動態亞胺化學的分子設計及其動態性質研究

劉小紅，劉家銘，秦靜靜，梁利巖

（1.中國科學院廣州化學研究所，廣東 廣州 510650；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院新型特種精細化學品工程實驗室，廣東 廣州 510650；4.國科廣化韶關新材料研究院，廣東 南雄 512499；5.國科廣化(南雄)新材料研究院有限公司，廣東 南雄 512499）

隨著動態化學的發展，依賴于動態共價鍵的動態共價交聯自適應性網絡被提出[1-3]；并且該類型的聚合物網絡可同時具備熱固性樹脂和熱塑性塑料的優勢，通過動態交聯之間的可逆反應使得聚合物網絡中的分子鏈重新排列，進而表現出再加工、自愈合或回收性能[4-5]。

動態共價鍵（dynamic covalent bonds，DCBs）作為一類能夠在一定外界刺激（包括熱、光、pH 等）下可逆斷裂和重組的化學鍵，因其具有獨特的響應性而受到很多關注[6-9]。然而，在動態共價鍵的化學寶庫中，由醛或酮與伯胺經脫水縮合反應生成的亞胺鍵是最為經典的化學鍵之一。它于1864 年被德國化學家Hugo Schiff 首次發現。亞胺鍵可進行三類動態反應，包括氨基轉移反應、亞胺復分解反應和亞胺縮合/水解反應。因此，亞胺鍵也被認為是一種最具有代表性的動態可逆鍵，這使它在制備動態共價聚合物中被廣泛采用[10-13]。

因此，在本文中，通過分子設計，合成相關亞胺小分子單體，并對亞胺鍵的三類動態特性進行了相關驗證。首先，將兩類不同的亞胺小分子模型化合物進行混合，采用核磁氫譜和GC-MS 分析方法對亞胺鍵的復分解反應機制進行了分析。其次，亞胺鍵的氨基轉移反應也通過核磁表征而在亞胺小分子單體和另一分子伯胺化合物中得到了驗證。此外，亞胺鍵的水解機制也被詳細證明。

1 實驗

1.1 試劑

芐胺（AR，≥99%），4-羥基苯甲醛（AR，≥99%）和4-甲氧基苯胺（AR，≥97%）上海麥克林生化科技有限公司；苯甲醛（AR，≥99%），4-氨基苯酚（AR，≥99%），苯胺（AR，≥99%），4-硝基苯甲醛（AR，≥97%），阿拉丁化學試劑上海公司；無水乙醇和石油醚，AR，天津大茂化學試劑廠。

1.2 相關亞胺小分子單體的合成

1.2.1 (E)-N,1-二苯甲基苯胺（1）

首先，將苯甲醛（4.24 g，40 mmol）溶于100 mL 無水乙醇并加入到一個帶回流-攪拌裝置的250 mL 三頸燒瓶中，隨后將苯胺（3.72 g，40 mmol）滴入混合液內，觀察到混合液逐漸變黃。將反應液升溫至60℃進行攪拌12 h 后冷卻至室溫，此時將反應液置于50～60℃的旋轉蒸發儀中減壓除去有機溶劑得到大量微黃色固體粉末粗品。用少量無水乙醇溶解粗品，然后將其滴入到大量去離子水中，發現大量乳白色晶體析出。最后，將收集的乳白色晶體置于真空70℃干燥24 h 至恒重，得到(E)-N,1-二苯甲基苯胺（1）（6.06 g，產率83.67%）。具體的合成路線及結構表征如圖1 和圖2 所示。

圖1 單體1 的合成路線

1H-NMR(400 MHz,CDCl3,δ,ppm): 8.46(s,1H,N=C-H),7.94-7.91(d,2H,Ar-H),7.50-7.45(m,3H,Ar-H),7.42-7.38(d,2H,Ar-H),7.24-7.20(m,3H,Ar-H)

