Macromolecules｜氨基环丙烯羧酸盐催化的氢键驱动β-内酯开环聚合制备聚羟基脂肪酸酯

大家好，今天给大家分享一篇近期发表在 Macromolecules 上的研究进展，题为： Hydrogen Bonding-Driven Ring-Opening Polymerization of β -Lactones to Polyhydroxyalkanoates Using Aminocyclopropenium Carboxylates ，该工作的通讯作者是来自 浙江大学 的伍广朋 教授 。

聚羟基脂肪酸酯 (PHAs) 是一类可生物降解且生物相容的聚合物，被广泛研究以减少塑料废物在填埋场和海洋中的积累。常见的聚 (3- 羟基丁酸酯 ) (P3HB) 和聚 (3- 羟基丙酸酯 ) (P3HP) 可通过 β - 丁内酯 (BBL) 和 β - 丙内酯 (BPL) 的开环聚合 (ROP) 制备 ( 图 1) ，天然 P3HB 具有完美等规立构，熔点高达 180°C ，并且具有优异的拉伸强度，对氧气和水分阻隔性能突出，在包装、组织工程和药物递送中较传统聚丙烯更有优势。 P3HP 主链含重复亚甲基单元，结构与聚乙烯类似，柔韧且延展性佳，在塑料薄膜领域潜力巨大。

图 1. 通过 BBL 和 BPL 生产 PHAs

相比广泛研究的金属基催化剂 / 引发剂，通过有机催化 ROP 制备高分子量 PHAs 的研究仍然较少，常用 N- 杂环卡宾及其前体、有机碱、三氟甲磺酸以及含羧酸根的四级铵 / 鏻盐实现 BBL 或 BPL 的 ROP ，酸催化的阳离子 ROP 通常活性低且产物分子量低。尽管 N- 杂环卡宾和有机超强碱等强亲核试剂可加速聚合，但其过强的碱性也会攫取 α -H 导致单体发生消除反应，致使低聚物生成。大位阻离子对引发剂 ( 如四烷基铵羧酸盐 ) 通过增加阳离子位阻，降低其与活性羧酸根的静电吸引力，从而提高羧酸根活性 ( 图 2A) ，加速 BBL 聚合，然而，高温也会加速 BBL 的质子消除反应导致 M _n 降低。此前该课题组开发了通过引入非共价相互作用以抑制此类副反应，通过硼中心活化单体并稳定增长链末端，实现了 BBL 的快速可控聚合 ( 图 2B) 。但聚合物链中羰基氧与硼中心竞争配位，导致后期聚合中主链质子被攫取， M _n 下降。

因此氢键因其促进阴离子键合的能力成为理想选择，氨基环丙烯离子已被证明是高效的有机催化剂，氨基环丙烯离子对的 “ 离子对应变 ” 可显著增强阴离子活性，而氢键可稳定活性链末端并限制副反应，本文作者设计了一系列含氢键供体的氨基环丙烯羧酸盐催化剂用于 BBL 和 BPL 的 ROP 。氢键驱动快速可控聚合，制备出高分子量 PHAs ( 图 2C) 。

图 2. 无金属羧酸盐催化剂 / 引发剂与本篇工作对比

为探究氢键对 BBL 聚合的影响，首先使用不含氢键供体的对照催化剂 1-Cl (100°C) ， BBL 转化率为 41% ( 转化频率 TOF = 80 h ^-1 ) ，随后使用含 N–H 氢键供体的氨基环丙烯催化剂， TOF 显著提升，与 1-Cl 结构相似的氢键供体催化剂 2-Cl 的 TOF 为 140 h ^-1 ，是 1-Cl 的 1.75 倍，表明氢键显著提升了活性。但 2-Cl 制备的 P3HB 分子量仅 2.9 kg/mol ，可能是由于氯离子作为良好离去基团导致 M _n 降低。

随后作者筛选阴离子种类优化分子量，以 2-Cl 为基础，通过离子交换制备了相应的乙酸根 (2-ace) 、新戊酸根 (2-piv) 和巴豆酸根 (2-cro) 催化剂。乙酸根（ 2-ace ）活性最优， TOF 为 180 h ^-1 。乙酸根不仅加速聚合，还生成更高 M _n 的 P3HB ，显著优于氯离子催化剂。

作者改变氨基环丙烯阳离子 N 位取代基的电子效应，发现吸电子基团增强催化剂活性，含吸电子 4- 氟苯基的 3-Cl TOF 最高 (170 h ^-1 ) 。将氯离子替换为乙酸根后，氢键强度最强的 3-ace TOF 最高 (240 h ^-1 ) 。

