研究DBU二氮雜二環(huán)在生物基聚氨酯和特殊功能性材料中的應(yīng)用潛力
在材料科學(xué)的江湖里，有一種“小個(gè)子大能量”的化合物，名叫DBU——全名是1,8-二氮雜二環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯（1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene）。它不像聚氨酯那樣家喻戶曉，也不像環(huán)氧樹(shù)脂那般被工業(yè)界奉為座上賓，但它卻是許多高端化學(xué)反應(yīng)中不可或缺的“幕后推手”。今天，咱們就來(lái)聊一聊這個(gè)看似低調(diào)卻身懷絕技的分子，在生物基聚氨酯和特殊功能性材料中的那些“騷操作”。
一、DBU是誰(shuí)？一個(gè)“堿性十足”的化學(xué)俠客
先別被這個(gè)名字嚇住。DBU雖然名字長(zhǎng)得像繞口令，但它的結(jié)構(gòu)其實(shí)挺優(yōu)雅：兩個(gè)氮原子架起一座橋，形成一個(gè)剛性的雙環(huán)體系。這種結(jié)構(gòu)賦予了它極強(qiáng)的堿性（pKa約為12），卻又不像傳統(tǒng)強(qiáng)堿那樣容易水解或腐蝕設(shè)備。它不溶于水，卻能在多種有機(jī)溶劑中游刃有余，堪稱(chēng)“堿界的紳士”——既有力氣干活，又不會(huì)砸場(chǎng)子。
在催化領(lǐng)域，DBU是個(gè)“多面手”。它可以促進(jìn)邁克爾加成、酯交換、縮合反應(yīng)，甚至還能在聚合反應(yīng)中當(dāng)“加速器”。尤其在聚氨酯合成這條賽道上，DBU近年來(lái)頻頻露臉，尤其是在環(huán)保型、生物基聚氨酯的研發(fā)中，儼然成了“新晉頂流”。
二、生物基聚氨酯：綠色浪潮下的“新貴”
傳統(tǒng)聚氨酯大多依賴(lài)石油基原料，比如異氰酸酯和多元醇?？呻S著“雙碳”目標(biāo)在全球鋪開(kāi)，科學(xué)家們開(kāi)始琢磨：能不能用植物油、木質(zhì)素、糖類(lèi)這些“綠色原料”來(lái)替代化石資源？
答案是：能！而且已經(jīng)有人做到了。
生物基聚氨酯，顧名思義，就是以可再生資源為原料合成的聚氨酯。它不僅環(huán)保，還能通過(guò)分子設(shè)計(jì)調(diào)控性能，比如柔韌性、耐熱性、降解性等。然而，問(wèn)題也隨之而來(lái)——生物基多元醇往往活性較低，反應(yīng)速度慢，交聯(lián)效率差。這時(shí)候，就需要一位“催化劑高手”來(lái)救場(chǎng)。
而DBU，正是這位高手。
三、DBU在生物基聚氨酯中的“神助攻”
1. 催化機(jī)制：溫柔地推動(dòng)反應(yīng)
DBU在聚氨酯合成中主要扮演兩種角色：一是作為非離子型催化劑，促進(jìn)異氰酸酯與羥基之間的反應(yīng)；二是參與“自催化”體系，特別是在無(wú)重金屬催化的綠色配方中表現(xiàn)優(yōu)異。
相比傳統(tǒng)的錫類(lèi)催化劑（如DBTDL），DBU不含有毒金屬，符合REACH和RoHS等環(huán)保法規(guī)。更重要的是，它對(duì)水分敏感度低，不易引起副反應(yīng)（比如脲的生成），這讓終產(chǎn)品的穩(wěn)定性更高。
2. 實(shí)際應(yīng)用案例：從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線
某國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)曾用大豆油基多元醇與MDI（二苯基甲烷二異氰酸酯）反應(yīng)，分別使用DBU和DBTDL作為催化劑進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如下表所示：
| 參數(shù) | DBU催化體系 | DBTDL催化體系 | 備注 |
|---|---|---|---|
| 反應(yīng)溫度 | 70°C | 65°C | DBU略需高溫 |
| 凝膠時(shí)間（min） | 12 | 8 | DBTDL更快 |
| 拉伸強(qiáng)度（MPa） | 18.3 | 17.9 | DBU體系略優(yōu) |
| 斷裂伸長(zhǎng)率（%） | 420 | 390 | 彈性更好 |
| 熱分解起始溫度（°C） | 285 | 270 | 熱穩(wěn)定性更佳 |
| 殘留毒性 | 極低 | 中等（含錫） | DBU更環(huán)保 |
可以看到，雖然DBU的催化速度稍慢，但在力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性方面反而略有優(yōu)勢(shì)。這說(shuō)明它不僅能“干活”，還能“干好活”。
四、DBU在特殊功能性材料中的奇招妙用
如果說(shuō)在生物基聚氨酯中DBU還是“配角”，那么在一些高附加值的功能性材料中，它已經(jīng)可以C位出道了。
1. 自修復(fù)材料：讓材料學(xué)會(huì)“自愈”
你有沒(méi)有想過(guò)，如果手機(jī)殼劃傷了能自己修復(fù)？或者汽車(chē)涂層被刮蹭后自動(dòng)“補(bǔ)妝”？這可不是科幻片，而是自修復(fù)材料的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。
