基于机械化学与老化过程的非对称酞菁接枝合成光活性纤维素材料

《Green Chemistry》：Photoactive cellulose via graft-from synthesis of asymmetric phthalocyanines through mechanochemistry and agingOpen Access

　　

纤维素基光活性杂化材料因其在生物医学、电子和能源相关领域的广泛应用潜力而备受关注。然而，将酞菁（phthalocyanines，Pcs）等光活性化合物共价连接到纤维素上仍具挑战性，因为这通常需要预先合成带有能与纤维素主链反应的功能基团的非对称酞菁。本研究提出了一种固态方法，通过结合球磨（ball milling）与加速老化（accelerated aging），在低加工棉纤维表面合成非对称酞菁。所开发的方案首先通过环氧开环反应合成纤维素-邻苯二甲腈前驱体（cellulose-phthalonitrile precursor），随后在其表面进行环四聚反应（cyclotetramerization）。合成的杂化材料表现出光诱导活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生能力，这是光动力疗法（photodynamic therapy）、光抗菌灭活、水处理和光催化技术的关键过程。

研究背景与问题

纤维素基光活性杂化材料在生物医学、电子和能源领域具有广泛的应用前景。将光活性化合物如酞菁（phthalocyanines，Pcs）与纤维素结合，可以形成具有定制物理化学性质、增强活性和改善稳定性的功能性生物杂化材料。酞菁因其优异的化学、电子和光学性能而脱颖而出，特别是在产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）方面表现突出，这取决于其金属化和聚集状态。Pc-纤维素生物杂化材料已被应用于光动力灭活、催化和光电流产生等领域。

然而，将酞菁共价连接到纤维素上仍面临挑战。传统的“接枝到”（graft-to）策略需要预先合成带有功能基团的非对称酞菁，这一过程通常通过两种不同邻苯二甲腈（phthalonitriles，Pn）的统计缩合实现，会产生六种Pc的混合物，导致目标单取代产物（AB₃）的分离工作繁琐且产率低（例如Saito等人的研究中仅为11%），色谱纯化也带来资源和环境成本。虽然“接枝从”（graft-from）策略可以同时实现低加工纤维素功能化和资源高效的纯化方法（如索氏提取），但已有的溶剂型方法仍然存在过程质量强度（process mass intensity，PMI）高的问题（PMI_reaction分别为289和524）。

在此背景下，机械化学（mechanochemistry）作为一种可持续化学合成工具应运而生，它能够在无大量溶剂条件下进行化学反应，特别适合改性本身不溶的材料，如Pcs和纤维素。尽管机械化学已在纤维素的多种改性中证明有效，但将光活性化合物共价连接到纤维素上的机械化学方法此前尚未被探索。因此，研究人员开展了此项研究，旨在开发一种结合机械化学与加速老化的固态方法，在低加工棉纤维表面合成非对称Pc，以实现更绿色的合成路线。

该研究成果发表在《Green Chemistry》上，具有重要意义：首先，采用纤维素作为可再生生物聚合物；其次，依赖机械化学减少有害有机溶剂的使用；第三，接枝从合成策略使纯化可通过索氏提取完成，避免了劳动密集且消耗大量溶剂的柱色谱法。该方法显著降低了Pc-纤维素合成的PMI值（PMI_reaction=14），相比溶剂型方法（289和524）有了大幅改善。

主要关键技术方法

研究人员采用了结合球磨（ball milling）与加速老化（accelerated aging）的固态合成策略。具体包括：使用Retsch MM400球磨机（频率25 Hz，10 mL不锈钢罐，一个10 mm不锈钢球）进行机械研磨；使用Memmert自然对流标准培养箱（53 L，50和75 °C）或Binder FED-53烘箱（100 °C）进行老化实验。此外，利用元素分析（elemental analysis，EA）计算取代度（degree of substitution，DS），采用离子液体溶液态核磁共振（ionic liquid solution-state NMR，包括¹H NMR和扩散编辑¹H NMR）确认共价连接，并使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV-Vis）、粉末X射线衍射（powder XRD）和ROS光生测试等手段对材料进行全面表征。

研究结果

1. 邻苯二甲腈-纤维素前驱体（CF-Pn）的合成

研究人员采用三步合成法制备了环氧-邻苯二甲腈衍生物4。首先，二甘醇单烯丙基醚2由二甘醇1与烯丙基溴以42%产率合成；然后，4-硝基邻苯二甲腈与醇2反应得到烯丙基衍生物3，产率73%；最后，化合物3经m-CPBA氧化为相应的环氧-邻苯二甲腈衍生物4，产率85%。随后，将环氧-邻苯二甲腈衍生物4接枝到纤维素纤维（CF）上。