表 1 . 氨基环丙烯催化剂对 B BL 的 ROP 结果

^b 转化率

^c 转化频率 TOF = [M] × conv. × [cat] ⁻¹ × time ^–1

^d 理论分子量 TOF = M × [M] × conv. × [cat] ⁻¹

¹ H NMR 分析表明，取代基的电子效应与氢键强度密切相关 , 氨基环丙烯氯化物的 N–H 化学位移如图 1 所示： 3-Cl 的 N–H 峰为 11.17 ppm ；替换为苯基、苄基或正丁基后，化学位移分别降至 11.14 、 9.22 和 8.81 ppm ，表明氢键形成能力减弱，与 TOF 下降趋势一致。

图 3 . 氨基环丙烯催化剂 3-Cl 、 2-Cl 、 4-Cl 和 5-Cl 的 N-H 化学转移及其 BBL 的 ROP 的 TOF 值

¹ H NMR 滴定实验证明，氨基环丙烯阳离子的 N–H 可与 BBL 及活性链末端形成氢键 ( 图 4) ，模型催化剂 4-Cl 的 N–H 峰在加入 BBL 后从 9.22 ppm 略微移至 9.21 ppm ，表明 N–H 与 BBL 羰基氧形成弱氢键。加入等效四丁基乙酸铵， N–H 信号下移至 9.37 ppm ，表明 N–H 与乙酸根形成氢键。将氯离子替换为乙酸根（ 4-ace ）后， N–H 信号显著下移至 11.29 ppm ，表明其与增长链末端羧酸根形成强氢键。加入 BBL 后， N–H 信号仅下移 0.13 ppm ，表明 BBL 对氢键的竞争较弱，但足以激活单体并加速聚合 (TOF 从 80 h ^-1 提升至 140 h ^-1 ) 。强氢键稳定了活性链末端，减少副反应，从而获得高分子量 P3HB 。

图 4 . 参与形成氢键的 H 的化学位移

同样，作者筛选了 BPL 单体 ROP 的条件，使用 3-ace ( 投料比 500/1 ， 25°C) 催化 BPL 聚合， 0.5 小时内转化率 >99%, 所得 P3HP 分子量 65.5 kg/mol ( Đ =1.18) 。增加投料比至 1/1000 、 1/2000 和 1/4000 并延长反应时间， M _n 线性增长，最高达 216.7 kg/mol ( Đ =1.27) ( 图 5) 。升温至 40°C 导致分子量骤降（ 48.1 kg/mol ）且分布变宽 ( Đ =2.16) 。

表 2 . 氨基环丙烯催化剂对 BPL 的 ROP 条件筛选

^a 1 使用催化剂 1-Cl ， 2 使用催化剂 2-Cl ，其余使用催化剂 3-ace

图 5 . (A) 氨基环丙烯催化剂 3-ace 在变化的 [BPL] ₀ /[3-ace] 得到的 P3HP 的 M _n 和 Đ 值图 (B) 不同 [BPL] ₀ /[3-ace] 得到的 P3HP 的 GPC 曲线

理论分子量 ( M _n,theo ) 与实测值 ( M _n,SEC ) 的差异表明高温下 ROP 存在副反应。 MALDI-TOF 质谱显示 P3HB 存在三类主要链末端，乙酸根引发线性链 ( 红色 ) 、巴豆酸根链 ( 绿色 / 蓝色 ) 及少量水引发的低聚物 (450 < m/z < 700) ( 图 6) 。

图 6 . 用 2-ace 合成的 P3HB 的 MALDI-TOF 质谱

原位红外显示巴豆酸根的 C=C 峰 (1655 cm⁻¹) 在初始 1 小时增加后趋于平稳，表明副反应主要发生于聚合早期 ( 图 7) 。

图 7 . BBL 的 ROP 的原位红外曲线

基于上述表征，作者提出了以下反应机理： 1 、 引发阶段 ：乙酸根通过攻击 β -C ( 烷基断裂 ) 或羰基 C ( 酰基断裂 ) 开环 ( 淬灭实验证实烷基断裂为主路径 ) 。 2 、 链增长 ：羧酸根攻击下一单体的 β -C 完成链延伸 ( 图 8, V) 。 3 、 副反应 ：高温下乙酸根攫取 α -H 生成巴豆酸根 ( 图 8, II) ，或攻击聚合物链导致链断裂 ( 图 8, VII) 。 BBL 的 β -C 位甲基阻碍羧酸根攻击，导致其聚合速率显著低于 BPL 。氢键可以稳定活性链末端以抑制副反应，低温下效果尤其显著。

图 8 . BBL 和 BPL 聚合过程中的链引发和链增长的机理

综上所述，作者开发了一系列氢键可调的氨基环丙烯催化剂，实现了 BBL 和 BPL 的高效可控 ROP ，制备出高分子量 PHAs (P3HP 分子量 >200 kg/mol) 。吸电子取代基增强氢键供体能力，提升催化剂活性和产物分子量。 BBL 因 β -C 位甲基的位阻效应聚合速率较低。通过氢键活化单体和稳定链末端抑制副反应，为有机催化制备 PHAs 提供了新策略。

作者： TCM

DOI: 10.1021/acs.macromol.5c00165

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c00165

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