含二硫键与β-硫酯键的可降解丙烯酸酯遥爪共聚物：以同一碱性催化剂同时实现硫醇氧化与硫醇-烯迈克尔加成点击反应

《Polymers》：Degradable Acrylate-Telechelic Copolymers with Disulfide and β-Thioester Linkages by Simultaneous Thiol Oxidation and Thiol-Ene Michael Addition Click Reactions with the Same Base Catalyst

　　

中文摘要翻译： 本研究报道了一种新的一锅共聚工艺，通过同时发生氧化性二硫键形成与β-硫酯键形成反应，将双官能单体3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇（DODT）与二丙烯酸酯类单体——聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDODA）——在N,N,N′,N″,N″-五甲基二亚乙基三胺（PMDETA）存在下进行反应，PMDETA同时作为两种反应的碱性催化剂，反应在室温、开放空气条件下于短时间内完成。所得无规共聚物由DODT之间的二硫键以及硫醇-烯迈克尔加成点击反应形成的β-硫酯单元构成。在DODT/二丙烯酸酯等摩尔投料比条件下，通过单步聚合反应即可获得二丙烯酸酯遥爪共聚物。P(DODT-co-PEGDA)共聚物的玻璃化转变温度（Tg）几乎恒定在?53 °C左右，而P(DODT-co-HDODA)共聚物的Tg则随HDODA含量的增加而降低。使用硫醇类还原剂（如2-巯基乙醇和二硫苏糖醇）进行还原降解，可通过二硫键-硫醇交换反应实现链断裂。经NaOH溶液处理后，β-硫酯单元发生水解而进一步降解。这些结果表明，这类新型共聚物在温和条件下可完全降解。该新工艺同时应用硫醇氧化与硫醇-烯反应，能够制备多种含硫端基的可降解共聚物，适用于广泛的前沿应用场景。

论文解读文章

一、研究背景与意义

含硫聚合物近年来受到广泛关注，因其兼具可回收性、储能器件应用（如锂硫电池）、生物材料、药物递送基质、自修复结构、金属离子吸附剂等多种功能特性。在众多含硫高分子中，主链或侧链含二硫键的聚合物是当前研究最为深入的类别之一，这主要归因于二硫键独特的动态氧化还原特性——可通过还原反应断裂，也可通过氧化反应由硫醇重新形成二硫键，这一性质可被广泛应用于多个领域。

制备含二硫键聚合物的方法包括二硫杂环戊烷的开环聚合、含二硫键单体的聚合、硫醇-二硫键交换反应以及双官能或多官能硫醇的氧化偶联等。Puskas等人曾报道以过氧化氢为氧化剂、碱为催化剂，在空气中对DODT等二硫醇进行氧化偶联，制备具有独特性能的含二硫键聚合物，并将该反应称为自由基开环氧化还原聚合（R3P）。

另一方面，由硫醇-烯点击反应形成的聚合物是另一类被广泛研究的含硫大分子。硫醇-烯迈克尔加成反应可由亲核试剂（通常为胺类碱）催化，碱使硫醇去质子化形成硫醇阴离子，后者与烯烃双键发生加成反应。利用双官能或多官能硫醇与丙烯酸酯，可通过硫醇-烯迈克尔加成点击反应制备多种聚(β-硫酯)或含β-硫酯结构单元的聚合物。Junkers等人报道了利用该点击聚合工艺合成聚(β-硫酯)，并证明了这些聚合物可通过强碱水解以及生物相关条件下降解。

然而，此前尚未有研究将硫醇氧化偶联形成二硫键与硫醇-烯迈克尔加成反应在同一反应体系中同时进行。本研究的创新之处在于，受硫醇氧化偶联与硫醇-烯迈克尔加成点击反应共同特征——均以碱作为催化剂——的启发，研究人员开发了一种新的一锅共聚工艺，在同一个反应介质中同时形成二硫键和β-硫酯键。该工艺以过氧化氢为氧化剂、PMDETA为共同碱性催化剂，在开放空气和室温节能条件下，将二丙烯酸酯共聚单体（PEGDA和HDODA）加入DODT的氧化聚合体系中，实现了两类反应的同时进行。该研究论文发表在《Polymers》期刊上。