13C-NMR(400 MHz,CDCl3,δ,ppm): 160.51,152.09,136.20,131.44,129.19,128.84,128.82,125.98,120.90

1.2.2 (E)-N-(4-甲氧基亞芐基)-1-(4-硝基)苯胺（2）

將4-硝基苯甲醛（6.05 g，40 mmol）溶于100 mL 無水乙醇并加入到一個帶回流-攪拌裝置的250 mL 三頸燒瓶內，然后將4-甲氧基苯胺（4.93 g，40 mmol）滴入其中，觀察到有熒黃色沉淀生成。將反應液升溫至60℃繼續磁力攪拌12 h 后冷卻至室溫，所得固體物質過濾后用無水乙醇洗滌數次，最后，將固體物質于真空70℃干燥24 h 至恒重，得到黃色粉末物質(E)-N-(4-甲氧基亞芐基)-1-(4-硝基)苯胺（2）（9.85 g，產率96.17%）。具體的合成路線及結構表征如圖3 和圖4 所示。

圖4 單體2 的1H-NMR 譜圖

1H-NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ,ppm): 8.83(s,1H,N=C-H),8.34(d,2H,Ar-H),8.15(d,2H,Ar-H),7.40(d,2H,Ar-H),7.02(d,2H,Ar-H),3.80(s,3H,OCH3)

13C-NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ,ppm): 164.26,158.11,149.65,144.18,140.16,129.04,124.48,121.72,114.07,55.34

1.2.3 (E)-1-(4-硝基亞芐基)-N-苯胺（3）

將4-硝基苯甲醛（6.05 g，40 mmol）溶于100 mL 無水乙醇并加入到一個帶回流-攪拌裝置的250 mL 三頸燒瓶內，然后將苯胺（3.72 g，40 mmol）滴入其中，觀察到有微黃色沉淀生成。將反應液升溫至60℃繼續磁力攪拌12 h 后冷卻至室溫，所得固體物質過濾后用無水乙醇洗滌數次，最后，將固體物質于真空70℃干燥24 h 至恒重，得到黃色粉末物質（3）（8.63 g，產率95.43%）。具體的合成路線及結構表征如圖5 和圖6 所示。

圖5 單體3 的合成路線

圖6 單體3 的1H-NMR 譜圖

1H-NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ,ppm): 8.81(s,1H,N=C-H),8.36(d,2H,Ar-H),8.19(d,2H,Ar-H),7.46(d,2H,Ar-H),7.35(d,2H,Ar-H),7.32(m,1H,Ar-H)

13C-NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ,ppm): 160.61,151.51,149.06,139.89,129.36,129.04,126.31,124.48,121.05

1.2.4 (E)-N-(4-甲氧基亞芐基)苯胺（4）

將苯甲醛（4.24 g，40 mmol）溶于100 mL 無水乙醇并加入到一個帶回流-攪拌裝置的250 mL 三頸燒瓶內，然后將4-甲氧基苯胺（4.93 g，40 mmol）滴入其中，觀察到有微黃色沉淀生成。此時，將反應液升溫至60℃繼續反應12 h 后冷卻至室溫，所得固體物質過濾后用無水乙醇洗滌數次，最后，將固體物質于真空70℃干燥24 h 至恒重，得到黃色粉末物質(E)-N-(4-甲氧基亞芐基)苯胺（4）（8.23 g，產率98.28%）。具體的合成路線及結構表征如圖7和圖8 所示。

圖7 單體4 的合成路線

圖8 單體4 的1H-NMR 譜圖

1H-NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ,ppm): 8.65(s,1H,N=C-H),7.94-7.90(d,2H,Ar-H),7.55-7.50(m,3H,Ar-H),7.33-7.29(d,2H,Ar-H),7.01-6.97(d,2H,Ar-H),3.79(s,3H,-OCH3)

13C-NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ,ppm): 160.64,158.16,145.20,135.83,130.40,128.85,128.74,121.75,114.07,55.31

