的研究进展, 系统介绍了此类反应的机理, 以及在生长/固定无机、导电材料、生物分子等方面的应用, 并展望了光感应C–H键转换反应今后的发展方向.

自20世纪初期, 以石油为原料的合成有机高分子材料的问世极大地改变了人们的生活方式, 目前其体积产量早已超过了金属材料, 在人们衣、住、行及日常生活中发挥不可替代的作用. 然而, 高分子材料在实际使用中存在两个具普遍性的特点, 即表面能低和反应惰性, 造成该类材料表面难印刷、难粘接、产生静电、生物相容性差、缺乏反应位点等诸多问题. 尤其在涉及生物、电子、光学等高技术领域时, 此类表界面问题显得更为突出. 因此, 开发合适的高分子材料表面功能化/活化方法, 对实现聚合物表面高性能化,满足迅速发展的信息材料、生物材料、国防材料、环保材料等领域的需求, 具有重要意义.

合成高分子材料, 特别是聚烯烃, 主要由C–C键和C–H键构成. 如果针对主链C–C键开展表面修饰反应, 会导致C–C键断裂, 从而影响材料的表面乃至本体性能. 而大部分聚合物材料的最外层表面具有丰富的C–H键, 可以提供高密度的反应位点用于基团转换, 且不会造成高分子的断链. 因此, 有必要开发出可以将聚合物材料表面的C–H键高效、选择性转换成特定功能基团或聚合物链的化学体系, 以满足光、电、分离、生物医用等高端用途对聚合物材料表面性能的需求. 虽然目前工业和实验室已经开发出了包括干湿氧化、电晕、等离子体处理、超声处理、臭氧处理、高能辐射接枝等多种聚合物材料的表面改性方法, 但这些方法大多会引起表面C–H键以外的其他化学键的解离, 导致表面引入基团结构不可控(如等离子体处理引入多种极性基团)、蚀刻或形态改变等问题. 在有机化学领域, 利用不同的{attr}3102{/attr}, 如过渡金属配合物、酶和纯有机化合物等, 已经开发出了多种有效的针对有机小分子中C–H键选择性转换的方法. 然而, 此类方法却并不适用于有机聚合物材料表面C–H键的选择性活化. 这主要是由于聚合物材料表面C–H键的反应活性与自由小分子中C–H键的反应活性并不相同, 在材料表面处于一种“冻结”的状态, 就反应体系而言, 属非均相表/界面C–H键转换反应, 或固体表面最外层聚合物侧链上H原子转换反应, 故其难度更大. 因此, 发展新的高效/快速, 高选择性表面C–H键转换反应仍然是一个巨大挑战.
北京化工大学杨万泰院士介绍了其课题组多年来在有机聚合物材料表面受限光感应C–H键转换反应（见下图）方面的研究进展, 系统总结了此类反应的机理, 以及在生长/固定无机、导电材料、生物分子等方面的应用, 并展望了光感应C–H键转换反应今后的发展方向.
有机聚合物材料表面受限光感应C–H键转换反应研究进展
本文近期发表于《中国科学：化学》——“C−H键催化活化专刊”，
全文：
王印典, 张先宏, 王力, 赵长稳, 陈冬, 刘莲英, 马育红, 杨万泰. 有机聚合物材料表面受限光感应C–H键转换反应研究进展. 中国科学：化学,  2020. doi:10.1360/SSC-2020-0162


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