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精确控制聚合物的单体序列以及聚合物侧链的功能化是新一代聚合物材料的重要发展方向，同时也是巨大的挑战。精确功能化聚合物体系具有独特的空间组织、折叠及自组装特性，使其在靶向细胞转染、组织工程、抗菌以及信息存储与编码等诸多领域有着广阔的应用前景，而且还可增进人们对于聚合物材料的生物学性能、结构组织、降解动力学和微观结构-宏观热/机械性质关系的理解和控制。以往的相关研究报道中，Haddleton等人采用无硫RAFT乳液聚合法实现了丙烯酸酯类共聚物序列结构的精确可控（Nat. Chem., 2017, 9, 171）；Sampson等人开发了一系列交替的阳离子/亲脂性聚环丁烯，与无规共聚物相比它们具有更高的抗菌活性和更低的毒性（Acc. Chem. Res., 2016, 49, 408）；Meyer等人利用迭代合成方法制备了单体序列精确控制的乳酸-羟基乙酸共聚物，证明了对丙交酯-乙交酯单体序列的精确控制可以对（生物）降解和酯水解速率进行精细控制（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 16352）。但是，相比之下，具有精确结构的功能化AB交替聚合物却很难合成，而且基于聚合单元的高度反应选择性实现聚合物侧链精确功能化方面的工作也相当少见。
近日，英国牛津大学Charlotte K. Williams教授研究团队报道了一种新的聚合后正交功能化策略，以生物来源单体制备了具有确定单体序列和精确功能化侧链的AB交替聚酯类聚合物，这种聚合物通过水解降解之后只产生生物相容性的二元醇和二元酸。具体来说，他们通过带有端烯基的环氧化物与带有内烯基的环酐的开环共聚反应（ROCOP），高效制备了具有AB交替序列结构且含有端烯基和内烯基的系列聚酯类聚合物。分子链结构上的端烯基和内烯基使得聚酯可以分别通过高选择性的硼氢化-氧化（修饰端烯基）和巯基-烯点击化学反应（修饰内烯基）进行精确的聚合后功能化修饰。相关论文发表于Chemical Science，并入选“HOT Article Collection”。![]()
AB交替聚酯的制备过程示意图。图片来源：Chem. Sci.
作者选择ROCOP是因为大多数环氧化物和酸酐的ROCOP会产生高度交替的AB聚酯，转化率通常很高，即使使用取代的环氧化物和酸酐也可以实现高收率。谨慎选择催化剂，就可防止环氧化物的均聚，保证高度交替的序列选择性。此外，环氧化物和酸酐来源较广且成本普遍不高，所以ROCOP还适合大规模生产。但ROCOP也有不足，那就是一些有用的官能团与反应并不相容，特别是例如羟基、伯/仲胺、羧酸等取代基。不过，这个问题可以通过聚合后的功能化修饰来解决，通过例如巯基-烯点击化学等引入这些取代基。而且，如果使用带有端烯基的环氧化物与带有内烯基的环酐，那么最终的AB交替聚酯也会保留端烯基和内烯基，这二者不同的反应性，也为选择性修饰带来了可能。作者基于催化底物范围、选择性及催化活性，选用Cr-salen（SalcyCrCl）以及等摩尔PPNCl为活性共聚反应的催化体系；以1,2-环己二醇（CHD）为链转移剂，来进行带有端烯基的环氧化物（下图的VCHO、VPO、AGE）与带有内烯基的环酐（下图的MA、THPA、TCA）的ROCOP反应。得到的AB交替聚酯，作者使用硼氢化-氧化反应来选择性羟基化端烯基（内烯基不反应），精确引入羟基为功能化基团；随后使用巯基-烯点击化学反应来修饰内烯基，精确引入羧酸、胺、烷基和低聚醚等第二功能化基团（上图）。![]()
环氧化物与环酐的ROCOP反应。图片来源：Chem. Sci.
研究团队采用1H NMR、分子体积排除色谱法（SEC）测试对分步生成的聚酯结构及分子量进行了详细表征。聚合物P1只存在交替聚酯的特征峰、无醚键特征峰、6.48-6.38 和 5.78 ppm处呈现明显的烯键特征峰，聚合物分子量2.3 kg mol-1、较窄的分子量分布Đ= 1.21。随后聚合物P1经历选择性的侧链双键（即端烯基）硼氢化-氧化反应，得到聚合物P1(a)。1H NMR测试表明4.36、3.42 ppm出现-OH特征峰，聚合物分子量4.4 kg mol-1、分子量分布Đ= 1.14。基于分子主链上双键（即内烯基）的点击化学反应，进一步进行功能化。1H NMR测试中新的侧链取代基特征峰的出现证实系列聚酯P1(b)-P1(f)的成功制备，其中聚合物P1(b)分子量5.0 kg mol-1、分子量分布Đ= 1.14。同时，研究团队对低温条件下（25 ℃）硼氢化-氧化反应对聚酯主链和侧链双键的反应选择性进行了系统的原位1H NMR表征。![]()
聚酯结构及分子量表征。图片来源：Chem. Sci.
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烯键硼氢化-氧化反应选择性原位表征。图片来源：Chem. Sci.
极性羟基取代基的引入使得聚酯亲水性增加；同时，羟基引入形成的分子链内/链间氢键使得聚酯玻璃化转变温度提升约20 ℃（P1→P1(a)）；而P1(b)-P1(f)系列聚酯基于流体动力学体积增加整体又呈现比P1(a)体系更低的玻璃化转变温度。此外，AB聚酯的交替亲水/疏水结构基元使其在水溶液中能够形成类似嵌段共聚物体系的稳定自组装纳米结构。例如，P1(b)体系动态光散射表明其流体力学直径为136.0±1.8 nm (PDI: 0.11)，透射电镜显示其单轴粒子尺寸约为25 nm。![]()
具有交替亲/疏水结构基元聚酯P1(b)的自组装形貌。图片来源：Chem. Sci.Williams教授研究团队基于环氧化物和酸酐开环共聚反应制备了序列可控的AB交替聚酯，环氧化物和酸酐分别所带有的端烯基和内烯基允许聚酯进行高选择性的分步聚合后正交功能化，精确地在聚酯侧链上分别引入羟基和其他功能基团。该类功能化聚酯基于链结构的精确控制，实现了玻璃化转变温度（物性）和亲水性（化性）方面的精细调控，为聚合物结构功能关系的研究提供了有力的支持。同时，该系列AB交替正交功能化聚酯可应用于仿生抗菌素、可降解细胞渗透聚合物以及生物降解塑料等领域。![]()
Williams教授研究团队。图片来源：University of Oxford
Orthogonal functionalization of alternating polyesters: selective patterning of (AB)n sequencesNi Yi, Thomas T. D. Chen, Junjuda Unruangsri, Yunqing Zhu, Charlotte K. Williams Chem. Sci., 2019, DOI: 10.1039/C9SC03756J
英国皇家化学会综合性旗舰期刊，最新影响因子为9.556。发表化学领域最前沿、最重要、最具挑战性的高影响力研究成果。Chemical Science 是化学领域中影响力最大的开放获取期刊（open access），所有文章均可免费阅读。
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