可控降解，登上Nature Chemistry！

全新分子级降解策：让塑料自己“拆自己”！

在可持续材料的发展中，如何让聚合物“可控降解”始终是难题。传统策略通常依靠在主链中引入易断裂键，例如酯、缩醛、酐、酰亚胺、硅醚等，但这些键要么过于稳定、需在苛刻条件下才能断裂，要么反应速率难以调控，始终存在“稳定性和易降解性不可兼得”的矛盾。更重要的是，已有可裂解键的种类有限，导致材料降解速率难以跨越数量级地精准调节。相比之下，自然界早已发展出更巧妙的“自降解机制”——如RNA的自裂解、蛋白质的自切割反应，它们并不依赖外界强刺激，而是通过精准的构象预组织，让邻近基团自动摆好“出手”姿势，从而在温和条件下实现高效断裂。这类生物策略启发了研究者：如果能像生物大分子一样，让合成聚合物中的关键化学基团自动排列到“最有利反应”的构象，也许就能突破当前合成材料降解效率的天花板。

在此，罗格斯大学顾宇炜教授课题组提出一种全新的“构象预组织邻近基团”（CPNG）策略，通过让参与断裂反应的羟基与可裂解的磷酸三酯键在空间上精准对齐，从根本上调控聚合物自降解速率。作者设计了不同的五元环和刚性骨架，使邻近的羟基自然处于有利于进攻磷中心的构象，从而显著提升断裂速率，无需改变化学键本身，也不牺牲材料性能。研究发现，该策略可使线型聚合物与体块热固网络在室温下快速自分解，速率可跨越数百到上万倍；甚至远端的羟基也能通过金属诱导折叠被“拉近”到反应位点，实现可逆的“开关式降解”。这项工作证明：精确构象控制是一种强大而普适的聚合物降解调控工具。相关成果以“Conformational preorganization of neighbouring groups modulates and expedites polymer self-deconstruction”为题发表在《Nature Chemistry》上，Shaozheng Yin为第一作者。

研究从自然界的“自降解高手”学起。图1a 展示了 RNA 自水解与蛋白自体溶解的经典结构特征：羟基，无论是 RNA 上的 2'-OH 还是蛋白质中苏氨酸侧链，都被“摆放”在最有利于进攻断裂键的位置，使反应无需外界驱动便可高效进行。作者借此提出 CPNG 思路（图1b）：只要让合成聚合物中的羟基与磷酸三酯键长期保持一个“进攻态”的构象，就能显著加速自降解。图1c 展示了三种预组织骨架：Scaffold 1 是柔性的乙二醇连接体，无特定构象；Scaffold 2 和 3 则以五元环方式固定构象，其中 Scaffold 3 让羟基与磷键处于“左旋反应构象（图1c，右下）”，被预测最易触发自内酯化式断裂。

图1： 展示自然界自降解反应的构象规律，并提出三种预组织骨架的设计思想

依据图2a 的量子化学计算，三个模型分子 MM1、MM2、MM3 分别对应图1的三种构象。作者发现：反应途径均经过“氧磷烷（OP）中间体”，但关键速率决定步骤，羟基对磷中心的内攻击，在三者之间的能垒差异巨大。其中 MM3 的能垒比柔性 MM1 低 3.7 kcal/mol，对应超过 500 倍的速率提升；而 MM2 的构象甚至让能垒升高近 15 kcal/mol，几乎完全阻断反应。图2b 的分子动力学结果进一步说明：MM1 在溶液中姿势“乱摆”，离反应所需的构象还很远；MM2 基本不进入反应位置；而 MM3 则始终在靠近过渡态区域徘徊，就像随时准备“下手”。图2c 中的代表构象更直观呈现这一点：MM3a’ 几乎与过渡态吻合，说明其天生带着“反应准备态”。

