苏州大学/四川大学Angew：实现高分子量聚己内酯的可控合成与绿色回收

在面对日益严峻的环境挑战和推动可持续发展的背景下，开发可生物降解材料已成为科学界的研究热点。聚己内酯作为一种性能优异的线性脂肪族聚酯，因其在包装、药物输送和组织工程等领域的广泛应用而备受关注。然而，传统上合成高分子量的聚己内酯主要依赖金属催化开环聚合，但残留的金属杂质难以完全去除，限制了其在某些高要求领域的应用。虽然有机催化开环聚合，特别是氢键催化，为合成聚酯提供了新思路，但该策略在合成高分子量聚己内酯时仍面临挑战：溶液聚合需要严格的无水条件且在高聚合度下单体转化率低，而本体聚合则常因高温引发副反应，导致反应可控性差。因此，开发一种温和条件下高效、可控合成高分子量聚己内酯的新方法显得尤为迫切。

近日，苏州大学王召特聘教授、张丽副教授和四川大学李乙文教授合作在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上发表了题为“Mechanochemical H-Bonding Organocatalysis Enabled Controlled Synthesis and Recycling of High-Molecular-Weight Poly(ε-Caprolactone)”的研究论文，提出了一种创新的机械化学氢键催化开环聚合策略。该策略通过将三脲催化剂与有机碱共催化体系与球磨技术相结合，成功在室温固相条件下实现了ε-己内酯的快速、可控聚合。该方法不仅展现出卓越的聚合活性（表观速率常数kobs达到0.053 min⁻¹），还有效抑制了副反应，最终合成了数均分子量高达185.0 kDa且分子量分布窄的高分子量聚己内酯。此外，研究团队还开发了一种基于机械化学的聚己内酯甲醇解回收方法，在室温无溶剂条件下实现了聚合物的高效降解。

示意图1 | ε-CL的ROP聚合机理（a），ε-CL的有机催化ROP（b），以及本工作中的ε-CL mechano-HROP（c）。

在初步探索中，研究团队首先在球磨条件下使用硫脲作为氢键供体（HBD）和苄醇（BnOH）作为引发剂进行ε-CL的聚合，但效果不佳，转化率低。当改用双脲催化剂（BisU-1）并搭配不同有机碱共催化剂时，发现BisU-1/MTBD体系在目标DP为200时取得了显著更高的转化率（91%），得到Mn为28.2 kDa的PCL。为了合成更高分子量的PCL，团队进一步优化了基于脲的HBDs。通过在目标DP为500的条件下评估一系列缺电子脲催化剂（图1），他们发现具有三足结构的三脲催化剂TrisU-1表现出最佳性能，仅需0.2小时就能达到99%的单体转化率，所得PCL的Mn为68.5 kDa，Đ为1.18。对照实验表明，催化剂的结构至关重要，单脲催化剂MonU-1/MTBD的活性远低于TrisU-1/MTBD，而缺乏TrisU-1或MTBD的体系则几乎不引发聚合，这证实了TrisU-1与MTBD在实现高效聚合中的协同作用。

图1 | 用于mechano-HROP的（硫）脲和有机碱

为了深入理解mechano-HROP的机理和优势，研究团队进行了一系列表征和动力学分析。首先，通过¹H NMR对粗产物进行分析，图2a显示在化学位移3.65 ppm处出现了归属于PCL链末端亚甲基的质子信号，证明了聚合物的成功合成。MALDI-TOF质谱分析（图2b）显示，所得PCL的质谱峰为单一分布，且相邻峰之间的分子量差恰好为一个ε-CL单元（114 Da），这清楚地表明mechano-HROP过程有效抑制了酯交换等副反应，保证了链结构的规整性。动力学研究（图2c）对比了不同聚合条件，结果显示mechano-HROP的表观速率常数（kobs = 0.053 min⁻¹）高于室温本体ROP（0.047 min⁻¹）和高温熔融本体ROP（0.015 min⁻¹），表明机械力的引入和室温条件有利于提高聚合效率。更重要的是，图2e显示在mechano-HROP过程中，PCL的Mn随单体转化率线性增加，并与理论值高度吻合，而室温本体ROP（图2d）则出现明显偏离，这有力地证明了mechano-HROP方法相较于传统本体ROP具有更优异的聚合控制性。

图2 | (a) 纯ε-CL和未经纯化的反应混合物在CDCl₃中的¹H NMR谱图。(b) 通过mechano-HROP获得的PCL（Mn = 18.2 kDa，Đ = 1.17）的MALDI-TOF质谱图。(c) 不同ROP条件下ε-CL的动力学曲线（目标DP = 500，kobs1为常规熔融本体ROP，kobs2为室温本体ROP，kobs3为mechano-HROP）。(d) 常规室温本体ROP（目标DP = 500）中Mn和Đ随转化率的变化。(e) mechano-HROP（目标DP = 500）中Mn和Đ随转化率的变化。

