今天为大家分享一篇最近发表在JACS上的文章，Iterative Convergent Synthesis of Large Cyclic Polymers and Block Copolymers with Discrete Molecular Weights。该文章的通讯作者是韩国首尔国立大学化学系的Kyoung Taek Kim教授。

环状聚合物由于它的链构象约束和链末端缺失而具有独特的物理化学性质，它可以通过线性聚合物的分子内环化或者扩环聚合来合成。离散聚合物 (discrete polymer) 是指由确定重复单元数量组成的聚合物，它可以作为精确的材料来揭示聚合物因分子量统计学分布而模糊的物理化学性质。制备离散大环聚合物的挑战之一是线性聚合物前体分子量的可扩展性。目前，利用正交保护重复单元的迭代融合合成方法，已经能合成一些单分子量的聚合物，但是这些聚合物的分子量都较小，因此该方法被限制在低聚物的合成领域 (如图1A)。

在本文中，作者利用迭代融合合成法合成了线性不连续聚合物和共聚物前体，然后通过分子内环化制备了高分子量的环状聚合物。利用相同分子量环状聚合物和线性聚合物的水合动力学体积不同，线性聚合物和环状聚合物可以通过尺寸排阻层析 (SEC) 方法来进行分离。

图1. A) 由迭代缩合合成法合成线性单分子量聚合物；B) 单分子量聚乳酸和其共聚物分子内环化形成大环聚合物

如图2所示，作者以苄基酯和TBDMS保护的rac-丙交酯 (LA2) 为原料，通过线性迭代融合法合成了高分子量的聚乳酸。其中，每一个迭代过程包括了一步正交脱保护反应和一步缩合反应：一部分LA2在BF₃·Et₂O的作用下脱除硅基，另一部分LA2通过Pd/C还原脱除苄基保护基，二者在碳二亚胺EDC的作用下进行脱水缩合得到LA4。与固相合成相比，这种方法更容易得到高分子量的离散聚合物。

但是随着分子量的增加，LAn和缩合反应前体对固定相的亲和差异逐渐变小，用闪柱分离LAn和前体变得越来越困难。因此，作者利用制备级尺寸分离色谱来分离纯化LA64以及更大的聚乳酸，分离量每次可多达1 g。在分子量继续增加的情况下，大分子前体之间的缩合变得更加困难，实验结果表明，当使用HO-LA512-Bz和TBDMS-LA512-COOH进行等当量缩合时，反应产率只有5%。于是，作者使用过量的HO-LA512-Bz (2 eq.) 来进行缩合以提高产率。GPC分析显示，反应产率提高至59%。

图2.  A) 聚乳酸的线性迭代缩合合成；B) MALDI-TOF

接着，作者将LAn两端的保护基依次脱去，并分别转化为乙炔和叠氮基团，然后在CuBr的催化下进行分子内的Click反应。为了防止分子间的反应，作者使用了Grayson报道的伪稀释条件。¹随着分子量的增加，聚乳酸分子内环化产率从c-LA32的99%逐渐降低到c-LA256的73%。之后，作者继续使用制备级SEC来分离纯化环状聚合物，核磁结果显示反应产物中不含有未反应的端基，GPC和MALDI证明了产物中不含有线性聚合物。

图3.  A) c-LA32和它线性前体的¹H NMR；B) 环状聚合物的¹H NMR；C) LA512和c-LA512的GPC；D) 线性(实心)和环状(空心)聚合物SEC表观分子量和重复单元数的图；E) MALDI-TOF

不仅如此，利用这种迭代缩合方法，还可以合成单分子量的环状嵌段共聚物。作为验证，作者使用由64个重复单元组成的单分子量聚苯基乳酸 (PL64) 与LA64进行缩合，得到无分子量分布的二嵌段共聚物，接着进行分子内环化得到了环状嵌段共聚物c-LA64-b-PL64。利用该嵌段环状共聚物，作者还研究了拓扑结构对嵌段共聚物自组装的影响，结果表明，嵌段共聚物之间的拓扑结构差异可能会对其自组装行为产生显著影响。

总之，作者利用迭代融合合成法合成了具有确定分子量的环状聚合物以及环状嵌段共聚物。利用聚合物环化后水合动力学体积上的明显差异，作者通过制备级SEC纯化得到无线性杂质的单分子量环状聚合物。这种方法可以用于合成具有预定嵌段比的单分子量嵌段共聚物和环状嵌段共聚物。这些聚合物可以用于研究无分子量分布的合成高分子的物理化学性质，对于我们准确认识聚合物的性质和应用具有重要意义。

参考文献

1. 1.Bielawski, C. W.; Benite, D.; Grubbs, R. H. Science 2002, 297, 2041−2044.

DOI: 10.1021/jacs.0c04202

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c04202