聚合物的拓撲結(jié)構(gòu)在很大程度上影響其材料的物理性質(zhì)與功能表現(xiàn)。相比常見的線性聚合物,環(huán)狀聚合物因缺乏鏈端,分子內(nèi)自由度受限,在溶液中通常呈現(xiàn)出更加緊湊的構(gòu)象,從而表現(xiàn)出更低的流體力學體積與內(nèi)在黏度,以及更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等特性。目前,已有多種石油基聚合物(如聚烯烴、聚丙烯酸酯和聚乙炔等)可通過環(huán)擴張聚合策略構(gòu)建環(huán)狀結(jié)構(gòu)。然而,在可降解環(huán)狀聚合物,尤其是引入側(cè)鏈官能團的功能化環(huán)狀聚酯的合成方法,研究報道相對有限。傳統(tǒng)基于兩性離子引發(fā)劑或金屬配合物的聚合體系常伴隨環(huán)化效率低、副反應頻發(fā)(如線性鏈段的引入、分子內(nèi)鏈轉(zhuǎn)移或鏈終止反應,以及手性中心的表異構(gòu)化)等問題,這顯著影響了聚合物的拓撲完整性、立構(gòu)規(guī)整性及聚合可控性,進而限制了其在可降解高分子材料領(lǐng)域的深入應用。
近日,弗吉尼亞理工大學(Virginia Tech)同嶸教授團隊報道了一種合成高分子量、窄分子量分布、立體規(guī)整的功能化環(huán)狀聚(α-羥基酸)的新方法。該策略采用由鑭金屬配合物與錳化合物組成的催化劑體系,在低溫條件下對O-羧基環(huán)內(nèi)酸酐(OCA)單體進行可控開環(huán)聚合(ROP),實現(xiàn)了環(huán)狀聚酯的高效合成。此外,該催化體系還可通過逐步添加 OCA 單體,進一步構(gòu)建環(huán)狀雙嵌段共聚(α-羥基酸)。
機理研究及DFT理論模擬表明,該鑭金屬催化劑在雙噁唑啉配體的空間位阻調(diào)控下,能夠有效固定鏈增長過程中環(huán)狀聚合物的鏈末端,在保證OCA 單體連續(xù)加成反應順利進行的同時,有效抑制副反應的發(fā)生,從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)規(guī)整、分布狹窄的聚合產(chǎn)物。與此同時,體系中的高氧化還原活性錳化合物能夠促進開環(huán)聚合過程中的脫羧反應,加速鏈增長,并進一步提升聚合物分子量。值得一提的是,該聚合反應展現(xiàn)出活性聚合(living polymerization)特征,即聚合物分子量可與單體/催化劑投料比線性相關(guān),顯著增強了聚合體系的可控性,這一特性進一步突顯了這種配體策略在環(huán)狀聚合物合成中的有效性。
最終所得的環(huán)狀聚(α-羥基酸)及其嵌段共聚物,與對應的線性聚合物相比,表現(xiàn)出一系列獨特的物理化學性質(zhì),包括更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)與熔點(Tm)、更低的溶液黏度(η)以及更優(yōu)異的機械韌性。這些獨特性能賦予其在高性能可降解聚酯材料領(lǐng)域廣闊的應用潛力,尤其適用于生物醫(yī)學工程中對高機械強度與良好加工性能有嚴格要求的應用場景,如可降解植入物、縫合材料及藥物遞送載體等。
文章鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202423973
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