基于IrAAC/CuAAC高效构建全取代三氮唑类序列定义聚合物

丁胜涛课题组简介

课题组成立于2016年9月。主要研究方向为有机合成方法学、高分子精密合成。独立工作以来已在Chem. Comm.、Commun. Chem.、J. Org. Chem.等杂志上发表论文多篇。

丁胜涛教授简介

丁胜涛教授于2005年至2011年在北京大学药学院就读，导师为焦宁教授；2014年于香港科技大学获得博士学位，导师为孙建伟教授；2014年至2016年先后在哈佛大学Ritter教授课题组和南佛罗里达大学史晓东教授课题组从事博士后研究。2016年9月份入职北京化工大学。

前沿科研成果

基于IrAAC/CuAAC高效构建全取代三氮唑类序列定义聚合物

1,2,3-三氮唑官能团可作为氢键受体、电子供体、金属配体，以及酰胺键、羧酸酯或羧酸、刚性结构、杂环等多种结构的电子等排体。自2001年被首次报道，CuAAC已成为高效构建1,2,3-三氮唑结构的重要方法，并被广泛应用于有机化学、药物化学、化学生物学、高分子科学、材料科学等多个领域。但受限于反应底物类型，CuAAC通常只能提供1,4-二取代-1,2,3-三氮唑，在聚合物设计合成中也主要被应用于主链的链接体模块、聚合物后修饰、聚合物链折叠等方面（图一a）。如果能在通过点击反应高效合成聚合物的同时，在1,2,3-三氮唑的5位引入不同的取代基，便可参比生物大分子结构，构建以1,2,3-三氮唑为统一主链结构的全取代三氮唑类序列定义聚合物（图一b）。加以丰富多变的侧链取代基和主链链接方式，可合成多种类型的序列定义聚合物，为化学合成类序列定义聚合物的空间拓扑结构、性能以及潜在的应用研究提供丰富的素材，是非常值得投入和亟待展开的研究课题。在本项工作中，本课题组利用铱催化的内炔和叠氮反应生成全取代三氮唑的环化反应（IrAAC），通过迭代顺序合成策略，首次精密构建了三氮唑类序列定义聚合物；并结合CuAAC，设计合理单体，通过迭代指数合成策略，实现了长链三氮唑类序列定义聚合物的合成；亦运用不同偶联反应，利用三氮唑类序列定义聚合物片段，高效快速合成了多种结构复杂的序列定义聚合物（图一c）。

图一：1,2,3-三氮唑在序列控制聚合物中的应用

（图片来源：Chem. Comm.）

首先，团队基于IrAAC和叠氮取代反应建立简单的迭代逐步增长策略（ISG），合成了具有6个不同序列单元、分子量达到1400的寡聚物（图二）。并通过NMR、SEC、HRMS、MADLI-TOF-MS、FTICR-MS等表征方式证明了产物的结构及单分散性。寡聚产物两端取代基的可修饰性为后续的进一步应用提供了广阔的空间。

图二：通过逐步增长策略（ISG）合成聚合物

（图片来源：Chem. Comm.）

随后，基于硅基保护的内炔在IrAAC中的反应惰性，团队合理设计了反应单体，首先利用ISG策略合成含有三个单体的聚合片段，然后利用基于CuAAC的迭代指数增长（IEG）的合成策略快速高效合成聚合物（图三）。不同于以往工作，在此情况下，经CuAAC合成的1,4-二取代三氮唑也是序列的重要组成部分。因此，聚合片段n经一个迭代指数增长循环合成的聚合片段不是2n，而是2n+1。最终可成功得到含有31个单体的聚合物，分子量达5333.84。

图三：通过基于CuAAC的指数增长策略（IEG）构建聚合物

（图片来源：Chem. Comm.）

在利用SEC、MS等表征手段证明寡聚产物结构的同时，团队发现，通过比较系列产物的1H NMR谱图，可明显得到指数增长的信息（图四）。

图四：通过1H NMR鉴定聚合物结构

（图片来源：Chem. Comm.）

考虑到迭代逐步增长所耗费的时间，以及迭代指数增长所合成产物侧链序列的简单重复性，通过偶联不同的聚合片段，可快速高效合成具有复杂结构的聚合物。团队利用叠氮6b与端炔10d偶联合成了一种结构较为复杂的聚合物13，并通过NMR、SEC、FTICR-MS等表征方式证明了产物的结构及纯度（图五）。

图五：通过偶联反应快速高效构建复杂结构

（图片来源：Chem. Comm.）

总之，本工作利用IrAAC与CuAAC两种合成方法，成功设计并合成了一系列全新结构的三氮唑类序列定义聚合物。相关的空间拓扑结构以及在在信息储存、药物载体等方面的应用研究正在进行之中。 

这一成果近期发表于Chem. Comm.（DOI: 10.1039/d0cc00421a），硕士研究生鞠昌宏与孟聪聪为该论文的共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（No.21871023）、北京化工大学启动基金、北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室、北京大学天然药物与仿生药物国家重点实验室的资助。