1.2.5 (E)-N-苯亞甲基-1-苯基甲胺（5）

首先，將苯甲醛（4.24 g，40 mmol）溶于100 mL 無水乙醇并加入到一個帶回流-攪拌裝置的250 mL 三頸燒瓶內，隨后將芐胺（4.28 g，40 mmol）滴入混合液中，觀察到混合液逐漸變黃。將反應液升溫至60℃反應12 h 后，再將其置于50～60℃的旋轉蒸發儀中減壓旋蒸除去有機溶劑，直到出現大量微黃色固體粉末粗品。用少量無水乙醇溶解粗品，然后將其滴入到大量去離子水中，發現大量乳白色晶體析出。最后，將收集的灰白色晶體置于真空70℃干燥24 h 至恒重，得到(E)-N-苯亞甲基-1-苯基甲胺（5）（6.80 g，產率87.24%）。具體的合成路線及結構表征如圖9 和圖10 所示。

圖9 單體5 的合成路線

圖10 單體5 的1H-NMR 譜圖

1H-NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ,ppm): 8.47(s,1H,N=C-H),7.69-7.67(d,2H,Ar-H),7.41-7.35(m,3H,Ar-H),7.34-7.31(m,2H,Ar-H),7.30-7.28(m,3H,Ar-H),4.75(s,2H,-NCH2-)

13C-NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ,ppm): 160.20,138.76,135.73,129.74,128.70,128.53,128.27,128.05,127.28,62.38

1.2.6 (E)-4-((4-羥基亞芐基)氨基)苯酚（6）

首先，將對羥基苯甲醛（4.88 g，40 mmol）溶于100 mL 無水乙醇并加入到一個帶回流-攪拌裝置的250 mL 三頸燒瓶中，然后將對氨基苯酚（4.36 g，40 mmol）滴入到混合液內，觀察到混合液逐漸變淺紅棕色。將混合物加熱并在60℃反應24 h 后，將其置于50～60℃的旋轉蒸發儀中除去有機溶劑，直至出現大量微紅色固體粉末粗品。用少量無水乙醇溶解粗品，隨后加入冰石油醚，發現大量微紅色固體物質析出，過濾除去溶劑，并通過少量多次方法用無水乙醇洗滌數次。最后，將收集的固體置于真空70℃干燥24 h 至恒重，得到純物質（6）（7.83 g，產率91.84%）。具體的合成路線及結構表征如圖11 和圖12 所示。

圖11 單體6 的合成路線

圖12 單體6 的1H-NMR 譜圖

1H-NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ,ppm): 10.01(s,1H,Ar-OH),9.39(s,1H,Ar-OH),8.43(s,1H,N=C-H),7.73-7.71(d,2H,Ar-H),7.12-7.10(d,2H,Ar-H),6.87-6.85(d,2H,Ar-H),6.78-6.76(d,2H,Ar-H)

13C-NMR(400 MHz,DMSO-d6,δ,ppm): 160.78,157.01,156.85,141.62,131.40,127.36,123.89,117.23,116.62

1.3 亞胺小分子的亞胺復分解反應機理

為了驗證亞胺的復分解反應，將適量亞胺小分子單體（1）置于含有氘代二甲亞砜的核磁樣品管中，待收集到（1）的核磁氫譜后，取適量亞胺小分子單體（2）加入其中再次進行核磁氫譜表征；隨后在核磁共振譜儀中選取混合樣品不同反應時間（10 min、30 min、1 h 和3 h）的核磁氫譜。

另外，還采用GC-MS 光譜分析進一步驗證亞胺復分解反應。具體的，將適量亞胺小分子單體（6）溶于含有少量無水乙醇的樣品管中，隨后加入適量（1）混勻，通過監測化學物質的保留時間和質譜來分析混合樣品的反應情況。

