四川大学朱剑波教授团队 Angew：螺环Salen钪金属配合物催化外消旋甲基乙交酯区域和立体选择性开环聚合

高分子科技 · 化学 · 6 天前

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聚（乳酸-羟基乙酸）(PLGA)是由乳酸和羟基乙酸的共聚聚合物，具有优异的生物可降解性和生物相容性，在缝合线、药物输送装置和组织工程支架等生物医学领域得到了广泛的应用。研究发现高度交替的PLGA具有控制性更好的降解能力和缓释效果。虽然光学纯甲基乙交酯（MG）区域选择性开环聚合合成高度交替等规PLGA已经被成功实现，然而外消旋的甲基乙交酯（rac-MG）同时实现区域选择性和全同选择性，从而一步构建高性能立构复合PLGA仍然具有很大挑战，其核心在于催化剂结构的设计。

图1

朱剑波教授课题组长期致力立构规整性聚合物的设计与合成，通过发展新的立体选择性控制方法（Nat. Catal. 2023, 6, 720–728;Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202405382; J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 1147–1154; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202419494）和新的手性单体（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20591；Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202117639；Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202400196）成功实现了立构规整聚合物的高效合成。针对上述挑战，作者利用课题组自主开发的螺环salen金属钪催化剂成功实现了rac-MG区域选择性控制（区域选择性最高达97%）和全同选择性控制（全同选择性最高达91%）开环聚合（图1），构建了高交替立构复合PLGA材料（熔融转变温度高达191 ℃）。通过改变聚合物规整度可以进一步调控聚合物的力学性。相较于无规聚合物，高规整度聚合表现出强而韧的力学特征。该研究为立体选择性聚合催化剂设计提供新的研究思路，同时为高性能PLGA材料的构建提供新的策略。

图2

作者首先合成了螺环salen金属钪催化剂（图2）。首先对 (S)-MG单体进行开环聚合研究，(R)-Sc1催化活性优于rac-Sc1 (TOF: 291 vs. 194 h⁻¹)，且均具有高区域选择性 (Regio = 95%)，表明手性催化剂对于催化活性有影响。进一步研究Sc2和Sc3的催化性能, 在邻位上具有较大取代基 -CMePh₂的rac-Sc2并没有促进区域选择性的增强，产生的PLGA具有95%的区域选择性。通过在对位（rac-Sc3）上用 -F基团取代 -t-Bu，可以明显提高催化活性（TOF = 291 h ^-1）。动力学发现 (R)-Sc3和(S)-Sc3对(S)-MG聚合的催化活性有明显差异，存在动力学拆分效果，k₍_R_)-S_c3/k(_S_)-_Sc3的比值为8。

图3

受 (R)-Sc3和(S)-Sc3对(S)-MG的ROP的高区域选择性和独特动力学的启发，作者将该催化系统应用于 rac-MG 单体的选择性聚合上（图3）。在常温条件下，使用(R)-Sc3催化rac-MG 可以得到具有立体复合结构的等规交替PLGA(Regio = 96%，P_m = 0.75)，为了进一步提高选择性，通过降低温度，在-80 ºC条件下，得到高区域选择性和立体选择性的等规PLGA(Regio = 97%，P_m = 0.91)。值得注意的是，rac-Sc3虽然提升显著提高催化活性(TOF = 990 h⁻¹)，但几乎无立体选择性，（P_m = 0.40）。

图4

作者利用热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC），研究了PLGA的立体规则性对其热性能的影响（图4）。DSC分析显示，(R)-Sc3催化(S)-MG的ROP生成的alt-(S)-PLGA样品在第一次加热扫描时为半结晶材料，T_m为87 ~ 102 ℃,相比之下，P_m为0.75的等规alt-PLGA的T_g为49 ºC，T_m1为75 ℃，T_m2为166 ℃，融化温度大大提高，且出现了第二次熔融转变温度，表明形成了立体复合结构，表现出聚合物立体规整性的重要性。同时研究了力学性能，无规的alt-PLGA样品断裂伸长率（ɛ_B）为460±33%，为柔软延展性材料。相比之下，等规的alt-PLGA样品的断裂伸长率稍低（ɛ_B = 391±11%），但抗拉强度显著提高（σY = 46.5±5.1 MPa，σB = 38.9±5.2 MPa）。这些发现表明，立体规则度对聚合物的力学性能有深远的影响。

图5

通过详细聚合动力学研究，作者提出了手性配合物催化动力学拆分聚合机理是形成等规聚合物的主要原因（图5）。对于外消旋配合物催化聚合反应过程，作者认为在rac-Sc3介导的ROP过程中，发生了具有不同末端立体构型的聚合物链交换，导致等选择性降低。

总之，作者利用螺环-salen钪催化剂成功实现了rac-MG区域、立体选择性开环聚合反应，构建高性能高交替等规PLGA材料。该研究为立体选择性聚合催化剂设计提供新的研究思路，同时为高性能PLGA材料的构建提供新的策略。该工作以题为 “A Regio- and Stereoselective Ring-Opening Polymerization Approach to Isotactic Alternating Poly(lactic-co-glycolic acid) with Stereocomplexation”发表于《Angewandte Chemie International Edition》。文章第一作者为四川大学化学学院博士研究生黄玉婷，通讯作者为四川大学化学学院朱剑波教授。特别感谢科技部、国家自然科学基金委、四川大学的经费支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202422147

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