【高分子】Nat. Chem.：芳香胺活性聚合救赎之路
👉研究背景
逐步聚合是高分子材料合成的重要方法之一，在高分子化学和高分子合成工业中起着重要作用，常见的聚酯、聚氨酯、聚酰胺等材料均可由逐步聚合方法制备并得以广泛应用。逐步聚合方法的主要缺陷有二：其一是聚合反应转化率高时易出现分子量分布变宽的问题（Đ=2.0）；二是逐步聚合通常无法制备嵌段型聚合物，从而限制了聚合物的应用领域。与人造高分子不同，蛋白质、DNA等生物大分子也是由逐步聚合制备，但其特异性和功能性是人造聚合物难以企及的。如何效法自然，造福于民是化学家们孜孜不倦的追求。
📕研究内容
近日，瑞士弗里堡大学Andreas F. M. Kilbinger教授团队提出了一种新型的芳香胺活性逐步聚合方法，可以实现高分子量聚酰胺的制备，相关内容发表在Nature Chemistry（DOI: 10.1038/s41557-021-00712-3）上。
（图片来源：Nat. Chem.）
🏂研究方法
作者的研究思路源于三苯基膦与芳香羧酸的反应。他们发现，当用氯化碘活化后的三苯基膦是一种可溶于二氯甲烷的试剂，能够在温和条件下与芳香甲酸反应，得到酰氯。同时，体系中存在的芳胺结构则不会受到干扰，得以稳定存在。这一现象在其他类似试剂的反应中均难以实现，如Ph3P/I2不能活化羧酸基团，且在DCM溶解度很低；Ph3P/Cl2则能够与芳香胺反应。
基于上述实验现象，作者成功得到Ph3P/I2单晶结构（PHOS1），并提出了如下的机理推测：PHOS1可以进攻羧酸结构，经过一系列重排反应，最终得到可以与芳香胺反应的酰氯结构。
（图片来源：Nat. Chem.）
如何充分利用这一有趣现象呢？作者尝试将其引入到聚合反应中。作者首先选取单体A参与聚合过程。将A与引发剂I1置于0 ℃的PHOS1的DCM溶液中，经过30分钟的搅拌后，加入吡啶，间隔取样分析，观测聚合过程。反应16 h后，加入水淬灭反应，测得分子量为3.7 kDa，分子量分布仅为1.1。改变单体、引发剂投料比，作者发现所制备聚合物分子量得以快速增长，但分子量分布保持不变，证明该反应是活性聚合过程。
（图片来源：Nat. Chem.）
以A为反应底物，以I2-I5等小分子为引发剂，或者I6、I7等高分子引发剂均可以实现A的活性聚合过程，得到高分子量、窄分布的聚合物。作者同时进行了底物适用性的考察，一系列具有高分子量、窄分布的聚酰胺都可以成功制备。实验表明，催化剂对官能团的选择性很高，酯基、醚、溴等基团均不能与催化剂反应。值得一提的是，在以PHOS1为催化剂，I5为引发剂聚合单体E时，所制备的聚合物分子量很低，且分子量分布较宽。降低反应温度，能够得到分子量较高的聚合物，但其分子量分布宽的弊病依旧纯在。作者推测，这是由于间氨基苯甲酰氯衍生物在反极性条件下极差的活化效果导致的。通过降低单体浓度，作者成功制备出高分子量的聚合物。
鉴于上述实验现象，作者提出了一种新型具有较低亲电性和较大位阻的催化剂PHOS2，以实现伯胺的聚合过程。实验发现，PHOS2需要加入吡啶以活化羧基，在与脂肪醇的反应时，主要生成消去产物烯烃。这些现象都证实，与PHOS1相比，PHOS2具有较低的亲电性和较大的位阻特征。带有伯胺基团的芳香氨酸在活性聚合时，由于会生成具有强氢键特征的二级酰胺，因而难以得到高分子量的聚合物。然而，作者发现，利用PHOS2可在温和条件下实现伯胺单体F和L的聚合过程，得到高分子量的聚合物。
（图片来源：Nat. Chem.）
不仅如此，作者还尝试利用上述逐步聚合方法制备嵌段型聚合物。作者首先以PHOS1为催化剂，I1为引发剂，依次加入单体B和A。GPC测试表征出聚合物分子量得到增加，但分子量分布保持不变。利用PHOS2催化剂聚合单体F和E时，亦可以成功制备嵌段聚合物。
🔚研究结论
作者通过改变三苯基膦抗衡离子，成功实现了芳香羧酸的酰胺化反应。邻位取代的芳香胺基酸在温和条件下可实现活性聚合过程。间位取代的芳香胺基酸在亲电性较弱的PHOS2的催化作用下，亦可以实现聚合过程。同时，作者也是首次利用逐步聚合过程制备出嵌段聚合物，这为以后聚合物功能化应用打下基础。