聚羟基脂肪酸（PHA），特别是聚(3-羟基丁酸)（P3HB）和聚(3-羟基丙酸)（P3HP），具有优异的生物可降解性和可调的物化性能，在包装材料、医用植入体等领域展现出重要应用价值。相较于微生物发酵法，利用β-丁内酯（BBL）和β-丙内酯（BPL）通过开环聚合（ROP）化学合成PHA具有显著的成本优势。然而现有有机催化体系普遍面临挑战：以N-杂环卡宾、有机碱等为代表的催化剂在实现高转化率的同时，难以避免链转移及β-消除副反应，导致产物分子量显著降低（通常<50 kg/mol）。这种催化效率与聚合物分子量之间的矛盾严重制约着PHA的工业应用。

图1 氨基取代环丙烯羧酸盐催化β-内酯开环聚合制备聚羟基脂肪酸

  近年，氢键作为一种非共价调控策略被广泛应用于促进小分子转化和聚合反应中。氨基取代环丙烯离子已被证明为有机合成催化（Acc. Chem. Res. 2022, 55, 3057-3069）和聚合反应调控（Polym. Chem. 2018, 9, 2183-2192）的有效催化剂。例如，双官能团氨基环丙烯-铝催化体系在环氧化物/环酸酐共聚反应中不仅展现出超高催化活性，更能有效抑制酯交换、差向异构化等副反应，为可控聚合提供了新思路（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 12760-12769）。环丙烯离子对具有的离子对张力能够增强阴离子活化能力，实现高效引发，而氢键在稳定活性中心具有关键作用。针对PHA生产所面临的挑战，浙江大学伍广朋教授课题组提出基于氢键的调控策略。研究团队设计了一系列氨基取代环丙烯羧酸盐催化剂，成功实现了氢键驱动β-内酯开环聚合制备高分子量聚羟基脂肪酸（图1）。这一高效的聚合催化体系：①在引发阶段，催化剂与单体间的氢键作用，能够降低 BBL/BPL开环能垒，加速聚合；②在增长阶段，催化剂与链末端形成氢键，稳定活性链末端，减少副反应；③在单体/催化剂投料比1:4000条件下，获得分子量高达216.7 kg/mol的P3HP（? = 1.27），催化转换频率（TOF）达440 h^-1。该成果近期发表于Macromolecules（DOI: 10.1021/acs.macromol.5c00165），为生物可降解高分子高效可控合成提供了一种新的催化体系。

图2 用于BBL开环聚合的氨基取代环丙烯离子催化剂

  首先以环丙烯阳离子为结构母核，作者设计合成了不同取代基和不同阴离子的氢键供体催化剂用于BBL开环聚合（图2），考察了N上取代基的电子效应对催化效率的影响。结果表明，N上取代基的吸电子效应越强，N–H的化学位移逐渐向低场移动，相应催化剂的转化频率越高（图3，A）。核磁滴定实验表明，催化剂中的N–H能够与BBL单体和羧酸根阴离子形成氢键作用，使得N–H的化学位移向低场移动（图3，B）。这说明氢键供体催化剂与单体形成的氢键越强，聚合速率越快。

图3 .（A）催化剂3-Cl、2-Cl、4-Cl和5-Cl的N–H化学位移及相应开环聚合的TOF值;（B）基于催化剂4-Cl的核磁滴定结果

  氨基取代环丙烯羧酸盐催化剂中N–H与单体、羧酸阴离子之间的氢键作用，同样有力促进了BPL的开环聚合并实现高分子量P3HP的制备。将投料比从1/500逐渐增加到1/4000，相应的P3HP的分子量线性增加（图4）。投料比为1/4000时，催化剂TOF值高达440 h^-1，聚合物分子量达到216.7 kg/mol， 分子量分布低于1.30。

图4 .（A）不同[BPL]₀/[3-ace]条件下制备P3HP的M_n和?值；(B)不同[BPL]₀/[3-ace]下P3HP的GPC曲线。

  利用原位FTIR研究BBL开环聚合反应，BBL中的C=O（1827 cm^-1）强度下降的同时，产物 P3HB中C=O（1741 cm^-1）强度增加（图5，A和B）。此外，观察到巴豆酸酯中的C=C（1655 cm^-1），在最初的1小时内增加，随着聚合的进行强度保持不变（图5，B和C）。上述结果表明，巴豆酸酯类物质主要在聚合初期产生，并在聚合中后期保持不变。

图5.（A）原位FTIR三维图；（B）BBL开环聚合原位FTIR谱图：BBL （1827 cm^-1）和巴豆酸酯C=C（1655 cm^-1）;（C）聚合初期（60 min）的巴豆酸酯C=C（1655 cm^-1）。

  基于以上研究，作者提出氨基环丙烯乙酸盐催化β-内酯开环聚合机理（图6）。在引发阶段，乙酸根阴离子攻击内酯的β-C原子，产生羧酸根阴离子（图6，I）。乙酸根阴离子在高温下夺取单体α-H原子（图6，II），形成巴豆酸根，进一步引发聚合。催化剂中N–H与β-内酯羰基之间的氢键活化单体，加速开环聚合。在增长阶段，羧酸根链末端进攻下一个单体的β-C完成链增长（图6，V）。N–H和羧酸根链末端之间形成氢键，能够稳定链末端，限制聚合中后期聚合物链向单体和聚合物转移的副反应（图6，VI和VII）。

图6. 氨基取代环丙烯乙酸盐引发β-内酯开环聚合机理

  相关论文近日发表在Macromolecules上，浙江大学博士研究生颜蕊为论文第一作者，浙江大学伍广朋教授和杭州师范大学李博副教授为共同通讯作者，本研究得到了国家自然科学基金和杭州师范大学登峰工程开放课题的资助。

  论文链接

  Hydrogen Bonding-Driven Ring-Opening Polymerization of β-Lactones to Polyhydroxyalkanoates Using Aminocyclopropenium Carboxylates, Rui Yan, Shuai Li, Ming-Jun Li, Bo Li,* and Guang-Peng Wu*, DOI: 10.1021/acs.macromol.5c00165

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c00165