. Am. Chem. Soc. | 基于开环/关环级联反应的大环单体可控开环聚合

给大家分享一篇近期发表在J. Am. Chem. Soc.上的文章，题为Controlled Ring-Opening Polymerization of Macrocyclic Monomers Based on Ring-Opening/Ring-Closing Cascade Reaction。文章的通讯作者是来自中国科学院化学研究所的张科研究员。

大环单体的开环聚合（ROP）在合成序列控制和主链功能化聚合物中起着重要的作用。但是由于大的环尺寸会显著降低大环单体ROP的熵驱动力，控制这一过程以产生具有可控分子量和窄分布的聚合物目前还存在挑战。为了增强大环单体ROP的驱动力，一种有效的方法是在大环单体中引入“开环触发器”。迄今为止，研究者们已经开发出大环单体的开环复分解聚合（ROMP）和自由基ROP等多种方法，但所使用的触发器部分会不可避免地被引入到聚合物链中，从而在聚合物的主链上产生额外的辅助基团。

本文中，作者开发了一种基于亲核开环机制的新型大环单体可控ROP的方法。该方法的关键是在大环单体中引入三甲基锁单元作为“开环触发器”，由于Thorpe-Ingold效应，三甲基锁单元可以快速进行内酯化，有效地释放亲核性端基。在伯胺进攻开环后，三甲基锁单元可以通过自发的6-exo-trig环化从中间体A中分离，得到具有伯胺端基的线性化合物B（图1）。再生的伯胺可以通过这种开环/关环级联反应的重复来实现聚合物的链增长。

图1. 基于开环/闭环级联反应的大环单体可控ROP机制

首先，作者将不同的单体序列与含有三甲基锁的化合物F偶联，再通过一系列反应得到线性前体化合物H。脱去Boc基团保护后，在三乙胺的催化下，H两端的氨基与酯基之间发生分子内酰胺化反应，最终生成具有三甲基锁触发器的大环单体（图2）。通过这种方法他们合成了四种大环单体M1–M4。其中M1和M2具有相同的碳酸酯引发位点，但主链上的官能团不同，M1为酯，M2为聚乙二醇。M3和M4具有相同的酯引发位点，但M3的主链为酯，M4的主链为包含特定序列的氨基酸。

图2. 大环单体M1–M4的合成

接下来作者以己胺为引发剂，在不同条件下对大环单体进行聚合，系统地研究了大环单体的聚合行为（图3）。不同投料比下的M1聚合物的GPC曲线均为对称的单峰，且Đ小于1.1（图4左，A、B）。M_n随着单体转化率的增加呈线性增加（图4左，B），ln ([M]₀/[M]_t)与时间的线性关系表明M1的ROP符合一级反应动力学（图4左，C）。随后，他们通过M2、M3和M4的聚合合成了具有不同结构的聚氨酯、聚酯酰胺和聚氨基酸。三种聚合物的GPC曲线均为对称的单峰，且Đ小于1.1（图4右，A、B）。M_n同样随着单体转化率的增加呈线性增加，并且在三种聚合反应中也都观察到一级反应动力学（图4右，B、C）。这些结果证实了具有不同组成的大环单体在聚合过程中均可以保持可控聚合性质。

图3. 大环单体M1–M4的ROP

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图4. 聚合物P1−P4的表征和动力学研究

为了进一步研究这种ROP方法的可控聚合性质和聚合过程中末端氨基的精确度，作者进行了嵌段共聚的研究。他们首先通过M1和M3的顺序投料合成了嵌段共聚物P1₂₅–b–P3₂₀。与M1的嵌段P1₂₅-NH₂的GPC峰位置相比，P1₂₅–b–P3₂₀的GPC峰位置向高分子量方向移动，同时P1₂₅-NH₂和P1₂₅–b–P3₂₀均为对称的单峰，且Đ小于1.1（图5A）。这充分表明了ROP方法的可控性质和聚合过程中末端氨基的高精确度。

此外，这种ROP方法也为末端氨基的后修饰带来了便利，从而将各种官能团引入所得聚合物的链端。为了研究这一特性，他们合成了炔基修饰的P1（P1₂₂-yne），P1₂₂-yne的MALDI-TOF质谱显示相邻峰之间的m/z间隔为301.1，对应于重复单元的摩尔质量（图5B）。然后他们通过CuAAC反应将P1₂₂-yne和叠氮基修饰的PEG₄₅（PEG₄₅-N₃）偶联，得到了嵌段共聚物P1₂₂–b–PEG₄₅。与P1₂₂-yne和PEG₄₅-N₃的GPC峰位置相比，P1₂₂–b–PEG₄₅的GPC峰位置向高分子量方向移动，且分散度也较窄（图5C），证实了嵌段共聚物P1₂₂–b–PEG₄₅的成功合成。

图5. 嵌段共聚物P1₂₅–b–P3₂₀和P1₂₂–b–PEG₄₅的表征

最后，作者通过聚合物降解研究了大环ROP方法对所得的聚氨酯和聚酰胺的主链功能化的调控（图6）。他们用过量甲醇处理聚氨酯P1₂₂和聚酰胺P3₂₂，GPC结果显示P1₂₂和P3₂₂的分子量在5 min后明显下降，P1₂₂和P3₂₂分别在2 h和5 h内完全降解为小分子化合物。结果表明ROP方法可以通过在大环单体中嵌入官能团来精确地调控聚氨酯和聚酰胺的主链功能化。

图6. P1₂₂和P3₂₂的降解

综上所述，作者开发了一种基于开环/关环级联反应的新型可控ROP方法。该方法的核心在于通过三甲基锁单元的自发环化过程实现聚合物的链增长。这种多功能的ROP方法可用于合成具有可控分子量和窄分布的主链功能化和序列控制的聚氨酯、聚酰胺和聚氨基酸。

作者：SY

DOI: 10.1021/jacs.3c10765

Link: https://doi.org/10.1021/jacs.3c10765