DBU在這里的角色很特別——它能催化動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的可逆反應(yīng)，比如Diels-Alder反應(yīng)或酯交換反應(yīng)。研究人員將DBU嵌入聚合物網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)材料受損時(shí)，加熱即可激活DBU，促使斷裂的化學(xué)鍵重新連接，實(shí)現(xiàn)“自我療傷”。
舉個(gè)例子，浙江大學(xué)某課題組開(kāi)發(fā)了一種基于呋喃-馬來(lái)酰亞胺Diels-Alder反應(yīng)的自修復(fù)聚氨酯。他們發(fā)現(xiàn)，加入0.5 wt%的DBU后，材料在80°C下僅需30分鐘即可恢復(fù)90%以上的力學(xué)性能。
2. 形狀記憶聚合物：會(huì)“變魔術(shù)”的材料
形狀記憶聚合物（SMPs）是一種能在外界刺激（如熱、光、pH）下從臨時(shí)形狀恢復(fù)到原始形狀的智能材料。DBU在這類(lèi)材料中常用于構(gòu)建動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
例如，通過(guò)DBU催化的 transesterification 反應(yīng)，可以在聚酯網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)鏈段重排。這意味著材料不僅可以“記住”形狀，還能“忘記”舊形狀，重新編程。這種特性在醫(yī)療支架、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域極具潛力。
3. 可降解材料：給地球一個(gè)“溫柔的告別”
隨著白色污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，可完全降解的高分子材料成為研究熱點(diǎn)。DBU在其中的作用不可小覷——它能催化酯鍵的水解或醇解，從而加速材料的降解過(guò)程。
更有意思的是，DBU本身也可以被設(shè)計(jì)成“可移除催化劑”。比如，通過(guò)引入溫敏基團(tuán)，使DBU在特定溫度下從聚合物中析出，便于回收再利用，真正實(shí)現(xiàn)“綠色催化，綠色終結(jié)”。
更有意思的是，DBU本身也可以被設(shè)計(jì)成“可移除催化劑”。比如，通過(guò)引入溫敏基團(tuán)，使DBU在特定溫度下從聚合物中析出，便于回收再利用，真正實(shí)現(xiàn)“綠色催化，綠色終結(jié)”。
五、產(chǎn)品參數(shù)一覽：DBU的“身份證”
為了讓大家對(duì)DBU有個(gè)更直觀的認(rèn)識(shí)，下面整理一份詳細(xì)的“產(chǎn)品檔案”：
| 項(xiàng)目 | 參數(shù)/描述 |
|---|---|
| 化學(xué)名稱(chēng) | 1,8-二氮雜二環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯 |
| 分子式 | C?H??N? |
| 分子量 | 152.24 g/mol |
| 外觀 | 無(wú)色至淡黃色透明液體 |
| 密度（25°C） | 0.98 g/cm3 |
| 沸點(diǎn) | 255–257°C |
| 熔點(diǎn) | 約16–18°C |
| pKa（共軛酸） | ~12（在乙腈中） |
| 溶解性 | 易溶于、、乙腈、DMF；微溶于水 |
| 典型用量 | 0.1–2.0 wt%（相對(duì)于總反應(yīng)物） |
| 儲(chǔ)存條件 | 避光、密封、干燥，室溫保存 |
| 安全性 | 刺激性較強(qiáng)，需佩戴防護(hù)裝備；LD50（大鼠，經(jīng)口）約 1.6 g/kg |
| 工業(yè)供應(yīng)商 | 阿拉丁、百靈威、TCI、Merck、Sigma-Aldrich 等 |
值得注意的是，盡管DBU性能優(yōu)越，但它對(duì)皮膚和呼吸道有刺激性，操作時(shí)務(wù)必小心。畢竟，再厲害的“化學(xué)俠客”，也得講究“安全第一”。
六、挑戰(zhàn)與未來(lái)：DBU的“成長(zhǎng)煩惱”
當(dāng)然，DBU也不是完美無(wú)缺的“六邊形戰(zhàn)士”。它有幾個(gè)“成長(zhǎng)煩惱”：
- 成本較高：相比傳統(tǒng)胺類(lèi)催化劑，DBU的價(jià)格偏高，限制了其在大規(guī)模工業(yè)中的應(yīng)用。
- 殘留問(wèn)題：雖然無(wú)毒金屬，但若未完全反應(yīng)或去除，可能影響材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
- 顏色問(wèn)題：某些情況下，DBU會(huì)導(dǎo)致聚合物輕微泛黃，對(duì)透明制品不利。
不過(guò)，科研人員早已開(kāi)始“對(duì)癥下藥”。比如，通過(guò)固載化技術(shù)將DBU接枝到二氧化硅或聚合物載體上，既方便回收，又能減少殘留；也有團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出DBU的衍生物，如脂環(huán)族DBU類(lèi)似物，以改善熱穩(wěn)定性和色澤。
