在离子液体中通过绿色化学方法合成多琥珀酰亚胺（poly(succinimide)），作为聚天冬氨酸（poly(aspartic acid)）的前体

《European Polymer Journal》：Green synthesis of poly(succinimide) in ionic liquids as precursor for poly(aspartic acid)

　　索菲娅·文尼茨卡（Sofiya Vynnytska）|乔纳斯·温特斯（Jonas Winters）|斯坦·詹森（Stan Janssen）|卡特琳·V·伯纳茨（Katrien V. Bernaerts）
阿亨-马斯特里赫特生物基材料研究所（AMIBM）可持续聚合物合成小组，马斯特里赫特大学，马斯特里赫特，荷兰

**摘要**
聚天冬氨酸（PASP）是一种生物基、可生物降解、生物相容且无毒的材料。PASP及其衍生物广泛应用于水处理系统、化妆品和生物医学领域等。PASP有可能替代其他水溶性化石基聚合物，如聚丙烯酸。生物基L-天冬氨酸可以聚合成中间体聚琥珀酰亚胺（PSI），后者可以通过水解重新转化为PASP，或者通过与初级胺反应改性地获得具有新特性的材料。传统的高分子量聚琥珀酰亚胺合成方法需要大量的酸性催化剂（例如磷酸）或有机溶剂，从而产生大量的酸性和有机废物。我们提出用离子液体替代这些催化剂，同时离子液体还可以充当溶剂的作用。使用[(SO3H)bmim][HSO4]离子液体获得了最高分子量的聚琥珀酰亚胺（Mw≈47,000 g/mol）。此外，反应后的离子液体可以进行回收并重新用于后续的聚合过程。虽然回收后的离子液体活性有所下降，但仍然可以制备出分子量约为30,000 g/mol的聚琥珀酰亚胺。通过循环使用离子液体并将其与新鲜液体混合，可以将这一工艺放大到工业规模，以保持其活性。

**1. 引言**
传统的可水溶性聚合物，如聚乙醇、聚乙二醇和聚丙烯酸，在化妆品、生物医学应用、纸张添加剂以及洗涤剂生产中广泛应用。不幸的是，由于这些聚合物不易生物降解，它们在环境中积累会引发担忧。[1][2] 在可水溶性聚合物中，含有羧酸基团的聚合物尤为常见。例如，聚丙烯酸及其衍生物被用作洗涤剂助剂、防垢剂和絮凝剂；直接释放到环境中会导致环境问题，如微塑料污染；而交联形式则用作超强吸水性凝胶。[3][4] 然而，聚丙烯酸属于化石基材料，几乎不可生物降解，只有其低聚物可能对环境造成影响，例如水体和土壤的微塑料污染。[5] 为了提高聚羧酸的环境友好性，可以用生物基的可生物降解聚合物（如聚天冬氨酸）来替代它们。[6] 聚天冬氨酸既具有类似的水溶性（非交联形式），也具有吸水性（交联形式）。
聚天冬氨酸（PASP）是一种可生物降解且生物相容的聚合物，在生物医学应用中得到广泛应用[7][8][9][10][11]，使用后可以安全降解为无毒产物。其强大的螯合能力和聚电解质特性使其可用于制造超强吸水剂[12]、防垢剂[13]、防腐剂[14]以及作为水处理[13]、造纸[16]、涂料[17]和化妆品[17]等行业的添加剂。
合成本征PASP的方法有多种：通过L-天冬氨酸的缩聚反应、马来酸酐与氨的反应，以及α-氨基酸N-羧酸酐（NCA）的环开环聚合。NCA方法可以生成光学纯的L-α-聚天冬氨酸，但需要强氯化剂或光气来合成N-羧酸酐（NCA）衍生物[18][19]，这与本研究的可持续性目标不符。另一种方法是让马来酸酐与氮源（如氨）反应，生成中间体聚琥珀酰亚胺，随后对其进行修饰或水解生成聚天冬氨酸。这种过程成本较低，但所得聚合物性质不均匀且分子量较低[20]，限制了其应用范围。[21]
1996年，Donlar公司因开发出聚天冬氨酸的绿色合成方法而获得绿色化学挑战奖。在该方法中，L-天冬氨酸在无溶剂和催化剂的情况下进行热缩聚[22]。然而，所得聚琥珀酰亚胺的分子量较低且具有较多支链结构。另有研究表明，支链型聚天冬氨酸的生物降解性比在催化剂存在下合成的线性聚天冬氨酸低30%[23]。强吸水性试剂可以降低反应温度并提高分子量。多项研究表明，合成路线会影响聚合物的分子结构（如分子量和支链程度），从而影响其生物降解性[24]。中户等人研究了硫酸、对甲苯磺酸、甲磺酸和磷酸对L-天冬氨酸缩聚的影响[25]，其中磷酸表现最佳。王等人研究了磷酸催化的L-天冬氨酸缩聚的动力学[26]。大量酸性催化剂具有腐蚀性且难以去除。富田等人减少了催化剂用量，并研究了溶剂对聚合效率的影响，发现甲苯/磺烷（7/3比例）混合物能获得最高的聚琥珀酰亚胺产率和分子量[27]。金等人研究了深真空对分子量的影响，得到了非常高分子量的聚合物[28]。当聚合在大量溶液中进行时，黏度很高，可能影响混合均匀性，因此他们将搅拌方式改为旋转蒸发器[29]。其他相关合成方法也在最近的综述中有所介绍[8]。
为了减少腐蚀性酸和有机溶剂的使用，开发更可持续的聚天冬氨酸前体聚琥珀酰亚胺的合成方法十分必要。离子液体（ILs）是一类在使用温度下为液态的盐类，通常在常温至中等温度范围内。它们具有多种优良性能，例如在常温下几乎无蒸气压、高热稳定性以及比矿物酸和碱更低的腐蚀性[30][31]。其酸性和极性可通过结构设计进行调整，且由于非挥发性，在常温下不易燃烧，优于传统有机溶剂[31]。此外，离子液体还能同时充当溶剂和催化剂[32][33][34]。然而，它们的环境影响很大程度上取决于其具体结构，潜在缺点包括高黏度和成本问题[35]。高黏度可能带来实际使用困难，且离子液体的价格大约是传统溶剂的20倍。
此前已有研究将离子液体（如1-乙基-3-甲基咪唑ium二氢磷酸酯[36]、1-己基-3-甲基咪唑ium氢硫酸酯[37]、1-丁基-3-甲基咪唑ium溴化物[38]和AlCl3–Et3NHCl[39]应用于L-天冬氨酸的缩聚。然而，迄今为止报道的离子液体催化聚合通常仅获得低分子量产品（≤5000 g/mol），或未 reports 相关分子量数据。因此，使用离子液体合成高分子量聚琥珀酰亚胺的研究尚不充分。此外，以往研究大多针对单一离子液体，未系统评估离子液体酸性的影响或酸性官能团在离子液体结构中的位置。特别是，尚未对同时带有Br?nsted酸性基团的阴离子、阳离子或两者的离子液体进行比较研究。同时，离子液体作为可回收催化剂和溶剂的潜力以及利用生物基共溶剂减轻黏度限制的策略也尚未得到充分探索。
因此，本研究探讨了几种结构不同的酸性离子液体，并评估了它们在L-天冬氨酸缩聚中的表现，重点在于实现高分子量、建立结构-活性关系以及提高工艺的可持续性。研究中考察了三类酸性离子液体，其酸性官能团的位置各不相同（图1）：(i) 阴离子上含有酸性氢的离子液体（ILAA），(ii) 阳离子上含有酸性氢的离子液体（ILAC），以及 (iii) 阴离子和阳离子上都含有酸性基团的离子液体（ILAAC）。

