手性聚噻吩（Chiral Polythiophenes）的合成、结构解析与应用研究进展（2012–2025）：从分子立体化学到超分子手性光学

《International Journal of Molecular Sciences》：Chiral Polythiophenes: Part II: Recent Advances in Synthesis, Structural Determinations and Applications

　　

本综述旨在：（a）重点阐述制备非外消旋聚噻吩（non-racemic polythiophenes）的关键策略，涵盖单一化学实体或超分子薄膜结构；（b）讨论其基本结构特征与光学稳定性；（c）概述其作为手性传感器（chiral sensors）、手性催化剂（chiral catalysts）及光学材料（optical materials）的应用。特别强调了近年来在手性聚噻吩合成、由点手性（point stereogenicity）、跨空间手性（through-space stereogenicity）、平面手性（planar stereogenicity）或轴手性（axial stereogenicity）驱动的高阶分子组织、结构-性能关系（structure–property relationships）以及这些材料的预期应用方面所取得的进展。

主体内容总结

2. 聚噻吩的手性现象

2.1 手性的起源与产生

分子手性源于单个分子内的共价不对称性，产生具有不同物理化学和生物学性质的对映体。在聚噻吩中，当侧链中的立体生成元素（不对称中心、轴或平面）引导聚合物主链扭转并堆积成优选的左手（M）或右手（P）螺旋时，发生手性转移。此外，完全非手性的聚合物也可通过手性模板、手性溶剂、液晶介质、金属有机框架或圆偏振光等外部环境诱导产生超分子手性。手性产生策略包括依赖结构内立体生成元素的直接共价机制，以及通过外部环境因素诱导手性的非共价途径。

2.2 手性光学方法

圆二色光谱测量左旋和右旋圆偏振光在紫外-可见区域的吸光度差。单符号 Cotton 效应（monosignate Cotton effect）是发色团电子跃迁产生单一谱带的结果；双符号 Cotton 效应（bisignate Cotton effect）则源于相互作用发色团在手性取向中聚集时的激子耦合，即 Davydov 分裂（Davydov splitting）。该分裂产生两个相邻且符号相反的谱带，其符号顺序可直接指示超分子扭转的右手（P-螺旋）或左手（M-螺旋）性质。吸收不对称因子 g_abs 用于量化手性分子选择性吸收圆偏振光的能力。圆偏振发光光谱测量左右圆偏振光发射的差异，发光不对称因子 g_lum 是量化激发态手性光学强度的归一化参数。CD 与 CPL 对于追踪从分子尺度到大型超分子聚集体的过程至关重要，其响应高度敏感于分子堆积、聚集体形貌、薄膜组织以及氧化还原切换或热退火等外部因素。

2.2.1 CD 光谱

研究案例包括：环糊精功能化聚噻吩在不同溶剂中表现出不同的手性光学特征，纯甲醇或含水甲醇促进产生正 couplet 的双符号 CD 效应，指示右手螺旋，而 DMSO 则产生正单符号信号。区域规整与区域无规聚[3-((S)-3′,7′-二甲基辛基)噻吩]的 CD 光谱可区分有序聚集态与良溶剂中的无规线团结构。在二元溶剂体系中，CD 光谱显示两步聚集过程并伴随 CD 光谱在狭窄的非溶剂窗口内发生反转。D-葡萄糖修饰聚合物在溶液中采用稳定的单手性大分子螺旋，CD 强度随分子量增加并在 M_n < 3.4 × 10⁴ g/mol 时趋于平台，这是单手性大分子螺旋构象的特征。

2.2.2 圆偏振发光

聚合物在溶液和固态中均表现出橙色光致发光，其大分子螺旋手性诱导右手圆偏振发光，在氯仿中最大发光不对称因子为 1.6 × 10^?3，在滴铸薄膜中显著提高至 6.9 × 10^?3。通过空间共轭聚合物的对映体在 CHCl₃ 溶液中发出绿色光致发光并呈现镜像 CPL 信号，单分散聚合物在溶液中观察到清晰 CPL 信号较为罕见。

