随着对可持续材料需求的日益增长，聚羟基脂肪酸酯（PHA）因其优异的生物降解性与生物相容性备受瞩目。其中，生物合成聚3-羟基丁酸酯（P3HB）表现出完美的等规立构，具有高达180 ℃的熔融转变温度和媲美商业等规聚丙烯（iPP）的拉伸强度。然而，由微生物发酵合成的P3HB因其高结晶度表现出极高的脆性，这严重限制了其应用场景。通过外消旋β-丁内酯（rac-BBL）的开环聚合理论上可以突破这一瓶颈，但长期以来的立体调控策略主要依赖于手性单体的繁琐合成或针对特定规整度从头设计全新结构的催化剂，这不仅耗时费力，且极难实现从完全等规到完全间规的全立构规整度调控。如何通过单一且简便的催化平台实现对聚合物立体微结构的高效、连续调控，一直是高分子合成领域的关键难题。

图1

  四川大学朱剑波教授团队长期致力立构规整性聚合物的合成，通过发展新的手性单体（Acc. Chem. Res. 2026, 59, 311–321; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20591–20597; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202117639; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202400196; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202505310）以及新的立体选择性控制方法（Nat. Chem. 2025, 17, 1119–1128; Nat. Catal. 2023, 6, 720-728; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202405382; J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 1147–1154; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202419494; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202422147; Natl Sci Rev, 2025, 12, nwaf416; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e20707; J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 13368-13375）实现了立构规整聚合物的高效合成。在前期研究中，该团队利用外消旋螺环salen金属钇催化剂成功实现了不同间规（P_r: 0.50 ~ 0.99）PHAs的制备。基于此，作者设想：是否能设计一种新的催化剂实现P3HB从等规到间规（P_m: 0.99 ~ 0.01）的转变从而适用于不同的应用场景？针对这一设想，作者开发了联苯二胺-联萘酚-salen（DiMeBiPh-BINOL-salen）金属钇催化剂，成功实现了对rac-BBL开环聚合的精准立体调控。仅通过简单调节催化剂的ee值便成功制备出等规度从0.07至0.90的一系列P3HB材料，并系统揭示了立构规整度与材料热力学、粘附性能之间的构效关系。

  2026年7月26日，该工作以题为“Leveraging the Enantiomeric Excess of Catalyst for Precise Stereocontrol in Poly(3-hydroxybutyrate)”发表于《Angewandte Chemie International Edition》VIP论文。文章第一作者为四川大学化学学院博士研究生谢敏，通讯作者为四川大学化学学院朱剑波教授。

  作者首先着眼于催化剂的设计与合成。为了构建受对映体位点控制机制（ESC）主导的高效等规选择性催化剂，作者在先前报道的DiMeBiPh-salen骨架（ACS Macro Lett. 2024, 14, 57-63）中引入了轴手性联萘酚（BINOL）基团，成功合成了对映纯的(R, R)-Y1和(S, S)-Y1金属钇配合物。单晶X射线衍射分析清晰地揭示了该催化剂的构型（图2）：大位阻的手性BINOL基团构建的空间限域赋予了催化剂优秀的动力学拆分能力。在室温、甲苯中催化rac-BBL聚合时，对映纯的(R, R)-Y1表现出高的等规选择性（P_m = 0.90）。当使用外消旋催化剂rac-Y1时，聚合体系的立体选择性发生了反转，生成了高度间规的P3HB产物（P_r = 0.93）。

  为了深入探究，作者做了动力学监测（图2）。实验表明，(R, R)-Y1在催化(R)-BBL单体聚合时的速率常数高达0.021 s?1，而对(S)-BBL则几乎不表现出催化活性，这充分验证了其基于ESC机制的手性识别能力。然而，在rac-Y1催化rac-BBL的体系中，聚合速率（0.013 s?1）显著高于(R, R)-Y1催化rac-BBL的速率（0.003 s?1），其比值为4.3倍，表明对映体之间的聚合物链交换明显快于链增长。正是这种快速交换，使得单体以严格的交替方式（R-S-R-S）排列，从而在宏观上得到了极高的间规选择性。

图2

  基于ESC机制与聚合物链交换机制协同作用，作者系统调控了催化剂ee值从100%到0%，制备了一系列不同等规度的P3HB（图3）。当催化剂ee值为100%时，体系主要受ESC机制控制，生成高结晶性的等规P3HB（P_m = 0.90）。随着催化剂ee值的微小下降（例如降至99%），链交换机制开始介入并引入立体缺陷，导致等规度迅速下降至0.75。当ee值进一步降低至90%以下时，体系的立体选择性逐渐从等规主导转变为间规主导。在催化剂ee值为0%时，快速的链交换主导了反应，获得了高度间规的P3HB（P_r = 0.93）。这一策略打破了以往必须依赖合成新配体才能改变聚合物规整度的限制，实现了一个催化剂对聚合物立体结构的连续化、可定制化调控。

图3

  进一步的差示扫描量热法（DSC）测试揭示了立体微结构对材料热力学性能的影响（图4）。高规整度的材料均表现出优异的结晶性能和明显的熔融转变峰。随着聚合物立构规整度向无规方向靠近（P_m接近0.5），材料的结晶度逐渐下降，熔点也随之降低。

图4

  目前，商用粘合剂市场几乎被石油基的热固性树脂（如环氧树脂）和热塑性热熔胶（如EVA）所垄断，但极难降解。近年来，具有特定立体微结构的P3HB被证实具备极佳的粘附性能潜力。为了探寻最佳的粘附性能，作者将不同立构规整度的P3HB在不锈钢基材上进行了标准化的搭接剪切测试（图5）。测试结果显示了“规整度-粘附性”依赖关系。规整度高的P3HB由于结晶度高、链段流动性受限，无法有效润湿基材表面，其粘附强度仅为3.0 MPa和3.4 MPa。然而，通过催化剂ee值调节至间规富集（P_m = 0.28）的P3HB展现出了优异的粘附性，其剪切强度可达9.1 MPa。这不仅远超立构规整的P3HB，也明显优于商用EVA热熔胶（3.8 MPa）、3M 4000 UV胶（3.8 MPa）以及TPU 5200聚氨酯胶（2.1 MPa）。这种具有适度间规结构的聚合物在提供极强界面相互作用的同时，保留了足够的热机械稳定性，为替代传统不可降解工业粘合剂提供了商业前景。

图5

  总之，该项工作提出了一种基于催化剂对映体过量值调节的立体调控方式，通过借助ESC机制与聚合物链交换机制，利用单一的DiMeBiPh-BINOL-salen金属钇催化剂，实现了对rac-BBL的高效聚合，获得了从高度等规（P_m = 0.90）到高度间规（P_r = 0.93）的P3HB。通过对其立体结构的调控，制备出粘附性能优于商用石油基产品的生物可降解粘合剂。这项研究不仅为定制化P3HB的合成建立了一条高效、可控的途径，也为聚合合成中的精确立体控制提供了新的方法。

  以上工作得到科技部、国家自然科学基金委、四川省科技厅以及四川大学的经费支持。

  文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.2119273