中科院长春应化所陶友华研究员、王献红研究员《JACS》：有机协同催化破局氨基酸来源单体手性聚合
近日，中科院长春应化所陶友华研究员、王献红研究员在著名期刊《Journal of the American Chemical Society》上以“A synergetic organocatalysis for eliminating epimerization in ring-opening polymerizations enables synthesis of stereoregular isotactic polyester”为题在线发表了实现氨基酸来源单体手性聚合的论文（J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.8b09739)。
氨基酸是蛋白质的构成成分，同时也是十分重要的手性单体。随着生物工程技术的不断进步，氨基酸的生产出现了蓬勃发展的新局面。中国有目前世界最大的氨基酸生产能力，年产氨基酸超过600 万吨。因此，从廉价可再生的氨基酸单体出发合成高附加值的手性聚合物新材料具有十分重要的意义。然而，氨基酸来源单体（如O-羧基环内酸酐（OCA）），a-H 酸性较强，在碱（如DMAP及TBD等）催化聚合过程中容易消旋，难以保持手性，使聚合物立构规整度和性能下降。一般地，降低催化剂的碱性能够抑制单体消旋；然而低的碱性会导致聚合速率的大幅下降，甚至是不聚合。一种可行的方案是引入硫脲化合物来活化单体并提高聚合速率。简单的硫脲/弱碱二元催化体系协同性差，使得聚合物的分子量难以控制。
在酶催化剂中，由于蛋白质链的折叠作用使得多个催化活性位点紧密靠近，从而在酶催化过程中产生放大的协同效应。受此启发，中科院长春应化所陶友华研究员、王献红研究员通过“有机弱碱、协同催化”的策略解决了氨基酸来源单体手性聚合中的瓶颈问题，有效地抑制了单体在开环聚合过程中的消旋现象。通过精心地设计与合成一系列结构新颖的单分子双功能有机催化剂（硫脲-吡啶弱碱有机催化剂），系统地研究了硫脲和吡啶弱碱上不同取代基及取代位置对于聚合结果的影响，得到了最优的催化剂结构。聚合动力学及核磁实验结果表明，聚合机理为氢键辅助的亲核单体活化机理。催化聚合过程中，催化剂的两个活性基团（硫脲基团亲电活化单体，吡啶弱碱亲核开环单体）通过共价键连接在一起，产生了增强的协同效应，是同时实现手性聚合与聚合物分子量调控的关键因素。该工作也是仅有的几例有机催化剂能够实现聚合物立体结构控制的研究之一。
图1. “有机弱碱、协同催化”的策略实现氨基酸来源单体手性聚合
图2. 十五种单分子硫脲-吡啶弱碱有机催化剂
本论文的第一作者为博士生李茂盛，陶友华研究员和王献红研究员为文章的共同通讯作者。长春应化所近年来在氨基酸单体聚合新方法领域获得系列进展，代表性工作分别发表在Chemical Science, 2015, 6, 6385；ACS Macro Letters, 2016, 5, 1049；Macromolecules, 2018, 51, 8248和Chemical Science, 2019, DOI: 10.1039/C8SC03415J上。
该项工作得到国家自然科学基金面上项目以及吉林省科技发展计划项目的资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b09739
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