中科大闫立峰教授团队 Macromolecules: L-赖氨酸在温和条件下与CO₂聚合制备荧光聚脲

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中国科学技术大学化学与材料科学学院闫立峰教授团队 以侧链带有羧基（ -COOH ）的天然二胺 -赖氨酸为单体，利用 有机超强碱 DBU催化体系成功合成了赖氨酸- CO ₂ 基聚脲（ L-PU ） 。 实验表明 ， CO ₂ 以脲 基团的 形式（ -NHCONH- ）嵌入到主链 ， 侧链 活性 羧基的保留率超过 80% 。同时 产物具有非典型荧光特性， 产物 L-PU 的荧光量子产率超过 20% 。 L-PU 对 HepG2 细胞的 培养 存活率 超过 90% ， 可高效标记细胞质，展现出优异的生物相容性与成像性能 。 此外， L-PU 保留的活性 羧基具有进一步功能化的改性空间 ， 增加了其作为水溶性高分子的应用潜力 。第一作者为中科大 2022 级博士研究生张尚中。

图 1 . L- 赖氨酸捕获 CO ₂ 并产生聚脲过程可能的机理

该团队 直接使用 L- 赖氨酸作为二胺原料，在有机超强碱 DBU 的 活化下 ，与 CO ₂ 在温和的温度和压力下（ 0.1-0.4 MPa ， 60-100 ℃ ）进行捕获和聚合反应，成功制备了一种新型水溶性聚脲（ L-PU ）。

图 2. a) L-PU 聚合物的 ¹³ C NMR 谱（ 0.4 MPa, 80 ℃,12 h ）； b) L-PU 聚合物的 ¹ H NMR 谱（ 0.4 MPa, 80 ℃,12 h ）； c) 信号 1c 放大视图； d) 分子链中三种可能存在形式

在 图 2a 中， 可 观察到六个高化学位移的碳信号，将其按化学位移从低到高进行分类和归属 ， 如图 2 b ， c ， d 所示 。赖氨酸分子中共有五个碳原子，除了 1 号位置的碳原子只连着一个氢原子外，其它每个碳原子连着两个氢原子。而 1 号位置的碳原子共有 1a ， 1b 和 1c 三种连接情况。由此可见，信号 1-a 、 1-b 、 1-c 的合起来积分面积为 1 号碳原子总积分面积， 1 号碳原子与其它碳的积分面积比值为 0.5:1:1:1:1 。其中，信号 1-a 表示与 1 号碳原子相邻的脲基团，其另一侧无羧基；而信号 1-b 表示，在脲基团的另一侧有一个羧基。因此，由于另一侧羧基的吸电子作用，信号 1-b 的化学位移值相对于信号 1-a 有明显的增加。信号 1-a 与 1-b 的积分面积之比为 37:4 ，这是因为 1-a 是由赖氨酸中不与羧基相邻的氨基捕获 CO ₂ 形成，其形成过程相比与 1-b 具有较低的位阻以及亲核性的优势，所以最终数量占优。

1-c 信号代表由 1-a 结构进行分子内脱水，进而形成的五元环结构，其对应的化学位移更大。如图 5c 所示，核磁共振氢谱中 1-c 的信号为双二重峰（ d-d 峰）。这种光谱特征表明， 1-c 上的氢原子受到位于不同化学环境中的两个相邻氢原子的影响。在五元环结构中， 2 号碳上的两个氢原子由于平面构象中位置不同，处在不同的化学环境，即满足这种情况。所以，上述对分子内产生五元环结构的假设，得到了有力的证据支持。

此外，当该反应在不同的条件下进行时， 1-a 、 1-b 和 1-c 三个信号的峰值形状和比例几乎没有变化，大约是 70%:10%:20% 。这说明， L-PU 中的三种结构在热力学上是较为稳定的。由此可知，活性羧基的保留率为 1-a 与 1-b 所占比例之和，约为 80% 。

图 3 . L-PU 在 不同条件 下的 GPC 曲线。（除特殊说明外，基本条件为 0.4 MPa, 80℃ ， 12h ）。 a) 不同压强 , b) 不同温度 , c) 不同时间 , d) 不同时间合成的 L-PU 水溶液（ 2mg/ml ）动态光散射（ DLS ）试验

图 3a 表明，当 CO ₂ 压力从 0.4 MPa 降低到 0.1 MPa 时， L-PU 的重均分子量（ M _w ）增加，从 1.09×10 ⁴ g/mol 增加到 2.47×10 ⁴ g/mol, 表明即使在较低压力下， CO ₂ 也能与赖氨酸进行有效聚合。 如图 3 b 所示，温度升高导致重均分子量增加，而分散系数（ PD ）相对变化很小。这是因为温度的升高增加了反应的能量供给，降低了体系粘度，提高了传质效率。 当反应时间从 4 h 增加到 12h 时，分子量略有增加（从 1.05×10 ⁴ g/mol 增加到 1.09×10 ⁴ g/mol ），表明链生长过程主要发生在反应的前 4 小时。然而，当反应时间从 12 小时增加到 24 小时，重均分子量和分散系数均显著增加（分散系数从 1.82 增加到 2.53 ），表明长时间加热可能导致分子间的链间反应。 图 3d 进一步支持了这一观察结果，反应 24 h 后的 L-PU 水溶液由于分子链之间的反应和缠结，粒径更大，分布更广。

