關(guān)樺楠，劉博，張娜，龔德狀，宋巖，劉曉飛

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院，哈爾濱 150076)

1 概述

點(diǎn)擊化學(xué)(click chemistry)反應(yīng)是由美國化學(xué)家諾貝爾化學(xué)獎獲得者Sharpless在2001年提出的概念[1]。點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)可像“點(diǎn)擊鼠標(biāo)”一樣形象地描述其化學(xué)反應(yīng)過程，即在嚴(yán)格控制技術(shù)要求的條件下細(xì)致地操作高活性的反應(yīng)物[2]，將分子片段可控地連接的一系列技術(shù)。也可通過某一化學(xué)物質(zhì)的刺激，產(chǎn)生一系列可靠的化學(xué)反應(yīng)，構(gòu)建出一種新的化學(xué)基團(tuán)的方法。點(diǎn)擊化學(xué)中反應(yīng)合成多樣性的化合物是利用少數(shù)經(jīng)典的反應(yīng)通過有效化和模塊化的途徑。目前，在許多研究領(lǐng)域點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用得到迅速發(fā)展，并在表面改性、有機(jī)合成、生物分子研發(fā)和納米顆粒制備等方面有著很廣泛的應(yīng)用[3-6]。近些年來，由于點(diǎn)擊反應(yīng)具備反應(yīng)條件溫和、原料易得、選擇性好、產(chǎn)物收率高、易于分離提純和特異性強(qiáng)等特點(diǎn)，使其被應(yīng)用到食品分析檢測的相關(guān)研究中。本文針對點(diǎn)擊反應(yīng)的特點(diǎn)和類型，綜述其在食品領(lǐng)域中的研究進(jìn)展，分析其現(xiàn)存的問題缺陷，并展望點(diǎn)擊化學(xué)技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

2 點(diǎn)擊反應(yīng)的概述

2.1 點(diǎn)擊反應(yīng)的特點(diǎn)

點(diǎn)擊化學(xué)的反應(yīng)過程一般有以下幾個特點(diǎn)[7]：反應(yīng)的條件簡單，例如在反應(yīng)過程中對氧氣和水不敏感；起始原料和反應(yīng)物易得；不需要溶劑或者溶劑易去除；產(chǎn)物簡單易于分離；所生成的產(chǎn)物在生理條件下穩(wěn)定。點(diǎn)擊反應(yīng)中最常使用的兩種溶劑是去離子水和雙蒸水，其中主要原因是有機(jī)分子在不能充分溶解時，在水中的自由能反而會更高，也使其比在水溶劑中有更高的表觀速率常數(shù)，能夠得到單一的較高產(chǎn)率的產(chǎn)物。其次，在一些反應(yīng)中，反應(yīng)物間的反應(yīng)速度反而比水更快，如Schotten-Baumann反應(yīng)中酰氨是由酰鹵和氨水生成的[8]；再者，在水溶液中也可以消除質(zhì)子性官能團(tuán)對反應(yīng)的干擾。因此，點(diǎn)擊反應(yīng)就不需要保護(hù)基團(tuán)且對環(huán)境友好。綜上所述，點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)的低成本、選擇性好和溶劑易選擇等因素，決定其可以應(yīng)用于食品分析檢測等領(lǐng)域。

2.2 點(diǎn)擊反應(yīng)類型

現(xiàn)階段，點(diǎn)擊化學(xué)主要有4種類型[9]，即端炔基與疊氮的環(huán)加成反應(yīng)、環(huán)炔基與疊氮的環(huán)加成反應(yīng)、巰基與碳碳多鍵的加成反應(yīng)和非醇醛羰基化合物的縮合反應(yīng)。以上所述4種典型的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)配位構(gòu)建示意圖見圖1[10]。

圖1 常用的典型點(diǎn)擊反應(yīng)示例Fig.1 Common examples of typical click reactions

注：a表示Cu(I)-催化的炔和疊氮化物的環(huán)加成反應(yīng)；b表示炔和疊氮化物的環(huán)加成反應(yīng)；c表示非醇醛羰基化合物的縮合反應(yīng)；d表示硫醇烯加成反應(yīng)。

2.2.1 端炔基與疊氮的環(huán)加成反應(yīng)