**图1. 三种使用的离子液体：a) ILAA, b) ILAC, c-d) ILAAC**
ILAA的阳离子为3-丁基-1-甲基咪唑ium，ILAC和ILAAC的阳离子为1-甲基-3-(4-磺基丁基)咪唑ium。这两种阳离子的区别仅在于磺酸基团的存在。ILAAC使用硫酸和磷酸作为阴离子以评估阴离子酸性的影响，ILAA使用磷酸来评估阳离子结构的影响；ILAA和ILAAC都使用磷酸来研究阳离子类型的影响，而ILAC使用对甲苯磺酸作为阴离子。选择这三种酸性离子液体是为了确定哪种最适合用于L-天冬氨酸的缩聚。为了降低反应混合物的黏度，还研究了生物基共溶剂对氰化物的影响[40]。此外，这些离子液体在后续的聚合实验中被回收并重新利用。

**2. 材料与方法**
2.1 **材料**
L-天冬氨酸（≥98%）、1-丁基-3-甲基咪唑ium（≥98%）、磷酸（H3PO4，结晶态，99%）、N-甲基咪唑（99%）、马来酸（ReagentPlus?，≥99%）和氰化物（99%）均购自Sigma Aldrich。硫酸（H2SO4，96%）、对甲苯磺酸一水合物（ACS试剂，≥98%）和1,4-丁内酮（>99%）购自Acros Organics。磷酸（H3PO4，85%）购自Carl Roth。Antifoam N（PDMS，Evonik）在Varsol 30（ExxonMobil Chemical）中的1%溶液用作防泡剂。
N,N-二甲基甲酰胺（DMF；高纯度≥99.8%）用于肽合成，甲醇（MeOH；HPLC级）、氯仿（CHCl3；HPLC级）、乙酸乙酯（HPLC级）和乙腈（CH3CN；HPLC-R级）购自Biosolve Chemical。氢氧化钠（NaOH，颗粒状，EMSURE）用于配制1 M溶液；碳酸氢钠（NaHCO3，≥99.5%，Sigma Aldrich）用于配制0.5 M溶液。
氘代二甲基亚砜（d6-DMSO，99.9% D）、氯仿（CDCl3，99.8% D）和二氧化氘（D2O，99.9% D）购自BUCHEM BV。
用于DMF GPC的流动相包括DMF（HPLC级，Biosolve Chemical）、冰醋酸（≥99.7%，Sigma Aldrich）和氯化锂（LiCl，99%，Sigma Aldrich）。所有试剂和溶剂均未经进一步纯化即可使用。