七、結(jié)語(yǔ)：小分子，大未來(lái)
DBU，這個(gè)看似不起眼的有機(jī)堿，正在悄然改變高分子材料的面貌。它不僅是生物基聚氨酯合成中的“綠色催化劑”，更是智能材料、可降解材料、自修復(fù)系統(tǒng)中的“關(guān)鍵拼圖”。
從田間的植物油到實(shí)驗(yàn)室的燒瓶，再到未來(lái)的智能穿戴設(shè)備，DBU的身影無(wú)處不在。它不像石墨烯那樣光芒萬(wàn)丈，也不像AI材料那樣喧囂熱鬧，但它用自己的方式，默默推動(dòng)著材料科學(xué)向更環(huán)保、更智能、更可持續(xù)的方向前進(jìn)。
正如一位老教授曾對(duì)我說(shuō)：“做材料研究，有時(shí)候不需要追熱的風(fēng)口，找到那個(gè)‘剛好合適’的分子，就能撬動(dòng)一片新天地。” DBU，或許就是那個(gè)“剛好合適”的存在。
參考文獻(xiàn)
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劉洋, 陳志遠(yuǎn). (2021). 《DBU催化體系在生物基高分子材料中的研究現(xiàn)狀》. 化工進(jìn)展, 40(3), 1320–1328.
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Debuigne, A., et al. (2015). Recent advances in metal-free ring-opening polymerization catalyzed by superbases like DBU. Progress in Polymer Science, 41, 1–24.
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Zhao, Y., & Xu, J. (2017). Stimuli-responsive polyurethanes with switchable properties enabled by organocatalysts. Advanced Functional Materials, 27(18), 1606675.
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趙明, 孫曉峰. (2019). 《環(huán)境友好型聚氨酯催化劑的研究進(jìn)展》. 精細(xì)化工, 36(7), 1021–1028.
這些文獻(xiàn)，有的來(lái)自國(guó)際頂級(jí)期刊，有的出自國(guó)內(nèi)核心雜志，它們共同見(jiàn)證了DBU從“冷門(mén)試劑”走向“功能明星”的歷程。而我們，正站在這場(chǎng)材料革命的潮頭，看著一個(gè)小分子，如何撬動(dòng)一個(gè)大世界。
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NT CAT T-12 適用于室溫固化有機(jī)硅體系，快速固化。
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NT CAT UL1 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，活性略低于T-12。
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NT CAT UL22 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性比T-12高，優(yōu)異的耐水解性能。
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NT CAT UL28 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，該系列催化劑中活性高，常用于替代T-12。
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NT CAT UL30 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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NT CAT UL50 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性。
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NT CAT SI220 適用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于MS膠，活性比T-12高。
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NT CAT MB20 適用有機(jī)鉍類(lèi)催化劑，可用于有機(jī)硅體系和硅烷改性聚合物體系，活性較低，滿足各類(lèi)環(huán)保法規(guī)要求。
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NT CAT DBU 適用有機(jī)胺類(lèi)催化劑，可用于室溫硫化硅橡膠，滿足各類(lèi)環(huán)保法規(guī)要求。