緒論 - 水相環境中以鈀催化直接芳基化聚合反應合成水溶性高分子

1-1 有機共軛高分子

有機共軛高分子(organic conjugated polymers)是目前熱門且蓬勃發展中的領域，

因其擁有半導體的光電性質，在許多面向中具有極高的應用價值，如太陽能電池 (solar cell)¹、有機場效電晶體(organic field-effect transistor)²、感應技術³以及發光二極體(light-emitting diode)⁴。此外，有機共軛高分子同時展現了與傳統光電材料相

圖示 1 製備共軛高分子常見的偶合反應

鈀金屬是最常應用在交叉偶合反應中的催化系統，傳統的鈀催化偶合反應機制如圖 1，PdLn會與親電子的芳香族分子(R1-X)進行氧化加成(oxidative addition)，

形成中間體LnR1PdX，其中 X 通常為鹵素(halogen)或是好的離去基團(leaving group)，

氧化加成常是鈀金屬催化交叉偶合反應中的速率決定步驟 ¹⁰，再來二價的鈀金屬

Pd⁽^Ⅱ⁾會和另一組親核有機金屬芳香基化合物(R2-M) 進行金屬轉移化反應 (transmetalation)，將另一組芳香基團轉移至催化劑上，同時消去金屬鹵化物(MX)，

形成LnR1-PdR2，而此階段會隨著不同的催化系統而改變，造成影響的原因很多，

如配位基性質、溶劑和有機金屬試劑的選擇 ^11-13，最後進行還原消去(reductive elimination)將鈀金屬與配位基回至零價具活性之催化體 PdLn，同時產生芳香基化合物(R1-R2)，形成一個完整的催化路徑。

圖 1 傳統鈀金屬催化偶合反應機制

1-2 直接芳基化法

直接芳基聚合反應(Direct-Arylation Polymerization，DArP)在過去幾年的時間

內被大量研究¹⁴，相較於傳統常見的交叉偶合反應，反應單體不再需要金屬反應試

劑，取而代之的是更為直接的碳－碳鍵生成方式，藉由活化碳－氫鍵與另一芳基鹵化物(aryl halide)直接進行偶合反應，基本路徑如圖示 2。直接芳基化法能夠克服傳統偶合反應所具有的缺點，免除有機金屬試劑的製備，降低整體合成時間與成本，

且更符合原子經濟學，對於環境也更加地友善。

直接芳基化法相較於其他傳統偶合反應(如 Suzuki coupling、Stille cross-coupling 等)是較為新穎的研究領域，過去常在藥物化學領域中 ^15-17所被使用，隨著光電領域的興起，越來越多的文獻使用直接芳基化法聚合共軛高分子，從簡單的

烴類到帶有許多官能基的複雜芳香烴，也證明了直接芳基化法多樣的單體適性。

圖示 2 直接芳基化法反應途徑

為了追求共軛高分子良好的光電性質，高分子量及低分散係數Đ(dispersity)一 直是主要考量，擁有高產率以及高選擇性的聚合反應也就顯得格外重要。研究直接芳基化的反應機制，將能夠幫助我們了解合成裡潛在的競爭反應，進而有效地提升反應效率。直接芳基化法最常使用鈀金屬的催化系統，相較傳統鈀催化系統，直接芳基化法並沒有金屬轉移化步驟，取而代之的是活性碳－氫鍵間的斷裂而直接進行金屬化(metalation)過程，可能的反應機構有三種，分別為協同金屬化去質子機制 (concerted metalation-deprotonation, CMD) 、芳香基親電子取代機制 (aromatic electrophilic substitution)以及 Heck-type 芳基化機制，如圖 2 所示。

