热响应性单链聚合物纳米反应器的制备及其对水相Aldol反应的可控仿生催化研究

How to artificially design a system that is comparable to native enzymes by mimicking natural biological macromolecules, is an importantly scientific research issue in biomimetic catalysis. It has been reported that only biopolymers, such as proteins and nucleic acids, could fold up into stable conformations precisely and orderly.. In this project, by using of polymer chemistry and supramolecular chemistry, we skillfully design a water-soluble random terpolymer grafted with thermoresponsive structural units (N-isopropyl acrylamide, NIPAM) by combination of self-assembled structural units (functionalized benzene-1,3,5-tricarboxamides, BTA), and an organocatalytic structural units (functionalized L-proline). We study on how the grafted random copolymers fold into responsive single-chain polymeric nanoreactors via intramolecular self-assembly of pendant BTAs. . Besides, the catalytic activities of the single-chain polymeric nanoreactors will be investigated with aldol reaction by use of p-nitrobenzaldehyde and cyclohexanone in water. Furthermore, the investigations of how thermoresponsive PNIPAM dynamically regulate the conformations of nanoreactors, and how thermoresponsive PNIPAM reversibly control the catalytic activities and recycling of these nanoreactors under different temperatures will also be carried out.

在高分子仿酶研究中，如何更好地模拟天然生物大分子设计制备出能与天然酶相媲美的仿酶体系一直都是这一领域的重要科学问题。此前报道的只有生物聚合物，如蛋白质和核酸，才能够表现出十分精致有序的折叠结构。. 本项目中我们应用聚合物化学与超分子化学，通过对自组装结构单元（功能化的1,3,5-三酰胺苯）、有机催化结构单元（功能化的L-脯氨酸）以及温度响应性结构单元（N-异丙基丙烯酰胺）的巧妙构思，设计了一个接枝温度响应性PNIPAM的水溶性三元无规共聚物大分子，研究该聚合物大分子如何通过分子内自组装完成将单个聚合物链折叠成热响应性的聚合物纳米反应器。以对硝基苯甲醛、环己酮为底物的Aldol反应为模型，我们还研究不同温度下的水相不对称Aldol反应中，温度响应性PNIPAM侧链如何可逆地、动态地调节自组装纳米反应器的构象，如何可逆可控地调节纳米反应器的催化性能和回收再循环。

本研究以无规共聚合成的含有催化位点的单链聚合物及接枝热响应性PNIPAM支链的单链聚合物为研究对象，考察了聚合物大分子在水相中通过分子内自组装形成的单链聚合物纳米反应器仿生催化对硝基苯甲醛与环己酮的羟醛缩合（Aldol）反应以及纳米反应器的回收与循环实验，发现了：(1) 未接枝单链聚合物在水溶液中以M优先的螺旋形状聚集，能通过分子内氢键形成有效的疏水纳米反应器；（2）未接枝单链聚合物催化Aldol反应研究显示，疏水隔间是催化反应得以发生的重要保证，纳米反应器的螺旋手性对选择性的影响可以忽略；(3) 每条聚合物链上的催化单元L-Pro的局部浓度对催化剂活性有显著影响, L-Pro局部浓度越大，催化活性越高，但产物显示低的非对映和对映选择性; (4) 未接枝单链聚合物较容易从水相回收并再次使用，循环四次后，原料转化率有所降低，产物非对映选择性与对映选择性未见明显下降；(5) 接枝不同PNIPAM聚合度的聚合物，在5 oC反应温度下与未接枝聚合物具有类似的催化活性，表明在该温度下PNIPAM链段在水溶液中呈亲水性并呈现完全溶剂化状态; (6) 温度升至25 oC时，对于大多数纳米反应器来说，反应转化率有较明显的提高，表明了PNIPAM在水相中已呈现一定的疏水性，链段不再完全溶剂化而是有一定程度的卷曲折叠，能较有效地增加底物的局部浓度，有助于底物到达充满催化位点的自组装疏水小隔间，因此有助于反应转化率的提高； (7) 温度升至40 oC (已超过接枝聚合物的LCST) 时, PNIPAM链段已完全呈现坍塌折叠状态，PNIPAM壳层似乎阻碍了底物到达含有催化位点的核内部，而没有提高反应器对底物的吸收；更为显著的是，PNIPAM的聚合度越高，坍塌形成的壳层越厚，反应转化率下降越显著，且热响应性链段PNIPAM对反应的立体选择性并没有显著改善。上述结果表明，未接枝与接枝型单链聚合物均能在水相形成纳米反应器有效仿生催化Aldol反应，然而，响应性单元构象变化对疏水隔间的调节难以达到酶在识别与结合底物的过程中对构象精细调节的程度，实现高度仿酶催化仍然存在许多需要解决的难点。