1.4 亞胺小分子的氨基轉移反應機理

為了驗證亞胺的氨基轉移（轉胺交換）反應，將適量亞胺小分子單體（1）置于含有氘代二甲亞砜的核磁樣品管中，待收集到（1）的核磁氫譜后，取適量芐胺加入其中再次進行核磁氫譜表征；隨后在核磁共振譜儀中選取混合樣品不同反應時間（10 min、30 min 和1 h）的核磁氫譜。

1.5 亞胺小分子的亞胺水解反應機理

同樣通過核磁氫譜法對亞胺的水解反應進行了驗證，首先取適量苯甲醛溶于含有氘代二甲亞砜中進行核磁氫譜表征，另取核磁管采用相同方法表征苯胺的核磁氫譜。隨后，將適量苯甲醛和苯胺同時加入含有氘代二甲亞砜中進行核磁氫譜表征，待收集譜圖后，取適量新配置的0.1 mol/L 的鹽酸水溶液（氘代二甲亞砜和水的比例為8∶2）加入其中以進行水解反應，并收集其混合物的核磁氫譜。另外，另取含有1 mL 的0.1 mol/L 鹽酸水溶液（氘代二甲亞砜和水的比例為8∶2）的核磁管，將適量苯甲醛溶于其中，再取適量苯胺加入混合液中，待混合液充分混勻后進行核磁氫譜表征。

1.6 測試與表征

1H-NMR 和13C NMR 是在室溫下采用BRUKER AVANCE 400 光譜儀記錄的，其中，以四甲基硅烷（TMS）為內標物的CDCl3或DMSO-d6為溶劑溶解樣品。

GC-MS 分析采用7890B-5977A 氣相色譜-質譜儀（GC-MS，美國安捷倫）進行測試。

2 結果與討論

2.1 亞胺復分解反應機理驗證

為了研究亞胺復分解反應的交換機理，合成相關亞胺小分子單體模型來驗證亞胺鍵的復分解反應，見圖13。

圖13 亞胺鍵的復分解反應機理圖

將制備的亞胺小分子單體1 與2 以特定的化學計量比置于含有DMSO-d6的核磁樣品管中，通1HNMR 譜圖中的氫譜變化來測定兩種亞胺小分子單體的化學反應過程。正如圖14 所示，將單體1 與2在核磁管中混合后立即進行測試，10 min 后，化學位移在8.65 ppm 處便已出現新的亞胺特征峰，通過與純單體3 和純單體4 的核磁氫譜進行對比，確認8.65 ppm 處的新峰歸屬于單體4 的亞胺特征峰。并且，化學位移在 7.48 ppm 和7.0 ppm 處也出現新的特征峰，這兩類峰也歸屬于單體4 的特征峰。另外，在8.38 ppm 和8.18 ppm 處也出現了新的特征峰，經確認該兩類峰歸屬于單體3 的相關氫質子峰。上述結果說明亞胺小分子單體1 與單體2 在室溫下發生了動態交換反應。

圖14 亞胺小分子1 和2 在不同反應時間內的核磁氫譜圖

在理想狀態下，根據動態亞胺鍵的復分解反應機制（圖13），亞胺小分子單體1 與單體2 的動態交換反應產物有四種，分別為：原料單體1、2 和含新的亞胺鍵的產物3 和4。然而，圖中可以明顯檢測到新單體3 和4 的相關特征峰，并且特征峰強度在明顯增強，而原料1 和2 的相關峰卻明顯減弱。正如圖15 所示，隨著反應的進行（10 min、30 min、1 h 和3 h），混合物中單體1 中8.45 ppm 處的亞胺特征峰以及亞胺小分子單體2 在化學位移為8.35 ppm 和8.15 ppm 處的相關特征峰都在不斷減弱；而所有新出現的單體3 和4 的特征峰強度卻在明顯增大。這可能是因為混合物的動態交換反應在持續向正方向進行，并且隨著反應時間的不斷延長，正向反應產物單體3 和4 的濃度不斷增大，而原料1 和2 的濃度不斷減小，因而原料單體的峰會減弱甚至被產物3 和4 的強峰掩蓋。

