可控降解，登上Nature Chemistry！

全新分子級(jí)降解策：讓塑料自己“拆自己”！

在可持續(xù)材料的發(fā)展中，如何讓聚合物“可控降解”始終是難題。傳統(tǒng)策略通常依靠在主鏈中引入易斷裂鍵，例如酯、縮醛、酐、酰亞胺、硅醚等，但這些鍵要么過(guò)于穩(wěn)定、需在苛刻條件下才能斷裂，要么反應(yīng)速率難以調(diào)控，始終存在“穩(wěn)定性和易降解性不可兼得”的矛盾。更重要的是，已有可裂解鍵的種類有限，導(dǎo)致材料降解速率難以跨越數(shù)量級(jí)地精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。相比之下，自然界早已發(fā)展出更巧妙的“自降解機(jī)制”——如RNA的自裂解、蛋白質(zhì)的自切割反應(yīng)，它們并不依賴外界強(qiáng)刺激，而是通過(guò)精準(zhǔn)的構(gòu)象預(yù)組織，讓鄰近基團(tuán)自動(dòng)擺好“出手”姿勢(shì)，從而在溫和條件下實(shí)現(xiàn)高效斷裂。這類生物策略啟發(fā)了研究者：如果能像生物大分子一樣，讓合成聚合物中的關(guān)鍵化學(xué)基團(tuán)自動(dòng)排列到“最有利反應(yīng)”的構(gòu)象，也許就能突破當(dāng)前合成材料降解效率的天花板。

在此，羅格斯大學(xué)顧宇煒教授課題組提出一種全新的“構(gòu)象預(yù)組織鄰近基團(tuán)”（CPNG）策略，通過(guò)讓參與斷裂反應(yīng)的羥基與可裂解的磷酸三酯鍵在空間上精準(zhǔn)對(duì)齊，從根本上調(diào)控聚合物自降解速率。作者設(shè)計(jì)了不同的五元環(huán)和剛性骨架，使鄰近的羥基自然處于有利于進(jìn)攻磷中心的構(gòu)象，從而顯著提升斷裂速率，無(wú)需改變化學(xué)鍵本身，也不犧牲材料性能。研究發(fā)現(xiàn)，該策略可使線型聚合物與體塊熱固網(wǎng)絡(luò)在室溫下快速自分解，速率可跨越數(shù)百到上萬(wàn)倍；甚至遠(yuǎn)端的羥基也能通過(guò)金屬誘導(dǎo)折疊被“拉近”到反應(yīng)位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可逆的“開(kāi)關(guān)式降解”。這項(xiàng)工作證明：精確構(gòu)象控制是一種強(qiáng)大而普適的聚合物降解調(diào)控工具。相關(guān)成果以“Conformational preorganization of neighbouring groups modulates and expedites polymer self-deconstruction”為題發(fā)表在《Nature Chemistry》上，Shaozheng Yin為第一作者。

研究從自然界的“自降解高手”學(xué)起。圖1a 展示了 RNA 自水解與蛋白自體溶解的經(jīng)典結(jié)構(gòu)特征：羥基，無(wú)論是 RNA 上的 2'-OH 還是蛋白質(zhì)中蘇氨酸側(cè)鏈，都被“擺放”在最有利于進(jìn)攻斷裂鍵的位置，使反應(yīng)無(wú)需外界驅(qū)動(dòng)便可高效進(jìn)行。作者借此提出 CPNG 思路（圖1b）：只要讓合成聚合物中的羥基與磷酸三酯鍵長(zhǎng)期保持一個(gè)“進(jìn)攻態(tài)”的構(gòu)象，就能顯著加速自降解。圖1c 展示了三種預(yù)組織骨架：Scaffold 1 是柔性的乙二醇連接體，無(wú)特定構(gòu)象；Scaffold 2 和 3 則以五元環(huán)方式固定構(gòu)象，其中 Scaffold 3 讓羥基與磷鍵處于“左旋反應(yīng)構(gòu)象（圖1c，右下）”，被預(yù)測(cè)最易觸發(fā)自內(nèi)酯化式斷裂。