2.2 **方法**
2.2.1 **在减压条件下用H3PO4通过热缩聚合成PSI**
参考聚琥珀酰亚胺（PSI）是按照Zrinyi等人的方法[29]通过L-天冬氨酸的热缩聚制备的（图2）。
简要步骤如下：将50克L-天冬氨酸与50克结晶磷酸在500毫升烧瓶中混合，加入少量防泡剂以防止起泡。反应物在180°C下使用KNF旋转蒸发器（135 rpm，1·10-3 mbar）搅拌7小时。反应完成后，将棕色熔体溶解在DMF中，然后加入10倍体积的去离子水中沉淀。白色沉淀物用0.5 M NaHCO3洗涤三次以中和磷酸，再用去离子水彻底洗涤至pH中性，最后用甲醇洗涤去除水分。纯化的白色聚合物粉末在真空烘箱中逐步升温脱水干燥（50°C至80°C），产率约为90%。聚合物成分通过1H NMR和FTIR光谱确认（见支持文件S1和S2），分子量通过DMF GPC测定（Mw = 125,2000 g/mol，D = 1.7）。

2.2.1.1 **离子液体的合成**
2.2.1.1.1 【bmim][H2PO4】的合成
首先合成[bmim][H2PO4]，使用其氯化物盐[37]：在25 w/v%的1-丁基-3-甲基咪唑ium（0.1431 mol）乙腈溶液中加入等摩尔量的85 w%磷酸，反应物回流72小时。反应过程中释放的HCl被捕获在含有1 M NaOH溶液中。反应完成后，用旋转蒸发器去除溶剂，得到透明的黏性油状物质，进一步在80°C下真空干燥过夜以去除残留的挥发性物质。离子液体的成分通过1H NMR光谱确认（见支持文件S4）。