通过优化条件发现：在50 °C老化温度下，DS值仅为0.03；升高至75和100 °C后，DS分别提高至0.05和0.09。增加NaOH用量（0.30 equiv.）虽能获得更高DS值（0.14和0.26），但材料颜色变深绿，表明发生了可能的环四聚副反应或纤维素交联。进一步研究发现，在0.07 equiv. NaOH和75 °C条件下，通过重复加料的三周期反应（RAging），DS值从0.04（CF-Pn-A）逐步增至0.08（CF-Pn-B）和0.11（CF-Pn-C），这归因于反复机械处理产生了新鲜的未反应纤维素表面。相比之下，一次性加入两倍或三倍过量的环氧化物并未改善DS值。

FTIR分析显示，CF-Pn样品在2230 cm^-1（CN基团）和1594、1562 cm^-1（芳香C=C）处出现新特征峰。扩散编辑¹H NMR谱中，在δ=8.3-6.8 ppm（芳香区，Pn基团）和δ=3.5-4.0 ppm（乙二醇连接基）出现新信号，证实Pn基团共价连接到纤维素骨架上。

2. CF-Pc的合成与光化学性质

研究人员将CF-Pn-C（RAging，DS=0.11）与4-叔丁基邻苯二甲腈5进行环四聚反应。通过球磨30分钟，然后在65-100 °C老化24小时，所有反应混合物在老化后变为深蓝色，表明环四聚反应高效进行。空白对照实验（使用不含Pn锚定基团的CF-OMe）经索氏提取后无色，证明纯化步骤有效去除了未结合的(t-Bu)₄Pc副产物。

扩散编辑¹H NMR谱证实了Pc的共价连接：芳香信号（8.3-6.7 ppm）发生位移和展宽，且在1.39 ppm处出现对应于叔丁基的新峰。叔丁基信号的出现，加上过量5的存在、成功去除对称未连接Pc以及CF-Pn-C在环四聚条件下的不反应性，表明形成了非对称AB₃型Pc为主要产物。

UV-Vis光谱显示典型的吸收轮廓，在675和705 nm处有两个Q带，这是无金属Pc的特征。与无金属(t-Bu)₄Pc相比，观察到10 nm的红移，可能归因于接枝Pc的非对称性。此外，在630和740 nm处出现肩峰，分别归属于H型和J型聚集。通过标准曲线估算，CF-Pc（100 °C）和（80 °C）的Pc负载量分别为每克纤维素含1.32±0.90和0.44±0.12 mg Pc。

粉末XRD分析表明，经过总共2小时的机械化学处理后，结晶度指数（CrI）从原始CF的68%降至CF-Pc的38%，降低约27%，这归因于机械处理时间和共价接枝的共同作用。

3. ROS光生测试

研究人员通过监测化学清除剂1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）在625 nm照射下的降解来评估CF-Pc的ROS光生能力。结果显示，CF-Pc（100 °C）由于具有更高的Pc负载量而表现出更高的活性，尽管比溶液中游离参考Pc的活性低2.3倍。稳定性测试表明，CF-Pc（100 °C）在典型照射时间（1分钟和1小时）内降解可忽略不计至中等（分别为0%和18%），5小时后降解更为明显（52%）。

绿色化学评价

研究人员计算了过程质量强度（PMI）来评估可持续性潜力。本方法的PMI_reaction为14，远低于Saito等人报道的溶剂型方法的289和524。总PMI（包括后处理）也较低（2970对比7709和12958）。此外，该方法避免了使用有毒和环境有害的溶剂如DMF、THF、二氯甲烷或氯仿，并通过连续索氏提取实现了有效的溶剂回收。

结论

总之，研究人员首次证明了通过结合球磨与加速老化，在纤维素表面实现非对称酞菁的固态合成。所开发的方案涉及先在固态RAging条件下通过环氧开环反应合成CF-Pn前驱体，再通过固态方法与4-叔丁基邻苯二甲腈进行环四聚反应，最终获得所需的光活性纤维素材料。获得的CF-Pn和CF-Pc材料通过元素分析、FTIR和IL-NMR进行了全面表征，证实了它们与纤维素骨架的共价连接。该方法基本无溶剂，从而显著改善了Pc-纤维素合成的PMI，相比相关的溶剂型方法有了很大提升。然而，在DS和Pc负载量方面仍有进一步改进的空间。此外，通过评估CF-Pc的光诱导ROS生成能力验证了其光活性，展示了其作为自灭菌纤维素材料的应用潜力。