《JACS》：“開環易位聚合”像炒菜，加點鹽可控性更好！

背景介紹

開環易位聚合（ROMP）是一種合成結構可控聚合物的有效手段。隨著研究的深入，人們對催化劑的要求越來越高，不僅要求活性高，而且可以在各種條件下都能進行聚合反應。研究發現N-雜環卡賓（NHC）配體的Ru基催化劑具有很高的活性，而且可以在乙醇或水性溶液中進行聚合，這使得ROMP可以用于生物化學領域，如對蛋白質進行接枝聚合、在細胞內進行分子轉化以及開環易位聚合誘導的自組裝（ROMPISA）等。

雖然Grubbs、Grela和Emrick等人已經開發出了許多水溶性Ru基催化劑，但是在水溶液中進行聚合時，聚合轉化率低、可控性差，表現出非活性特征。

成果介紹

為了查明水溶液中ROMP聚合可控性差的原因，伯明翰大學Jeffrey C. Foster、Rachel K. O’Reilly以及杜蘭大學Scott M. Grayson教授課題組以不同結構的水溶性Ru絡合物為催化劑，在水溶液中進行了降冰片烯衍生物MPEG的開環易位聚合研究，發現在水溶液中由于Ru絡合物形成了低活性Ru-(OH)n導致聚合轉化率不高，當加入氯化物（如NaCl、KCl或TBAC）后，抑制了Ru-(OH)n的形成，提高了催化劑的穩定性，聚合可控性顯著提高：隨著TBAC濃度從0.02增加到0.08，聚合物的分散度從2.2下降到1.3；在9：1 v/v H2O/THF溶液中加入100 mM NaCl后，順利合成了P(MPEG)10-b-P(MMEG)n（n=120和180）嵌段共聚物，當聚合物分子量在5.6-37 kDa范圍內時，聚合分散度只有1.2。

ROMP聚合催化劑和反應條件

圖1. （A）ROMP聚合Ru基催化劑的化學結構；（B）ROMP的聚合條件；（C）在甲醇-d4溶液中通過1 H NMR測定單體轉化率；（D）在不同pH值或在THF中通過ROMP制備聚合物的歸一化轉化率SEC RI曲線。

為了研究溶液pH值與ROMP聚合活性的關系，研究者用HCl調節混合溶液（9：1 v/v H2O/THF，100 mM磷酸鹽）的pH為2-7，然后加入1 mol％的G3、AM和G2催化劑進行了水溶性的exo-降冰片烯衍生物MPEG的聚合反應，通過1H NMR確定單體轉化率，通過尺寸排阻色譜（SEC）計算聚合物數均分子量（Mn）和分散度（M）。發現提高聚合溶液pH值會導致單體轉化率下降，無論pH如何，G2為催化劑時的單體轉化率都較低。

鹽對ROMP聚合影響顯著

圖2. 以G3為催化劑，考察了不同的（A）酸或（B）鹽添加劑對MPEG轉化率的影響。

研究者還研究了用H2SO4或H3PO4調節溶液pH值時MPEG的ROMP聚合行為。發現與HCl相比，使用H2SO4或H3PO4時無法實現定量的單體轉化，說明鹽酸中的Cl-陰離子對催化劑的影響非常顯著。

既然陰離子對催化劑活性影響非常大，而且在酸性pH值下進行聚合反應與生物化學的環境體系差別巨大，因此研究者就想利用氯化物來提供Cl-陰離子，在中性環境中進行聚合。發現在中性條件下，在9：1 v/v H2O/THF中，將100 mM的有機（TBAC）或無機的（NaCl或KCl）氯化物添加到MPEG的聚合反應中，都能實現定量的單體轉化。

鹽對Ru催化劑活性的影響

圖3. H+和Cl-對Ru催化劑絡合平衡的影響。

研究者認為在水性介質中，Ru催化劑會與水或氫氧根離子發生置換反應，從而形成了無活性而且不穩定的Ru-(OH)n絡合物，導致單體轉化率下降，而Cl-離子的加入抑制了Ru-(OH)n的形成。同時，當溶液中存在H+離子時，H+通過使G3催化劑上的吡啶配體質子化來促進催化劑的快速引發和轉化。

有機氯化物TBAC對ROMP聚合動力學的影響

圖4. （A）在不同TBAC濃度下，中性9：1 v/v H2O/THF溶液中以1 mol％的G3為催化劑時，MPEG的ROMP聚合動力學，聚合度為100；（B）MPEG轉化率隨TBAC濃度的變化關系；（C）表觀動力學常數kobs隨TBAC濃度的變化關系；（D）歸一化的SEC RI曲線。

研究者將有機氯化物TBAC加入到H2O/THF溶液中，以1 mol％的G3為催化劑，研究了氯化物對MPEG聚合的影響。發現TBAC對聚合增長速率和轉化率都有顯著影響，濃度越高，聚合速率越快，轉化率越高。聚合表現出準一級反應特征，這是由于加入氯化物后，快速形成了高活性Ru-Cl2絡合物造成的，聚合物的分散度隨著TBAC濃度從0.02增加到0.08后，從2.2下降到1.3。