2.2.1.2 【(SO3H)bmim][H2PO4/HSO4/pTSA】的合成
首先合成两性离子1-甲基-3-(4-磺基丁基)-1H-咪唑ium [(SO3H)bmim] 内盐[38]：在60°C、N2气氛下，N-甲基咪唑（0.2801 mol）与等摩尔量的1,4-丁内酮反应过夜。生成的白色固体用乙酸乙酯洗涤三次，然后在80°C下真空干燥。
第二步中，将[(SO3H)bmim]溶解在少量去离子水中，逐滴滴加适量的磷酸/硫酸/对甲苯磺酸。反应物在80°C下搅拌6小时，形成离子液体。最后用旋转蒸发器去除水分，并在80°C下真空干燥过夜。IL的组成通过1H NMR光谱得到确认，详见支持信息（图S6）。2.2.1.2 在离子液体中合成PSI 2.2.1.2.1 使用对-cymene作为共溶剂合成PSI 聚琥珀酰亚胺是通过L-天冬氨酸在离子液体存在下的聚缩合反应合成的，对-cymene被用作共溶剂。聚缩合反应基于1、2.5或4克的L-天冬氨酸单体在圆柱形玻璃反应器中进行。然后，加入10克的溶剂混合物（IL和对-cymene），其中含有所需摩尔分数的IL（0.05、0.1、0.2和0.5）。例如，2.5克（0.0188摩尔）的L-天冬氨酸与10克的IL和对-cymene混合物混合，该混合物含有0.05摩尔的[(SO3H)bmim][H2PO4]（0.0035摩尔的IL和0.0663摩尔的对-cymene）。详细的反应混合物组成在支持信息的表S1-S3中提供。接下来，安装了一个顶部搅拌器和一个充满对-cymene的Dean-Stark捕集器。反应混合物被加热到180°C，并用顶部搅拌器以500rpm的速度搅拌。30分钟后，水开始在Dean-Stark捕集器和反应器壁上积累。反应在1-5小时后停止。在整个反应过程中，形成了固体或粘性的聚合物块，反应完成后用铲子收集这些块，然后用研钵和杵子压碎。最后，粗聚合物用甲醇和水洗涤。在120°C的真空烤箱中干燥过夜后，获得了白色-棕色的聚合物粉末，产率为60-90%。1H NMR和FTIR光谱确认了聚合物的组成，详见支持信息（图S7和S10）。分子量通过DMF GPC测定。2.2.1.2.2 在减压条件下合成PSI 另一种将L-天冬氨酸聚合成聚琥珀酰亚胺的方法是在真空条件下进行。不同重量比例（2:1、1:1和1:2）的L-天冬氨酸单体和IL在圆柱形玻璃反应器中使用顶部搅拌器以500rpm的速度在180°C下搅拌5小时。反应装置配备了Liebig冷凝器以冷凝生成的水分。压力在30分钟内逐渐降低到真空。在整个反应过程中形成了固体聚合物块。反应后，收集这些块并用研钵和杵子压碎。所得到的粗聚合物随后用甲醇和水洗涤。之后，将白色-棕色的聚合物粉末在120°C的真空烤箱中干燥过夜，产率为60-90%。聚合物的组成通过1H NMR和FTIR光谱得到确认（支持信息图S8-S10），分子量通过DMF GPC测定。2.2.1.2.3 离子液体的回收 聚缩合后，PSI粗聚合物用甲醇和水彻底洗涤，以洗掉反应中使用的IL和对-cymene。这些洗涤液被收集并在旋转蒸发器上浓缩。之后，IL在真空线上干燥过夜以去除剩余的溶剂痕迹。每种回收的IL都通过1H NMR光谱和LC-MS进行了表征（支持信息图S11和S12）。确认纯度后，IL被重新用于另一次聚缩合。2.3. 仪器 1H NMR光谱是使用Bruker Avance III HD Nanobay 300 MHz光谱仪记录的。样品（约20 mg/ml）使用氘氧化物或二甲基亚砜-d6制备，TMS作为内标（0.05% V/V）。为了确定聚合物链中环开环PSI单元的百分比（图S1中有解释），添加了已知量的内标，即马来酸。傅里叶变换红外（FTIR）光谱是在Shimadzu FTIR光谱仪（MIRacle 10）上测量的。所有光谱都在400至4000 cm?1的范围内记录，分辨率为4 cm?1，并以64次扫描的平均值呈现。凝胶渗透色谱（GPC）。聚琥珀酰亚胺的相对分子量是在DMF GPC上测定的（Waters Alliance Separations模块e2696，配备RI检测器（2414））。使用HPLC级的DMF + 6 g/L冰醋酸 + 0.035 M/L LiCl作为流动相。一个PSS GRAM分析预柱和三个分子量范围分别为100 – 10,000 g/mol、1,000 – 1,000,000 g/mol的柱子作为固定相。校准曲线使用PMMA标准集的ReadyCal-Kit（Mp 800 – 2,200,000 g/mol）进行测量。样品的流速为1.0 ml/min，烤箱温度为40°C，RI检测器温度为35°C。色谱图使用Waters Empower3软件分析。样品的热重分析（TGA）是在TA Instruments Q500热重分析仪下在氮气气氛中进行的，加热速率为10°C/min，从25°C到700°C。离子液体的热稳定性。将少量所有IL放入3 ml小瓶中，在100 ? 200°C的油浴中加热24小时。之后，检查IL是否变色。使用液相色谱-质谱（LC-MS）测量热处理前后的样品，以评估可能的降解。LC-MS是在Shimadzu Nexera 2 UHPLC系统上进行的，配备了Shimadzu LC-30AD泵、SPD-M30光电二极管阵列检测器和LC-MS-2020单四极杆检测器。使用Waters Xselect CSH C18 3.5 μm柱，在30°C下，流速为1 mL/min。洗脱液由MilliQ水和LC-MS级的MeCN组成，含有0.1%的甲酸。测量开始时使用含5% MeCN的水2分钟，然后在6分钟内逐渐增加到95% MeCN，最后在95% MeCN下持续1分钟。色谱图使用LabSolutions软件（版本5.120）分析。3. 结果与讨论 在这项工作的第一部分，使用一种已知能生成高分子量PSI的方法制备了参考PSI，即在对磷酸中的热聚缩合。在第二阶段，探索了在4种离子液体中的聚合，并确定了优化的反应条件。3.1 在减压条件下使用50 wt% o-H3PO4通过热聚缩合合成PSI 一般来说，在聚缩合反应中，双官能单体交替反应，形成聚合物链并释放低分子量产物。对于L-天冬氨酸，单体包含两个羧酸基团和一个氨基。必须去除小的分子副产物（在这种情况下是水），以使平衡偏向聚合物形成。为此，实施了高真空。Wang等人提出了L-天冬氨酸聚缩合的机制（图3）。[26]。下载：下载高分辨率图像（104KB）下载：下载全尺寸图像 图3. 提出的L-天冬氨酸聚缩合机制。根据这一机制，L-天冬氨酸经历两步脱水过程。首先，第一个L-天冬氨酸分子的羧酸基团与第二个ASP分子的氨基基团反应。所得到的聚（天冬氨酸）（PASP）通过形成的酰胺和羧酸基团的羟基的反应失去第二个水分子。结果得到聚琥珀酰亚胺（PSI）。还证实，这个反应的第二步在第一步完成之前就开始了。[26]。根据Kim等人的建议，研究了反应条件对PSI分子量的影响。[28] 结果表明，增加反应时间和降低真空度可以提高所得PSI的分子量（图4，表S1）。下载：下载高分辨率图像（111KB）下载：下载全尺寸图像 图4. 反应时间和真空度对所得PSI分子量的影响。使用旋转蒸发器设置来增强对过程的控制。在反应的第一阶段，观察到大量的水释放，这立即蒸发并在反应器中引起明显的起泡和压力积聚。旋转蒸发器使得可以精确调节真空度并稳定起泡过程。