二、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键表征技术：核磁共振氢谱（¹H NMR）用于确定共聚物的化学结构和组成，通过特征峰归属验证二硫键和β-硫酯键的形成以及端基结构；凝胶渗透色谱（GPC）用于测定共聚物的数均分子量（M_n）、峰值分子量（M_peak）和多分散系数（?），以聚乙二醇标准品进行校准；差示扫描量热法（DSC）用于测定共聚物的玻璃化转变温度（T_g）；傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）用于验证降解前后官能团的变化，特别是酯基羰基峰的消失和羧酸盐特征峰的出现。此外，研究人员还进行了共聚物在不同溶剂中的溶解性测试。

三、研究结果

3.1 通过两种同时进行的点击反应合成含二硫键和β-硫酯键的P(DODT-co-PEGDA)共聚物

研究人员以DODT和PEGDA为单体，在PMDETA碱催化剂和H₂O₂氧化剂存在下进行共聚反应，获得了产率40%至70%的聚合物。¹H NMR分析表明，产物中不存在硫醇（–SH）端基，但存在未反应的末端丙烯酸酯基团。谱图中除了与二硫键相邻的亚甲基质子三重峰（2.88 ppm）外，在2.82、2.72和2.64 ppm处出现三个面积相等的三重峰，归属于β-硫酯序列中–CH₂–S–CH₂–CH₂–CO–O–结构的亚甲基质子，证明硫醇-烯迈克尔加成反应的发生。GPC分析显示所有产物均为单峰分布，分散度在1.3–2.3范围内，且随DODT含量增加，分子量增大。当DODT/PEGDA等摩尔投料时，可获得丙烯酸酯遥爪共聚物，其M_n约为4.5 kg/mol。当DODT过量时，产物中检测不到丙烯酸酯双键，表明形成了大环共聚物。DSC测量显示共聚物仅存在一个玻璃化转变，T_g几乎不随DODT含量变化，保持在?53 °C左右，这归因于PEGDA和DODT单体单元中均含有环氧乙烷单元。溶解性测试表明，共聚物不溶于水和低级醇等极性溶剂，也不溶于正己烷和乙醚等非极性溶剂，但溶于丙酮、THF、丁酮、乙腈、DMF等聚酯类良溶剂。

3.2 通过同时形成二硫键和β-硫酯键制备P(DODT-co-HDODA)共聚物

研究人员将DODT与另一种丙烯酸酯单体HDODA在相同条件下进行共聚。¹H NMR谱图证实形成了具有丙烯酸酯端基、含二硫键和β-硫酯键的P(DODT-co-HDODA)共聚物，其结构类似于P(DODT-co-PEGDA)共聚物，仅以HDODA单元替代PEGDA链段。共聚物中DODT的实际含量高于投料比，且随着投料中DODT比例的增加，DODT的相对过量程度系统性降低。GPC分析显示共聚物为单峰分布，分子量随DODT含量增加而增大，分子量分布随DODT含量增加而变宽。与P(DODT-co-PEGDA)共聚物不同，P(DODT-co-HDODA)共聚物的T_g随DODT含量增加而升高，即随HDODA含量增加而降低，这归因于HDODA单体单元中的六亚甲基链段具有软化大分子的作用。这一发现可用于在约15 °C范围内设计具有预定T_g的共聚物。