图 4 纯化的 L-PU 聚合物的 SEM 照片 （ 0.4 MPa,12 h,80 ℃ ）

纯化后的 L-PU 固体粉末的微观形态特征如图 4.14 所示，通过 SEM 的表征方法，可以清楚地看到颗粒呈现出细长片状的形态。这可以归因于分子链中存在大量氢键，导致聚合物链间密集排列。

图 5. a) 不同条件下 L-PU 聚合物的紫外吸收光谱 , b)不同条件下 L-PU 聚合物的 荧光发射 光谱 ， c) 不同压强下合成的 L-PU 聚合物的荧光量子产率与浓度变化关系 4 （ 12 h,80 ℃,λex=310 nm ） , d) 不同反应时间下合成的 L-PU 聚合物的荧光量子产率与浓度变化关系

L-PU 聚合物的荧光强度随溶液中自身浓度的增加而降低，符合 ACQ （ Aggregation-Caused Quenching ）的原理。图 5a 中的 L-PU 聚合物，随着分子量的逐渐增加，其对应的紫外吸收峰从 302 nm 逐渐增加到 314 nm ， 这说明非常规的本征荧光性质与聚脲的分子量有直接关系。 在 310 nm 激发波长下， L-PU 聚合物在各种条件下都可以观察到荧光现象，如图 5 b 所示。发射峰出现在 410 nm 左右。图 5 c 和 5d 的结果证实了 L-PU 聚合物的荧光量子产率随着浓度的增加而逐渐降低，符合聚集诱导猝灭（ Aggregation-Caused Quenching ）。

值得注意的是，在 0.1 MPa 的 CO ₂ 压力下合成的 L-PU 聚合物的量子产率高于 0.4 MPa 条件下的，而反应时间 24 小时合成的 L-PU 聚合物的量子产率超过了 12 小时合成的聚合物，说明荧光量子产率与分子量呈正相关。在测试过程中，观察到的 L-PU 聚合物的最大荧光量子产率达到了 20.39% ，显著高于单体赖氨酸的荧光量子产率（ 5.35% ）。

利用 YO-PRO1 细胞核染色液 其 进行了细胞核染色成像（图 6 ）。

图 6. 被 L-PU 和 YO-PRO1 染色剂处理的 HepG2 细胞的荧光图像

HepG2 细胞在摄取了含有 L-PU 聚合物的培养液 6 小时后，荧光图像显示 L-PU 分子存在于细胞质区。 12 小时后， L-PU 聚合物的荧光强度显著增强，并保持相对稳定，直至 24 小时（图 7a ）。 MTT 法测定细胞毒性如图 7b 所示，在摄取含有不同浓度 L-PU 的培养液情况下，测试细胞存活率保持在 90% 以上，表明 L-PU 聚合物具有优异的生物相容性和细胞安全性。

图 7. a)L-PU 处理不同时间后 HepG2 细胞的荧光强度 , b) L-PU 对 HepG2 细胞的 MTT 分析（ n = 4, mean±SD ） , c) L-PU 溶液和水在 365nm 紫外光下对比（ 80 ℃,12 h, 0.4 MPa,2 mg/mL ） , d) 经过 L-PU 染色的细胞轮廓（ 80 ℃,12 h, 0.4 MPa,2 mg/mL ）

L-PU 聚合物水溶液具有肉眼可见的显著荧光效果，如图 7c 所示。 此外，图 7d 显示了摄取 L-PU 聚合物后完整清晰的细胞轮廓，细胞边缘轮廓清晰，形状完好，这表明 L-PU 聚合物具有优异的细胞亲和性，因为它很容易被细胞吸收，同时保持了细胞的自然形态。

DSC 测试的结果表明（图 8a ）， L-PU 的玻璃化转变温度随着重均分子量的增加而逐渐升高。较高的分子量增强了分子链的刚性，也促进了更多分子间氢键相互作用。从图 8b 中可以看出，不同条件下合成的 L-PU 聚合物在 122 ℃ 和 203 ℃ 左右表现出两个不同的失重步骤。在 122 ℃ 时， L-PU 聚合物分子失去了分子间结晶水，并在 203 ℃时开始分解。在 203 ℃ 附近的第一次失重，不同条件下 L-PU 聚合物没有表现出显著差异。然而，在 250 ℃附近的第二次失重，剩余质量表现出依赖于分子量的顺序。例如，在 12 h 、 0.1 MPa 、 80 ℃ 条件下合成的 L-PU 聚合物在第二次失重过程中分子量最高，保留的质量最多。

图 8. a) 不同条件下合成的 L-PU 聚合物的 DSC 曲线 , b) 不同条件下合成的 L-PU 聚合物的热重曲线

本研究成功开发了一种在温和条件下利用 L- 赖氨酸与 CO ₂ 高效聚合制备水溶性聚脲（ L-PU ）的新方法。通过 DBU 的催化作用， L-PU 不仅实现了 CO ₂ 的高效固定，还保留了羧基的活性，为其在生物医学领域的应用提供了广阔的前景。 L-PU 表现出优异的荧光性能和生物相容性，能够高效标记细胞质，展现出其在细胞成像和组织治疗中的潜在应用价值。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c03112

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