大约一小时后，旋转蒸发器连接到强大的油泵，使真空度尽可能降低。通过对-H3PO4中的聚缩合得到的最高分子量的PSI的分子量为117,400 g/mol，分散度为3.42。图5说明了在聚缩合最后阶段深度真空的重要性。下载：下载高分辨率图像（512KB）下载：下载全尺寸图像 图5. 在o-H3PO4中合成PSI a) 不同时间点采集的样品的DMF GPC色谱图，b) 分子量和分散度随时间的变化。在最初的2小时内，所得PSI的分子量较低，分散度也较低。在接下来的2小时内，分子量和分散度略有增加。到第5小时时，分子量和分散度都有显著上升。这一趋势持续到7小时，同时GPC中出现了高分子量的 shoulder。在高转化率下，分子量的指数增长是聚缩合反应的典型特征；然而，分散度超过2表明同时发生了支化反应。[41] 在高温下，形成的琥珀酰亚胺环可能发生环开环反应，产生自由的羧酸或氨基团。这些自由基团可以与其他链或同一链的不同部分反应，导致支化（图S13）。[23]，[42]。由于用于估计聚合物分子量的技术不同，将旋转蒸发器获得的结果与Zrinyi等人报告的结果进行比较具有挑战性。虽然我们使用了DMF GPC色谱，但Zrinyi等人依赖于Ubbelohde粘度测量法。[29] 同时，Kim等人在高真空下获得的结果与我们的结果相当。[28] 尽管这种方法显示出了有希望的结果，但我们 also旨在设计一种更可持续的方法来合成具有相似性质的PSI。这一考虑源于合成过程中需要大量的对磷酸以及产生的大量酸废物。3.2 在离子液体中合成PSI 3.2.1 酸性离子液体的热稳定性 合成的IL的热稳定性得到了评估，因为它们打算用于在高温（高达180°C）下进行的L-天冬氨酸聚缩合。为了研究温度对IL稳定性的影响，每种IL在100°C至200°C之间保持24小时。IL样品在视觉上检查是否变色，并使用LC-MS评估可能的降解。图S14显示了每种IL的视觉变化。它表明从140°C开始就出现了轻微的变化，而在200°C时，IL变成了棕色/黑色。在较高温度下，IL之间的差异较小。[(SO3H)bmim][H2PO4]显示出最少的变色，而[(SO3H)bmim][HSO4]显示出最多的变色。每种IL在热处理前后都进行了LC-MS分析。图S15显示了在100°C和200°C下保持24小时的IL的色谱图。[bmim][H2PO4]（图S15a）和[(SO3H)bmim][HSO4]（图S15d）在0.6分钟和0.9分钟处有洗脱峰，分别对应阳离子和阴离子。在[(SO3H)bmim][pTSA]（图S15c）中，阳离子的峰在0.6分钟，阴离子的峰在5.2分钟。在200°C下保持24小时后的[bmim][H2PO4]（图S14a）和[(SO3H)bmim][H2PO4]（图S14b）的色谱图中，从3分钟到7分钟的区域观察到了热降解峰。确定可能的降解产物超出了本研究的范围。相比之下，[(SO3H)bmim][pTSA]（图S15c）和[(SO3H)bmim][HSO4]（图S15d）的LC-MS光谱中没有看到降解现象，尽管它们变色的情况下。因此，颜色变化的起源仍然不清楚。据报道，即使是微量的降解产物（ppb范围）也会导致明显的变色[43]。其他解释包括通过LC-MS可检测到的更高分子量物种的形成，例如通过碳化[44]或咪唑ium物种的寡聚化[45]。尽管如此，观察到的变色表明在高温下发生了轻微的副反应。3.2.2 使用离子液体作为溶剂/催化剂和对-cymene作为共溶剂进行聚缩合 虽然通过在o-磷酸中常规合成PSI可以获得高分子量（高达117,400 g/mol，见第3.1节），但这种方法也有其缺点。对磷酸具有高度腐蚀性，需要耐腐蚀的设备。回收对磷酸的过程繁琐，涉及从DMF中沉淀，然后进行中和步骤。这个纯化步骤也会产生大量的废物，包括盐和高沸点的DMF，这需要大量的能量来回收。IL可以同时作为L-天冬氨酸聚缩合的催化剂和溶剂。此外，IL可以回收并重新用于进一步的反应。通过用低沸点的MeOH简单洗涤聚合物即可回收IL。然而，离子液体（ILs）以其高粘度而闻名[46]，这可能会阻碍搅拌效果和去除冷凝物的能力。这两个参数直接影响到聚合反应的成功与否。引入P-蒎烯作为共溶剂被证明有助于降低反应混合物的粘度。P-蒎烯是一种基于生物的溶剂，它与水形成共沸物，在聚合过程中产生，这是一个额外的优势[47]、[48]。这种共沸物可以在Dean-Stark分馏器中有效收集，从而使平衡偏向于聚合物的形成。基于在20%单体负荷下反应5小时后PSI的分子量，评估了每种IL在IL/P-蒎烯混合物中的摩尔分数的影响。图6显示，当混合物中IL的摩尔分数增加时，PSI的分子量（Mw）会降低。下载：下载高分辨率图像（65KB）下载：下载全尺寸图像图6. 在180°C下反应5小时后，不同IL摩尔分数的IL/P-蒎烯混合物中合成的PSI的重量平均分子量（条形图）和分散性（数据点）（详细的反应混合物组成见支持信息中的表S2）。用于反应的IL越少，经济性就越高。含有H2PO4-的IL在增加IL摩尔分数时，其Mw的下降幅度比其他IL小。使用0.1和0.2摩尔分数的IL时，可以达到最高的Mw 12,500 g/mol。这些结果表明，含有磷酸的IL更适合与P-蒎烯进行L-天冬氨酸的聚合反应。研究了在IL/P-蒎烯混合物中IL摩尔分数为0.1且反应时间为5小时时，单体负荷对PSI分子量的影响（图7）。单体的负荷在9.1、20和28.6 wt%之间变化。结果没有显示出明显趋势。只有在单体负荷为28.6 wt%时，[(SO3H)bmim][HSO4]的分子量显著增加。下载：下载高分辨率图像（156KB）下载：下载全尺寸图像图7. 在180°C下反应5小时后，不同单体负荷和0.1摩尔分数的IL/P-蒎烯混合物中合成的PSI的重量平均分子量（条形图）和分散性（数据点）（详细的反应混合物组成见支持信息中的表S3）。研究了在IL/P-蒎烯混合物中IL摩尔分数为0.1且反应时间为5小时时，反应时间对PSI分子量的影响（图8）。下载：下载高分辨率图像（107KB）下载：下载全尺寸图像图8. 在180°C下反应5小时后，不同反应时间和0.1摩尔分数的IL/P-蒎烯混合物中合成的PSI的重量平均分子量（条形图）和分散性（数据点）（详细的反应混合物组成见支持信息中的表S4）。可以清楚地看到，随着反应时间的增加，分子量显著增长。只有当使用[bmim][H2PO4]进行聚合时，分子量的增加不那么明显，但使用这种IL时，在1小时后就能达到超过10,000 g/mol的分子量，而使用其他IL时分子量的增长要慢得多。因此，尽管LC-MS分析显示某些IL在选定温度下会有一些降解（第3.2.1节），但含有磷酸阴离子的IL显示出了最有希望的结果。在装有Dean-Stark分馏器的装置中，使用0.1摩尔分数的[(SO3H)bmim][HSO4]在P-蒎烯混合物中，以及28.6 wt%的L-天冬氨酸负荷下，经过5小时反应后，获得了最大分子量为18,900 g/mol的PSI（图S16a中的典型GPC迹线）。用IL在P-蒎烯中制备的PSI的分散性约为2，这与聚合过程的预期一致。3.2.3. 使用离子液体作为溶剂/催化剂的聚合为了增加分子量，采用离子液体作为溶剂和催化剂（不含P-蒎烯）进行了传统的聚合反应。即用Liebig冷却器替代了Dean-Stark分馏器，并施加真空以去除冷凝物，推动平衡向右移动，从而达到高分子量。