分享一篇近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上的文章,题目为Kinetic Resolution Polymerization Enabled Chemical Synthesis of Perfectly Isotactic Polythioesters。文章的通讯作者是来自四川大学的朱剑波教授。
塑料垃圾的不断积累已经成为对地球的主要威胁。生物可降解聚合物如聚羟基脂肪酸酯(PHA)的开发被认为是解决塑料污染的一种有前景的方法,其中立构规整度是PHA具有优异的热、机械和生物降解性能的关键。制备PHA的硫酯类似物可以使材料具有独特的材料性能,因此吸引了研究者们的兴趣。内硫酯的开环聚合是制备立构规整聚硫酯的一种重要途径,但内硫酯的立体选择性聚合面临着很多挑战,包括内硫酯单体的消旋化、链末端的硫负离子对有机金属催化剂的配位和链转移副反应的发生。外消旋单体的动力学拆分聚合是一种制备立构规整聚合物的有效方法,但目前的报道主要集中在内酯的聚合,而内硫酯聚合的报道相对较少。
本文中,作者利用优化的外消旋联萘salen铝催化剂实现了rac-α-苄基-β-丙内硫酯(rac-BTL)的动力学拆分聚合,合成了完全等规的聚硫酯。
首先,作者采用几种对内酯的开环聚合具有较强立体选择性的催化剂尝试了rac-BTL的开环聚合,但立体选择性均较差。在此基础上,作者制备了具有叔丁基取代基的rac-SalBinam-Al,并发现采用rac-SalBinam-Al可以得到完全等规P(BTL)(图1)。若采用手性纯的(R)-SalBinam-Al,聚合反应在18 min内达到53%的单体转化率,并得到等规P[(R)-BTL],且剩余未反应单体(S)-BTL的ee值大于99%,从而实现了完美的动力学拆分(图2)。他们通过1H NMR、13C NMR和MALDI-TOF质谱表征了等规P(BTL)的成功合成(图3a−c)。
随后,作者研究了立构规整度对P(BTL)热性能的影响。所有聚合物都表现出相似的热稳定性,分解温度(Td)在277 ℃左右(图3d),等规P[(S)-BTL]的熔融转变温度(Tm)为174 ℃(图3e)。值得注意的是,作者发现当使用更慢的加热速率对等规P(BTL)样品进行热处理时,聚合物的Tm升高至204 ℃,表明等规P(BTL)的P[(S)-BTL]和P[(R)-BTL]部分之间存在立构复合作用。与P[(S)-BTL]和P[(R)-BTL]相比,等规P(BTL)的PXRD谱显示出更尖锐的峰,也表明立构复合效应的存在(图3f)。 接下来,作者进行了动力学研究(图4a)。他们发现聚合反应存在15−25分钟的诱导期,在诱导期后反应呈现一级动力学特征,动力学拆分因子kS/(S)-BTL/kR/(S)-BTL高达142。手性HPLC分析显示,rac-SalBinam-Al介导的rac-BTL的聚合过程中未反应单体溶液的ee值保持在接近0的水平,而(R)-SalBinam-Al介导的rac-BTL的聚合过程中未反应单体溶液的ee值增加(图4b),且在单体转化率达到50%之前,只检测到(R)-BTL的消耗(图4c)。以上结果表明(R)-SalBinam-Al对(R)-BTL的选择性高于(S)-BTL,证明了动力学拆分聚合机制是有效的。图4. SalBinamAl介导的rac-BTL动力学拆分聚合机理研究 此外,作者发现将上述反应简单分离得到的(S)-BTL水解即可得到对映纯的药物中间体(S)-2-苄基-3-巯基-丙酸((S)-BMPA)(图5)。与需要多次重结晶的传统的专利分离方法相比,该方法更为简洁和高效。图5. SalBinamAl介导的动力学拆分聚合制备(S)-BMPA 最后,作者将合成策略扩展到rac-α-异丙基-β-丙内硫酯(rac-PTL)的聚合反应(图6a),反应同样可以得到高度等规的P(PTL)。DSC分析显示,等规P(PTL)为半晶,Tm为75 °C(图6b)。应变-应力曲线表明,P(PTL)具有较好的韧性和延展性,屈服拉伸强度(σY)为27.5 ± 2.8 MPa,断裂拉伸强度(σB)为14.4 ± 3.4 MPa,极限断裂伸长率(εB)为588 ± 49%(图6c)。 综上所述,作者通过SalBinam-Al催化剂实现了外消旋内硫酯单体(rac-BTL和rac-PTL)的动力学拆分聚合,得到了分子量高达276 kDa的完全等规聚硫酯,为合成具有多种潜在应用的等规聚硫酯提供了新的思路。DOI: 10.1002/anie.202405382Link: https://doi.org/10.1002/anie.202405382