合成高分子如各類塑料制品在過去半個(gè)世紀(jì)為社會(huì)發(fā)展與生活便捷做出了巨大貢獻(xiàn)。然而近年來，隨著石油資源的日益枯竭以及傳統(tǒng)高分子不可降解所帶來的全球性環(huán)境污染問題，發(fā)展基于可再生資源、可降解、可回收的高分子成為全社會(huì)迫在眉睫的需求。高分子科學(xué)家們在過去20年中發(fā)展了一大批可解聚高分子，特別是近5年來可回收塑料領(lǐng)域出現(xiàn)了飛躍性的進(jìn)展。然而現(xiàn)有的可降解高分子種類較少、且往往存在聚合/降解條件劇烈、副反應(yīng)多、產(chǎn)率低等問題，難以高效回收單體或其他高附件值產(chǎn)品。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院呂華研究員課題組長期致力于發(fā)展新的高分子化學(xué)方法，發(fā)展各類基于氨基酸的環(huán)境友好高分子用于高端生物材料與蛋白質(zhì)藥物修飾。近期，他們從膠原蛋白中廣泛存在的天然氨基酸4-羥基L-脯氨酸(4-HYP)出發(fā)，制備了一系列橋環(huán)內(nèi)硫酯(NR-PTL)單體，用廉價(jià)催化劑與溫和條件實(shí)現(xiàn)了其可控聚合，制備了分散度小（通常低于1.15），分子量可控（最高達(dá)259 kg/mol）的聚硫酯高分子（PNRPTE）。文章通過理論計(jì)算闡述了可控聚合與解聚的原理。得益于其剛性環(huán)狀結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計(jì)與硫酯鍵本身的動(dòng)態(tài)弱鍵屬性，該系列聚硫酯在常規(guī)環(huán)境中極為穩(wěn)定而在弱堿稀溶液中可以完全化學(xué)解聚，100%產(chǎn)率回收得到純凈的內(nèi)硫酯單體。此類聚硫酯還極易側(cè)鏈衍生化，為進(jìn)一步通過側(cè)鏈分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)聚合物性能提供了可能性。預(yù)期在對聚合物側(cè)鏈結(jié)構(gòu)充分優(yōu)化后，有望將該系列聚硫酯用于各類需要實(shí)現(xiàn)降解或解聚的高端塑料制品。若能進(jìn)一步降低原料成本，則有可能將其用于更廣泛的用途。總體而言，該工作從單體分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了聚硫酯的可控聚合與完全回收，豐富了人們對內(nèi)硫酯開環(huán)聚合的認(rèn)知，為高效制備可降解易回收的高分子材料提供了新范例。
圖1 橋環(huán)內(nèi)硫酯NR-PTL的可控聚合與解聚。
該研究成果被作為2019年3月27日第12期的《美國化學(xué)會(huì)志》的首頁封面論文發(fā)表（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4928-4935）。文章被編輯選為ACS Editors’ Choice，并被作為Spotlights on Recent JACS Publications加以亮點(diǎn)報(bào)道。呂華研究員課題組2014級博士生袁勁松為該論文第一作者，呂華研究員為論文通訊作者。北京大學(xué)李子臣教授參與了課題。該工作得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金(21722401)的支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/pdf/10.1021/jacs.9b00031