在現(xiàn)階段，端炔基與疊氮的環(huán)加成反應(yīng)是研究的較多且應(yīng)用廣泛的一種典型的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，也叫Huisgen 環(huán)加成反應(yīng)[11]，其反應(yīng)原理見圖1中a。該反應(yīng)最初的反應(yīng)條件是需要在較高的壓力或溫度下，且會得到混合的產(chǎn)物，即順式和反式三唑環(huán)的混合物，然而，在通過Cu(I)催化下，其反應(yīng)速率可以提高約106倍，且?guī)缀蹩梢远康赝ㄟ^1,4-二取代選擇性地生成1,2,3-三唑環(huán)化合物[12]，其反應(yīng)機(jī)理見圖2[13]。此類反應(yīng)的反應(yīng)條件可以在非質(zhì)子溶劑或多種質(zhì)子溶劑中進(jìn)行，并且不受其他官能團(tuán)的影響，在反應(yīng)過程中使用Cu(I)作為催化劑，可以直接添加、或是在反應(yīng)過程中通過Cu(Ⅱ)的還原、或者由Cu(0)氧化得到。因此，如果在反應(yīng)過程中直接使用Cu(I)作為催化劑，為了防止Cu(I)被氧化，反應(yīng)需要在無氧條件下進(jìn)行。然而，現(xiàn)在也有一些研究表明在有氧條件下環(huán)加成反應(yīng)同樣可以進(jìn)行[14,15]，例如：可以添加一些還原性的物質(zhì)在反應(yīng)體系中(例如檸檬酸、抗壞血酸鈉等)，或者原位還原使Cu(Ⅱ)還原成Cu(I)使其參與反應(yīng)。

圖2 端炔基與疊氮的環(huán)加成反應(yīng)原理Fig.2 Principle of cyclic addition reaction of acetylene with azide

2.2.2 環(huán)炔基與疊氮的環(huán)加成反應(yīng)

端炔基與疊氮的環(huán)加成反應(yīng)是利用銅鹽作為催化劑，因此很難去除干凈產(chǎn)物中的催化劑，而且殘留的銅鹽也會帶來很大的毒性。其中一種有效的避免毒性的方法就是環(huán)炔基與疊氮的反應(yīng)[16]，見圖1中b。在環(huán)炔基與疊氮的環(huán)加成反應(yīng)中沒有使用金屬催化劑即銅鹽，它的反應(yīng)機(jī)理主要是依靠環(huán)炔的環(huán)張力促進(jìn)了疊氮與環(huán)炔進(jìn)行反應(yīng)，通過1,4,5-三取代的方式生成1,2,3-三唑環(huán)化合物。環(huán)炔基與疊氮的環(huán)加成反應(yīng)速率與端炔基反應(yīng)相比，在引入強(qiáng)吸電子基團(tuán)(如氟原子等)后，環(huán)炔基與疊氮的環(huán)加成反應(yīng)速率慢，是因?yàn)槎巳不磻?yīng)增大環(huán)炔的環(huán)張力，對環(huán)加成反應(yīng)的進(jìn)行有利，但是，此反應(yīng)具有很不好的區(qū)域選擇性，且具有強(qiáng)環(huán)張力的環(huán)炔化合物難制備，通常會得到混合物——兩種異構(gòu)產(chǎn)物，這也在一定程度上限制了此反應(yīng)的應(yīng)用。

2.2.3 巰基與碳碳多鍵的加成反應(yīng)

巰基與碳碳多鍵的加成反應(yīng)主要有兩種反應(yīng)類型：巰基-雙鍵和巰基-三鍵，見圖3[17]。巰基-烯反應(yīng)是由自由基引發(fā)的，其反應(yīng)機(jī)理主要有以下幾個階段，即在光照或是熱的條件下吸收光子激發(fā)引發(fā)劑，形成自由基，由裂解而成；進(jìn)而奪取一個巰基上的氫原子，形成巰基自由基；之后進(jìn)攻碳碳雙鍵，使得活性中心被轉(zhuǎn)移，烷基自由基因此形成；烷基自由基繼續(xù)奪取巰基的氫原子在巰基化合物上，使得巰基自由基再次生成，然后進(jìn)入循環(huán)。其中中間產(chǎn)生的巰基自由基既可以形成雙基的終止，也可以引發(fā)鏈的增長[18]。

