近日，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院劉潤(rùn)輝教授課題組報(bào)道了N-羧基環(huán)內(nèi)酸酐（NCA）開(kāi)環(huán)聚合的新型陽(yáng)離子催化策略，同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速、可控聚合制備多肽聚合物。相關(guān)成果以“Single-Center Trifunctional Organocatalyst Enables Fast and Controlled Polymerization on N-Carboxyanhydride”為題發(fā)表在ACS Central Science（DOI：10.1021/acscentsci.4c01346）。

多肽聚合物廣泛應(yīng)用于抗菌、藥物與基因遞送、組織工程等領(lǐng)域，是一類(lèi)重要的生物材料。伯胺引發(fā)NCA開(kāi)環(huán)聚合一直是制備多肽聚合物的經(jīng)典方法，具有原料來(lái)源廣泛、結(jié)構(gòu)多樣等優(yōu)點(diǎn)，但存在反應(yīng)速率慢、對(duì)水分敏感、可控性差及難以合成高分子量多肽聚合物等問(wèn)題。傳統(tǒng)催化劑難以同時(shí)兼顧快速與可控聚合，且多依賴(lài)于氫鍵作用，其分子間與分子內(nèi)氫鍵可能干擾催化效果。為了解決上述問(wèn)題，我們迫切需要探索一種新的催化策略，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速和可控的NCA聚合。

我校劉潤(rùn)輝教授課題組長(zhǎng)期致力于解決多肽聚合物合成的核心問(wèn)題和挑戰(zhàn)，在前期研究中首次建立了對(duì)水分耐受、超快速NCA聚合新方法，可在敞口容器中高效制備多肽聚合物（Nat. Protoc. 2024; Angew. Chem. Int. Ed. 2021; Nat. Commun. 2018; Chin. Chem. Lett. 2021）。受陽(yáng)離子-偶極相互作用啟發(fā)，該課題組近期提出了一種“單中心，三功能”的陽(yáng)離子催化新策略，可通過(guò)陽(yáng)離子-偶極相互作用和非典型氫鍵作用同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速和可控的NCA聚合，徹底解決了伯胺聚合體系的難題。該催化策略可快速合成分子量可控（DP = 20~500）、分散性窄的多肽聚合物，將反應(yīng)時(shí)間從數(shù)天縮短至幾小時(shí)內(nèi)，顯著提高聚合速度。該催化策略具有普適性，對(duì)于不同類(lèi)型的伯胺引發(fā)劑、多種NCA單體及不同的溶劑體系，均能實(shí)現(xiàn)快速、可控聚合（均聚或共聚），制備不同功能性端基、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多肽聚合物。機(jī)理研究表明，陽(yáng)離子催化劑展現(xiàn)出“單中心，三功能”，可通過(guò)陽(yáng)離子-偶極作用或非典型氫鍵作用活化NCA單體、適度鈍化伯胺活性中心、加速氨基甲酸中間體脫羧，從而在加快聚合速度的同時(shí)增強(qiáng)可控性。值得一提的是，陽(yáng)離子催化劑可回收性能優(yōu)異，五次循環(huán)回收后仍保持高效的催化活性。陽(yáng)離子催化策略展現(xiàn)出高效的催化活性和普適性，有望為聚合新催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。

我校材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生陳康是該論文的第一作者，武月銘特聘副研究員和劉潤(rùn)輝教授是論文的共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部等基金的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.4c01346