波士顿学院牛嘉课题组JACS：活性阳离子聚合精准合成纤维素

聚多糖是生命体系中的多面手，作为支持材料、信号分子以及能量储备都具有重要功能。化学合成聚多糖一直是合成化学家们孜孜不倦追求的目标之一。传统的聚多糖合成策略侧重于逐步合成。该法虽然能够合成分子量精准的聚多糖化合物，但综合产率和产量都比较受限。美国波士顿学院的牛嘉教授（点击查看介绍）团队最近在糖化学和糖的高分子化学取得的一系列进展（Nat. Chem. 2023, 15, 1276-1284; J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 5056-5062; Chem. Sci. 2023, 14, 3514-3522）揭示了化学聚合反应合成精准聚多糖的新策略。

纤维素是一类性能优异的生物高分子，在材料科学和生物科技领域具有广泛的应用。提取的纤维素通常含有杂质且不易表征，因此难以应用于前沿科学中。纤维素的合成始于1940年代，目前发展的化学合成和酶催化方法在合成纤维素方面取得了一定的进展，但仍然存在诸多问题，例如反应效率较低、规模合成困难和实验操作繁琐等。聚合反应具有效率高、操作简便和易于大规模合成等特点，近年来也开始被应用于制备聚糖或聚糖类似物。然而，如何发展活性聚合反应体系，实现对纤维素分子量和立体化学的精准控制则是一个巨大的挑战。牛嘉课题组基于活性阳离子聚合策略，发展了高效的三氟甲磺酸–磷酸二丁酯催化体系，实现了葡萄糖衍生的原酸酯单体的活性开环聚合反应，完成了纤维素及其类似物的高立体选择性精准合成。

作者首先考察了一系列糖基供体引发剂和酸催化剂组合，成功观测到了目标聚合物的生成，然而聚合反应存在效率较低或分子量控制不佳等问题。当使用廉价易得的磷酸二丁酯为引发剂、三氟甲磺酸为催化剂时，反应以98%的转化率获得了目标聚糖。同时，实验分子量和理论分子量高度吻合 (M_n,MALS = 3.0 kDa vs M_n,theo = 2.9 kDa)，并且分散度较低 (Đ_MALS = 1.24)。

接着，作者通过基质辅助激光解吸–飞行时间质谱 (MALDI-TOF-MS) 确定了聚合物的端基结构。其中，a-端基为氢原子，w-端基为磷酸二丁酯基团。另外，聚合物的骨架结构通过¹H NMR得到了确认，在³¹P NMR中也观测到了w-磷酸酯端基的信号。更重要的是，¹³C NMR 中100.12 ppm处的单峰进一步表明该反应生成了高度立体规整的聚糖，即以1,4-b-糖苷键连接的纤维素结构。

随后，通过改变单体与引发剂的比例，实现了对聚合物分子量的精确调控 (M_n,MALS = 3.0-10.9 kDa)。动力学研究表明分子量和转化率呈线性关系，并且反应具有一级动力学特征。利用原位扩链策略，作者也合成了一种此前难以制备的二嵌段纤维素共聚物。这些实验均表明该反应为活性阳离子聚合反应。

对于苄基保护的单体，作者进行了克级规模的聚合反应，得到了分子量控制良好的目标聚糖 (M_n,MALS = 10.8 kDa, Đ_MALS = 1.34)。再通过保护基的脱除，合成了结构明确的纤维素。合成纤维素与天然纤维素具有相同的X射线衍射图谱 (XRD)，进一步验证了聚糖高度规整的立体结构。同时，利用L-葡萄糖衍生的单体，也合成了一种罕见的“镜像”L-纤维素。有趣的是，与天然纤维素不同，L-纤维素在纤维素酶处理下几乎不发生⽔解，表现出独特的生理稳定性，这为其在生物医用材料领域的应用提供了可能性。

总之，作者利用活性阳离子开环聚合策略，实现了纤维素及其类似物的精确合成。聚合反应具有分子量可控、端基结构确定、立体选择性高的特征。此外，也成功制备了天然纤维素和罕见的L-纤维素，展示了其在生物材料领域广阔的应用前景。

该项研究工作发表在Journal of the American Chemical Society 上。文章的第一作者是波士顿学院的博士后吴联谦博士和研究生Arjun Chowdhury。波士顿学院的博士研究生周泽锋、陈奎儒和王文琦对该工作亦有贡献。牛嘉教授团队欢迎有志于将有机化学、糖化学和化学生物学等领域的技术应用于新颖大分子化学和工程的同学申请博士研究生和博士后职位。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Precision Cellulose from Living Cationic Polymerization of Glucose 1,2,4-Orthopivalates

Lianqian Wu, Arjun Chowdhury, Zefeng Zhou, Kuiru Chen, Wenqi Wang, and Jia Niu*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c01355

导师介绍

牛嘉

https://www.x-mol.com/university/faculty/50063