在实现良好控制的基础上，团队向合成更高分子量PCL的目标迈进。初期在目标DP为1500时，由于聚合后期可能发生链降解，导致Mn偏离理论值。为解决此问题，研究者引入了液体辅助研磨（LAG）技术，发现以甲苯作为LAG溶剂能有效保护聚合物链，防止降解。在优化后的LAG条件下，图3a显示PCL的Mn随单体转化率线性增长，且与理论值完美匹配，最终在8小时内成功实现了目标DP为1500的完全转化。图3b的GPC曲线随反应时间逐渐向高分子量区域偏移，最终得到了Mn高达185 kDa且分布窄（Đ < 1.28）的PCL。该策略的克级规模合成实验也顺利产出Mn为180.0 kDa的PCL-180。热分析表明，所得PCL-180的熔点为62.7°C（图3c），5%热失重温度（Td,5%）为333.3°C（图3d），展现出优异的热稳定性，这归因于其窄的分子量分布。为验证聚合物的“活性”特征，团队进行了链延伸实验。图3e显示，以预合成的PCL-30作为大分子引发剂，成功引发了ε-CL的再聚合，使分子量从30.1 kDa显著提升至58.9 kDa，且分布依然很窄（Đ = 1.30），这充分证明了mechano-HROP合成的PCL具有极高的链端保真度。

图3 | (a) mechano-HROP中Mn和Đ随单体转化率的变化（目标DP = 1500）。(b) mechano-HROP过程中PCL的GPC曲线随时间变化。(c) PCL-180的DSC曲线。(d) PCL-180的TGA曲线。(e) 链延伸实验前后的GPC曲线对比。

为了揭示mechano-HROP的催化机理，研究团队进行了密度泛函理论（DFT）计算。图4a的计算结果表明，TrisU-1可被MTBD去质子化，形成一种具有分子内H-键自激活特征的亚胺酸盐中间体，其能量比单纯的复合物低2.0 kcal·mol⁻¹，结构更稳定。图4b展示了该亚胺酸盐内不同H-键的距离。基于此，团队提出了一个协同催化机制（图4c的自由能图谱）：亚胺酸盐的脲基阴离子与ε-CL单体形成H-键，活化单体；同时，质子化的MTBD通过H-键活化引发剂或聚合物链端的羟基。这种双活化模式协同促进了ε-CL的开环和链增长，从而实现了高效可控的聚合。

图4 | (a) 自活化亚胺酸物种形成的计算自由能。(b) 不同分子内氢键自活化模式下亚胺酸物种内的氢键距离。(c) 通过计算分析（使用M06-2X泛函，def2-SVP基组，def2-TZVP辅助基组，无溶剂条件）得到的mechano-HROP开环聚合ε-CL的自由能谱图（基于所提出的机理）。

最后，研究团队将机械化学方法拓展到了PCL的解聚回收。图5a展示了PCL在室温球磨条件下，以甲醇为亲核试剂，在三氟甲磺酸锌催化下发生甲醇解反应，生成产物6-羟基己酸甲酯。图5b的时间曲线显示，在机械化学条件下，反应4小时后单体产率可达96%。动力学分析（图5c）表明，该机械化学甲醇解反应的速率常数（kobs = 0.0124 min⁻¹）远高于传统搅拌反应（kobs = 0.0016 min⁻¹），图5d的GPC曲线也直观地展示了PCL在机械化学条件下分子量的迅速下降。这些结果强有力地证明了机械化学在促进聚合物解聚方面的巨大潜力。

图5 | (a) 通过球磨进行的PCL机械化学甲醇解。(b) 机械化学甲醇解的动力学分析：PCL（22.8 mg，0.2 mmol 重复单元），[PCL重复单元]₀/[MTBD]₀/[MeOH]₀ = 1/0.2/30，在1.5 mL不锈钢研磨罐中于不同温度下进行球磨（30 Hz）。(c) 甲醇解的动力学分析：PCL（114 mg，1.0 mmol 重复单元），[PCL重复单元]₀/[MTBD]₀/[MeOH]₀ = 1/0.2/30，在15 mL耐压瓶中于不同温度下搅拌。(d) 不同温度下PCL机械化学甲醇解和甲醇解的kobs值。(e) 不同温度下PCL机械化学甲醇解和甲醇解的阿伦尼乌斯图。

综上所述，这项研究成功地建立了一种高效、可控的机械化学H-键有机催化开环聚合（mechano-HROP）策略，解决了在温和条件下合成高分子量、窄分布PCL的长期挑战。该方法不仅实现了PCL的绿色合成，其克级规模制备能力和所得聚合物的高热稳定性、高链端 fidelity为其作为高性能材料奠定了基础。同时，所开发的机械化学甲醇解方法为PCL的闭环回收提供了高效、温和的新途径。这项工作不仅为聚己内酯的合成与循环利用开辟了新路径，也为未来设计更多基于机械化学的可持续聚合物材料提供了重要的理论依据和实践指导。