圖1： 展示自然界自降解反應(yīng)的構(gòu)象規(guī)律，并提出三種預(yù)組織骨架的設(shè)計(jì)思想

依據(jù)圖2a 的量子化學(xué)計(jì)算，三個(gè)模型分子 MM1、MM2、MM3 分別對(duì)應(yīng)圖1的三種構(gòu)象。作者發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)途徑均經(jīng)過(guò)“氧磷烷（OP）中間體”，但關(guān)鍵速率決定步驟，羥基對(duì)磷中心的內(nèi)攻擊，在三者之間的能壘差異巨大。其中 MM3 的能壘比柔性 MM1 低 3.7 kcal/mol，對(duì)應(yīng)超過(guò) 500 倍的速率提升；而 MM2 的構(gòu)象甚至讓能壘升高近 15 kcal/mol，幾乎完全阻斷反應(yīng)。圖2b 的分子動(dòng)力學(xué)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明：MM1 在溶液中姿勢(shì)“亂擺”，離反應(yīng)所需的構(gòu)象還很遠(yuǎn)；MM2 基本不進(jìn)入反應(yīng)位置；而 MM3 則始終在靠近過(guò)渡態(tài)區(qū)域徘徊，就像隨時(shí)準(zhǔn)備“下手”。圖2c 中的代表構(gòu)象更直觀呈現(xiàn)這一點(diǎn)：MM3a’ 幾乎與過(guò)渡態(tài)吻合，說(shuō)明其天生帶著“反應(yīng)準(zhǔn)備態(tài)”。

圖2： 通過(guò) DFT 和 MD 揭示不同構(gòu)象對(duì)自內(nèi)酯化斷裂能壘與構(gòu)象采樣的影響

接下來(lái)作者將三種預(yù)組織結(jié)構(gòu)分別做成可通過(guò) ROMP 聚合的單體 M1、M2、M3（圖3a），并與環(huán)辛烯共聚得到三類線型聚合物 p(M1-co-COE)、p(M2-co-COE)、p(M3-co-COE)。關(guān)鍵在于，羥基最初被 ONB 光敏基保護(hù)，使聚合過(guò)程不被干擾。圖3b 顯示光照后羥基暴露，磷酸三酯進(jìn)入“可自降解”狀態(tài)。圖3d–f 的 GPC 曲線揭示震撼結(jié)果：p(M1-co-COE) 在 48 小時(shí)幾乎不變；p(M2-co-COE) 完全不降解；而 p(M3-co-COE) 卻在兩天內(nèi)從 51.7 kDa 降到不足 4 kDa！圖3g 的時(shí)間趨勢(shì)更清楚：構(gòu)象預(yù)組織的加速效果達(dá)到 160 倍以上。最后，從圖3h 的 ^31P NMR 可以看到信號(hào)從 –0.5 ppm 遷移到 18.5 ppm，表明主鏈發(fā)生了預(yù)期的五元環(huán)化斷裂，驗(yàn)證了構(gòu)想的分子機(jī)制。

圖3： 證明構(gòu)象預(yù)組織能顯著提升 ROMP 共聚物的自降解速率

如果將 CPNG 引入交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)會(huì)怎樣？作者將 M1、M2、M3 與 DCPD 共聚，制備硬質(zhì)的熱固體材料 p(MX-co-DCPD)。圖4b–c 顯示它們的 Tg 和力學(xué)性能均保持與純 pDCPD 接近，意味著 CPNG 的加入不會(huì)削弱材料本體。但當(dāng)薄片材料在 THF 中浸泡并接受 UV 觸發(fā)時(shí)，圖4d–e 中的結(jié)果驚人：p(M1-co-DCPD) 部分解體；p(M2-co-DCPD) 幾乎不降解；而 p(M3-co-DCPD) 在 18 小時(shí)內(nèi) 失重超過(guò) 90%，幾乎完全解體成可溶碎片。相比線型聚合物，熱固材料降解更快，原因是在網(wǎng)絡(luò)鏈段中嵌入易斷裂點(diǎn)，可形成“多點(diǎn)協(xié)同斷裂”，顯著放大 CPNG 效應(yīng)。