为了确定催化聚合反应所需的最小IL量，详细研究了由[(SO3H)bmim][HSO4]催化的L-天冬氨酸的聚合反应。在使用IL和P-蒎烯混合物的Dean-Stark装置中，经过5小时反应后，能够达到最大分子量18,900 g/mol和分散度? 2.31。相比之下，在纯IL中相同的反应时间下，分子量超过了30,000 g/mol（图9）。然而，这种情况下的分散度显著更高（?>3.35），并且随着IL含量的增加而进一步增加，表明分支程度增加。这一点得到了GPC图（图S16b）中高分子量肩峰的出现的支持。导致分散度增加的另一个因素是在高分子量样品中出现低分子量肩峰。虽然这里没有直接调查这一肩峰的来源，但我们在之前关于通过聚合反应合成聚酰胺的工作中，通过MALDI-TOF分析将此类特征归因于环状聚合物链[49]、[50]、[51]。下载：下载高分辨率图像（124KB）下载：下载全尺寸图像图9. 在180°C下反应5小时后，不同L-天冬氨酸与[(SO3H)bmim][HSO4]比例下合成的PSI的重量平均分子量（详细反应混合物组成见支持信息中的表S5）。在单体:IL=2:1的重量比下，观察到了非常高的粘度，导致机械搅拌器卡住，使反应混合物的均匀性较差。当重量比增加到单体:IL=1:2时，由于粘度降低，反应变得更加顺利，搅拌也更为有效。因此，没有对其他IL在单体:IL=2:1的重量比下进行研究。在单体:IL=1:1的重量比下，搅拌也不理想，于是尝试了另一种方法。在单体:IL=1:1重量比下的反应在一小时后就停止了。然后将反应混合物用研钵和杵子研磨，并添加了额外的IL。反应继续进行了4小时（在文本中进一步描述为“1:1 + 重新液化步骤”）。图10显示了在使用IL作为催化剂、单体与IL重量比为1:1、1:1（包括重新液化步骤）和1:2时，经过5小时聚合反应后获得的PSI的分子量。添加第二倍量的IL降低了反应混合物的粘度，改善了反应过程，特别是搅拌情况。然而，这一额外步骤并没有显著增加分子量，因此可以省略重新液化步骤。下载：下载高分辨率图像（158KB）下载：下载全尺寸图像图10. 在180°C下反应5小时后，不同L-天冬氨酸与IL重量比下合成的PSI的重量平均分子量（条形图）和分散性（数据点）（详细的反应混合物组成见支持信息中的表S6）。本研究中使用的离子液体既作为反应介质，也作为酸性添加剂。它们的催化作用很可能与阴离子、阳离子或两者上存在的Br?nsted酸性功能有关[52]。这些酸性位点可以通过质子化或氢键与L-天冬氨酸的羧酸基团相互作用，增加羰基碳的电负性。这使得羰基更容易受到胺的亲核攻击，并促进脱水反应，从而形成酰胺（图3的第一步）和酰亚胺（图3的第二步）。此外，IL的离子环境可能稳定带电中间体和过渡态，促进缩合反应。同时，反应装置有效去除水分的能力，无论是通过Dean-Stark配置下的共沸蒸馏（第3.2.2节）还是在减压条件下（本节），在推动平衡向聚合物形成方面起着关键作用。L-天冬氨酸的聚合受离子液体（IL）介质的Br?nsted酸性的强烈影响。所研究的ILs的定性酸性排序如下（最弱→最强酸）：[bmim][H2PO4] < [(SO3H)bmim][H2PO4] < [(SO3H)bmim][pTSA] ≈ [(SO3H)bmim][HSO4]。在[bmim][H2PO4]中，酸性仅来自H2PO4-阴离子，因为阳离子是中性的，缺乏酸性功能，导致整体酸性最弱。在阳离子上引入磺酸基团会产生更酸性的离子液体，其中H2PO4-赋予其中等酸性，而强酸性阴离子如对甲苯磺酸盐（pTSA-）或硫酸氢盐（pTSA-）则产生最强的酸性[53]、[54]。图10中的分子量遵循ILs的酸性排序，[(SO3H)bmim][HSO4]获得了最高的分子量。对于L-天冬氨酸的聚合，较强的IL酸性会加速环化和脱水反应，但也促进分支（最强的IL [(SO3H)bmim][pTSA] 和 [(SO3H)bmim][HSO4] 的分散度最高），以及副反应，在高温下还会导致变色（图10中的图片）。即使在使用P-蒎烯的情况下，这些颜色变化也不那么明显，但在这种情况下使用的IL量也较少。一般来说，在真空下使用IL获得的分子量显著更高（超过两倍），尽管如此，它们仍然低于在减压条件下使用o-磷酸催化的聚合反应（Mw为117,400 g/mol，? = 3.42），但这已经是一个很大的进步。o-H3PO4的酸性更强（Hammett酸性H0 = -4.66[55]） than 最好的IL [(SO3H)bmim][HSO4]（Hammett酸性H0 = -3.34[54]），有利于更好的脱水和环化。o-H3PO4在深真空下呈现高度酸性的均匀熔体，能够有效去除水分并促进链的后期扩展。相比之下，在离子液体中进行的反应具有较高的粘度[46]，这可能在动力学上限制了逐步聚合中的分子量增长，并增加了聚合物的分散度。即使LC-MS无法检测到降解产物（第3.2.1节），离子液体的部分降解也可能导致副反应，从而降低了分子量。3.2.4. 基于回收离子液体的聚合我们的一个目标是以最可持续的方式合成PSI。通过用IL替代纯o-磷酸，我们在合成和纯化过程中几乎不会产生废物，因为IL和洗涤溶剂可以轻松回收。为此，聚合后回收IL，在真空炉中干燥，并重新用于后续反应。回收实验表明，重复使用对催化性能的影响取决于IL的结构（图11）。对于最活跃的系统[(SO3H)bmim][HSO4]，使用新鲜IL时所得PSI的分子量约为47,000 g/mol，而使用回收的IL时降至约30,000 g/mol，分子量增加了约36%（图S16c）。对于其他离子液体，回收的效果不那么明显，表明结构稳定性存在差异；值得注意的是，酸性最弱的IL在回收后保持了最佳的分子量。下载：下载高分辨率图像（62KB）下载：下载全尺寸图像图11. 使用新鲜和回收的IL合成的PSI的重量平均分子量（条形图）和分散性（数据点）。方法：1:1 + 重新液化步骤。在180°C下反应5小时后（详细的反应混合物组成见支持信息中的表S7）。对新鲜和回收的离子液体的分析表明，在聚合和回收过程中可能会发生轻微的杂质积累和/或部分降解，特别是对于回收的[(SO3H)bmim][H2PO4]（NMR，图S11）和[bmim][H2PO4]（LC-MS，图S12）。然而，无法确定副产品的确切性质。在聚合和洗涤步骤中（例如水）逐渐积累的降解产物或杂质可能会影响酸性、粘度或氢键能力，从而可能影响催化性能、聚合效率和可获得的分子量。即使NMR或LC-MS无法检测到，这些产物也可能在聚合过程中引起副反应，导致分子量降低。尽管如此，回收的IL仍然足够活跃，可以生产相对高分子的PSI，表明催化环境在经过一次回收后基本上得到了保持。从过程的角度来看，将回收的IL与部分新鲜IL混合可能有助于保持活性，同时减少新鲜离子液体的消耗，提高经济和环境可行性。进一步评估长期IL稳定性、热降解产物和回收效率对于未来的放大研究至关重要。3.3.在不同条件下制备的PSI的热特性
通过氮气氛围下的TGA（图12、图S17和表S8）比较了在不同反应条件下制备的PSI的热稳定性。
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图12. 不同条件下制备的PSI的DTGA曲线（10°C/min，氮气氛围）。

