聚乙二醇（PEG）由于其良好的水溶性、无毒性以及与碱金属易配位性等特点，被广泛运用于界面修饰、生物官能团化、药物传载、水凝胶合成以及固态电解质等领域。聚乙二醇的官能团转化在其中扮演着举足轻重的角色。然而，受限于其特殊的分子结构，聚乙二醇官能团转化往往只能发生于末端羟基，而主链中广泛存在的C–H键由于较高的键能以及较低的极性，其官能团化极具挑战也鲜有报道。其中，关键的科学问题和反应转化难点就是如何发展高活性催化体系实现相对惰性的C–H键高效转化并且抑制活性更高的C?O键断裂。近日，西安交通大学曾荣课题组和南京大学王敏燕教授结合光促铁催化策略，报道了首例可控聚醚C–H键烷基化反应，高效的实现了聚醚类化合物的主链C–H键官能团化。该研究成果以“Controllable C–H Alkylation of Polyethers via Iron Photocatalysis”为题，发表于Journal of the American Chemical Society（JACS, doi: 10.1021/jacs.3c01100）。
前沿科研成果：光促铁催化实现可控聚醚C–H键烷基化反应
聚乙二醇（PEG）由于其良好的水溶性、无毒性以及与碱金属配位性等特点，被广泛运用于界面修饰、生物官能团化、药物载体、水凝胶以及固态电解质等领域。聚乙二醇的官能团转化在其中扮演着举足轻重的角色。然而，聚乙二醇官能团化目前只能局限于其末端羟基，其主链C–H键官能团化鲜有报道。聚乙二醇主链C–H键官能团化的挑战主要在于，一方面反应需要一种高反应活性、低毒性的催化体系来实现相对惰性的C–H键官能团化；而另一方面，反应又必须抑制活性较高的C-O键断裂所导致的聚合物降解。
图1. PEG官能团化挑战（来源: J. Am. Chem. Soc.）
近年来，光催化已经成为一种强大而独特的工具，西安交通大学曾荣教授课题组围绕光诱导铁催化展开了一系列研究工作。目前已经在该研究方向取得了诸多进展并在国内外知名学术期刊发表多篇研究论文（Org. Lett. 2021, 23, 2915?2920;Chin. J. Chem. 2021, 39, 3225?3230;Org. Lett. 2021, 23, 8968?8972; Org. Lett.2022, 24, 977?982; Org. Lett. 2022, 24, 4766?4771; Org. Chem. Front. 2022, 9, 4955?4961; ACS Catal. 2023, 13, 1678?1685）。近日，该课题组又在该研究领域取得了重要突破，报道了首例可控聚醚C–H键烷基化反应，高效的实现了聚醚类化合物的主链C–H键官能团化。
图2. PEG烷基化（来源: J. Am. Chem. Soc.）
首先，PEG 6000与2a在优化条件下反应可以得到官能团化产物PEG-2a，作者使用1H NMR,13C NMR，碳氢异核相关（HMBC）以及扩散序谱（DOSY）对PEG-2a进行了详细的表征，证明了小分子2a与聚合物是共价连接而不是简单的掺杂。接着，作者对PEG 6000的官能团化率和小分子2a摩尔量的关系进行了研究，发现当加入2a当量小于20 mol%时，官能团化率与2a的摩尔量呈线性关系，说明2a对聚合物的官能团化率在一定条件下是可控的。
图3.官能团化率（LOF）与2a摩尔量的关系（来源: J. Am. Chem. Soc.）
聚醚类化合物的分子量分布（MWD）是影响其材料物理性质很重要的因素。作者对反应的时间、浓度以及小分子烯烃的当量进行了详细地筛选后，发现浓度为0.5 M、烯烃量为20 mol%时能够很好地抑制降解，并且实现聚乙二醇C–H 键官能团化的同时保持分子量分布不发生显著改变。最后，作者使用基质辅助激光解析电离飞行时间质谱（MALDI-TOF）进一步对聚乙二醇改性前后的分子量及其分布进行验证。
图4.分子量分布和MALDI-TOF（来源: J. Am. Chem. Soc.）
确定了反应的最优条件后，作者对反应的底物普适性进行了研究。反应烯烃底物主要为双拉电子基团取代烯烃和马来酰亚胺及其衍生物两类。含有环氧、炔基以及马来酸酐的底物都能够很好地修饰聚乙二醇。此外，不同分子量、末端取代基以及分子结构的聚乙二醇都能够很好地被缺电子烯烃修饰并且不发生显著的降解。其他聚醚类化合物，例如聚四氢呋喃、聚丙二醇以及乙二醇丙二醇嵌段聚合物等，也都能够兼容。
图5. 聚醚的普适性研究（来源: J. Am. Chem. Soc.）
最后，作者通过泛函密度分析（DFT）解释了反应的详细机理以及其中选择性C–H键官能团化而不发生C–O键断裂的原因。由计算结果可以看出，自由基中间体INT2A对2a加成的能量明显低于其自身β-O消除的能量。
图6. DFT计算
总结：
西安交通大学曾荣课题组和南京大学王敏燕教授发展光促铁催化首次报道了聚醚类化合物的可控C–H键烷基化反应，该反应通过反应时间、浓度以及烯烃当量的调控抑制醚链C-O键断裂导致地降解问题，进而拥着良好的C–H官能团化选择性。该方法具有良好的底物普适性，为后期聚合物材料制备提供了实验基础。同时，本文基于该方法合成了新型的水凝胶和固态电解质提高锂离子电导率，显示出巨大的运用潜力。最后DFT计算解释了该反应C–H官能团化选择性的原因。该研究成果以“Controllable C–H Alkylation of Polyethers via Iron Photocatalysis”为题，发表于Journal of the American Chemical Society（JACS, doi:10.1021/jacs.3c01100）。西安交通大学化学学院2020级博士研究生张宗楠为该论文的第一作者，西安交通大学曾荣教授和南京大学王敏燕教授为本工作的通讯作者，西安交通大学为第一通讯单位。上述研究工作得到了国家自然科学基金（21901197）、广东省催化重点实验室（2020B121201002）、小米青年学者基金、西安交通大学启动资金和国家重点研发计划（2022YFA1503200）的资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c01100
