中山大学陈永明团队 ACS Macro Lett.：由大环冠醚内酯的可控开环聚合合成可降解类PEG聚合物

点击上方“蓝字” 一键订阅

聚乙二醇（PEG）凭借其良好的生物相容性以及抗蛋白黏附特性，已经被广泛应用于药物递送、细胞培养和组织修复的支架材料等。PEG由于缺乏可降解的官能团，其过度的使用导致人体内出现抗PEG抗体，带来安全隐患，因此研究替代PEG的合成高分子成为聚合反应及生物材料的重要课题。

中山大学陈永明团队长期从事生物医用高分子的合成与应用研究。为了克服PEG难以降解及其所带来的问题，团队克服了大环内酯缺乏开环聚合驱动力的问题，基于十五元环冠醚内酯（O-15C5）的熵驱动可控开环聚合，成功制备得到了结构类似于PEG的聚醚酯，证实该聚醚酯在缓冲溶液中可较快的水解降解，且在特定条件下可高产率化学回收得到冠醚内酯单体（图1）。

图 1 O-15C5单体通过可控开环聚合制备类PEG聚酯。

作者使用一锅法合成得到了O-15C5单体，该内酯单体在辛酸亚锡催化下可进行不可控的开环聚合。O-15C5大环结构缺乏环张力，难以进行可控开环聚合。作者为了获得分子量可控和低分散的类PEG聚酯材料，重点探究了O-15C5进行可控开环聚合的条件。
考虑到O-15C5是冠醚衍生物，在聚合探索初期，作者使用了甲醇钾（KOMe）与甲醇钠（NaOMe）两种阴离子引发剂进行O-15C5聚合，结果发现KOMe并不能实现O-15C5的开环聚合，而NaOMe则可非常高效地催化O-15C5的不可控开环聚合，作者推断Na⁺可以显著提高单体的反应活性。
在优化聚合反应条件后，作者使用有机碱DBU、Urea和NaI催化体系，以苄醇（BnOH）为引发剂，实现了O-15C5单体高效的开环聚合。聚合反应30分钟后，62%的O-15C5单体转化成了聚合物（poly(O-15C5)），poly(O-15C5)的分子量能达到6.2 kDa且分散度为1.18，通过提高单体与引发剂的投料比，可获得分子量为15.5 kDa，且分散度在1.19的poly(O-15C5)。核磁氢谱以及飞行时间质谱表征进一步明确了聚合物的结构（图2a, b），所得到的聚合物链均为苄醇端基。反应动力学实验（图2c, d）证明了O-15C5在DBU/urea/BnOH/NaI体系的聚合反应属于可控聚合。值得注意的是，随着单体转化率超过75%，聚合产物的分散度开始增加（图2d），这是由于后期开始出现分子内和分子之间的酯交换反应，形成了环聚合物和宽分布的线形聚合物。

图 2 DBU/Urea/BnOH/NaI催化O-15C5单体聚合得到的聚合物结构表征（a & b）及聚合动力学（c & d）。

随即，作者研究了该催化聚合体系在不同温度条件下热力学（图3），聚合反应的焓变为3.3 kcal mol⁻¹、熵变为14.8 cal mol⁻¹ K⁻¹、298 K时吉布斯自由能变为−1.1 kcal mol⁻¹，证明室温下O-15C5的开环聚合反应属于熵驱动反应。

图 3 DBU/urea/BnOH/NaI催化O-15C5单体聚合的动力学曲线。

作者进一步通过核磁滴定实验和DFT计算研究了O-15C5单体可控聚合的机理。结果表明，在聚合过程中O-15C5单体与Na⁺形成超分子复合物，Na⁺的正电荷性质帮助环内酯键被活化，这是实现O-15C5单体可控聚合的关键。随着单体转化率提高，增加的poly(O-15C5)链与Na⁺结合几率也提高，Na⁺活化聚合物链羰基出现了酯交换副反应。
鉴于O-15C5单体在室温下聚合反应的吉布斯自由能接近零，作者认为可实现从聚合物直接回收单体。实验表明，在DBU催化下，提高Na⁺含量和降低反应体系浓度，便可在室温下两小时实现poly(O-15C5)解聚为O-15C5单体（图 4a/b），单体回收率达90%。
Poly(O-15C5)在纯水中降解缓慢，但在缓冲溶液中则表现出了较快速的降解（图 4c），在不同pH缓冲溶液中降解速率为：pH 9.4 > 7.4 > 3.0 > 5.2。在pH为7.4的缓冲溶液中经过1天，poly(O-15C5)分子量可降低约70%。

图 4 (a) poly(O-15C5)解聚为O-15C5单体的凝胶排阻色谱，(b)单体、解聚获得单体和聚合物的核磁氢谱，(c) 不同时间水解poly(O-15C5)分子量变化。

作者通过超分子作用和有机碱催化，开发出大环冠醚内酯的可控开环聚合，可以控制产物的分子量和制备嵌段共聚物。所制备亲水poly(O-15C5)结构类似PEG，但具有可水解和解聚为单体的性质，有望成为PEG替代材料用于生物医药领域，解决PEG不能降解和存在安全风险的重大问题。

论文发表在ACS Macro Letters 上，中山大学博士研究生胡志涛为文章的第一作者，黄华华副教授、李乐教授、陈永明教授为通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.2c00210

相关进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多