《JACS》：“开环易位聚合”像炒菜，加点盐可控性更好！

背景介绍

开环易位聚合（ROMP）是一种合成结构可控聚合物的有效手段。随着研究的深入，人们对催化剂的要求越来越高，不仅要求活性高，而且可以在各种条件下都能进行聚合反应。研究发现N-杂环卡宾（NHC）配体的Ru基催化剂具有很高的活性，而且可以在乙醇或水性溶液中进行聚合，这使得ROMP可以用于生物化学领域，如对蛋白质进行接枝聚合、在细胞内进行分子转化以及开环易位聚合诱导的自组装（ROMPISA）等。

虽然Grubbs、Grela和Emrick等人已经开发出了许多水溶性Ru基催化剂，但是在水溶液中进行聚合时，聚合转化率低、可控性差，表现出非活性特征。

成果介绍

为了查明水溶液中ROMP聚合可控性差的原因，伯明翰大学Jeffrey C. Foster、Rachel K. O’Reilly以及杜兰大学Scott M. Grayson教授课题组以不同结构的水溶性Ru络合物为催化剂，在水溶液中进行了降冰片烯衍生物MPEG的开环易位聚合研究，发现在水溶液中由于Ru络合物形成了低活性Ru-(OH)n导致聚合转化率不高，当加入氯化物（如NaCl、KCl或TBAC）后，抑制了Ru-(OH)n的形成，提高了催化剂的稳定性，聚合可控性显著提高：随着TBAC浓度从0.02增加到0.08，聚合物的分散度从2.2下降到1.3；在9：1 v/v H2O/THF溶液中加入100 mM NaCl后，顺利合成了P(MPEG)10-b-P(MMEG)n（n=120和180）嵌段共聚物，当聚合物分子量在5.6-37 kDa范围内时，聚合分散度只有1.2。

ROMP聚合催化剂和反应条件

图1. （A）ROMP聚合Ru基催化剂的化学结构；（B）ROMP的聚合条件；（C）在甲醇-d4溶液中通过1 H NMR测定单体转化率；（D）在不同pH值或在THF中通过ROMP制备聚合物的归一化转化率SEC RI曲线。

为了研究溶液pH值与ROMP聚合活性的关系，研究者用HCl调节混合溶液（9：1 v/v H2O/THF，100 mM磷酸盐）的pH为2-7，然后加入1 mol％的G3、AM和G2催化剂进行了水溶性的exo-降冰片烯衍生物MPEG的聚合反应，通过1H NMR确定单体转化率，通过尺寸排阻色谱（SEC）计算聚合物数均分子量（Mn）和分散度（M）。发现提高聚合溶液pH值会导致单体转化率下降，无论pH如何，G2为催化剂时的单体转化率都较低。

盐对ROMP聚合影响显著

图2. 以G3为催化剂，考察了不同的（A）酸或（B）盐添加剂对MPEG转化率的影响。

研究者还研究了用H2SO4或H3PO4调节溶液pH值时MPEG的ROMP聚合行为。发现与HCl相比，使用H2SO4或H3PO4时无法实现定量的单体转化，说明盐酸中的Cl-阴离子对催化剂的影响非常显著。

既然阴离子对催化剂活性影响非常大，而且在酸性pH值下进行聚合反应与生物化学的环境体系差别巨大，因此研究者就想利用氯化物来提供Cl-阴离子，在中性环境中进行聚合。发现在中性条件下，在9：1 v/v H2O/THF中，将100 mM的有机（TBAC）或无机的（NaCl或KCl）氯化物添加到MPEG的聚合反应中，都能实现定量的单体转化。

盐对Ru催化剂活性的影响

图3. H+和Cl-对Ru催化剂络合平衡的影响。

研究者认为在水性介质中，Ru催化剂会与水或氢氧根离子发生置换反应，从而形成了无活性而且不稳定的Ru-(OH)n络合物，导致单体转化率下降，而Cl-离子的加入抑制了Ru-(OH)n的形成。同时，当溶液中存在H+离子时，H+通过使G3催化剂上的吡啶配体质子化来促进催化剂的快速引发和转化。

有机氯化物TBAC对ROMP聚合动力学的影响

图4. （A）在不同TBAC浓度下，中性9：1 v/v H2O/THF溶液中以1 mol％的G3为催化剂时，MPEG的ROMP聚合动力学，聚合度为100；（B）MPEG转化率随TBAC浓度的变化关系；（C）表观动力学常数kobs随TBAC浓度的变化关系；（D）归一化的SEC RI曲线。

