基于酸碱相互作用的序列结构可控的侧链型氨基酸基共聚物的合成研究

The control of monomer sequence in amino-acid based copolymers is one of the most challenging topics in polymer science.However, the sequential arrangement of monomer units in a polymer chain, is generally poorly controlled in synthetic macromolecules. Common synthetic polymers are usually homopolymers, made of the same monomer unit, or copolymers with simple chain microstructures, such as random or block copolymers.Sequence regulation can only be attained in chain-growth polymerizations by using specific comonomer pairs. For example, some combinations of an electron-donor monomer (e.g., styrene or vinyl ether) and an acceptor one (e.g., maleic anhydride or maleimide) can be copolymerized in an alternating manner to give an AB repeat sequence. Similar to the electron-donor and acceptor monomer pairs, in acidic and basic monomer pairs,cross-propagation is favored over homopropagation. For the control of sequence structure of amino-acid based copolymer,a series of amino acid derived cyclo-olefin monomers having carboxy and amino groups will be synthesized and subjected to ring-opening metathesis copolymerization with various feed ratios using the Grubbs second generation ruthenium catalyst. The acid-base interaction between the monomers will be confirmed by 1H-NMR spectroscopy. This alternating behaviors will be tuned using time-controlled additions of monomers in conjunction with living polymerization mechanisms. Thus, by controlling addition time, the positions of the acidic monomer units can be precisely controlled in the polymer backbone. Finally, the influence of the sequence structure of the amino-acid based polymers will be investigated from a viewpoint of material chemistry.

合成序列结构可控的氨基酸基聚合物意义重大，但目前普适的序列结构可控的聚合方法较少，固相合成法迄今为止仍是合成序列结构可控的氨基酸低聚物的唯一可靠途径。另外，氨基酸单体众多活性基团（羟基、巯基等）的存在，也进一步增大了序列结构控制的难度。本申请拟发展"酸碱相互作用调节的序列结构控制"策略，设计合成系列亮氨酸、脯氨酸及苯丙氨酸取代的环烯烃酸性单体和碱性单体，基于酸碱相互作用，在环烯烃的开环易位聚合中获得侧链型亮氨酸-苯丙氨酸基交替共聚物和脯氨酸-苯丙氨酸基交替共聚物。在此基础上，结合活性开环易位聚合并通过控制单体加料时间的方式，在聚合物主链的特定区域可控地插入脯氨酸等氨基酸侧基，实现侧链型氨基酸基共聚物序列结构的控制。最后，考察序列结构可控的氨基酸基聚合物的性能及其在协同催化方面的应用。希冀丰富侧链型氨基酸基共聚物的序列结构控制方法，并为发展主链型氨基酸共聚物的序列结构控制方法提供思路和参考。

合成序列结构精确的聚氨基酸是高分子合成化学的重要研究课题。但目前合成序列结构精确聚氨基酸的方法较少，因此，发展合成序列结构精确聚氨基酸的方法具有重要的意义。本项目中，合成了10种甘氨酸取代的环辛烯单体，借助于甘氨酸取代基与催化剂之间的空间位阻作用，在3 位-甘氨酸取代环辛烯的开环易位聚合中获得了区域及立体结构精确的侧链型甘氨酸聚合物（大于99%的头尾结构及反式立体结构）。而5 位-甘氨酸取代的单体，只能获得区域及立体结构无规的聚合物。在此基础上，系统研究了结构对聚合物的结晶行为、亲水性及温度敏感性的影响。源于精确的区域及立体结构及甘氨酸侧基之间的氢键相互作用，首次实现了含甘氨酸侧基的环辛烯聚合物的结晶行为。这种结晶行为在以前报道的烷基取代及醚取代的环辛烯聚合物中均未实现。同时，发展了一种以氨基酸为原料，基于Ugi迭代反应，液相法高效合成主链以及侧链结构精确的聚类肽的方法。利用该方法克级的合成了一系列主链和侧链序列结构精确的聚类肽16种，尤其是实现了β-聚类肽的高效合成，该方面优于固相合成法。通过序列结构精确两亲性聚类肽的设计合成以及结构性能关系研究发现，在聚类肽组成相同的情况下，亲水性基团和疏水性基团在聚合物链上的精确分布，对其温度响应行为和溶解性具有至关重要的影响。另外，我们发展了一种通过Ugi聚合反应简洁、高效的合成结构多样性交替聚类肽和聚两性电解质的方法，所合成的电荷交替排列的聚两性电解质在抗蛋白污染方面具有潜在的应用价值。此外，我们发展了一种以有机磷腈碱（t-BuP4）为催化剂，催化七元内酰胺的开环聚合体系，实现了温和条件下ε-聚赖氨酸的化学合成以及一系列功能化聚氨基酸的合成。同时，我们还采用有机协同催化的策略，通过单分子双功能催化剂的设计，实现了氨基酸或扁桃酸来源的OCA单体开环聚合制备等规的聚酯，提供了一种合成立构规整聚酯的新方法。.以上研究工作发展了多种合成序列结构精确聚氨基酸以及功能化聚氨基酸的新方法，推进了聚氨基酸材料在生物医用材料领域的应用。本项目研究成果共发表SCI论文13篇，培养青年教师2名，博士研究生4名和硕士研究生4名。