陈学思院士/庞烜研究员《Angew》：抗菌聚乳酸问世！

脂肪族聚酯，特别是聚丙交酯（PLA），是一类极具潜力的生物可降解及生物兼容性材料。然而，PLA所固有的高疏水性及脆性极大的限制了它的应用。另外，由于PLA是通过丙交酯（LA）的开环聚合合成的，因此，在PLA的主链中引入功能性的侧链非常具有挑战性。为此，利用1, 3-二氧杂-2, 4-二戊酮（OCAs）类衍生物合成PLA可以方便的在主链上引入功能性的侧链，因而具有非常大的应用前景。然而，这种方法合成PLA衍生物会伴随二氧化碳作为副产物。如果能将LA聚合方法和OCAs聚合方法结合，则可能合成部分侧链化的功能性嵌段共聚物。采用可开关聚合的方法则能够精确的控制结合两种方法合成的功能性的共聚物的嵌段次序和微结构。尽管目前人们已经发展了例如氧化还原，光，化学和机械刺激等的开关聚合反应的方法，但是这些方法所加入的额外刺激都会不同程度的使反应复杂化并降低聚合效率。

自开关的聚合是一种最有潜力的控制聚合反应的方法。某些单体的逐渐消耗会改变聚合物链端基的化学性质，并导致自动切换聚合机理。已有报道指出，Salen-MnIII-OR物种可以可逆的吸附和释放二氧化碳，产生金属羧酸盐（Salen-MnIII-OCOOR）。考虑到在OCAs合成PLA的过程中不可避免的会产生二氧化碳，因此如果将二氧化碳作为开关，则可能可以构筑OCAs和LA次序可控的功能性聚合物。

为此，中科院长春应化所陈学思院士和庞烜研究员团队报道了一种可开关的聚合系统。通过次序性加入OCAs调控催化剂在Salen-MnIII-OR和Salen-MnIII-OCOOR之间转变，并实现次序可控的LA和OCAs嵌段共聚物。利用炔基功能侧链，可以引入季铵盐片段，从而实现具有抗菌活性的聚乳酸合成。该工作以题为“Monomer controlled switchable copolymerization: A feasible route for the functionalization of poly(lactide)”发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。

图1. 开关聚合机理

【LA和OCAs均聚研究】

选择苄基作为取代基的OCAs衍生物（Phe-OCAs）作为模型，研究其聚合行为。在氧化环己烯中Phe-OCAs/引发剂 = 100/1的比例条件下，在1小时内Phe-OCAs的转化率可达90%以上。据此及此前研究数据，作者提出了Phe-OCAs的聚合机理：在氧化环己烯及微量水存在条件下，Salen-MnIII-Cl被转变为Salen-MnIII-OR中间体，该中间体随后与OCAs反应，产生Salen-MnIII-OCOOR，随后与OCAs反应促进链增长。值得注意的是在该条件下，OCA单体首先聚合，而即使OCA单体被消耗完，LA也不会发生反应。这是由于OCAs聚合产生的二氧化碳会占据Salen配体的锰中心，阻碍LA的聚合。而如果首先使LA发生聚合，待LA单体消耗完毕后加入OCAs单体，则可以合成二者的嵌段聚合物。

【单体控制的可开关共聚过程】

在LA转换率达到53%后加入OCAs单体，LA的转换几乎停止了，反应四小时，LA的转换率仅从53%转变为55%。然而GPC曲线表明，在该阶段，聚合物分子量依然是增加的。使用真空条件除去二氧化碳后，LA的转换率在4小时内增加到77%，聚合物分子量进一步增加。这表明LA-OCAs嵌段共聚物的形成。通过加入OCAs，除去二氧化碳的操作循环，可以控制合成三嵌段共聚物。

图2. 单体控制的聚合过程

【抗菌嵌段共聚物】

为了演示该策略的应用潜力，侧链带有炔基修饰的LA-OCAs嵌段共聚物也被合成，其中侧链炔基所占比例分别为6%，14%，40%和71%。通过CuAAC反应通过炔基在聚合物中引入季铵盐侧链。通过与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌共培养，发现随着聚合物上季铵盐浓度的升高，其抗菌活性越强。

图3. 季铵盐侧链聚合物的抗菌活性

总结：本工作通过Salen配体作为催化剂，OCAs和二氧化碳作为开关调节试剂，开发了一种可开关的聚合体系，在加入OCAs后，可以抑制LA单体的聚合，除去二氧化碳后，LA聚合又可以重新开始。通过这一调控过程，可以精确控制聚合物的嵌段次序和微结构。最后，通过嵌段共聚物侧链上的炔基可以引入不同含量的季铵盐，使利用该方法构筑的次序可控的嵌段共聚物具有很好的抗菌活性。这一策略为合成生物兼容的聚酯类聚合物开辟了新的可能性。

来源：高分子科学前沿

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