大家好，今天给大家分享一篇最近发表在Macromolecules上的研究进展，题为：Poly(amine-co-ester)s by Binary Organocatalytic Ring-Opening Polymerization of N‑Boc-1,4-oxazepan-7-one: Synthesis, Characterization, and Self-Assembly。该工作的通讯作者是阿卜杜拉国王科技大学的Nikos Hadjichristidis教授。由金属催化剂催化得到的聚合物中会有金属残留，从而会限制聚合物的应用范围，有机催化剂的使用则可以避免这一缺陷。近年来，有机催化的开环聚合已经成为生产结构明确可生物降解性聚酯、聚碳酸酯的一种通用的方法，其中得到的聚合物具有较窄的分子量分布和较高的链末端保真度。本文中，作者设计合成了一种新的环状单体OxPBoc，以苄醇为引发剂通过有机催化开环聚合得到了结构明确的骨架中含胺的聚胺共酯（图1）。
作者首先尝试了常用的DBU、TBD、DBU/TU1有机催化体系，但是得到的聚合物显示出差的分子量控制，没有得到预期的结果（表1）。因此，作者希望能够寻找一个催化体系既可以具有合理的聚合速率同时可以对单体开环聚合有较好的可控性。Waymouth等由硫脲阴离子催化剂成功实现了己内酯的快速且精确的可控开环聚合，受到他们的启发，作者尝试了超强有机碱（t-Bu-P2或t-Bu-P4）与硫脲结合的催化体系。起初，作者也单独使用t-Bu-P2或t-Bu-P4进行了实验，同样没能实现可控/活性聚合。采用t-Bu-P2或t-Bu-P4/TU1的二元催化体系后发现，与单独使用t-Bu-P2或t-Bu-P4相比，二元催化体系实现了更好的可控性。并且在催化体系中当TU1不变时，碱性更强的t-Bu-P4使得聚合速率更快；而在超强碱不变时，TU1能够明显的提高开环聚合相对于聚合链酯交换反应的选择性，但是它降低了聚合速率。为了获得最佳的催化性能，作者选择了聚合速率更快的t-Bu-P4，并且增加了催化体系中TU1的比例。当两者比例增加到[t-Bu-P4]0/[TU1]0 = 1/3时，对OxPBoc的开环聚合有显著的可控性，反应时间也适中，并且在此条件下，聚合速率满足一级动力学，分子量的增加与转化率成线性关系，在整个聚合过程中分子量分布都是窄的（Ɖ≤1.18）基于已得的结果，对于在环状单体OxPBoc开环聚合中t-Bu-P4/TU1二元催化体系，作者提出了布朗斯特碱/氢键双功能活化的聚合机理（图2）。首先，引发剂BnOH由t-Bu-P4去质子后得到BnO-阴离子，硫脲作为氢键给体可缓冲BnO-过强的碱性并且活化单体。被硫脲缓冲的BnO-仍保留亲核性并进攻单体进行开环聚合。作者已经通过用核磁技术检测t-Bu-P4、TU1、BnOH之间的作用，证明了硫脲的氢键给体活化作用。
图2. t-Bu-P4/TU1二元有机催化体系催化的OxPBoc开环聚合机理
之后，作者将t-Bu-P4与不同的硫脲（TU2：1,3-双[3,5-双(三氟甲基)苯基]硫脲（pKa=8.5（在DMSO中））、TU3：N,N’-二苯基硫脲（pKa=13.4）、TU4：1,3-二异丙基-2-硫脲（pKa=20），TU1（pKa=13.2））结合，研究了不同硫脲二元催化体系的单体开环聚合的效果。结果发现，TU1具有最合适的pKa，在单体开环聚合中二元催化体系发挥了最佳作用。同时，作者采用该二元催化体系以亲水性的PEG作为大分子引发剂进行单体OxPBoc的开环聚合得到了二嵌段共聚物；进行了己内酯与OxPBoc的顺序嵌段共聚得到了基于聚己内酯的二嵌段共聚物。通过用三氟乙酸对得到的三种聚合物去保护后，得到了基于P(OxPBoc)的聚阳离子均聚物和亲水性或两亲的聚阳离子二嵌段共聚物（图3）。通过核磁分析，Boc保护基被完全去除，并且在去保护过程中没有发生聚合物链的降解。
图3. 基于P(OxPBoc)的聚阳离子均聚物⑴和亲水性⑵或两亲的⑶聚阳离子二嵌段共聚
最后，作者研究了亲水性和两亲聚阳离子二嵌段共聚物在水溶液中的自组装行为。在水中的动态光散射结果显示了单一的单峰的粒子分布，说明纳米颗粒的高效形成。使用透射电镜分析了两种聚阳离子二嵌段聚合物的形态：亲水性的二嵌段共聚物自组装成了球形的纳米颗粒，而两亲性的聚合物组装成了棒状的纳米颗粒。综上，他们提出了一种环状单体OxPBoc的二元催化开环聚合的方法，合成了具有高分子量（高达38.8 kg/mol）和窄的分子量分布的结构明确的聚胺共酯。通过筛选不同的催化体系并优化实验条件，发现t-Bu-P4/TU1有机催化体系与引发剂苄醇结合可以进行快速且可控/活性开环聚合。这种方法是第一个以高效且可控/活性的特征对OxPBoc进行开环聚合。同时他们也用这种新方法合成了结构明确的二嵌段共聚物。将得到的聚合物经三氟乙酸处理后，可以分别得到相应的水溶性的聚阳离子均聚物，亲水的、两亲的聚阳离子二嵌段共聚物。两种聚阳离子二嵌段共聚物在水中自发形成了纳米结构：亲水性的二嵌段共聚物自组装成了球形的纳米颗粒，而两亲性的聚合物组装成了棒状的纳米颗粒。基于两种聚阳离子二嵌段共聚物已知的聚阳离子的特征，生物相容性、生物降解性和自组装行为，它们有在基因转染领域应用的潜力。
DOI: 10.1021/acs.macromol.9b02084
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.9b02084
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