在o-H3PO4中合成的PSI表现出最低的热稳定性，这可能是由于残留的酸性磷酸盐物种在加热过程中催化了亚胺环的开裂和链断裂。TGA曲线遵循与文献报道一致的多个步骤降解路径[56]。第一个低温质量损失阶段（Tmax ≈ 173°C）主要归因于物理吸附的水分和残留的低分子量物种的去除。第二个阶段（Tmax ≈ 313°C）对应于主链降解的开始，涉及亚胺环的开裂和部分解聚，伴随着小分子（如水和氨类碎片）的生成。第三个阶段（Tmax ≈ 351°C）与聚琥珀酰亚胺结构的主链断裂有关，产生挥发性产物（例如CO2、CO和其他碎片）。在更高温度下，由于中间炭化结构的进一步分解和先前形成的碎片的二次反应，降解过程变慢，最终留下大约30%的碳质残渣。

相比之下，在离子液体系统中制备的PSI（无论是纯离子液体还是离子液体/对伞花烃混合物）表现出更好的热稳定性，其Tmax约为393°C，尽管离子液体/对伞花烃样品在较低温度下显示出一个小峰。这种增强稳定性可能与不存在会催化降解的残留酸性物种有关。然而，当使用回收的离子液体时，较低温度的峰（Tmax ≈ 321°C）变得更加明显，导致热稳定性下降，尽管仍优于在o-H3PO4中制备的PSI。回收离子液体导致的热稳定性下降可能与回收后得到的较低分子量有关。

