南工大Angew：基于氨基酸平台的可持续聚（氨基酯）：可控开环聚合与完全可回收性

近年来，聚（氨基酯）（PAE）作为一类主链含有叔胺和酯键的功能化聚酯，因其可生物降解性和丰富的可调控功能，在药物递送、基因治疗和组织工程等领域展现出巨大应用潜力。然而，如何开发一个通用的合成平台，通过开环聚合（ROP）实现多样化单体库的构建，从而制备结构明确的PAE，一直是该领域面临的主要挑战。

近日，南京工业大学郭凯教授、刘一寰博士课题组成功提出了一种基于氨基酸的通用平台，用于合成多样化的聚（氨基酯）（PAE）。研究者以可再生的氨基酸和多种环氧化物为原料，通过简单的两步法合成了一系列氮杂内酯单体。这些单体能够进行有机催化的可控开环聚合，并且所有获得的PAE均能以定量产率解聚回原始单体，实现了材料的完全化学循环。研究系统地探讨了单体结构（包括N-取代基、内酯环取代基、立体构型和环大小）对聚合与解聚行为的影响，揭示了通过调节单体结构可以调控其聚合上限温度，从而平衡材料的可聚合性与可解聚性。相关论文以“Amino Acid Platform for Poly(amino ester)s: Controlled Ring-Opening Polymerization, Complete Recyclability, and Tunable Polymerizability/ Depolymerizability”为题，发表在

Angew

示意图1： 氨基酸衍生氮杂内酯单体的合成及其开环聚合。

研究的核心从单体设计与合成开始。如图1所示，研究者以甘氨酸、肌氨酸、脯氨酸和β-丙氨酸等氨基酸为起点，与不同环氧化物反应，随后经分子内酯化和N-保护，成功制备了九种结构各异的氮杂内酯单体。这一策略突破了传统方法仅能修饰N-酰基取代基的限制，实现了对环大小、N-取代基、立体构型和内酯环取代基的精准调控，为构建多样化的单体库奠定了基础。

在聚合研究中，催化剂筛选发现有机碱TBD对模型单体TMOC的ROP展现出优异的催化活性和可控性。聚合动力学研究表明，该过程遵循一级动力学，且所得聚合物的分子量随转化率线性增长，分子量分布较窄，证明了聚合的良好可控性（图1a-d）。表1详细列出了在不同溶剂、浓度和温度下TMOC的聚合结果，揭示了溶剂极性、单体浓度和反应温度对聚合平衡转化率的显著影响。

图1： a) TMOC在[TMOC]₀/[BnOH]₀/[TBD]₀ = 50/1/0.4，[M]₀ = 3.14 mol L⁻¹，甲苯，室温条件下的聚合动力学曲线（ln([M]₀/[M]) 对时间）。b) PTMOC的分子量（Mn）和分子量分布（DM）随单体转化率的变化。c) 不同单体转化率下PTMOC的GPC曲线。d) 不同[M]₀/[I]₀比例下PTMOC的GPC曲线（数据见表S2）。

进一步探究不同单体结构对ROP的影响发现（表2，图2），N-酰基取代的单体（如TMOC、TEOC、TBOC）表现出较高的聚合活性，而N-烷基取代的单体（DMO、MPOO）则无法聚合。这归因于酰胺键的平面性带来的更高开环焓变。此外，在α位具有偕二甲基取代的单体TDOC由于Thorpe-Ingold效应促进了环的闭合，导致其可聚合性丧失。立体构型也对聚合速率有细微影响，对映体单体的表现略优于外消旋体。随着内酯环α位烷基侧链长度的增加（从甲基到丁基），单体的聚合活性逐渐下降。

热力学研究为了解不同单体的聚合行为差异提供了关键依据。通过测定不同温度下的平衡单体浓度，并利用范特霍夫方程计算热力学参数，研究者获得了各单体的聚合上限温度（图2b）。例如，在1.0 M浓度下，TMOC的Tc为25°C，而TBOC的Tc则降至-20°C。七元环单体TMOOC由于更高的环张力，表现出最高的Tc（37°C）和最高的平衡转化率（94%），尽管其聚合速率较慢。这些结果表明，通过改变取代基、环大小和立体构型，可以有效调控聚合-解聚平衡的热力学驱动力。

图2： a) 不同单体在[TMOC]₀/[BnOH]₀/[TBD]₀ = 30/1/0.3，[M]₀ = 3.14 mol L⁻¹，甲苯，0°C条件下的聚合动力学曲线（ln([M]₀/[M]) 对时间）。b) 不同单体的表观速率常数（kapp）和上限温度（Tc，1 M条件下）。

对所得聚合物的结构表征确认了其设计的准确性。以PTMOC为例，其核磁共振氢谱显示了重复单元和末端基的特征信号（图3c）。MALDI-TOF质谱图（图3a, b, d）进一步证实了其明确的链结构，主要谱峰间隔与TMOC重复单元的分子量相符，且末端结构与设计一致。

图3： a) PTMOC的MALDI-TOF质谱图。b), d) m/z与TMOC重复单元数量的关系图。c) PTMOC的核磁共振氢谱（400 MHz，CDCl₃）。

材料的可回收性是本研究的亮点。如图4所示，在温和条件下（1 mol% TBD，100°C，甲苯），PTMOC、P(S)-TMOC、P(R)-TMOC、PTEOC和PTBOC均能高效、定量地解聚回原始单体，且解聚过程遵循一级动力学（图4c）。解聚速率常数与相应的聚合速率常数呈反比关系，这与它们的热力学特性（Tc高低）相一致。这一系列实验成功构建了氮杂内酯单体的闭环生命周期。

图4： a) PTMOC在TBD催化解聚过程中，不同解聚转化率下的GPC曲线。b) PTMOC解聚过程中，分子量（Mn）和多分散指数（ĐM）随转化率的变化。c) 各种PAE在TBD催化溶液解聚中的动力学曲线（-ln(1-转化率) 对时间）（TBD用量为重复单元的1 mol%，100°C，甲苯，20 mg/mL）。d) 起始TMOC、PTMOC以及经TBD溶液解聚回收的TMOC的核磁共振氢谱（400 MHz，CDCl₃）。

最后，研究者通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）考察了PAEs的热性能（图5）。所有PAE均表现出良好的热稳定性，初始分解温度在176至215°C之间。玻璃化转变温度（Tg）范围在-3至39°C之间，且随着侧链烷基长度的增加，Tg逐渐降低。其中，PTBOC因较大的空间位阻限制了链段运动，表现出半结晶特性，熔点为144°C，而其他PAE则为无定形聚合物。

图5： a) 不同PAE的热重分析（TGA）曲线。b) 不同PAE的微分热重（DTG）曲线。c) 不同PAE的差示扫描量热（DSC）曲线（第二次加热扫描，10°C min⁻¹）。d) PTBOC的冷却和第二次加热DSC曲线（10°C min⁻¹）。

综上所述，本研究成功开发了一个基于可再生氨基酸的通用平台，用于合成结构多样、性能可调且完全可化学回收的聚（氨基酯）。该工作系统地阐明了单体结构对聚合/解聚动力学和热力学的影响规律，为设计可定制化、可持续的高分子材料提供了重要的理论依据和实践指南。这一进展不仅拓展了生物基高分子材料的工具箱，也为解决塑料污染问题提供了新的闭环循环思路。