南工大Angew：基于氨基酸平臺的可持續聚（氨基酯）：可控開環聚合與完全可回收性

近年來，聚（氨基酯）（PAE）作為一類主鏈含有叔胺和酯鍵的功能化聚酯，因其可生物降解性和豐富的可調控功能，在藥物遞送、基因治療和組織工程等領域展現出巨大應用潛力。然而，如何開發一個通用的合成平臺，通過開環聚合（ROP）實現多樣化單體庫的構建，從而制備結構明確的PAE，一直是該領域面臨的主要挑戰。

近日，南京工業大學郭凱教授、劉一寰博士課題組成功提出了一種基于氨基酸的通用平臺，用于合成多樣化的聚（氨基酯）（PAE）。研究者以可再生的氨基酸和多種環氧化物為原料，通過簡單的兩步法合成了一系列氮雜內酯單體。這些單體能夠進行有機催化的可控開環聚合，并且所有獲得的PAE均能以定量產率解聚回原始單體，實現了材料的完全化學循環。研究系統地探討了單體結構（包括N-取代基、內酯環取代基、立體構型和環大小）對聚合與解聚行為的影響，揭示了通過調節單體結構可以調控其聚合上限溫度，從而平衡材料的可聚合性與可解聚性。相關論文以“Amino Acid Platform for Poly(amino ester)s: Controlled Ring-Opening Polymerization, Complete Recyclability, and Tunable Polymerizability/ Depolymerizability”為題，發表在

Angew

示意圖1： 氨基酸衍生氮雜內酯單體的合成及其開環聚合。

研究的核心從單體設計與合成開始。如圖1所示，研究者以甘氨酸、肌氨酸、脯氨酸和β-丙氨酸等氨基酸為起點，與不同環氧化物反應，隨后經分子內酯化和N-保護，成功制備了九種結構各異的氮雜內酯單體。這一策略突破了傳統方法僅能修飾N-酰基取代基的限制，實現了對環大小、N-取代基、立體構型和內酯環取代基的精準調控，為構建多樣化的單體庫奠定了基礎。

在聚合研究中，催化劑篩選發現有機堿TBD對模型單體TMOC的ROP展現出優異的催化活性和可控性。聚合動力學研究表明，該過程遵循一級動力學，且所得聚合物的分子量隨轉化率線性增長，分子量分布較窄，證明了聚合的良好可控性（圖1a-d）。表1詳細列出了在不同溶劑、濃度和溫度下TMOC的聚合結果，揭示了溶劑極性、單體濃度和反應溫度對聚合平衡轉化率的顯著影響。

圖1： a) TMOC在[TMOC]?/[BnOH]?/[TBD]? = 50/1/0.4，[M]? = 3.14 mol L?1，甲苯，室溫條件下的聚合動力學曲線（ln([M]?/[M]) 對時間）。b) PTMOC的分子量（Mn）和分子量分布（DM）隨單體轉化率的變化。c) 不同單體轉化率下PTMOC的GPC曲線。d) 不同[M]?/[I]?比例下PTMOC的GPC曲線（數據見表S2）。

進一步探究不同單體結構對ROP的影響發現（表2，圖2），N-酰基取代的單體（如TMOC、TEOC、TBOC）表現出較高的聚合活性，而N-烷基取代的單體（DMO、MPOO）則無法聚合。這歸因于酰胺鍵的平面性帶來的更高開環焓變。此外，在α位具有偕二甲基取代的單體TDOC由于Thorpe-Ingold效應促進了環的閉合，導致其可聚合性喪失。立體構型也對聚合速率有細微影響，對映體單體的表現略優于外消旋體。隨著內酯環α位烷基側鏈長度的增加（從甲基到丁基），單體的聚合活性逐漸下降。

熱力學研究為了解不同單體的聚合行為差異提供了關鍵依據。通過測定不同溫度下的平衡單體濃度，并利用范特霍夫方程計算熱力學參數，研究者獲得了各單體的聚合上限溫度（圖2b）。例如，在1.0 M濃度下，TMOC的Tc為25°C，而TBOC的Tc則降至-20°C。七元環單體TMOOC由于更高的環張力，表現出最高的Tc（37°C）和最高的平衡轉化率（94%），盡管其聚合速率較慢。這些結果表明，通過改變取代基、環大小和立體構型，可以有效調控聚合-解聚平衡的熱力學驅動力。

圖2： a) 不同單體在[TMOC]?/[BnOH]?/[TBD]? = 30/1/0.3，[M]? = 3.14 mol L?1，甲苯，0°C條件下的聚合動力學曲線（ln([M]?/[M]) 對時間）。b) 不同單體的表觀速率常數（kapp）和上限溫度（Tc，1 M條件下）。

對所得聚合物的結構表征確認了其設計的準確性。以PTMOC為例，其核磁共振氫譜顯示了重復單元和末端基的特征信號（圖3c）。MALDI-TOF質譜圖（圖3a, b, d）進一步證實了其明確的鏈結構，主要譜峰間隔與TMOC重復單元的分子量相符，且末端結構與設計一致。

圖3： a) PTMOC的MALDI-TOF質譜圖。b), d) m/z與TMOC重復單元數量的關系圖。c) PTMOC的核磁共振氫譜（400 MHz，CDCl?）。

材料的可回收性是本研究的亮點。如圖4所示，在溫和條件下（1 mol% TBD，100°C，甲苯），PTMOC、P(S)-TMOC、P(R)-TMOC、PTEOC和PTBOC均能高效、定量地解聚回原始單體，且解聚過程遵循一級動力學（圖4c）。解聚速率常數與相應的聚合速率常數呈反比關系，這與它們的熱力學特性（Tc高低）相一致。這一系列實驗成功構建了氮雜內酯單體的閉環生命周期。

圖4： a) PTMOC在TBD催化解聚過程中，不同解聚轉化率下的GPC曲線。b) PTMOC解聚過程中，分子量（Mn）和多分散指數（?M）隨轉化率的變化。c) 各種PAE在TBD催化溶液解聚中的動力學曲線（-ln(1-轉化率) 對時間）（TBD用量為重復單元的1 mol%，100°C，甲苯，20 mg/mL）。d) 起始TMOC、PTMOC以及經TBD溶液解聚回收的TMOC的核磁共振氫譜（400 MHz，CDCl?）。

最后，研究者通過熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）考察了PAEs的熱性能（圖5）。所有PAE均表現出良好的熱穩定性，初始分解溫度在176至215°C之間。玻璃化轉變溫度（Tg）范圍在-3至39°C之間，且隨著側鏈烷基長度的增加，Tg逐漸降低。其中，PTBOC因較大的空間位阻限制了鏈段運動，表現出半結晶特性，熔點為144°C，而其他PAE則為無定形聚合物。

圖5： a) 不同PAE的熱重分析（TGA）曲線。b) 不同PAE的微分熱重（DTG）曲線。c) 不同PAE的差示掃描量熱（DSC）曲線（第二次加熱掃描，10°C min?1）。d) PTBOC的冷卻和第二次加熱DSC曲線（10°C min?1）。

綜上所述，本研究成功開發了一個基于可再生氨基酸的通用平臺，用于合成結構多樣、性能可調且完全可化學回收的聚（氨基酯）。該工作系統地闡明了單體結構對聚合/解聚動力學和熱力學的影響規律，為設計可定制化、可持續的高分子材料提供了重要的理論依據和實踐指南。這一進展不僅拓展了生物基高分子材料的工具箱，也為解決塑料污染問題提供了新的閉環循環思路。