CO2響應(yīng)性L-脯氨酸基納米反應(yīng)器的構(gòu)筑及其催化性能

靳雯，陳小麗，唐娛，李茹玉，申迎華，張凱

（太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024）

直接不對稱Aldol反應(yīng)是一種能生成C—C鍵的重要有機(jī)合成反應(yīng)[1]。針對目前L-脯氨酸有機(jī)小分子催化劑催化直接不對稱Aldol 反應(yīng)時，存在用量大、需在有機(jī)溶劑中反應(yīng)和難以回收[2]等難題，研究人員將L-脯氨酸固載在有機(jī)聚合物載體上，利用其自組裝形成納米反應(yīng)器，為L-脯氨酸提供疏水微環(huán)境，以減少催化劑用量和實(shí)現(xiàn)水相催化[3-4]。進(jìn)一步，引入智能響應(yīng)性結(jié)構(gòu)單元，通過外界刺激（如溫度、pH和光等）對聚合物載體的自組裝體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控以實(shí)現(xiàn)催化劑的簡單回收[5-6]。

利用pH對組裝體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，在藥物傳輸、催化和微反應(yīng)器等方面具有廣泛應(yīng)用[7-8]。Del Prado等[9]研究了不同pH 對Aldol 反應(yīng)性能的影響。本文作者課題組[10]前期探究了在不同pH 下聚合物自組裝結(jié)構(gòu)對Aldol 反應(yīng)性能的影響。但上述研究在調(diào)控聚合物自組裝結(jié)構(gòu)時均不可逆地向體系中引入了磷酸鹽，且未深入探究影響聚合物自組裝結(jié)構(gòu)的因素及自組裝結(jié)構(gòu)與催化性能的聯(lián)系。

近年來，CO2作為一種特殊的pH 響應(yīng)性刺激源，具有調(diào)控方便、綠色環(huán)保、不易引入雜質(zhì)、在溶液中易擴(kuò)散且易去除等優(yōu)點(diǎn)，在調(diào)控聚合物自組裝結(jié)構(gòu)方面具有巨大的應(yīng)用潛力[11-13]?；诖?，本文采用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）分散聚合法制備了一系列固載L-脯氨酸CO2響應(yīng)性聚合物。采用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法，通過調(diào)控甲基丙烯酸二乙氨基乙酯（DEA）含量，探究了親疏水單體比例和序列結(jié)構(gòu)對聚合物自組裝結(jié)構(gòu)的影響。最后考察了催化劑在水相催化直接不對稱Aldol 反應(yīng)中的催化性能。

1 材料和方法

1.1 材料

功能化L-脯氨酸（N-Boc-L-ProlA）和大分子鏈轉(zhuǎn)移試劑（mPEG22-DDMAT），自制[14-15]；偶氮二異丁腈（AIBN）、乙醚，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；三氟乙酸、甲基丙烯酸芐酯（BnMA）、甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯（DEA）和對硝基苯甲醛，阿拉丁試劑有限公司；環(huán)己酮，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；乙醇、石油醚、乙酸乙酯和四氫呋喃（THF），科密歐試劑有限公司；去離子水，實(shí)驗(yàn)室自制（電阻率為16.50MΩ·cm）。

1.2 表征及測試

核磁共振氫譜（1H NMR），DPX400，德國Bruker 公司，聚合物或催化粗產(chǎn)物濃度20mg/mL，試劑氘代氯仿；X 射線光電子能譜（XPS），ESCALAB250，Thermo Fisher Scientific，取5mg 冷凍干燥處理后的聚合物粉末進(jìn)行測試；凝膠滲透色譜儀（GPC），PL-GPC50，美國Agilent公司，流動相THF，標(biāo)樣窄分布聚苯乙烯，聚合物濃度2mg/mL；動態(tài)光散射粒度分析儀（DLS），ZS90，英國Malvern 公司，He-Ne 激光器（633nm）和90°散射角，聚合物濃度0.1mg/mL；透射電子顯微鏡（TEM），JEM-1011，日本電子公司，吸取聚合物濃度為1mg/mL的溶液1滴于銅網(wǎng)上，室溫干燥24h后進(jìn)行表征，使用Nano Measurer 軟件選取50 個左右粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；高效液相色譜（HPLC），Waters ACQUITY UPC，美國Waters 公司，OJ 手性柱，洗脫液20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）甲醇，流速1.0mL/min；冷凍干燥機(jī)，Scientz-10N-E，寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 合成 mPEG22-b-P[BnMAx-co-N-Boc-LProlAn]-b-PDEAy

圖 1(a) 為 mPEG22-b-P[BnMAx-co-N-Boc-LProlAn]-b-PDEAy[N-Boc-PBL-b-PD-(DEA)m（m=0,1,2,3）]的合成步驟。[mPEG22-DDMAT]∶[BnMA]∶[N-Boc-L-ProlA]∶[DEA]摩 爾 比 為1∶200∶20∶100，將0.74g BnMA、121.90mg N-Boc-L-ProlA、28.70mg mPEG22-DDMAT 和0.69mg AIBN 用4.40mL乙醇/水混合溶劑（80∶20，體積比）溶解并通入N2除氧。70℃反應(yīng)24h 后加入0.68g DEA 和1.04mg AIBN，70℃反應(yīng)24h。乙醇透析，30℃真空干燥得到的白色粉末N-Boc-PBL-b-PD-(DEA)2。改變DEA 的 摩 爾 比[mPEG22-DDMAT]∶[BnMA]∶[NBoc-L-ProlA]:[DEA]=1:200:20:0、1:200:20:50 和1:200:20:200，重復(fù)上述步驟分別得到聚合物N-Boc-PBL-b-PD-(DEA)m（m=0,1,3）。