图2： 通过 DFT 和 MD 揭示不同构象对自内酯化断裂能垒与构象采样的影响

接下来作者将三种预组织结构分别做成可通过 ROMP 聚合的单体 M1、M2、M3（图3a），并与环辛烯共聚得到三类线型聚合物 p(M1-co-COE)、p(M2-co-COE)、p(M3-co-COE)。关键在于，羟基最初被 ONB 光敏基保护，使聚合过程不被干扰。图3b 显示光照后羟基暴露，磷酸三酯进入“可自降解”状态。图3d–f 的 GPC 曲线揭示震撼结果：p(M1-co-COE) 在 48 小时几乎不变；p(M2-co-COE) 完全不降解；而 p(M3-co-COE) 却在两天内从 51.7 kDa 降到不足 4 kDa！图3g 的时间趋势更清楚：构象预组织的加速效果达到 160 倍以上。最后，从图3h 的 ^31P NMR 可以看到信号从 –0.5 ppm 迁移到 18.5 ppm，表明主链发生了预期的五元环化断裂，验证了构想的分子机制。

图3： 证明构象预组织能显著提升 ROMP 共聚物的自降解速率

如果将 CPNG 引入交联网络会怎样？作者将 M1、M2、M3 与 DCPD 共聚，制备硬质的热固体材料 p(MX-co-DCPD)。图4b–c 显示它们的 Tg 和力学性能均保持与纯 pDCPD 接近，意味着 CPNG 的加入不会削弱材料本体。但当薄片材料在 THF 中浸泡并接受 UV 触发时，图4d–e 中的结果惊人：p(M1-co-DCPD) 部分解体；p(M2-co-DCPD) 几乎不降解；而 p(M3-co-DCPD) 在 18 小时内 失重超过 90%，几乎完全解体成可溶碎片。相比线型聚合物，热固材料降解更快，原因是在网络链段中嵌入易断裂点，可形成“多点协同断裂”，显著放大 CPNG 效应。

图4： CPNG 使热固体材料在 UV 激活后快速解体

作者进一步提出：如果能让羟基和磷键达到“完全重叠的顺式共平面（0°）构象”（图5a），降解是否还能更快？于是设计了刚性更强的 降冰片烷（norbornane）骨架 NB。图5b 的模拟图可见其构象高度集中。图5c 的能垒计算显示 NB 的反应能垒比 MM3 再低 5 kcal/mol，是质的提升。结果也如预测：图5d 显示 p(NB-co-COE) 的自降解速度比 p(M3-co-COE) 快 20 倍；比 p(M1-co-COE) 快 3300 倍；比 p(M2-co-COE) 快 18000 倍。体块材料同样受益：图5e–f 中 p(NB-co-DCPD) 在 1 小时内就解体超过 80%，远超 M3 体系。

图5： 刚性 NB 骨架实现更极限的构象预组织，带来数量级更高的降解速度

最后，研究者更进一步：如果羟基不在邻位，而在很远的链段上，是否还能通过“折叠”让它靠近反应中心？图6a 展示了这种设计：EG6 单体带有一条长的六乙二醇链，本来羟基远离磷键，因此聚合物非常稳定（图6b 灰色曲线）。但加入不同金属离子后，链段发生可逆折叠（图6c），羟基被拉到靠近磷键，从而激活自降解。图6b 显示 Ba²⁺ 能显著加速降解；Na⁺ 反而抑制；Li⁺ 提升温和。图6d 的计算结构说明 Ba²⁺ 能协调七个氧原子，使羟基距离磷中心仅 3 Å，极易发生反应。更精彩的是，图6e 展示了“可逆调控”：加入 Ba²⁺ 加速，加入 18-crown-6 将 Ba²⁺ 抓走则再次关闭降解，实现真正意义上的“分子级开关”。

图6： 利用金属诱导链折叠，使远端羟基也可实现可逆“开关式”自降解

小结

本研究从生物自降解机制汲取灵感，通过对邻近基团构象进行精准预组织，实现了对聚合物自降解速率的跨量级调控。无论是线型聚合物还是热固网络，只需改变构象环境，而无需改变化学键本身，即可让材料在温和条件下快速而可控地解体。更重要的是，该策略可扩展到链折叠诱导的远程激活，使聚合物降解具备类似蛋白质变构调控般的可逆性。未来，这一构象策略将为可降解材料、可控释放、动态共价网络、组织工程等诸多领域带来全新的设计维度。