表面硅羟基高效芳基化机制及典型应用

The attachment of self-assembled monolayers (SAMs) on silica surface with alkylsilanes represents the most important way to produce surface functional materials, but since their high reactivity, the progress of alkyl modification on surface is difficult to control, which always results in heterogeneous multilayers. Here, we attempt to solve this challenging issue based on our own arylation methodology, including metal catalyzed cross coupling, SNAr reaction, benzyne capturing and arylation with diaryliodonium salts. Through studying arylation mechanism in depth, we will build up a novel and efficient SAMs method to form stable and homogeneous surface on silica. Based on the new aryl arms, we will survey some classical applications through preparation of sensing films by connecting with interesting fluorophores. It’s believed that the implementation of this proposal will provide a totally new route to modify the silica surface via single-layer chemistry, and also give fundamental supports to create innovative surface functional materials.

以硅烷化试剂修饰硅羟基是获得硅基功能表面材料的重要途径。但因硅烷化试剂活性高、难以保存，反应过程难以控制等因素存在，使得以此方法获得的表面结构（烷基臂）存在类型相对单一、结构规整性差等问题。为此，在前期研究工作基础上，本项目提出将金属催化的交叉偶联、芳环上亲核取代、芳炔捕捉等高效芳基化方法应用于硅基表面化学单层修饰，通过研究硅基表面芳基化反应机制，建立高效的表面芳基化方法和技术，以期获得结构稳定和规整的表面结构（芳基臂）。以创制荧光敏感薄膜为切入点，开展基于芳基臂功能表面材料的典型应用研究。本项目的完成将为硅基表面化学单层修饰提供新途径，为硅基表面功能材料的创新制备提供新思路。

经由化学单层修饰在基质表面引入连接臂和反应性基团是创制功能表面材料的重要途径之一。按照与基质表面直接相连单元化学结构特点分类，连接臂大致可分为烷基臂、烯基臂和芳基臂等。目前，研究得较多的是烷基臂，常通过硅烷化试剂活化基质表面。然而，硅烷化试剂活化往往形成交联多层复杂结构，包埋部分烷基臂，不利于制备高性能功能表面材料。芳基臂是解决这些问题的途径之一。基于有机合成中成熟的芳基化策略，本项目合成了系列芳基化试剂，如二芳基碘鎓盐、芳炔前体、多氟芳烃衍生物以及芳基卤代物，评估这些芳基化策略修饰硅材表面，构建芳基连接臂的可能性。截至目前，通过芳基转移、芳炔裂解、芳香环亲核取代以及金属镍或钯催化偶联等手段，都未能建立有效芳基化硅材表面的方法。. 与此同时，在进行硅材表面芳基化基础探索的同时，我们围绕具有生物活性的有机化合物、药物分子及其相应中间体的合成，同步发展了一类高效金属镍/可见光协同催化芳基化体系。基于氟硼二吡咯类光敏剂（BODIPY）分子骨架，我们发展出高效的4,4′-二芳基取代的BODIPY，即DABDP类有机光敏剂。其衍生物Et-DABDP和AN-DABDP与简单的溴化镍组合，在可见光作用下，可催化形成C-C、C-O和C-N等重要化学键。该催化体系仅需使用0.02 mol%光敏剂，溴化镍用量也相应显著降低，在0.5 mol%用量下活性依然得到保持。新发展的AN-DABDP/Ni体系不仅催化剂用量低，还可以催化多种复杂药物分子的后期修饰，如胺类药物克唑替尼、劳拉替尼；醇类药物氢化可的松、阿托伐他汀；卤代药物凡德他尼和瑞普替尼等。该催化技术丰富了“以药创药”内涵，为新药创制提供了一种高效的新路径。