3.3 通过顺序加料制备P(DODT-co-PEGDA)共聚物

研究人员考察了顺序加料对共聚物形成的影响。当按等摩尔比顺序同时加入DODT和PEGDA混合物时，¹H NMR谱图和GPC色谱图均显示共聚物的DODT含量、M_n和分散度均无明显变化，表明第二次加入的单体主要形成新的共聚物链，而非与第一次形成的丙烯酸酯遥爪共聚物发生链延伸或偶联。然而，当顺序加入的仅为DODT时，GPC色谱图发生显著位移，表明聚合物链发生延伸，即先前形成的丙烯酸酯遥爪共聚物通过硫醇阴离子发生偶联，这是因为体系中缺乏单体丙烯酸酯基团。该共聚物的¹H NMR谱图中既无丙烯酸酯峰也无游离–SH信号，表明形成了大环聚合物。第二次加入DODT和氧化剂后，GPC曲线未向高分子量方向显著移动，说明丙烯酸酯端基已在之前的DODT加入过程中被消耗于链偶联反应，同时体系中还形成了部分低分子量的PDODT均聚低聚物。

3.4 通过还原断裂和强碱水解实现共聚物的定向降解

研究人员利用硫醇对二硫键的还原断裂特性，对含最高DODT含量（90 mol%）的P(DODT-co-PEGDA)和P(DODT-co-HDODA)共聚物进行了2-巯基乙醇（2-ME）还原处理。GPC分析显示两种共聚物的曲线均向低分子量方向移动，证明共聚物中存在可发生还原性链断裂的二硫键。随后，研究人员选用含50 mol% DODT的P(DODT-co-PEGDA)共聚物（该组成更具应用前景）进行二硫苏糖醇（DTT）还原处理，GPC曲线同样向低分子量方向移动，证实二硫键的还原断裂。经DTT还原降解后的共聚物再用NaOH溶液处理，GPC曲线进一步向低分子量方向移动，表明β-硫酯单元发生了水解降解。FTIR光谱证实，酯基的羰基伸缩振动峰（1730 cm^?1）完全消失，同时在1570 cm^?1和1400 cm^?1处出现分别归属于羧酸盐和羧酸羟基的两个新峰。这些结果表明，通过硫醇和强碱的定向处理，可实现这类共聚物的高效、可预定的降解。

四、结论

研究人员首次成功实现了以H₂O₂为氧化剂的硫醇-硫醇氧化偶联形成二硫键反应与DODT和两种二丙烯酸酯（PEGDA和HDODA）之间的硫醇-烯迈克尔加成点击反应的同时进行，以PMDETA作为两种反应的共同碱性催化剂，获得了同时含有二硫键和β-硫酯键的共聚物。由此，在温和条件下——即在开放空气中、室温下、10–15分钟的较短反应时间内——合成了具有可调共聚物组成、具有氧化还原敏感性的P(DODT-co-PEGDA)和P(DODT-co-HDODA)共聚物。采用等摩尔的DODT/PEGDA投料比，无需额外的链端官能化过程即可直接获得丙烯酸酯遥爪共聚物。这些新型双官能丙烯酸酯端基共聚物可作为新型大分子构建单元，用于制备多种含硫聚合物结构，如具有其他官能团的聚合物、嵌段共聚物、网络和凝胶等。DSC实验表明，两类共聚物均具有?53 °C及以下的低T_g值，表明共聚物在室温下呈现类弹性体行为。用硫醇（如2-巯基乙醇和二硫苏糖醇）处理共聚物，可通过硫醇-二硫键交换氧化还原反应实现二硫键单元的断裂，表明这类共聚物可用于各种动态硫醇-二硫键过程。另一方面，用NaOH溶液成功实现了β-硫酯键的水解，获得低分子量产物。将这两种降解过程相结合——即通过还原断裂二硫键和通过水解断裂酯键——可实现这类新型P(DODT-co-二丙烯酸酯)共聚物的完全降解。总之，本研究报道的新型稳健、快速且温和的工艺，利用同一碱作为催化剂同时催化氧化性二硫键形成和硫醇-烯迈克尔加成点击反应，制备了新型可降解丙烯酸酯遥爪含硫共聚物，可广泛应用于多种前沿领域。