蘇州大學/四川大學Angew：實現高分子量聚己內酯的可控合成與綠色回收

在面對日益嚴峻的環境挑戰和推動可持續發展的背景下，開發可生物降解材料已成為科學界的研究熱點。聚己內酯作為一種性能優異的線性脂肪族聚酯，因其在包裝、藥物輸送和組織工程等領域的廣泛應用而備受關注。然而，傳統上合成高分子量的聚己內酯主要依賴金屬催化開環聚合，但殘留的金屬雜質難以完全去除，限制了其在某些高要求領域的應用。雖然有機催化開環聚合，特別是氫鍵催化，為合成聚酯提供了新思路，但該策略在合成高分子量聚己內酯時仍面臨挑戰：溶液聚合需要嚴格的無水條件且在高聚合度下單體轉化率低，而本體聚合則常因高溫引發副反應，導致反應可控性差。因此，開發一種溫和條件下高效、可控合成高分子量聚己內酯的新方法顯得尤為迫切。

近日，蘇州大學王召特聘教授、張麗副教授和四川大學李乙文教授合作在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上發表了題為“Mechanochemical H-Bonding Organocatalysis Enabled Controlled Synthesis and Recycling of High-Molecular-Weight Poly(ε-Caprolactone)”的研究論文，提出了一種創新的機械化學氫鍵催化開環聚合策略。該策略通過將三脲催化劑與有機堿共催化體系與球磨技術相結合，成功在室溫固相條件下實現了ε-己內酯的快速、可控聚合。該方法不僅展現出卓越的聚合活性（表觀速率常數kobs達到0.053 min?1），還有效抑制了副反應，最終合成了數均分子量高達185.0 kDa且分子量分布窄的高分子量聚己內酯。此外，研究團隊還開發了一種基于機械化學的聚己內酯甲醇解回收方法，在室溫無溶劑條件下實現了聚合物的高效降解。

示意圖1 | ε-CL的ROP聚合機理（a），ε-CL的有機催化ROP（b），以及本工作中的ε-CL mechano-HROP（c）。

在初步探索中，研究團隊首先在球磨條件下使用硫脲作為氫鍵供體（HBD）和芐醇（BnOH）作為引發劑進行ε-CL的聚合，但效果不佳，轉化率低。當改用雙脲催化劑（BisU-1）并搭配不同有機堿共催化劑時，發現BisU-1/MTBD體系在目標DP為200時取得了顯著更高的轉化率（91%），得到Mn為28.2 kDa的PCL。為了合成更高分子量的PCL，團隊進一步優化了基于脲的HBDs。通過在目標DP為500的條件下評估一系列缺電子脲催化劑（圖1），他們發現具有三足結構的三脲催化劑TrisU-1表現出最佳性能，僅需0.2小時就能達到99%的單體轉化率，所得PCL的Mn為68.5 kDa，?為1.18。對照實驗表明，催化劑的結構至關重要，單脲催化劑MonU-1/MTBD的活性遠低于TrisU-1/MTBD，而缺乏TrisU-1或MTBD的體系則幾乎不引發聚合，這證實了TrisU-1與MTBD在實現高效聚合中的協同作用。

圖1 | 用于mechano-HROP的（硫）脲和有機堿

為了深入理解mechano-HROP的機理和優勢，研究團隊進行了一系列表征和動力學分析。首先，通過1H NMR對粗產物進行分析，圖2a顯示在化學位移3.65 ppm處出現了歸屬于PCL鏈末端亞甲基的質子信號，證明了聚合物的成功合成。MALDI-TOF質譜分析（圖2b）顯示，所得PCL的質譜峰為單一分布，且相鄰峰之間的分子量差恰好為一個ε-CL單元（114 Da），這清楚地表明mechano-HROP過程有效抑制了酯交換等副反應，保證了鏈結構的規整性。動力學研究（圖2c）對比了不同聚合條件，結果顯示mechano-HROP的表觀速率常數（kobs = 0.053 min?1）高于室溫本體ROP（0.047 min?1）和高溫熔融本體ROP（0.015 min?1），表明機械力的引入和室溫條件有利于提高聚合效率。更重要的是，圖2e顯示在mechano-HROP過程中，PCL的Mn隨單體轉化率線性增加，并與理論值高度吻合，而室溫本體ROP（圖2d）則出現明顯偏離，這有力地證明了mechano-HROP方法相較于傳統本體ROP具有更優異的聚合控制性。

圖2 | (a) 純ε-CL和未經純化的反應混合物在CDCl?中的1H NMR譜圖。(b) 通過mechano-HROP獲得的PCL（Mn = 18.2 kDa，? = 1.17）的MALDI-TOF質譜圖。(c) 不同ROP條件下ε-CL的動力學曲線（目標DP = 500，kobs1為常規熔融本體ROP，kobs2為室溫本體ROP，kobs3為mechano-HROP）。(d) 常規室溫本體ROP（目標DP = 500）中Mn和?隨轉化率的變化。(e) mechano-HROP（目標DP = 500）中Mn和?隨轉化率的變化。

