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课题组以一系列羧酸为催化剂实现了迄今为止最高分子量、窄分散聚肌氨酸（pSar）的高效与精准合成，并通过实验与理论计算相结合的方法提出了羧酸催化聚合的可能机理。
北京大学化学与分子工程学院吕华教授课题组近期以一系列羧酸为催化剂实现了迄今为止最高分子量、窄分散聚肌氨酸（pSar）的高效与精准合成，并通过实验与理论计算相结合的方法提出了羧酸催化聚合的可能机理（图1）。
图1. 本文主要研究内容
聚肌氨酸是一种以生物源氨基酸肌氨酸为重复单元的非离子聚类肽，在水溶性、低生物毒性和生物抗污性能等方面具有比拟聚乙二醇（PEG）的出色性质，因而被认为是潜在的PEG替代材料。pSar的合成通常由肌氨酸N-羧基内酸酐（Sar-NCA）或N-硫代羧基内酸酐（Sar-NTA）的开环聚合实现。然而，现有聚合方法得到的pSar的分子量往往较低（DP ≤ 500，MW ≤ 35 kDa），无法与分子量覆盖范围广、品类齐全的PEG产品相媲美。
吕华课题组致力于NCA的开环聚合和基于氨基酸的生物医用高分子材料的基础与应用研究。在前期工作中，他们发现水可以作为质子梭极大加速脯氨酸NCA的开环聚合（Hu et al. Natl. Sci. Rev. 2022, 9, nwac033）。在此工作的基础上，他们提出了羧酸可以通过类似的质子梭效应实现Sar-NCA的快速与可控聚合，从而制备超高分子量pSar的假设。文献调研表明Zhang、Ling、Lu等人曾陆续在NTA/NCA的开环聚合中曾观察到羧酸的加速效应（Siefker et al. ACS Macro Lett. 2018, 7, 1272-1277; Zheng et al. Biomacromolecules 2021, 22, 1579-1589; Wang et al. ACS Macro Lett. 2023, 12, 555-562），但未对其机理做深入探讨。近期Zhang和Xuan等人也报道了类似的羧酸加速N-取代NCA（NNCA）的开环聚合的现象（Yu et al. Macromolecules 2023, 56, 8899-8911）。
在该项工作中，作者致力于在前人基础上系统地研究羧酸催化的机理并将其用于制备超高分子量pSar。通过系统的催化剂、溶剂、反应条件筛选，文章首次建立了羧酸pKa、溶剂Kamlet−Abboud−Taft碱性参数β等物理量与表观速率常数kobs之间的定量关系（图2，A和B）。以苯甲酸为催化剂，在2.5h内便可实现单体-引发剂比为2000:1的聚合体系的完全转化，所得pSar分子量符合投料比且分散较窄（Đ < 1.05）；即便投料比继续增加到5000:1，聚合仍表现出良好的可控性（图2，C和D）。聚合动力学实验表明，苯甲酸催化剂可将表观速率常数kobs相比无催化组提高约15倍，而将催化剂更换为酸性更弱的特戊酸速率提高可达50倍，且通过多次单体投料可以成功制备分子量高达586 kDa（DP=8200）的pSar，是此前报道pSar最高分子量的17倍。此外，特戊酸也成功催化了N-正丁基-甘氨酸NCA的快速聚合及（多）嵌段聚类肽的可控合成，展示出该方法对NNCA聚合的普适性。通过与清华大学化学系刘凯教授团队合作，他们发现高分子量pSar相较低分子量pSar展现了显著增强的材料力学与热学性能。
图2. 羧酸催化的Sar-NCA快速可控聚合。（A）kobs与羧酸催化剂pKa的关系（投料比[M]0/[1]0/[Acid]0 = 200/1/5）；（B）苯甲酸为催化剂时kobs与溶剂碱性参数β的关系（投料比同A）；（C）苯甲酸催化的不同[M]0/[1]0比聚合产物的SEC色谱图；（D）Mn和Đ与[M]0/[1]0的关系
基于一系列动力学、二维核磁实验和DFT理论计算，作者提出了如下的羧酸催化Sar-NCA聚合的可能机理（图3）。聚合链增长分为NCA开环和脱羧两个过程。开环步遵循经典的亲核加成-消除机理，以四面体中间体的消除为整个链增长的决速步。聚合中存在酸-胺平衡以及胺-二氧化碳平衡两个快平衡，它们影响着活性物种二级胺的实际浓度，进而影响反应速率，且以酸-胺平衡为主。在决速步过渡态中，羧酸扮演了双官能催化剂的角色，通过氢键同时结合了即将消除的羟基氢和离去的羧基氧，有效避免了电荷分离和高张力反应构象，降低了活化自由能，从而加速了整个聚合过程。
图3. 可能的聚合机理
总结而言，该项工作实现了超高分子量与窄分散度pSar的可控与快速合成，并深入探讨了羧酸催化的机理，为pSar的广阔应用奠定了方法与材料基础，加深了人们对于NCA开环聚合机理的理解，提醒后续的催化体系设计中应更细致地关注过去常常被忽视的质子转移过程。论文第一作者为课题组2020级博士研究生王硕，通讯作者为吕华，清华大学化学系刘凯教授团队为论文合作者。该工作受到了来自国家自然科学基金（22125101和22331002）、北京市自然科学基金（2220023）、李革-赵宁生命科学青年研究基金等项目经费的支持。
Doi: 10.1021/jacs.3c14740
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