2.2.3 其他结构表征方法

除手性光学方法外，NMR 光谱、光散射、X 射线衍射和显微镜技术用于表征复杂超分子组装体的结构、立体化学和形貌。尽管合成与表征取得显著进展，分子设计与超分子组织之间的关系仍仅被部分理解。

2.3 将手性引入聚噻吩的方法/策略

手性通过共价修饰和超分子组装途径引入，包括聚合前连接手性侧链、手性溶剂或手性掺杂剂的外部场诱导、圆偏振光等物理刺激，以及在胆甾相液晶介质中的不对称电聚合。

2.4 液晶中的手性诱导

手性液晶可作为模板化反应场，在聚合过程中引导共轭聚合物的宏观螺旋性。利用可光反转的手性液晶进行 EDOT 的电化学聚合，可得到螺旋性方向由液晶基质转录的螺旋 PEDOT。

2.5 导致光学活性的聚集

自组装和聚集支配 π-共轭聚合物的光电性质。含聚噻吩和聚硒吩嵌段的共结晶手性嵌段共聚物中，共结晶导致部分链段混合，以较弱的 Se–S 相互作用替代强 Se–Se 相互作用从而解锁手性有序。星形 P3AT 比线性类似物形成更有序的结构，具有更强的手性光学效应，g 因子提高达两个数量级。该效应并非源于臂间电子耦合增强，而是协同超分子组织。阳离子聚噻吩与 β-1,3-葡聚糖多糖链通过静电相互作用驱动聚集，形成具有显著光学活性的高度有序超分子结构，通过杂化机制形成异三螺旋和异双螺旋结构。

3. 非外消旋聚噻吩的合成与结构测定

制备光学活性聚合物的方法包括：（a）聚合带有手性取代基的光学活性单体；（b）不对称聚合与手性转移；（c）非手性聚噻吩的聚合后手性诱导。

3.1 基于化学聚合的合成方法

3.1.1 区域规整手性聚噻吩的合成方法

McCullough 和 Rieke 方法：1994 年 Meijer 利用 McCullough 方案首次合成了手性区域规整聚噻吩，该方案依赖 Ni 催化的带有对映体纯烷氧基乙基侧链的 3-取代噻吩单体的交叉偶联聚合。快速冷却条件下该聚合物发生立体翻转，主链螺旋方向完全反转而侧链立体中心的绝对构型保持不变。

化学氧化聚合：通过 FeCl₃ 氧化聚合合成了手性区域对称聚噻吩和区域规整聚(β,β′-二取代联噻吩)，NMR 确认了 HH/TT 区域化学。含冠醚连接基的联噻吩聚合物表现出对手性化合物的手性光学传感能力。

直接芳基化聚合：基于钯催化的 C–H 键活化的脱氢卤化偶联，利用 Pd(OAc)₂ 与 K₂CO₃ 在 DMF 中合成了聚(3-烷氧基(烷基硫基)-4-氰基)噻吩。Wakioka 和 Ozawa 利用 Pd 催化剂、特戊酸、Cs₂CO₃ 和大体积膦配体实现了 >99% 区域规整度的聚(3-己基噻吩)合成。

直接 C–H 偶联聚合：利用 [Pd(dppf)Cl₂] 催化剂合成了具有约 82% 头-尾区域规整度的聚(3-取代噻吩)，引入吸电子烷基酯取代基稳定 HOMO 能级，将带隙加宽至 2.54–2.66 eV。

Stille 缩聚：在手性液晶介质中通过 Stille 偶联缩聚合成了新型手性聚噻吩，在手性介质中聚合时不对称诱导直接由溶剂环境介导。在手性液晶基质中合成的聚合物表现出显著增强的 CD 信号，表明 CLC 宿主手性转移与自发手性聚集的协同机制。通过 Stille 偶联将葡萄糖修饰的二溴联噻吩与双锡基噻吩连接，合成了由轴手性联噻吩构建的光学活性单手螺旋聚噻吩，该螺旋构象在溶液中持续存在而无需聚集体形成，是良溶剂中首个主链构象对环境因素基本不变的单手螺旋聚噻吩。