在實現良好控制的基礎上，團隊向合成更高分子量PCL的目標邁進。初期在目標DP為1500時，由于聚合后期可能發生鏈降解，導致Mn偏離理論值。為解決此問題，研究者引入了液體輔助研磨（LAG）技術，發現以甲苯作為LAG溶劑能有效保護聚合物鏈，防止降解。在優化后的LAG條件下，圖3a顯示PCL的Mn隨單體轉化率線性增長，且與理論值完美匹配，最終在8小時內成功實現了目標DP為1500的完全轉化。圖3b的GPC曲線隨反應時間逐漸向高分子量區域偏移，最終得到了Mn高達185 kDa且分布窄（? < 1.28）的PCL。該策略的克級規模合成實驗也順利產出Mn為180.0 kDa的PCL-180。熱分析表明，所得PCL-180的熔點為62.7°C（圖3c），5%熱失重溫度（Td,5%）為333.3°C（圖3d），展現出優異的熱穩定性，這歸因于其窄的分子量分布。為驗證聚合物的“活性”特征，團隊進行了鏈延伸實驗。圖3e顯示，以預合成的PCL-30作為大分子引發劑，成功引發了ε-CL的再聚合，使分子量從30.1 kDa顯著提升至58.9 kDa，且分布依然很窄（? = 1.30），這充分證明了mechano-HROP合成的PCL具有極高的鏈端保真度。

圖3 | (a) mechano-HROP中Mn和?隨單體轉化率的變化（目標DP = 1500）。(b) mechano-HROP過程中PCL的GPC曲線隨時間變化。(c) PCL-180的DSC曲線。(d) PCL-180的TGA曲線。(e) 鏈延伸實驗前后的GPC曲線對比。

為了揭示mechano-HROP的催化機理，研究團隊進行了密度泛函理論（DFT）計算。圖4a的計算結果表明，TrisU-1可被MTBD去質子化，形成一種具有分子內H-鍵自激活特征的亞胺酸鹽中間體，其能量比單純的復合物低2.0 kcal·mol?1，結構更穩定。圖4b展示了該亞胺酸鹽內不同H-鍵的距離。基于此，團隊提出了一個協同催化機制（圖4c的自由能圖譜）：亞胺酸鹽的脲基陰離子與ε-CL單體形成H-鍵，活化單體；同時，質子化的MTBD通過H-鍵活化引發劑或聚合物鏈端的羥基。這種雙活化模式協同促進了ε-CL的開環和鏈增長，從而實現了高效可控的聚合。

圖4 | (a) 自活化亞胺酸物種形成的計算自由能。(b) 不同分子內氫鍵自活化模式下亞胺酸物種內的氫鍵距離。(c) 通過計算分析（使用M06-2X泛函，def2-SVP基組，def2-TZVP輔助基組，無溶劑條件）得到的mechano-HROP開環聚合ε-CL的自由能譜圖（基于所提出的機理）。

最后，研究團隊將機械化學方法拓展到了PCL的解聚回收。圖5a展示了PCL在室溫球磨條件下，以甲醇為親核試劑，在三氟甲磺酸鋅催化下發生甲醇解反應，生成產物6-羥基己酸甲酯。圖5b的時間曲線顯示，在機械化學條件下，反應4小時后單體產率可達96%。動力學分析（圖5c）表明，該機械化學甲醇解反應的速率常數（kobs = 0.0124 min?1）遠高于傳統攪拌反應（kobs = 0.0016 min?1），圖5d的GPC曲線也直觀地展示了PCL在機械化學條件下分子量的迅速下降。這些結果強有力地證明了機械化學在促進聚合物解聚方面的巨大潛力。

圖5 | (a) 通過球磨進行的PCL機械化學甲醇解。(b) 機械化學甲醇解的動力學分析：PCL（22.8 mg，0.2 mmol 重復單元），[PCL重復單元]?/[MTBD]?/[MeOH]? = 1/0.2/30，在1.5 mL不銹鋼研磨罐中于不同溫度下進行球磨（30 Hz）。(c) 甲醇解的動力學分析：PCL（114 mg，1.0 mmol 重復單元），[PCL重復單元]?/[MTBD]?/[MeOH]? = 1/0.2/30，在15 mL耐壓瓶中于不同溫度下攪拌。(d) 不同溫度下PCL機械化學甲醇解和甲醇解的kobs值。(e) 不同溫度下PCL機械化學甲醇解和甲醇解的阿倫尼烏斯圖。

綜上所述，這項研究成功地建立了一種高效、可控的機械化學H-鍵有機催化開環聚合（mechano-HROP）策略，解決了在溫和條件下合成高分子量、窄分布PCL的長期挑戰。該方法不僅實現了PCL的綠色合成，其克級規模制備能力和所得聚合物的高熱穩定性、高鏈端 fidelity為其作為高性能材料奠定了基礎。同時，所開發的機械化學甲醇解方法為PCL的閉環回收提供了高效、溫和的新途徑。這項工作不僅為聚己內酯的合成與循環利用開辟了新路徑，也為未來設計更多基于機械化學的可持續聚合物材料提供了重要的理論依據和實踐指導。