后聚合修饰实现高全同立构聚丙烯酰胺库的合成：侧链可转换单体的立体选择性调控新策略

针对乙烯基聚合物立构规整度难以通用调控的难题，京都大学Makoto Ouchi团队设计了一种含苯并噻二嗪(Ph-BTD)侧链的可转换丙烯酰胺单体，通过自由基聚合和后修饰氨基解反应，实现了21种不同侧基(含极性基团和二取代结构)的全同立构聚丙烯酰胺(meso dyad>99%)的库合成。该研究突破了传统立体控制对单体结构的限制，系统揭示了立构规整度对玻璃化转变温度(Tg)、结晶性和水溶性/热响应性的显著影响，为功能高分子材料设计提供了新范式。

　　

在材料科学领域，乙烯基聚合物的立构规整度（tacticity）——即侧链立体化学的规整程度，是决定其物理性能的关键因素。以全同立构聚丙烯（isotactic polypropylene）为例，其优异的机械性能正源于高度规整的链结构带来的结晶特性。然而，传统聚合过程中立构规整度的控制高度依赖于单体侧链的空间位阻和极性基团的微小差异，这使得针对不同侧链结构的通用立体控制策略成为长期未解的难题。特别是含极性基团的丙烯酰胺类单体，其立体特异性聚合更因极性基团与活性增长链或金属催化剂的相互作用而极具挑战性。

针对这一科学瓶颈，京都大学Makoto Ouchi团队在《Communications Chemistry》发表的研究工作中，创新性地提出了"可转换侧链"的设计理念。研究人员设计了一系列含不同取代基（甲基、异丙基、苯基）的1,2,4-苯并噻二嗪(1,2,4-benzothiadiazine, BTD)丙烯酰胺单体，通过系统研究取代基空间位阻对自由基聚合立体选择性的影响，发现苯基取代的Ph-BTDAm单体在-40°C下聚合可获得meso dyad(m)值高达99%的全同立构聚合物。随后通过氨基解反应（aminolysis）的后聚合修饰（post-polymerization modification, PPM），成功构建了包含21种不同侧基（含线性/环状烷基、苄基、极性基团及二取代结构）的全同立构聚丙烯酰胺库，并首次系统揭示了立构规整度对材料性能的多维度影响。

关键技术方法包括：(1)低温自由基聚合（-40°C至60°C）实现Ph-BTDAm单体的全同立构控制；(2)氨基解后修饰反应实现侧链多样性转化；(3)差示扫描量热法(DSC)和X射线衍射(XRD)分析结晶行为；(4)变温紫外-可见光谱测定热响应性聚合物的浊点(T_cp)；(5)核磁共振氢谱(¹H NMR)定量分析meso dyad比例。

研究结果部分的重要发现包括：

1. 1.

   单体温敏效应与立体控制

   通过比较甲基(Me-)、异丙基(iPr-)和苯基(Ph-)取代的BTDAm单体，发现空间位阻与立构规整度呈正相关。Ph-BTDAm在60°C聚合仍能保持94%的m值，而-40°C时m值可达99%，其生成的聚N-异丙基丙烯酰胺(polyNIPAM)的¹H NMR谱峰显著锐化，与m=48%的无规立构聚合物形成鲜明对比。

2. 2.

   侧链多样性库构建

   通过Ph-BTDAm单体的氨基解反应，成功引入21种侧链包括：线性烷基(1-6)、环状结构(7-10)、苄基(11-12)、烯丙基(14)、极性基团(13-18)及二取代酰胺(19-21)。特别值得注意的是，传统难以通过直接聚合获得的N-烯丙基丙烯酰胺（因链转移反应）和二取代酰胺结构，均可通过此策略获得全同立构产物。

3. 3.

   结晶行为调控

   DSC分析显示，含C₃-C₈烷基侧链的全同立构聚丙烯酰胺(3-6)表现出显著结晶熔融峰(T_m=213-237°C)，而对应无规立构聚合物仅显示玻璃化转变。XRD证实20.0°处出现结晶衍射峰，表明全同立构促进酰胺基团间有序排列，形成不同于传统烷基-烷基相互作用的结晶模式。

4. 4.

   玻璃化转变温度(T_g)的立构依赖性

   对比分析显示，环状(7-10)和苄基(11-12)侧链的全同立构聚合物T_g较无规立构提高10-20°C，如N-环己基衍生物(8)的T_g从89°C升至108°C。这种差异源于立构规整度对氢键网络（分子内/分子间）的重构效应。

5. 5.

   水溶性/热响应行为的反常现象

   全同立构导致多种聚合物水溶性发生显著变化：(1)传统水溶性聚合物如polyNIPAM(1)、聚(2-甲氧基乙基丙烯酰胺)(16)变为完全不溶；(2)聚(N-丙烯酰甘氨酰胺)(PAcGAm,18)从无规立构的水不溶（室温）逆转为全同立构的可溶；(3)聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)(20)的浊点从35.2°C升至41.5°C，且出现异常大的热滞现象（冷却T_cp=27.9°C），表明全同立构增强热致聚集体的稳定性。

研究结论部分强调，该工作通过"可转换侧链"单体的分子设计，首次实现了不依赖单体结构的通用立构控制策略，突破了传统立体特异性聚合的局限性。79%回收率的Ph-BTD侧链回收方案更体现了该方法的可持续性潜力。所发现的全同立构诱导的结晶行为、反常水溶性及热响应性调控规律，为开发新型智能材料（如精确温控药物载体、力学增强水凝胶）提供了全新设计维度。特别是二取代酰胺结构的立体控制突破，为构建具有精确氢键网络的功能材料开辟了道路。这项研究不仅解决了高分子立体化学领域的长期挑战，更为功能聚合物的模块化设计提供了范式转变的思路。