圖 2 直接芳基化法金屬化步驟可能反應機構，以 thiophene 為例

綜合實驗與理論計算結果，目前發現 CMD 是最有可能進行的反應機制，由

CMD 也可以佐證在反應中添加碳酸鹽(carbonate)或是羧酸鹼(carboxylate bases)的

重要性 ^18-21。早期文獻中，Fagnou 等人發現於反應中添加碳酸鹽或羧酸鹼有助於

反應進行 ²²，且若使用具有立體障礙(bulky)的羧基酸(carboxylate acid)可以有效地增加反應性，說明著羧酸陰離子扮演著碳酸鹽與催化劑之間質子傳輸(proton shuttle) 的角色²³，降低碳－氫鍵活化能障(activation barrier)，以促進去質子化(deprotonation) 的過程，這樣的機制在其他文獻中也有提出相關的實驗與理論計算進行佐證^24-25。綜觀近幾十年來的研究成果，初期文獻中所推測的反應機構通常為Heck-type 或是芳香親電子取代反應，常導致實驗結果與理論並不符合，直到1985 年，Ryabov 等人使用 N,N-二甲基芐胺的鄰位鈀化(ortho-palladation of N,N-dimethylbenzylamine) 系統提出一種協同式、以鹼輔助(base-assisted)反應機制²⁶，圖 3 為 Ryabov 等人提出之鈀金屬中間體結構，對於早期的研究而言這是一種不同於以往的見解，而後 Sakaki 等人也利用理論計算得到類似的結論 ²⁷，同樣地，Davies 與 MacGregor 於 2005 年使用密度泛函理論計算(density functional calculation, DFT)證實了N,N-二甲 基芐胺中的碳－氫鍵斷裂並不會產生芳香基親電子取代反應中預期出現的中間物

圖 3 Ryabov 等人提出機制之鈀金屬中間體

有立體障礙的配位基更能提升催化劑的反應性及位置選擇性，同時預防失去活性

(naphthalene diimide bithiophene copolymer)發現相較於過往使用 Stille 交叉偶合聚合反應³⁶，如圖示 4，使用直接芳基化法能夠降低 35%的合成成本。然而，若要真

圖示 4 Sommer 等人使用直接芳基化法聚合萘雙亞醯胺與聯二噻吩之共聚物

圖 4 因 P3HT 單體不具對稱性而造成的區域規則性

最早使用直接芳基化法合成聚(3-己基噻吩)的例子於 1999 年被 Lemaire 等人發表，他們使用醋酸鈀(Pd(OAc)2)作為前催化劑，碳酸鉀(K2CO3)作為鹼並以二甲基甲醯胺(N,N-dimethylformamide, DMF)為溶劑，針對不同長度的烷基側鏈進行聚合反應 ³⁸，如圖示 5，其產率可以高達 90%，但只能夠獲得低分子量以及約 90%頭對尾(HT)的區域規則性聚合物，作者提出了兩種可能的終止反應以解釋其低落的反應性及選擇性，一是碳－鹵素鍵與非預期的碳－氫鍵結合，二是兩個碳－鹵素鍵的自偶合反應(homocoupling)，其結果在利用質譜儀進行檢測後是可以被證實的。

圖示 5 最早以直接芳基化法聚合噻吩的例子³⁸

隨著直接芳基化法的研究不斷鑽研與改良，Ozawa 等人於 2010 年以直接芳基化法聚合出高分子量的 P3HT³⁹，反應條件如圖示 6，他們以過熱的四氫呋喃取代二甲基甲醯胺作為溶劑，並基於追求更好的熱穩定性，改以 Herrmann-Beller precatalyst 作為催化劑，透過嘗試不同種類的配位基，最終 Ozawa 團隊獲得了高分

子量且區域選擇性高達98%的 P3HT，其性質已可媲美使用傳統偶合反應所聚合出

的P3HT，為直接芳基化法的研究歷程刻下一座新的里程碑。

圖示 6 Ozawa 等人的聚合條件³⁹

直接芳基化法除了應用於聚合噻吩的例子之外，其適用性也逐漸在合成許多常見共軛高分子中嶄露，以聚芴為例，Kanbara 等人於 2011 年成功地使用直接芳

基化法聚合出共聚芴 ⁴⁰，反應條件如圖示 7，實驗發現若增加磷配位基的立體障

礙，將會降低催化劑的反應活性，除此之外，在溶劑選擇上只能使用高極性溶劑如二甲基乙醯胺(N,N-dimethylacetamide, DMAc)或 DMF，在甲苯或是二氯苯中則不會反應。

圖示 7 Kanbara 等人合成共聚芴之反應條件⁴⁰

2013 年，Ozawa 等人於非極性環境成功使用直接芳基化法聚合出高分子量且高區域規則性的共聚芴⁴¹，條件如圖示 8，在嘗試多種催化劑後，發現使用 Pd2dba3‧ CHCl3 可以得到最佳的表現，在聚合中加入新戊酸(pivalic acid)更可將產率提升至 96%，由此研究可以得知，就算是非極性溶劑也能擁有良好的反應性，為日後的發展提供了一個創新與突破。