有機氯化物TBAC對催化劑穩定性的影響

圖5. （A）不加入或（B）加入30 mM TBAC的情況下，在中性水溶液中催化劑的分解導致卡賓的損失以及金屬-配體電荷轉移（MLCT）譜帶的吸收峰降低；（C）MLCT譜帶吸收峰強度隨時間的變化關系。

研究者還研究了加入和不加入TBAC時，G3和AM在水中的穩定性，通過每90 s測量一次金屬-配體電荷轉移（MLCT）譜帶吸收峰強度的變化來跟蹤催化劑的分解情況。在λmax為343 nm處的吸光峰對應于Ru-亞芐基相關的金屬配體電荷轉移譜帶，在不加入TBAC的情況下，隨著時間的延長，譜帶吸收強度逐漸下降，說明催化劑發生了分解；而加入30 mM的TBAC后，AM在實驗時間內未發生明顯分解。

圖6. （A）在不同條件下合成的P(MTEG)10均聚物的ω-端基；（B）歸一化P(MTEG)10的SEC MW分布曲線； （C）在不同條件下制備的P(MTEG)10均聚物的MALDI-ToF質譜圖。

一般來說，通過ROMP制備并用乙烯基醚（如EVE）封端的聚合物，鏈末端會存在烯烴端基，從而形成穩定的Fisher卡賓，隨后形成亞甲基末端聚合物鏈，如果ROMP過程中催化劑發生了分解，端基就不完全是亞甲基，因此可以通過分析端基的變化來研究催化劑是否發生了分解。

研究者合成了聚合度為10的P(MTEG)10均聚物，采用基質輔助激光解吸/電離飛行時間（MALDI-ToF）質譜和1H NMR光譜進行聚合物表征。發現在CH2Cl2溶液中制備的P(MTEG)10用EVE淬滅后，聚合物鏈末端含有預期的α-苯基和ω-烯烴端基；相反，在沒有TBAC的水溶液中合成的P(MTEG)10完全不存在末端烯烴端基，端基主要是醛和醇類，這說明催化劑在與EVE反應之前就已經分解了，研究者認為在ROMP水溶液中加入80 mM TBAC就足以防止催化劑在聚合時間內分解。

加入NaCl后用ROMP輕松合成2嵌段共聚物

圖7. （A）在9：1 v/v H2O/THF溶液中加入100 mM NaCl后，合成P(MPEG)10-b-P(MMEG)n二嵌段共聚物納米顆粒；（B）P(MPEG)10大分子引發劑和P(MPEG)10-b-P(MMEG)n嵌段共聚物的歸一化SEC MW分布曲線；（C）在中性pH下制備的二嵌段共聚物納米顆粒的DLS曲線。

研究者嘗試采用ROMP制備二嵌段共聚物。發現不加入HCl的情況下實驗均以失敗告終，這顯然是由于形成了Ru-(OH)n和催化劑分解造成的。隨后，研究者加入了100 mM NaCl，首先在THF中制備了第一嵌段P(MPEG)10，然后將此作為大分子引發劑引發降冰片烯甲氧基亞乙基酰亞胺（MMEG）的聚合，順利合成了P(MPEG)10-b-P(MMEG)n（n=120和180），聚合表現出活性特征，當聚合物分子量在5.6-37 kDa范圍內時，聚合分散度只有1.2，均實現了定量的單體轉化。隨著第二嵌段分子量的增加，嵌段共聚物DLS半徑也隨之增大，在60-100 nm之間。

小結

為了解決ROMP難以在中性水溶液中聚合的難題，伯明翰大學Jeffrey C. Foster、Rachel K. O’Reilly以及杜蘭大學Scott M. Grayson教授課題組以G3、AM、G2為催化劑在9：1 v/v H2O/THF溶液進行了MPEG的開環易位聚合。發現之所以在水溶液中ROMP可控性差，是由于生產了低活性Ru-(OH)n絡合物以及催化劑分解造成的，當加入有機或者無機氯化物后，聚合可控性顯著提高，這是由于生成了高活性Ru-Cl2絡合物，并且催化劑穩定性大大提高造成的。在中性條件下、9：1 v/v H2O/THF中，加入100 mM的有機（TBAC）或無機的（NaCl或KCl）氯化物后，都能實現MPEG的定量轉化，當TBAC濃度從0.02增加到0.08后，聚合物的分散度從2.2下降到1.3。只需要加入30 mM的TBAC，AM在實驗時間內就能保持穩定。加入了100 mM NaCl后，研究者順利合成了P(MPEG)10-b-P(MMEG)n（n=120和180），聚合表現出活性特征：當聚合物分子量在5.6-37 kDa范圍內時，聚合分散度只有1.2。

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.0c05499