聚乙二醇（PEG）由于其良好的水溶性、無毒性以及與堿金屬易配位性等特點，被廣泛運用于界面修飾、生物官能團化、藥物傳載、水凝膠合成以及固態電解質等領域。聚乙二醇的官能團轉化在其中扮演著舉足輕重的角色。然而，受限于其特殊的分子結構，聚乙二醇官能團轉化往往只能發生于末端羥基，而主鏈中廣泛存在的C–H鍵由于較高的鍵能以及較低的極性，其官能團化極具挑戰也鮮有報道。其中，關鍵的科學問題和反應轉化難點就是如何發展高活性催化體系實現相對惰性的C–H鍵高效轉化并且抑制活性更高的C?O鍵斷裂。近日，西安交通大學曾榮課題組和南京大學王敏燕教授結合光促鐵催化策略，報道了首例可控聚醚C–H鍵烷基化反應，高效的實現了聚醚類化合物的主鏈C–H鍵官能團化。該研究成果以“Controllable C–H Alkylation of Polyethers via Iron Photocatalysis”為題，發表于Journal of the American Chemical Society（JACS, doi: 10.1021/jacs.3c01100）。
前沿科研成果：光促鐵催化實現可控聚醚C–H鍵烷基化反應
聚乙二醇（PEG）由于其良好的水溶性、無毒性以及與堿金屬配位性等特點，被廣泛運用于界面修飾、生物官能團化、藥物載體、水凝膠以及固態電解質等領域。聚乙二醇的官能團轉化在其中扮演著舉足輕重的角色。然而，聚乙二醇官能團化目前只能局限于其末端羥基，其主鏈C–H鍵官能團化鮮有報道。聚乙二醇主鏈C–H鍵官能團化的挑戰主要在于，一方面反應需要一種高反應活性、低毒性的催化體系來實現相對惰性的C–H鍵官能團化；而另一方面，反應又必須抑制活性較高的C-O鍵斷裂所導致的聚合物降解。
圖1. PEG官能團化挑戰（來源: J. Am. Chem. Soc.）
近年來，光催化已經成為一種強大而獨特的工具，西安交通大學曾榮教授課題組圍繞光誘導鐵催化展開了一系列研究工作。目前已經在該研究方向取得了諸多進展并在國內外知名學術期刊發表多篇研究論文（Org. Lett. 2021, 23, 2915?2920;Chin. J. Chem. 2021, 39, 3225?3230;Org. Lett. 2021, 23, 8968?8972; Org. Lett.2022, 24, 977?982; Org. Lett. 2022, 24, 4766?4771; Org. Chem. Front. 2022, 9, 4955?4961; ACS Catal. 2023, 13, 1678?1685）。近日，該課題組又在該研究領域取得了重要突破，報道了首例可控聚醚C–H鍵烷基化反應，高效的實現了聚醚類化合物的主鏈C–H鍵官能團化。
圖2. PEG烷基化（來源: J. Am. Chem. Soc.）
首先，PEG 6000與2a在優化條件下反應可以得到官能團化產物PEG-2a，作者使用1H NMR,13C NMR，碳氫異核相關（HMBC）以及擴散序譜（DOSY）對PEG-2a進行了詳細的表征，證明了小分子2a與聚合物是共價連接而不是簡單的摻雜。接著，作者對PEG 6000的官能團化率和小分子2a摩爾量的關系進行了研究，發現當加入2a當量小于20 mol%時，官能團化率與2a的摩爾量呈線性關系，說明2a對聚合物的官能團化率在一定條件下是可控的。
圖3.官能團化率（LOF）與2a摩爾量的關系（來源: J. Am. Chem. Soc.）
聚醚類化合物的分子量分布（MWD）是影響其材料物理性質很重要的因素。作者對反應的時間、濃度以及小分子烯烴的當量進行了詳細地篩選后，發現濃度為0.5 M、烯烴量為20 mol%時能夠很好地抑制降解，并且實現聚乙二醇C–H 鍵官能團化的同時保持分子量分布不發生顯著改變。最后，作者使用基質輔助激光解析電離飛行時間質譜（MALDI-TOF）進一步對聚乙二醇改性前后的分子量及其分布進行驗證。
圖4.分子量分布和MALDI-TOF（來源: J. Am. Chem. Soc.）
確定了反應的最優條件后，作者對反應的底物普適性進行了研究。反應烯烴底物主要為雙拉電子基團取代烯烴和馬來酰亞胺及其衍生物兩類。含有環氧、炔基以及馬來酸酐的底物都能夠很好地修飾聚乙二醇。此外，不同分子量、末端取代基以及分子結構的聚乙二醇都能夠很好地被缺電子烯烴修飾并且不發生顯著的降解。其他聚醚類化合物，例如聚四氫呋喃、聚丙二醇以及乙二醇丙二醇嵌段聚合物等，也都能夠兼容。
圖5. 聚醚的普適性研究（來源: J. Am. Chem. Soc.）
最后，作者通過泛函密度分析（DFT）解釋了反應的詳細機理以及其中選擇性C–H鍵官能團化而不發生C–O鍵斷裂的原因。由計算結果可以看出，自由基中間體INT2A對2a加成的能量明顯低于其自身β-O消除的能量。
圖6. DFT計算
總結：
西安交通大學曾榮課題組和南京大學王敏燕教授發展光促鐵催化首次報道了聚醚類化合物的可控C–H鍵烷基化反應，該反應通過反應時間、濃度以及烯烴當量的調控抑制醚鏈C-O鍵斷裂導致地降解問題，進而擁著良好的C–H官能團化選擇性。該方法具有良好的底物普適性，為后期聚合物材料制備提供了實驗基礎。同時，本文基于該方法合成了新型的水凝膠和固態電解質提高鋰離子電導率，顯示出巨大的運用潛力。最后DFT計算解釋了該反應C–H官能團化選擇性的原因。該研究成果以“Controllable C–H Alkylation of Polyethers via Iron Photocatalysis”為題，發表于Journal of the American Chemical Society（JACS, doi:10.1021/jacs.3c01100）。西安交通大學化學學院2020級博士研究生張宗楠為該論文的第一作者，西安交通大學曾榮教授和南京大學王敏燕教授為本工作的通訊作者，西安交通大學為第一通訊單位。上述研究工作得到了國家自然科學基金（21901197）、廣東省催化重點實驗室（2020B121201002）、小米青年學者基金、西安交通大學啟動資金和國家重點研發計劃（2022YFA1503200）的資助。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c01100