4. 结论
本研究的目标是以最可持续的方式合成高分子量的PSI。作为基准，我们在旋转蒸发器中使用50 wt%的o-磷酸合成了PSI。为了避免使用高度腐蚀性的催化剂和纯化过程中所需的溶剂回收能量，我们用离子液体替代了o-磷酸。为此，合成了四种离子液体：[(SO3H)bmim][H2PO4]、[(SO3H)bmim][HSO4]、[(SO3H)bmim][pTSA] 和 [bmim][H2PO4]。我们研究了阳离子和阴离子的结构对L-天冬氨酸缩聚的影响。

L-天冬氨酸的缩聚在两种设置中进行了研究。在配备Dean-Stark捕集器的设置中，使用对伞花烃作为共溶剂以降低反应混合物的粘度。在这里，我们考察了IL在IL/对伞花烃混合物中的摩尔分数、单体数量和反应时间的影响。选定的最佳条件为：IL/对伞花烃混合物中IL的摩尔分数为0.1，L-天冬氨酸的负载量为28.6 wt%，反应时间为5小时，反应温度为180°C。使用[(SO3H)bmim][HSO4]作为IL时，获得了最高分子量的PSI（Mw = 18,900 g/mol）。第二种设置是传统的缩聚设置，其中离子液体同时起到催化剂和溶剂的作用，且不使用对伞花烃。在这里，研究了单体与IL的负载比：1:1、1:1 + 再液化步骤和1:2 wt比。使用最酸性的离子液体[(SO3H)bmim][HSO4]获得了最高分子量的PSI（Mw≈47,000 g/mol）。尽管分子量没有达到在o-磷酸中制备的参考聚合物的水平，但这已经是向前迈出的一大步。此外，离子液体在聚合物纯化后从废物流中回收并重新用于进一步缩聚。其活性略有下降，但仍能生成Mw≈30,000 g/mol的PSI聚合物。真空下的缩聚设置最有前景，为扩大生产和重复使用离子液体提供了可能性。

作者贡献：
Sofiya Vynnytska：方法学研究、数据收集、原始稿件撰写、数据管理、正式分析、可视化；
Jonas Winters：概念构建、指导、审阅与编辑；
Stan Janssen：数据管理、方法学研究；
Katrien V. Bernaerts：概念构建、审阅与编辑、资金获取、项目管理、资源协调、指导。

支持本文的数据已作为补充信息的一部分包含在内。

补充信息（SI）包括：通过o-磷酸或离子液体催化合成的PSI的1H NMR和FTIR光谱、PSI的组成计算、离子液体和PSI的热稳定性，以及新鲜和回收离子液体的1H NMR和LC-MS光谱。请参阅DOI: xxxx。

CRediT作者贡献声明：
Sofiya Vynnytska：撰写原始稿件、可视化、方法学研究、数据管理、正式分析；
Jonas Winters：审阅与编辑、指导、概念构建；
Stan Janssen：方法学研究、数据管理；
Katrien V. Bernaerts：审阅与编辑、指导、资源协调、项目管理、资金获取、概念构建。