圖15 亞胺小分子1 和2 在不同反應時間內的核磁氫譜圖

此外，還通過GC-MS 分析來進一步確定亞胺鍵的復分解反應機制。具體的，通過將亞胺小分子單體1 和6 以一定當量比混合反應，通過GC-MS監測混合物的動態反應過程來確定亞胺鍵的交換反應機制。

如圖16a 所示，GC-MS 監測到一定強度的三種物質特征峰，其保留時間分別為16.17、20.05 和23.31 min，這表明兩種反應單體之間發生了化學反應。進一步的，通過質譜進行結構鑒定（表1），可確定不同流出時間所對應的不同化合物。其中，流出時間為16.17 和23.31 min 的色譜峰分別對應于原料單體1 和單體2。而保留時間為20.05 min 出現了一個新的強峰，結合質譜分析，對該峰的物質分子量以及所對應的碎片峰進行對比，最終確認了新出現的峰恰好歸屬于亞胺復分解反應（圖16b）后的產物。

表1 GC-MS 譜圖峰的分布

圖16 亞胺小分子單體1 和亞胺小分子6 在室溫下混合后a.氣相色譜圖；b.單體1 與單體6 亞胺復分解反應

因此，通過以上的分析，一定程度驗證了動態亞胺鍵的復分解反應機理，并且該交換機理可進一步指導動態亞胺聚合物網絡的合成與制備，以及驗證其所帶來的各項動態特性，如可自愈性[14]、可焊接性[15]、重塑再加工[16]等。

2.3 亞胺的氨基轉移反應機理驗證

在上一小節中，通過核磁氫譜和GC-MS 分析對亞胺鍵的復分解反應進行了驗證；而為了闡明亞胺鍵的動態氨基轉移反應機制，也通過圖17 所示的亞胺小分子單體模型對其進行了研究。將成功制備的亞胺小分子模型單體1 和芐胺以特定的化學計量比置于含有DMSO-d6的核磁樣品管中，通過核磁氫譜變化研究了亞胺鍵的氨基轉移反應過程。如圖18a 所示，單體1 與芐胺的混合10 min 后，1HNMR 能監測到一定強度的產物峰（在8.49 ppm、7.95 ppm、7.54 ppm、6.75 ppm 以及4.62 ppm 處都出現了新的氫質子峰），這表明混合物進行了相關的化學反應。圖18a 中分別顯示了不同反應時間的混合物核磁氫譜圖與原料單體、純單體5 以及苯胺的核磁氫譜的對比，經比對確認8.49 ppm、7.95 ppm、7.54 ppm 以及4.62 ppm 處的新峰歸屬于單體5 的特征峰，其中，8.49 ppm 為亞胺特征峰。另外，在6.75 ppm 及4.62 ppm 處的化學位移為苯胺的氫質子特征峰。上述結果說明亞胺小分子單體5 與芐胺在室溫下發生了化學反應，其反應機制正如圖17所示，即單體1 與芐胺在室溫無催化劑下通過亞胺氨基轉移反應生成了新的含亞胺鍵的產物5 和苯胺單體。

圖17 亞胺鍵的氨基轉移反應機理圖

圖18 亞胺單體1 和純芐胺在不同反應時間內的（a）核磁氫譜圖和（b）局部放大譜圖

對核磁譜圖的進一步分析后，如圖18b 所示，可以明顯觀察到原料1 的相關特征信號（8.45 ppm）在反應過程中不斷降低；然而產物5 和苯胺的相關特征峰信號卻明顯增強。這說明氨基轉移反應在不斷向產物方向進行，并且隨著反應時間的延長，原料會不斷消耗，產物持續生成，直至達到動態平衡狀態[17]。

