由金鸡纳生物碱催化的外消旋O-羧酸酐的非对称动力学拆分聚合

《Chemical Communications》：Asymmetric kinetic resolution polymerization of racemic O-carboxyanhydride catalyzed by cinchona alkaloids

手性动力学分辨率聚合首次实现于O-羧酸酐催化体系，通过金鸡纳碱结构优化获得9.0动力学分辨率系数，制备出立体梯度聚合物。

　　在有机化学与高分子科学领域，手性单体的可控聚合一直是研究的热点之一。手性单体的聚合不仅能够赋予材料独特的物理和化学性质，还可能通过微观结构的调控实现更广泛的功能性应用。近年来，研究者们在环状单体的开环聚合（Ring-Opening Polymerization, ROP）中，探索了多种策略以实现对聚合物立体结构的精确控制。其中，不对称动力学分辨率聚合（Asymmetric Kinetic Resolution Polymerization, AKRP）作为一种新兴的聚合方法，具有显著的优势，特别是在对具有手性中心的单体进行选择性聚合方面展现出巨大潜力。本文首次报道了基于手性识别机制的AKRP在对映体O-羧酸酐（OCA）单体中的成功应用，这不仅拓展了AKRP的应用范围，也为设计新型手性催化剂提供了新的思路。

OCA作为一种重要的环状单体，其来源广泛且合成条件温和，能够直接由α-羟基酸或氨基酸衍生而来。这一特性使其在绿色化学和可持续材料合成方面具有重要价值。此外，OCA的侧链结构可以通过不同的取代基进行调节，从而赋予聚合物多样化的功能特性。因此，研究OCA的不对称聚合对于开发具有特定立体结构的聚合物材料具有重要意义。然而，当前大多数关于OCA的开环聚合研究主要集中在链端控制机制（Chain-End Control, CEC）上，通过控制链端的手性来实现对聚合物立体结构的调控。这种机制虽然有效，但其局限性在于难以实现对单体的立体选择性识别，从而限制了其在制备高度有序的立体结构聚合物中的应用。

相比之下，不对称动力学分辨率聚合（AKRP）通过催化剂对单体的手性识别能力，实现对不同对映体单体的优先聚合，从而在聚合过程中形成具有特定立体序列的聚合物。AKRP的核心在于催化剂的结构与单体手性之间的匹配程度，这种匹配能够显著影响聚合反应的动力学行为以及最终产物的立体结构。因此，设计具有高效手性识别能力的催化剂成为实现AKRP的关键。在本文中，研究团队采用了一种基于金鸡纳碱衍生物的催化体系，成功实现了对映体OCA的AKRP，并获得了较高的动力学分辨率系数（kinetic resolution coefficient, $k_{\text{rel}}$），达到了9.0，标志着这一方法在实际应用中的可行性。

为了实现这一目标，研究团队首先选择了具有苯乙基取代基的OCA作为模型单体，这种单体可以通过简单的化学合成路径从苯丙氨酸等天然氨基酸衍生而来，便于实验操作和结构调控。随后，研究团队基于已有的双配体策略，构建了一种受限的手性空间结构，以增强催化剂与单体之间的手性匹配。他们通过引入桥接结构的双金鸡纳碱衍生物，对催化剂结构进行了优化，以期提高其对特定对映体的识别能力。实验结果显示，经过结构优化后的催化剂能够显著提高对特定对映体单体的聚合速率，同时降低对另一种对映体的聚合效率，从而实现对映体的分离与选择性聚合。

具体而言，研究团队评估了多种催化剂结构，包括单侧金鸡纳碱衍生物（如Single-S）和双侧金鸡纳碱衍生物（如Dual-S-1、Dual-S-2和Dual-S-3）。其中，Single-S作为初始催化剂，能够有效识别并优先聚合S-构型的OCA单体，而对R-构型的OCA则表现出较低的聚合效率。然而，通过引入不同的桥接结构，研究团队进一步提升了催化剂的手性识别能力。例如，Dual-S-3采用了一种基于联苯嗪的桥接结构，相较于其他结构，其对S-构型OCA的识别能力更强，使得聚合反应的速率差异达到了9.9倍，显著优于单侧催化剂。这一结果表明，催化剂结构的优化对于提高手性识别效率至关重要。