圖示 8 Ozawa 等人合成共聚芴之反應條件⁴¹

直接芳基化法在聚合共軛高分子的使用日漸廣泛，上述聚噻吩與共聚芴僅是實際於合成應用上的冰山一角，其餘尚有許多材料的例子，如苯并噻二唑 (benzothiadiazole)共聚物^42-43、噻吩並吡咯酮(thienopyrroledione, TPD)共聚物^44-45或吡咯並吡咯二酮(diketopyrrolopyrrole, DPP)共聚物^46-48等，如圖 5，這些材料均擁

電效率並不會輸給以往利用傳統交叉偶合反應所合成之聚合物，此外，近幾年也有將直接芳基化法應用於合成共軛多孔高分子(conjugated porous polymers, CPPs)的例子，Han 等人使用四氟苯(tetrafluorobenzene)和 1,3,5-三溴苯(1,3,5-tribromobenzene)

意義的突破。

參照目前的文獻，水溶性共軛高分子用於診斷或顯影主要有兩個機制，第一種是分析物的結構變化(Analyte-induced conformation change)^51-52，因為分析物與共軛高分子間存在交互作用，使得共軛高分子的構型因此改變，進而影響到其分子內共軛長度、分子間π-π堆疊，且共軛性質對能量非常敏感，因此可以從螢光的變化觀察分析物，一旦結構發生微小的改變，就可以使物質螢光產生明顯的變化，以聚噻吩為例，共軛平面的改變將會使其外觀從黃色變至紅色⁵⁰。

另一種方法是螢光共振能量轉移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)⁵³，此現象為發生在兩個螢光發色團之間的能量轉移，可以視為一個處於激發態的供體色團將能量轉移至共振頻率相似的受體，因此供體的放光波長必須要

與受體的吸收波長有所重疊，且彼此之間需要處在一定距離以內，通常在1 nm 至

10 nm 之間，如圖 6 所示，也因為如此，FRET 對於距離相當敏感，藉由這個特性將能夠有效地測量兩發色團之間的距離，也可用以感應受體是否存在於待分析物中。

圖 6 螢光共振能量轉移的機制

1-3-1 水溶性共軛高分子的合成

(polydiacetylene, PDA)和聚噻吩(polythiophene, PT)，常見的聚合方法如表 1 所示，

其中大多使用傳統的交叉偶和聚合反應如Suzuki⁵⁴、Heck⁵⁵偶合反應，也有使用光催化聚合⁵⁶或是氯化鐵氧化聚合⁵⁷的例子。

表 1 常見的水溶性共軛高分子及其聚和方法⁵⁰

除了上述的合成方法之外，尚有其他較為特殊的合成途徑，如Wittig-Horner 偶合反應，其主要利用醛(aldehydes)或酮(ketones)與穩定的磷偶極體(phosphorus ylides) 反應，得到烯烴類，途徑如圖示 9 所示，Wang 等人則利用了此方式合成出同時具有剛硬的芴單元與彈性的二烯單元之共聚物⁵⁸，其反應條件如圖示 10。

圖示 9 Wittig-Horner 偶合反應

圖示 10 Wang 等人利用 Wittig-Horner 偶合反應之反應途徑⁵⁸

以下將會列舉一些過去文獻中所發表的水溶性共軛高分子以及其相關應用。

就新功能性之水溶性共軛高分子而言，較為典型的例子為將 2,1,3-苯并噻二唑

(2,1,3-benzothiadiazole, BT)與芴共聚合，此種聚合物將可以因為聚集的關係，利用螢光共振能量轉移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)將能量從芴單元移轉至苯并噻二唑單元，使得放光性質將會和僅存在單一單元之物質有所不同，進而達到感測的應用。Liu 和 Bazan 等人最早提出以 BT 共聚陽離子型 PFP 衍生物的例子(圖 8)⁵⁹，而後 Wang 等人也發表了陰離子型的 PFP 衍生物共聚 BT 的研究(圖

9)⁶⁰，且皆觀察到螢光顏色由藍色轉變成綠色，代表著適當地調控共聚物種類將有

助於調整其螢光性質。

圖 8 Liu 和 Bazan 等人合成的陽離子型 PFP⁵⁹

圖 9 Wang 等人合成的陰離子型 PFP⁶⁰

另一方面，也有文獻指出當高分子因為分析物而產生聚集時，將會產生明顯的

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