beat365呂華課題組近期以一系列羧酸為催化劑實現了迄今為止最高分子量、窄分散聚肌氨酸（pSar）的高效與精準合成，并通過實驗與理論計算相結合的方法提出了羧酸催化上述聚合的可能機理（圖1）。

　　圖1. 本文主要研究内容

　　聚肌氨酸是一種以生物源氨基酸肌氨酸為重複單元的非離子聚類肽，在水溶性、低生物毒性和生物抗污性能等方面具有比拟聚乙二醇（PEG）的出色性質，因而被認為是潛在的PEG替代材料。pSar的合成通常由肌氨酸N-羧基内酸酐（Sar-NCA）或N-硫代羧基内酸酐（Sar-NTA）的開環聚合實現。然而，現有聚合方法得到的pSar的分子量往往較低（DP ≤ 500，MW ≤ 35 kDa），無法與分子量覆蓋範圍廣、品類齊全的PEG産品相媲美。

　　beat365官方网站呂華課題組緻力于NCA的開環聚合和基于氨基酸的生物醫用高分子材料的基礎與應用研究。在前期工作中，他們發現水可以作為質子梭極大加速脯氨酸NCA的開環聚合（Hu et al. Natl. Sci. Rev. 2022, 9, nwac033）。在此工作的基礎上，他們提出了羧酸可以通過類似的質子梭效應實現Sar-NCA的快速與可控聚合，從而制備超高分子量pSar的假設。文獻調研表明Zhang、Ling、Lu等人曾陸續在NTA/NCA的開環聚合中曾觀察到羧酸的加速效應（Siefker et al. ACS Macro Lett. 2018, 7, 1272-1277; Zheng et al. Biomacromolecules 2021, 22, 1579-1589; Wang et al. ACS Macro Lett. 2023, 12, 555-562），但未對其機理做深入探讨。近期Zhang和Xuan等人也報道了類似的羧酸加速N-取代NCA（NNCA）的開環聚合的現象（Yu et al. Macromolecules 2023, 56, 8899-8911）。

　　在該項工作中，作者緻力于在前人基礎上系統地研究羧酸催化的機理并将其用于制備超高分子量pSar。通過系統的催化劑、溶劑、反應條件篩選，文章首次建立了羧酸pKa、溶劑Kamlet−Abboud−Taft堿性參數β等物理量與表觀速率常數k_obs之間的定量關系（圖2，A和B）。以苯甲酸為催化劑，在2.5 h内便可實現單體-引發劑比為2000:1的聚合體系的完全轉化，所得pSar分子量符合投料比且分散較窄（Đ< 1.05）；即便投料比繼續增加到5000:1，聚合仍表現出良好的可控性（圖2，C和D）。聚合動力學實驗表明，苯甲酸催化劑可将表觀速率常數kobs相比無催化組提高約15倍，而将催化劑更換為酸性更弱的特戊酸速率提高可達50倍，且通過多次單體投料可以成功制備分子量高達586 kDa（DP = 8200）的pSar，是此前報道pSar最高分子量的17倍。此外，特戊酸也成功催化了N-正丁基-甘氨酸NCA的快速聚合及（多）嵌段聚類肽的可控合成，展示出該方法對NNCA聚合的普适性。通過與清華大學化學系劉凱教授團隊合作，他們發現高分子量pSar相較低分子量pSar展現了顯著增強的材料力學與熱學性能。

　　圖2. 羧酸催化的Sar-NCA快速可控聚合。（A）k_obs與羧酸催化劑pKa的關系（投料比[M]₀/[1]₀/[Acid]₀ = 200/1/5）；（B）苯甲酸為催化劑時k_obs與溶劑堿性參數β的關系（投料比同A）；（C）苯甲酸催化的不同[M]₀/[1]₀比聚合産物的SEC色譜圖；（D）M_n和Đ與[M]₀/[1]₀的關系。

　　基于一系列動力學、二維核磁實驗和DFT理論計算，作者提出了如下的羧酸催化Sar-NCA聚合的可能機理（圖3）。聚合鍊增長分為NCA開環和脫羧兩個過程。開環步遵循經典的親核加成-消除機理，以四面體中間體的消除為整個鍊增長的決速步。聚合中存在酸-胺平衡以及胺-二氧化碳平衡兩個快平衡，它們影響着活性物種二級胺的實際濃度，進而影響反應速率，且以酸-胺平衡為主。在決速步過渡态中，羧酸扮演了雙官能催化劑的角色，通過氫鍵同時結合了即将消除的羟基氫和離去的羧基氧，有效避免了電荷分離和高張力反應構象，降低了活化自由能，從而加速了整個聚合過程。

　　圖3. 可能的聚合機理

　　總結而言，該項工作實現了超高分子量與窄分散度pSar的可控與快速合成，并深入探讨了羧酸催化的機理，為pSar的廣闊應用奠定了方法與材料基礎，加深了人們對于NCA開環聚合機理的理解，提醒後續的催化體系設計中應更細緻地關注過去常常被忽視的質子轉移過程。論文第一作者為課題組2020級博士研究生王碩，通訊作者為beat365官方网站呂華教授，清華大學化學系劉凱教授團隊為論文合作者。該工作受到了來自國家自然科學基金（22125101和22331002）、北京市自然科學基金（2220023）、李革-趙甯生命科學青年研究基金等項目經費的支持。

　　Doi: 10.1021/jacs.3c14740

　　Link: https://doi.org/10.1021/jacs.3c14740

　　排版：高楊

　　審核：牛林，彭海琳