大连理工大学郑楠/宋汪泽课题组CCS Chem.：不对称多组分聚合制备手性三唑类聚合物

手性高分子如多糖、DNA、蛋白质等在自然界中普遍存在，并在生命过程中发挥着独特作用。研究手性高分子，对于开发手性物质的新结构和新功能，实现分子识别、手性拆分、不对称催化，认识自然、保护环境、探索生命起源等都具有十分重要的意义。相对于研究较多的不对称合成小分子而言，通过不对称聚合制备手性高分子的研究进展缓慢，尤其是使用非手性单体制备手性高分子具有较大的难度和挑战。虽然许多有机反应在合成手性小分子时具有很高的转化率和对映选择性，但应用到手性高分子的合成中往往效果不理想。因此，急需建立并发展不对称聚合的新概念和新方法，提高聚合反应的效率和立体选择性。

近日，大连理工大学郑楠和宋汪泽课题组在该领域取得重要进展。基于课题组前期在合成小分子三唑领域的工作（Chin. Chem. Lett. 2021, 32, 4019; Green Chem. 2020, 22, 2394; Org. Lett. 2018, 20, 6705; Org. Lett. 2017, 19, 6200），发展出消旋体炔烃、胺和叠氮参与的四种类型的不对称多组分聚合，成功构建了多个手性聚三唑类高分子化合物库。通过降解具有特殊结构的手性聚三唑可定量表征此类不对称聚合的立体选择性。这些手性聚合物能够与一价铜离子配位并在水相中自组装形成一种具有催化活性的纳米粒，能很好地稳定一价铜离子的价态，使其在空气及溶液状态下依旧具有优异的氧化还原稳定性。该纳米铜催化剂具有良好的水氧兼容性，可以在痕量金属（10 ppm）下高效催化环加成反应，并且该催化剂能够在空气与水溶液中保存长达42天，催化活性保持稳定。此外，以手性聚三唑类大分子为配体催化不对称炔丙胺化反应时，产物的对映选择性要明显优于已报道的商业化Pybox类手性小分子配体，手性大分子催化剂还具有可循环回收、重复利用等优势。

该不对称聚合反应包含炔丙胺化反应与叠氮-炔基环加成反应的串联过程，如何调控二类反应的速率与底物兼容性是该聚合方法的难点。通过引入OBoc基团钝化炔烃，使环加成反应在室温下难以发生，使炔丙胺化反应优先发生。在炔丙胺化反应后炔烃的活性得以恢复，从而发生后续反应，并通过该策略发展了四种多组分聚合方式，具体如图1所示。

图1. 不对称多组分聚合反应示意图以及四种聚合方式

对于所得手性三唑类聚合物的结构表征，通过圆二色谱（CD）和核磁共振碳谱证明了聚合物中存在手性结构。为了定量表征聚合物的立体选择性，合成出一种具有缩酮结构的可降解手性三唑类聚合物。缩酮基团对酸敏感可以在酸性条件下降解得到相应的手性小分子，对降解后的手性小分子进行高效液相色谱（HPLC）分析，从而实现聚合物的手性表征（图2）。

图2. 聚合物手性的定性以及定量分析

三唑具有较强的金属配位的能力，通过该方法制备的手性三唑类聚合物中的甲胺基三唑结构单元能够有效与金属离子配位，有希望作为新型人工仿酶催化剂前体。基于此，设计出一种两亲性手性聚甲胺基三唑P17作为人工仿酶催化剂前体，通过P17与一价铜配位后在水相中自组装形成一种具有催化活性的金属-手性聚合物纳米粒（DLS: ~10 nm），用于痕量金属参与的水相催化。以叠氮-炔基环加成反应作为模板反应，铜催化剂用量低至10 ppm仍能保持较高的反应转化率。此外，该手性三唑类聚合物可以很好地稳定一价铜离子，在水相中储存三天后，XPS结果显示所负载的铜依然保持一价铜状态，未发生氧化或歧化等副反应。而常见的铜配体在水氧条件下通常不能很好地稳定一价铜离子的价态，从而导致催化剂失活。随后，对该金属-手性聚合物纳米粒在水溶液中的长期稳定性进行实验，在水氧兼容的条件下，该纳米粒可以储存42天以上，经过长期储存的纳米粒在水溶液中的催化活性几乎没有变化（图3），证实了该聚合物可以作为一种有效的人工高分子-金属仿酶催化剂前体，该课题组关于人工高分子作为金属仿酶催化剂前体的工作近期也在Sci. China Chem.上发表（DOI: 10.1007/s11426-022-1309-8）。

图3. 通过金属-手性聚合物纳米粒实现水相催化

通过手性高分子配体实现不对称催化反应是最具挑战性的手性物质应用之一。当以手性三唑聚合物S-P4和R-P4为手性高分子配体与一价铜催化不对称炔丙胺化反应时，能够以70-82%的ee值得到手性炔丙胺。与商业化的Pybox类配体相比，以手性三唑类聚合物为核心结构的高分子手性配体的对映选择性控制要明显优于商业化的小分子Pybox类配体（图4）。

图4. 通过手性高分子配体实现不对称催化反应

这一成果近期发表在CCS Chemistry 上，大连理工大学李明研究生为本文的第一作者，郑楠和宋汪泽教授为通讯作者。该研究得到了国家科学基金、中央引导地方科技发展专项资金、中央高校基本科研业务费的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Three-Component Asymmetric Polymerization toward Chiral Polymer

Ming Li, Xuelun Duan, Yu Jiang, Xinhao Sun, Xiang Xu, Junnan He, Yubin Zheng, Wangze Song and Nan Zheng

CCS Chem., 2022, DOI: 10.31635/ccschem.021.202101655

研究团队简介

宋汪泽，大连理工大学化工学院教授、博士生导师。入选“国家高层次留学人才回国资助”、“辽宁省百千万人才工程”计划，获得“首届大连市青年科技工作者创新争先大赛一等奖”。2008年获得南开大学学士学位，2011年获得浙江大学硕士学位，2016年获得美国威斯康星大学麦迪逊分校博士学位后回国开展工作。目前的研究兴趣主要围绕“功能性精细化学品的绿色合成”，在绿色有机合成新方法、新型多功能聚合物的开发及智能靶向药物的设计等领域开展科学研究，并取得一系列成果。目前共在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; CCS Chem.; Green Chem.; ACS Appl. Mater. Inter.; Org. Lett. 等期刊上发表SCI论文50余篇。担任中国化工学会精细化工专业委员会青年委员、辽宁省化工学会专业委员等。

郑楠，大连理工大学化工学院高分子材料系副教授。2011年获得大连理工大学学士学位，2015年获得美国伊利诺伊大学香槟分校博士学位，在德克萨斯农工大学完成博士后训练后回国开展工作。目前的研究方向围绕“生物医药与新材料”这一战略新兴产业，以“生物医用高分子材料的开发”为切入点和主攻方向，在多组分聚合新方法、新型药物载体的设计及智能靶向药物递送系统等领域开展科学研究，并取得一系列成果。目前以第一作者或通讯作者共在CCS Chem., Biomaterials, ACS Appl. Mater. Inter., J. Controlled Release, Acta Biomaterialia, Biomacromolecules, Green Chem., Polym. Chem., Biomater. Sci.等具有国际影响力的高水平学术期刊上发表SCI论文30余篇，主持国家级、省部级基金等多项，以第一发明人获授权专利4项，多项成果已转化。

通讯作者信息

郑楠

http://faculty.dlut.edu.cn/zhengnan/zh_CN/index.htm 

宋汪泽

https://www.x-mol.com/groups/songwangze