圖3 巰基與雙鍵的反應(yīng)原理Fig.3 The reaction principle of thiol with double bond

在20世紀(jì)30年代巰基-三鍵的反應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，但在Lowe，Bowman和Holye等[19,20]的密切合作下，發(fā)現(xiàn)巰基和三鍵的反應(yīng)不是一步反應(yīng)而是兩個過程，以巰基-炔為例，巰基與碳碳三鍵的反應(yīng)經(jīng)歷了巰基和三鍵的反應(yīng)和巰基-烯反應(yīng)，其反應(yīng)過程見圖4。反應(yīng)的第一階段是在光或熱催化作用下，光引發(fā)劑分裂，形成的自由基奪取硫醇化合物上的一個氫原子，形成了硫醇自由基，該自由基與烷基炔基團(tuán)發(fā)生加成反應(yīng)，形成中間體不穩(wěn)定的硫醚-乙烯基自由基，附近的硫醇化合物被硫醚-乙烯基自由基奪取一個氫原子，再次形成中間體巰基烯基醚，其后的第二階段與巰基-烯反應(yīng)過程相同，見圖3。

圖4 巰基與三鍵的反應(yīng)原理Fig.4 The reaction principle of thiol with triple bond

2.2.4 非醇醛羰基化合物的縮合反應(yīng)

非醇醛羰基化合物的縮合反應(yīng)，又叫Diels-Alder反應(yīng)，是點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)中的另一種高效且典型的反應(yīng)類型[21]，見圖1中c。此反應(yīng)主要是親雙烯體和共軛雙烯之間所發(fā)生的環(huán)加成反應(yīng)。在一般的情況下，給電子取代基(在共軛雙烯體上)和吸電子取代基(在親雙烯體上)都可以加速反應(yīng)，且這種反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)率高和立體選擇性好。此外，大多數(shù)此類反應(yīng)都是可逆反應(yīng)，它們的產(chǎn)物在較高的溫度下(高于正向非醇醛羰基化合物的縮合反應(yīng)溫度)會發(fā)生逆反應(yīng)，再分解成初始的共軛雙烯和親雙烯體。

3 點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)在食品成分分析檢測中的應(yīng)用進(jìn)展

3.1 基于點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)構(gòu)建食品分析檢測生物傳感器的進(jìn)展

點(diǎn)擊化學(xué)在檢測食品分析上已有了一些研究和應(yīng)用，多用于檢測常見的食品成分和食品添加劑。抗壞血酸近年來作為添加劑常用于食品的護(hù)色[22，23]。Qiu等[24]制備了一種電化學(xué)傳感器用于檢測抗壞血酸，通過銅(I)催化疊氮化物和炔烴環(huán)加成反應(yīng)與疊氮化物末端修飾的金電極反應(yīng)，結(jié)果表明，檢出限達(dá)到2.60×10-12mol/L。李燕萍等[25]構(gòu)建出了兩種不同的利用巰基丙酸修飾納米金的功能性納米金粒子，即通過酰胺反應(yīng)分別固定炔基和疊氮基在納米金上，然后實(shí)現(xiàn)對還原糖的定量檢測(構(gòu)建原理見圖5)。結(jié)果表明，檢出限達(dá)到1.50×10-3μmol/L。然后可以直接檢測實(shí)際蜂蜜樣品，且加標(biāo)回收率是98.1%～0.36%，與滴定法加標(biāo)回收率>95%相比靈敏度更高[26]。

圖5 利用疊氮反應(yīng)檢測還原糖的機(jī)理圖Fig.5 The mechanism diagram of determination of reducing sugar by azide reaction

點(diǎn)擊化學(xué)對傳感器性能的提高也有發(fā)展。Wang等[27]開發(fā)了一種將分子印跡聚合物(MIP)薄層接枝到金電極上的三步方法(見圖6)，對于對苯二酚的檢測，可實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)的涂層式MIP傳感器靈敏的效果。點(diǎn)擊式MIP傳感器的檢測限為(1.21±0.56)mol/L，大約比使用涂層式MIP傳感器觀察到的檢測限低4倍。此外，用計時安培法測定的表觀擴(kuò)散系數(shù)表明，點(diǎn)擊式MIP傳感器的靈敏度大約是涂層式MIP傳感器的3倍。Qiu等[28]以個人血糖儀(PGM)為信號傳感器制備了檢測OTA的一種新型的便攜式檢測系統(tǒng)。以短dsDNA作為模板觸發(fā)兩條DNA鏈的點(diǎn)擊反應(yīng)，OTA檢測靈敏度高達(dá)7.2×10-9g/L。背景信號減少了7.5倍，靈敏度和選擇性都大大提高，可以應(yīng)用于飼料樣品中OTA的檢測。

圖6 利用疊氮反應(yīng)制備MIP修飾的Au電極檢測食品中的酚類物質(zhì)Fig.6 MIP-modified Au electrode using azide reaction for the determination of phenols in food

