《Journal of Cartilage & Joint Preservation》：Efficiency and synergy of bis-urea anions for the polymerization of cyclic esters
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有机催化乳酸聚合中bis-urea阴离子通过协同作用和金属离子模板效应实现高周转频率（250,000 h?1）和精准控制，烷基连接子构象灵活性促进活性位点相互作用，DFT和X射线验证其过渡态稳定机制。
Riccardo Piacquadio|Federica Santulli|Michele Polise|Filomena L. Damiani|Stefano Milione|Marina Lamberti|Christophe M. Thomas|Consiglia Tedesco|Mina Mazzeo
萨莱诺大学“A. Zambelli”化学与生物学系，Giovanni Paolo II路132号，84084 Fisciano，SA，意大利
摘要
有机催化内酯的开环聚合是一种高度通用的方法，可用于制备结构明确且可生物降解的聚酯。尽管这种方法具有可持续性优势，但在低催化剂负载量下实现高催化活性和精确的聚合控制仍然是一个主要挑战。我们发现，在醇的存在下，双脲阴离子是内酯和多种内酯开环聚合的优良催化剂。这些催化体系表现出“活性持久”的聚合行为，即使在0.06%的催化剂负载量下也能生成高分子量的聚合物，且转化频率高达250,000 h?1。密度泛函理论计算以及X射线表征结果证实，其卓越的催化性能源于脲基团之间的协同作用，这种协同作用促进了单体的协同活化。此外，金属离子的模板效应和烷基连接基团的构象灵活性进一步增强了这种协同作用，共同提高了聚合过程的效率和控制能力。
引言
源自化石资源的塑料在塑造现代社会和推动全球经济发展方面发挥了关键作用。然而，由于塑料的广泛使用以及缺乏适当的生命周期管理，导致积累了数百万吨的塑料垃圾，引发了严重的环境和公共卫生问题[1,2]。为有效应对塑料污染的挑战，需要采取综合和可持续的解决方案。这些方案包括使用可再生原料和/或开发新型可生物降解塑料[3],[4],[5]，这些塑料在性能和成本方面能够与传统材料竞争[6],[7],[8],[9]。其中最有前景的候选材料是脂肪族聚酯，它们通常通过环酯的开环聚合（ROP）制备[10,11]。虽然金属催化剂长期以来一直主导这一领域[12,13]，但有机催化最近作为一种强大且环保的替代方案脱颖而出[14,15]。有机催化剂相比传统的金属基体系具有成本效益高且合成途径便捷的优势。它们对环开环聚合具有优异的官能团耐受性和高选择性，从而能够精确控制聚合物的分子量[16],[17],[18],[19]。特别是基于二元氢键结构的有机催化剂（如由脲和有机胺组成的双组分体系[20],[21],[22],[23],[24]）能够形成协同催化作用。在这些体系中，胺基团作为氢键受体激活生长中的聚合物链的羟基，而路易斯酸脲则活化单体。大量研究表明，中性脲分子中引入多种官能团（[21],[24],[25],[26],[27],[28],[29]）通过协同效应提升了其催化活性，这种协同效应受连接脲基团的桥链结构的影响不同。
2016年，Waymouth等人引入了通过脲或硫脲与金属醇盐反应制备的双功能催化剂[30]。与传统的脲/胺体系相比，基于脲酸盐的催化剂显著提高了内酯的聚合速率，同时保持了优异的选择性和分散性[31,32]。计算研究表明，这种双功能催化机制中，亚胺基团通过经典的氢键作用同时活化单体的羰基和醇类引发剂或链末端[图1]。包含两个或多个明确空间排列的活性位点的双功能催化剂能够促进协同作用，从而显著提升催化活性和选择性。这些体系稳定了关键过渡态，减少了竞争反应路径，从而提高了整体效率。在此基础上，Zhang通过将醇盐官能团直接整合到硫脲骨架中，制备出了单分子双功能催化剂，这些催化剂在内酯和环碳酸酯的开环聚合中表现出与最活跃的金属基体系相当的性能[33,34]。Chen最近报道了一个多活性位点有机催化剂中的协同作用实例，他发现双脲阴离子中生长中的聚合物链和单体在镜像对称活性位点之间的动态穿梭增强了立体选择性。这一机制使得从外消旋内酯高效合成高度等规的PLA成为可能[35]。最近，Waymouth等人发现含有邻位-苯基连接基团的双脲阴离子具有最高的催化活性[36]。在这种情况下，桥链的芳香性和半刚性结构促进了脲基团之间的电子传递，形成了有效的氢键结合口袋，能够容纳单体。相比之下，含有脂肪族连接基团的双脲衍生物的活性大约是单阴离子形式的两倍，这可能与活性位点数量的增加有关。
基于这些观察结果，我们研究了几种通过强碱（如金属醇盐或氢化物）脱质子化相关的双脲和双硫脲衍生物所得到的双脲和双硫脲阴离子在内酯和多种环酯开环聚合中的催化活性。为了评估连接基团结构对催化行为的影响，我们选择了柔性的脂肪族和刚性的联苯间隔基团。此外，对活性物种的单晶X射线衍射分析提供了有关促进脲基团之间协同作用的结构的宝贵信息。
活性物种的合成与表征
Waymouth等人表明，邻位-苯基双脲阴离子在活性和控制方面优于以往的脲/胺有机催化剂[36]，这是因为半刚性连接基团有助于在氧阴离子过渡态下稳定底物，防止脲基团之间的自共轭。为了验证这一假设，我们研究了双脲与柔性连接基团和金属醇盐反应形成的活性物种的性质。
DFT计算
我们的聚合研究表明，双脲和双硫脲阴离子的催化活性显著受到脲和硫脲官能团之间连接结构的影响。特别是柔性烷基桥链增强了脲基团之间的相互作用，从而提高了催化活性。为了更详细地研究这一现象，我们利用密度泛函理论研究了L-内酯的开环聚合机制。
结论
双脲和双硫脲与钾叔-丁氧基或氢化物脱质子化后生成的双脲酸盐和双硫脲酸盐阴离子是内酯和多种环酯开环聚合的极佳催化剂，在非常低的催化剂负载量下即可实现超过250,000 h?1的转化频率，这是室温下报道的最高转化频率之一。催化活性取决于脲酸盐阴离子的浓度。
CRediT作者贡献声明
Riccardo Piacquadio：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据管理。Federica Santulli：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据管理。Michele Polise：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据管理。Filomena L. Damiani：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据管理。Stefano Milione：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。Marina Lamberti：撰写 – 审稿与编辑。Christophe M. Thomas：撰写 – 审稿与编辑、原始数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究由欧盟下一代欧盟（PNRR）计划PRIN 2022 PNRR项目（项目编号：P2022K9XN3，CUP D53D23017130001）资助。作者感谢Patrizia Oliva博士在NMR实验中的技术支持，感谢Mariagrazia Napoli博士在SEC测量中的协助，以及Patrizia Iannece博士在MALDI FT-ICR MS分析中的帮助。R.P.感谢Novamont S.p.A.对其博士研究项目的共同资助。
