今天给大家分享一篇最近发表在Journal of the American Chemical Society上的研究，题为：Invoking Side-Chain Functionality for the Mediation of Regioselectivity during Ring-Opening Polymerization of Glucose Carbonates，文章的通讯作者是Texas A&M University的Karen L. Wooley教授。

可再生糖基聚合物由于其可持续性、结构多样性、可降解性，以及表现出的作为石油化工产品商用替代品的潜力，受到研究者们越来越多的关注。其中，葡萄糖因其较高的自然丰度以及易衍生化等优点，引起了人们的极大兴趣。获得结构明确的葡萄糖基聚碳酸酯的主要策略是可控开环聚合（ROP）。胍类有机催化剂TBD被广泛应用于催化醇类或胺类引发体系的多种环状单体的ROP，表现出很高的聚合活性和可控性；对于少数非对称的内碳酸酯开环聚合也初步实现了区域选择性。在之前的工作中，作者发展出了一类具有区域选择性的基于葡萄糖的内碳酸酯开环聚合体系，但对于单体是以“头-尾”或是“尾-头”的方式进行连接尚不很明确。本文中为了探究聚合物的首尾连接方式，以及进一步揭示ROP过程的区域选择性来源，作者结合实验以及量子化学模拟方法研究了基于葡萄糖内碳酸酯单体在开环聚合早期阶段生成的单聚体和二聚体的结构特征，并且探究了内碳酸酯开环位点与侧链位阻以及亲电性的关系。

具体来说，如图1所示，作者首先选取了两种侧链酯键取代的葡萄糖内碳酸酯（A与B）进行研究，通过将反应温度降低至-72 ^oC，作者将聚合反应限制在早期，并且通过色谱方法分离得到了单聚体（A1与B1）与二聚体（A2与B2）。

图1. 侧链酯键取代的葡萄糖内碳酸酯单聚体与二聚体的制备

接下来，如图2所示，作者通过对单聚体A1的核磁共振同核相关谱（Homonuclear correlation spectroscopy；COSY）进行分析发现：羟基质子i与质子d间存在较强的耦合信号，而与质子f间则不存在耦合信号；核磁共振氢-碳异核相关谱（¹H−¹³C heteronuclear multiple-bond correlation；HMBC）的结果也显示羰基碳X与质子f间存在较强的耦合信号，而与质子d间则不存在耦合信号。两者的结果相吻合，共同表明引发剂是从单体A1中4号碳的一侧对羰基进行亲核进攻。同样基于二维核磁共振谱图对二聚体A2的结构分析，作者证明了链增长步骤对于单体的区域选择性与链引发步骤一致。作者随后也分析了B1与B2的结构，发现其区域选择性分别与A1与A2相同，表明侧链位阻对于选择性没有显著影响。

图2. 侧链酯键取代的葡萄糖内碳酸酯单聚体与二聚体的核磁谱图

另一方面，如图3所示，作者选取了侧链醚键取代的葡萄糖内碳酸酯单体进行对照研究，同样通过色谱方法分离得到了的单聚体与二聚体。

图3. 侧链醚键取代的葡萄糖内碳酸酯单聚体与二聚体的制备

但与之前不同的是，作者通过¹H NMR与HMBC分析发现单聚体存在两种异构体（I与II），二聚体则存在等量的四种异构体，表明引发剂对单体的亲核进攻的区域选择性较低（图4）。作者推测侧链酯键取代的单体区域选择性高于侧链醚键取代单体的原因在于前者侧链的羰基可能与反应中心存在相互作用。

为了进一步阐明不同侧链单体的区域选择性产生差异的原因，如图5所示，作者结合量子化学方法对链引发过程进行了模拟，结果显示侧链羰基参与氢键形成的过渡态TS2-b与TS2-d，相比于未形成氢键的过渡态TS2-a与TS2-c具有更紧凑的结构以及更低的活化能，从而极大地提高亲核进攻的区域选择性（C-O4断裂）。

综上所述，作者合成并分离得到葡萄糖内碳酸酯单体在聚合初始阶段生成的单聚体和二聚体，通过对两者确切结构的表征，明确了单体ROP的区域选择性。此外，作者通过理论模拟方法研究葡萄糖碳酸酯的开环历程，展示了侧链的羰基能够通过与反应活性中心的TBD形成氢键，稳定（C-O4断裂过程的）过渡态，从而使单体的开环聚合表现出区域选择性。总的来说，这项工作提升了对葡萄糖内碳酸酯单体的聚合物区域化学的基本认识；另外也展示了利用单体侧链取代基参与催化物-底物分子间相互作用，从而指导聚合过程区域化学的可行性。

作者：XW 审校：WYY

DOI: 10.1021/jacs.0c05610

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c05610