點(diǎn)擊反應(yīng)也應(yīng)用于食品污染物的檢測。Lu等[29]設(shè)計了一種高靈敏度和高選擇性檢測農(nóng)藥氟美沙嗪殘留的方法，以弱熒光化合物3-疊氮-7-羥基香豆素與氟米沙嗪中的炔基通過銅催化的疊氮烷基的環(huán)加成的點(diǎn)擊反應(yīng)，形成強(qiáng)熒光化合物(1,2,3-三唑類化合物)為基礎(chǔ)的靈敏度、選擇性好的丙烯氟草胺熒光傳感器。在0.25～6.00 μg/L范圍內(nèi)，檢測限為0.18 μg/L(s/n=3)。將該熒光傳感器應(yīng)用于一些蔬菜和水樣中氟美沙嗪的殘留檢測，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Ji等[30]采用點(diǎn)擊反應(yīng)法制備了含三唑類化合物的聚合物，并將其作為Hg2+離子檢測的熒光傳感器。三唑類聚合物具有良好的溶解性和高分子量，通過FTIR、NMR、FL和DLL分析對聚合物的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征和評價。與其他金屬離子相比，Hg2+的熒光響應(yīng)最為明顯。結(jié)果表明，檢測Hg2+的濃度范圍為3.0×10-5～10×10-4mol/L, R=0.9989，該三唑類聚合物具有良好的點(diǎn)擊反應(yīng)特性，可作為Hg2+檢測的選擇性熒光傳感器。與原子吸收法相比[31]，能檢測更大濃度的Hg2+。

3.2 點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)在食品分析前處理技術(shù)改良中的研究進(jìn)展

點(diǎn)擊化學(xué)在前處理技術(shù)中普遍應(yīng)用在物質(zhì)的分離提純中。Zhang等以五氟芐基溴化咪唑離子液體為原料，通過硫醇烯鍵合反應(yīng)，首次合成了具有多種吸附機(jī)理的石墨烯吸附劑，建立了一種可以同時提取和測定豆芽中3種生長素的新方法[32]。結(jié)果表明，吲哚-3-乙酸和1-萘乙酸的線性范圍為0.03～5.00 μg/g，2,4-二氯苯氧乙酸的線性范圍為0.09～5.00 μg/g，檢出限為0.004～0.026 μg/g，且該吸附劑已成功應(yīng)用于豆芽生長素的測定。蔡曉蓉[33]制備了離子液體聚合物整體柱，可以滿足快速分離堿性、弱極性和中性化合物的要求。實(shí)驗(yàn)是基于巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)聯(lián)合自由基原位聚合技術(shù)(反應(yīng)原理見圖7)。以乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，以十八烷基硫醇(R2)和1-烯丙基-3-甲基咪唑四氣硼酸鹽(R1)離子液體為有機(jī)單體，在聚合反應(yīng)中加入引發(fā)劑偶氮二異丁腈和三元致孔劑，一步合成離子液體聚合物整體柱。

圖7 有機(jī)聚合物整體柱的反應(yīng)機(jī)理Fig.7 The reaction mechanism of organic polymer monolithic column

4 結(jié)論與展望

點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)是一類以創(chuàng)造和實(shí)現(xiàn)新功能物質(zhì)和新材料為目的的簡單合成方式。其在很多領(lǐng)域已取得成功，并且將會持續(xù)發(fā)展。隨著點(diǎn)擊化學(xué)在各個領(lǐng)域的深入研究，由于其生物相容性和環(huán)境友好性的特點(diǎn)，未來必將在發(fā)展中占據(jù)重要地位。目前點(diǎn)擊化學(xué)在食品領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的發(fā)展，然而對于點(diǎn)擊化學(xué)的開發(fā)和應(yīng)用都還處于初期階段，并且現(xiàn)階段的點(diǎn)擊化學(xué)應(yīng)用也存在一些問題值得重視，即每種點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)都有其本身的局限性，例如銅鹽的使用，需加入過量的反應(yīng)物才可以使反應(yīng)進(jìn)行完全；以及疊氮化合物(尤其是小分子化合物)的高危險性和毒性等。此外，現(xiàn)階段已被報道的大多數(shù)是疊氮化物與端基炔的環(huán)加成反應(yīng)的應(yīng)用。近些年來，對巰基-烯加成反應(yīng)的報道逐漸增多，而對其他典型的點(diǎn)擊反應(yīng)研究應(yīng)用的報道非常少。因此，需要不斷探索能夠解決上述問題的新方法和新反應(yīng)，才能更好地拓寬點(diǎn)擊化學(xué)的應(yīng)用范圍，以期使點(diǎn)擊反應(yīng)在更多方向和領(lǐng)域得到發(fā)展。