此外，研究团队还探讨了催化剂结构中多个手性中心的协同作用。例如，Dual-S-3催化剂包含两个不同的手性中心，其空间结构的变化导致了对不同对映体单体的识别能力差异。通过调整这些手性中心的相对位置和电子分布，研究团队成功构建了一个具有更强立体选择性的催化剂体系。实验数据进一步表明，这种双手性中心结构不仅能够提高对特定对映体的识别效率，还能在聚合过程中形成具有梯度立体结构的聚合物，即从优先聚合的S-构型单体开始，逐渐引入R-构型单体，从而形成一种由高立体规整性向低立体规整性过渡的结构。

为了验证这一现象，研究团队对racemic OCA（对映体混合物）进行了聚合实验，并通过手性高效液相色谱（Chiral HPLC）分析了未反应单体的对映体过量（enantiomeric excess, ee）值。结果显示，使用Dual-S-3催化剂时，未反应单体的ee值在反应过程中保持较高水平，表明催化剂对S-构型单体的优先聚合作用。同时，通过计算动力学分辨率系数（$k_{\text{rel}}$），研究团队进一步确认了该催化剂在AKRP中的高效性。实验中，$k_{\text{rel}}$达到了9.0，远高于单侧催化剂的2.6，说明双侧结构的引入显著提升了催化剂的手性识别能力。

研究还发现，随着聚合反应的进行，未反应单体的相对浓度发生变化，从而影响了催化剂的手性识别效率。在反应初期，由于S-构型单体的优先消耗，$k_{\text{rel}}$呈现出逐渐上升的趋势，而在反应后期，随着R-构型单体的比例增加，$k_{\text{rel}}$有所下降。这一现象揭示了催化剂在不同反应阶段对单体识别能力的动态变化，为理解AKRP的机理提供了新的视角。此外，研究团队还通过凝胶渗透色谱（GPC）分析了聚合物的分子量及其分散度，结果显示，使用Dual-S-3催化剂时，聚合物具有较高的分子量和较低的分散度，表明催化剂不仅能够实现高效的立体选择性，还能对聚合过程进行良好的控制。

从实验结果来看，Dual-S-3催化剂在AKRP中展现出显著的优势。它不仅能够实现对特定对映体的高效识别，还能在聚合过程中形成具有梯度立体结构的聚合物，这种结构在材料科学中具有重要的应用价值。例如，在药物载体、生物医用材料以及光学活性材料等领域，具有梯度立体结构的聚合物可能表现出更优异的性能。因此，本文的研究不仅在理论层面拓展了AKRP的应用范围，也在实际应用中提供了新的可能性。

值得注意的是，研究团队在实验设计中还考虑了催化剂的结构对聚合速率的影响。通过对比不同桥接结构的催化剂，他们发现，桥接结构的刚性、尺寸以及电子分布对于手性识别能力具有重要影响。例如，联苯嗪桥接结构的引入使得催化剂能够更有效地与S-构型OCA发生相互作用，从而提高其聚合效率。而其他桥接结构（如蒽醌或二苯基嘧啶）虽然也能够实现一定的立体选择性，但其效率仍低于联苯嗪桥接结构。这表明，催化剂结构的精细调控对于提升AKRP的性能至关重要。

此外，研究团队还探讨了催化剂在不同反应条件下的表现。实验中，所有聚合反应均在干燥氮气气氛下进行，以避免氧化或其他副反应的发生。反应体系中，单体与催化剂的初始摩尔比为100:1，反应在甲苯中进行，温度保持在室温。这些条件的选择确保了反应的可控性和可重复性，同时也为后续研究提供了基础。实验结果显示，无论是在单侧还是双侧催化剂体系中，反应的转化率和分子量均能够得到有效控制，表明该方法具有较高的可行性。

综上所述，本文通过设计和优化基于金鸡纳碱的催化剂结构，成功实现了对映体OCA的不对称动力学分辨率聚合。研究结果表明，双侧结构的引入能够显著提高催化剂的手性识别能力，从而在聚合过程中形成具有高度立体选择性的产物。同时，实验数据还揭示了催化剂结构与聚合动力学之间的关系，为未来设计更高效的不对称聚合催化剂提供了理论依据和实验支持。这项研究不仅推动了AKRP技术的发展，也为制备具有特定立体结构的高分子材料开辟了新的路径。