2.4 亞胺水解反應機理驗證

眾所周知，亞胺鍵是由羰基化合物醛或酮與伯胺經脫水縮合脫水而形成的[18]，該反應在室溫下無需催化劑即可進行。在前面的研究中，已對亞胺鍵的復分解反應和氨基轉移反應進行了分析，然而，水解反應是動態亞胺鍵的又一明顯特征。在酸和H2O 的催化下，亞胺鍵可發生水解反應并重新生成醛基和氨基化合物，如圖19 所示。

圖19 亞胺鍵的水解反應機理圖

與前期的研究一致，同樣采用了核磁表征方式對亞胺鍵的水解反應進行了探索。首先，如圖20 所示，將苯甲醛和苯胺的混合物核磁氫譜與純苯甲醛、苯胺、純單體1 的核磁氫譜進行對比，可以發現，混合物核磁譜圖（藍色譜圖）在8.45 ppm 處已開始出現新的亞胺特征峰。此外，在7.2 ppm 及7.0 ppm 處也開始出現新的質子峰。這說明苯甲醛與苯胺在室溫下無需催化劑即可進行脫水縮合形成亞胺鍵。而當在苯甲醛與苯胺的混合物中加入0.1 mol/L 的鹽酸水溶液（氘代二甲亞砜和水的比例為8∶2）時，8.45 ppm 處的亞胺峰卻消失不見（紅色譜圖），由此表明酸催化下醛基與氨基無法進行縮合反應，因此亞胺鍵也無法形成。

圖20 相關亞胺小分子的核磁氫譜圖

此外，除了純單體1 的核磁譜圖外，還在物質1 中加入了0.1 mol/L 的鹽酸水溶液（氘代二甲亞砜和水的比例為8∶2）進行氫譜檢測用以確認亞胺鍵的水解反應。如圖20 中的綠色譜圖所示，加入酸后物質1 的混合物氫譜新增了三處質子峰，其化學位移分別為9.75 ppm、7.5 ppm 和4.65 ppm；然而位于8.45 ppm 處的特征峰卻已消失不見。在經過與純單體1，純苯甲醛以及純苯胺的核磁氫譜圖對比后，可以發現9.75 ppm、7.5 ppm 處新增特征峰分別歸屬于苯甲醛的醛基和苯環的質子峰；而化學位移為4.65 ppm 的新增質子峰為苯胺的氨基特征峰；同時，在8.45 ppm 處消失的質子峰則為單體1 的亞胺特征峰。

基于以上結果分析，可以發現，亞胺鍵在室溫下無需催化劑即可由醛基和氨基經縮合反應形成；同時在酸性條件下它又極易發生水解反應而重新生成原來的醛基和氨基單體。因此，得益于亞胺鍵簡單的制備過程和擁有獨特的水解反應機制，基于亞胺鍵制備的動態自適應聚合物材料在一定程度上可以進行降解回收，一方面，可以緩解不可降解的聚合物材料所帶來的環境壓力；另一方面，也為高價值原料的可回收提供可能性。

3 結論

如圖21 在本工作中，通過分子設計，合成了不同的亞胺小分子模型化合物。主要通過在線核磁氫譜和GC-MS 分析手段對亞胺鍵的復分解反應、氨基轉移反應以及亞胺水解反應進行了確認，這為將其引入到高分子材料所引發的動態交換特性的應用中提供了理論基礎。結果表明，不同亞胺小分子之間可在室溫無催化劑條件下發生亞胺鍵的復分解反應；其次，亞胺鍵的氨基轉移反應也可在無需催化劑引發下通過亞胺小分子單體和另一分子芐胺中體現；最后，在酸性水溶液中，亞胺鍵可在室溫下發生水解反應，并將其水解成原先含醛基和氨基的小分子單體。

圖21 動態亞胺化學的相關小分子設計示意圖