研究者将有机氯化物TBAC加入到H2O/THF溶液中，以1 mol％的G3为催化剂，研究了氯化物对MPEG聚合的影响。发现TBAC对聚合增长速率和转化率都有显著影响，浓度越高，聚合速率越快，转化率越高。聚合表现出准一级反应特征，这是由于加入氯化物后，快速形成了高活性Ru-Cl2络合物造成的，聚合物的分散度随着TBAC浓度从0.02增加到0.08后，从2.2下降到1.3。

有机氯化物TBAC对催化剂稳定性的影响

图5. （A）不加入或（B）加入30 mM TBAC的情况下，在中性水溶液中催化剂的分解导致卡宾的损失以及金属-配体电荷转移（MLCT）谱带的吸收峰降低；（C）MLCT谱带吸收峰强度随时间的变化关系。

研究者还研究了加入和不加入TBAC时，G3和AM在水中的稳定性，通过每90 s测量一次金属-配体电荷转移（MLCT）谱带吸收峰强度的变化来跟踪催化剂的分解情况。在λmax为343 nm处的吸光峰对应于Ru-亚苄基相关的金属配体电荷转移谱带，在不加入TBAC的情况下，随着时间的延长，谱带吸收强度逐渐下降，说明催化剂发生了分解；而加入30 mM的TBAC后，AM在实验时间内未发生明显分解。

图6. （A）在不同条件下合成的P(MTEG)10均聚物的ω-端基；（B）归一化P(MTEG)10的SEC MW分布曲线； （C）在不同条件下制备的P(MTEG)10均聚物的MALDI-ToF质谱图。

一般来说，通过ROMP制备并用乙烯基醚（如EVE）封端的聚合物，链末端会存在烯烃端基，从而形成稳定的Fisher卡宾，随后形成亚甲基末端聚合物链，如果ROMP过程中催化剂发生了分解，端基就不完全是亚甲基，因此可以通过分析端基的变化来研究催化剂是否发生了分解。

研究者合成了聚合度为10的P(MTEG)10均聚物，采用基质辅助激光解吸/电离飞行时间（MALDI-ToF）质谱和1H NMR光谱进行聚合物表征。发现在CH2Cl2溶液中制备的P(MTEG)10用EVE淬灭后，聚合物链末端含有预期的α-苯基和ω-烯烃端基；相反，在没有TBAC的水溶液中合成的P(MTEG)10完全不存在末端烯烃端基，端基主要是醛和醇类，这说明催化剂在与EVE反应之前就已经分解了，研究者认为在ROMP水溶液中加入80 mM TBAC就足以防止催化剂在聚合时间内分解。

加入NaCl后用ROMP轻松合成2嵌段共聚物

图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二嵌段共聚物纳米颗粒；（B）P(MPEG)10大分子引发剂和P(MPEG)10-b-P(MMEG)n嵌段共聚物的归一化SEC MW分布曲线；（C）在中性pH下制备的二嵌段共聚物纳米颗粒的DLS曲线。

研究者尝试采用ROMP制备二嵌段共聚物。发现不加入HCl的情况下实验均以失败告终，这显然是由于形成了Ru-(OH)n和催化剂分解造成的。随后，研究者加入了100 mM NaCl，首先在THF中制备了第一嵌段P(MPEG)10，然后将此作为大分子引发剂引发降冰片烯甲氧基亚乙基酰亚胺（MMEG）的聚合，顺利合成了P(MPEG)10-b-P(MMEG)n（n=120和180），聚合表现出活性特征，当聚合物分子量在5.6-37 kDa范围内时，聚合分散度只有1.2，均实现了定量的单体转化。随着第二嵌段分子量的增加，嵌段共聚物DLS半径也随之增大，在60-100 nm之间。

小结

为了解决ROMP难以在中性水溶液中聚合的难题，伯明翰大学Jeffrey C. Foster、Rachel K. O’Reilly以及杜兰大学Scott M. Grayson教授课题组以G3、AM、G2为催化剂在9：1 v/v H2O/THF溶液进行了MPEG的开环易位聚合。发现之所以在水溶液中ROMP可控性差，是由于生产了低活性Ru-(OH)n络合物以及催化剂分解造成的，当加入有机或者无机氯化物后，聚合可控性显著提高，这是由于生成了高活性Ru-Cl2络合物，并且催化剂稳定性大大提高造成的。在中性条件下、9：1 v/v H2O/THF中，加入100 mM的有机（TBAC）或无机的（NaCl或KCl）氯化物后，都能实现MPEG的定量转化，当TBAC浓度从0.02增加到0.08后，聚合物的分散度从2.2下降到1.3。只需要加入30 mM的TBAC，AM在实验时间内就能保持稳定。加入了100 mM NaCl后，研究者顺利合成了P(MPEG)10-b-P(MMEG)n（n=120和180），聚合表现出活性特征：当聚合物分子量在5.6-37 kDa范围内时，聚合分散度只有1.2。

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