圖4： CPNG 使熱固體材料在 UV 激活后快速解體

作者進(jìn)一步提出：如果能讓羥基和磷鍵達(dá)到“完全重疊的順式共平面（0°）構(gòu)象”（圖5a），降解是否還能更快？于是設(shè)計(jì)了剛性更強(qiáng)的 降冰片烷（norbornane）骨架 NB。圖5b 的模擬圖可見(jiàn)其構(gòu)象高度集中。圖5c 的能壘計(jì)算顯示 NB 的反應(yīng)能壘比 MM3 再低 5 kcal/mol，是質(zhì)的提升。結(jié)果也如預(yù)測(cè)：圖5d 顯示 p(NB-co-COE) 的自降解速度比 p(M3-co-COE) 快 20 倍；比 p(M1-co-COE) 快 3300 倍；比 p(M2-co-COE) 快 18000 倍。體塊材料同樣受益：圖5e–f 中 p(NB-co-DCPD) 在 1 小時(shí)內(nèi)就解體超過(guò) 80%，遠(yuǎn)超 M3 體系。

圖5： 剛性 NB 骨架實(shí)現(xiàn)更極限的構(gòu)象預(yù)組織，帶來(lái)數(shù)量級(jí)更高的降解速度

最后，研究者更進(jìn)一步：如果羥基不在鄰位，而在很遠(yuǎn)的鏈段上，是否還能通過(guò)“折疊”讓它靠近反應(yīng)中心？圖6a 展示了這種設(shè)計(jì)：EG6 單體帶有一條長(zhǎng)的六乙二醇鏈，本來(lái)羥基遠(yuǎn)離磷鍵，因此聚合物非常穩(wěn)定（圖6b 灰色曲線）。但加入不同金屬離子后，鏈段發(fā)生可逆折疊（圖6c），羥基被拉到靠近磷鍵，從而激活自降解。圖6b 顯示 Ba2? 能顯著加速降解；Na? 反而抑制；Li? 提升溫和。圖6d 的計(jì)算結(jié)構(gòu)說(shuō)明 Ba2? 能協(xié)調(diào)七個(gè)氧原子，使羥基距離磷中心僅 3 ?，極易發(fā)生反應(yīng)。更精彩的是，圖6e 展示了“可逆調(diào)控”：加入 Ba2? 加速，加入 18-crown-6 將 Ba2? 抓走則再次關(guān)閉降解，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“分子級(jí)開(kāi)關(guān)”。

圖6： 利用金屬誘導(dǎo)鏈折疊，使遠(yuǎn)端羥基也可實(shí)現(xiàn)可逆“開(kāi)關(guān)式”自降解

小結(jié)

本研究從生物自降解機(jī)制汲取靈感，通過(guò)對(duì)鄰近基團(tuán)構(gòu)象進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)組織，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚合物自降解速率的跨量級(jí)調(diào)控。無(wú)論是線型聚合物還是熱固網(wǎng)絡(luò)，只需改變構(gòu)象環(huán)境，而無(wú)需改變化學(xué)鍵本身，即可讓材料在溫和條件下快速而可控地解體。更重要的是，該策略可擴(kuò)展到鏈折疊誘導(dǎo)的遠(yuǎn)程激活，使聚合物降解具備類似蛋白質(zhì)變構(gòu)調(diào)控般的可逆性。未來(lái)，這一構(gòu)象策略將為可降解材料、可控釋放、動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)、組織工程等諸多領(lǐng)域帶來(lái)全新的設(shè)計(jì)維度。