GRIM 格氏置换聚合/Kumada 催化剂转移缩聚：GRIM 是 Ni 催化的交叉偶联聚合，通过“准活性”链增长机制持续产生具有极高 HT 区域规整度的聚合物。利用该方法合成了环糊精功能化聚噻吩，在 50% 含水甲醇中表现出对多种氨基酸衍生物和二肽的主客体结合与手性识别能力。通过 GRIM 聚合合成了含手性 2-甲基丁氧基或 2-甲基丁基硫基侧链的区域规整 HT 聚噻吩，NMR 分析显示烷基硫基功能化聚噻吩具有 90% HT 区域规整度。利用 KCTP 合成了手性聚(3-甲基丁基噻吩)及其半氟烷基端基功能化类似物。通过 KCTP 合成聚(3-烷基噻吩)臂，经脱保护、叠氮化和点击化学三步后聚合修饰构建了 C₃-对称星形聚合物，该星形手性聚合物表现出比线性臂对应物强 100 倍的 CD 响应。混合臂星形类似物的研究表明，用非手性臂替换单个手性臂即引入结构缺陷严重破坏自组装，排除了“士官与士兵”机制和“缺陷效应”，仅“受阻组织”模型适用。通过 GRIM 合成了含聚噻吩主链、磁性苯氧自由基和手性侧链的高度立体规整手性磁性嵌段共聚物，ESR 证实苯氧自由基的产生。

脱氢溴化 Ni 催化缩聚：利用 Knochel-Hauser 碱的 Kumada 偶联变体合成了区域规整聚(3-(烷基硫基)噻吩)，聚合后氧化转化为相应的聚(3-(烷基磺酰基)噻吩)，表现出高磁光活性，Verdet 常数在 532 nm 处高达 (7.63 ± 0.78) × 10⁴ deg T^?1 m^?1，其符号和大小直接取决于聚合物螺旋性。

RuPhos 方案：利用 Pd–RuPhos 催化的 Negishi 聚合，通过调节有机锌异构体的比例控制区域规整度，合成了系列手性聚(3-烷基噻吩)，将 HT、TT 和 HH 三种偶联构型整合到主链中，系统研究了区域规整度-性能关系。通过受控 Pd–RuPhos 方案合成了在骨架不同位置含单个 HH 或 TT 区域缺陷的手性聚(3-烷基噻吩)，HH 缺陷位于末端时增强构象灵活性并产生比完全区域规整聚合物更高的 CD 响应，而 TT 缺陷通常降低手性响应。

3.1.2 区域无规手性聚噻吩的合成方法

FeCl₃ 介导的氧化偶联合成了带手性异硫脲鎓侧基的光学活性聚噻吩，特定阴离子添加通过超分子聚集诱导螺旋手性。化学氧化聚合制备了在噻吩环 3 位含硫原子立体生成元素（亚砜、亚磺酰亚胺或亚磺酸酯）侧基的新型手性聚噻吩，亚砜在 FeCl₃ 氧化偶联中因产生的 HCl 发生硫立体中心外消旋化，而使用 Fe(ClO₄)₃ 可保持光学活性；亚磺酰亚胺和亚磺酸酯在所有条件下均抵抗外消旋化。

3.2 电化学聚合

3.2.1 手性取代基功能化聚噻吩

1988 年 Roncali 和 Lemaire 报道了通过电聚合合成手性 3-烷氧基烷基取代聚噻吩，所得未掺杂聚合物薄膜虽具有无规区域化学，但仍表现出高达 +3000 或 ?3000 的比旋光度，并对手性掺杂剂表现出手性识别。电聚合手性噻吩单体可得到作为不对称电极的聚噻吩。电化学氧化手性 salen–噻吩铬配合物得到聚合物，作为非均相催化剂用于不对称杂 Diels-Alder、Henry 和环氧化物开环反应，表现出高活性和对映选择性，其中聚合物在 HDA 反应中保持 15 次循环的稳定活性。