1.4 合 成 mPEG22-b-P(N-Boc-L-ProlA)-b-P[BnMA-co-PDEA]

如圖1(b)合成mPEG22-b-P(N-Boc-L-ProlA)-b-P[BnMA-co-PDEA] (N-Boc-PL-b-PBD)。[mPEG22-DDMAT]∶[BnMA]∶[N-Boc-L-ProlA]:[DEA]摩爾比為1∶200∶20∶100， 將121.90mg N-Boc-LProlA、28.70mg mPEG22-DDMAT 和0.69mg AIBN 用4.40mL乙醇/水混合溶劑（80∶20,體積比）溶解并通入N2除氧。70℃反應(yīng)24h 后加入0.74g BnMA、0.68g DEA 和1.04mg AIBN，70℃反應(yīng)24h。乙醇透析，30℃真空干燥得到白色粉末，即N-Boc-PL-b-PBD。

1.5 聚合物脫保護(hù)

脫保護(hù)步驟見本文作者課題組前期研究工作[15]，得到PBL-b-PD-(DEA)m（m=0,1,2,3）和PLb-PBD。

1.6 耗散粒子動力學(xué)模擬

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中聚合單體的投料比和聚合順序構(gòu)建粗?；Ｐ停捎煤纳⒘Ｗ觿恿W(xué)（DPD）對聚合物在中性和酸性條件下的自組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。珠子總數(shù)35640 個，盒子體積100?×100?×100?，珠子數(shù)密度為3，聚合物與水的體積比為1∶10，體系中一個水珠子代表5 個水分子，彈簧常數(shù)為3，模擬積分步長為0.05，耗散力常數(shù)為4.5，截?cái)喟霃綖?.5?，模擬時間25萬步[16]。

1.7 膠束的制備及催化Aldol反應(yīng)

膠束的詳細(xì)制備方法參見文獻(xiàn)[7]，以PBL-b-PD-(DEA)2為例，具體如下：稱量10.0mg PBL-b-PD-(DEA)2，加入1.0mL THF 溶解，滴加9.0mL 去離子水，室溫?cái)嚢?h，透析24h，將膠束定容至1.0mg/mL。將PBL-b-PD-(DEA)2膠束（摩爾分?jǐn)?shù)10%，相對于對硝基苯甲醛的聚合物上L-脯氨酸的量）分散于1.0mL CO2水溶液中，加入對硝基苯甲醛（23.2mg, 1.54×10-4mol）和環(huán)己酮（81.0μL,7.7×10-4mol），室溫反應(yīng)48h。反應(yīng)結(jié)束后通入N2排出CO2（氣體流速75mL/min，通氣30min），用乙醚萃取產(chǎn)物，離心分離催化劑，合并有機(jī)相并旋蒸。以石油醚和乙酸乙酯（4∶1,體積比）作為洗脫劑，通過硅膠柱色譜純化得到純的Aldol 產(chǎn)物。1H NMR 測定粗產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率（conv.）和非對映體過量（anti/syn），HPLC 測定純產(chǎn)物的對映體過量值（ee）。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物的制備及結(jié)構(gòu)表征

親疏水單體比例[17]的精準(zhǔn)調(diào)控是研究聚合物自組裝結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵?；诖耍琍BL-b-PD先將BnMA 和N-Boc-L-ProlA 對mPEG22-DDMAT 進(jìn)行無規(guī)擴(kuò)鏈，再將中間體N-Boc-PBL與DEA嵌段聚合，最后改變PBL-b-PD中DEA的投料量，制備了四種DEA 含量不同的PBL-b-PD-(DEA)m（m=0,1,2,3）。采用1H NMR 分析了各聚合物分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)。圖2(a)是典型聚合物PBL-b-PD-(DEA)2在脫保護(hù)前的1H NMR，其中化學(xué)位移δ=7.18（e）處為PBnMA鏈段上苯環(huán)的氫，與苯環(huán)相連的CH2位于δ=4.88（d）處；δ=1.26 （h） 處是N-Boc-L-ProlA 的質(zhì)子峰[COOC(CH3)3]；δ=3.60（c）和δ=1.30（a）處分別是聚合物主鏈上O—CH2與CH2的特征質(zhì)子峰；δ=0.89（i）處為CH3，δ=2.61（g）處為PDEA 鏈段的質(zhì)子峰[N—CH2]。脫保護(hù)的PBL-b-PD-(DEA)2[圖2(b)]中位于h 處的特征質(zhì)子峰消失，說明N-Boc-PBL-b-PD-(DEA)2中L-ProlA 的保護(hù)基團(tuán)COOC(CH3)3已脫除，成為具有催化活性的亞胺基團(tuán)。

圖2 N-Boc-PBL-b-PD-(DEA)2(a)和PBL-b-PD-(DEA)2(b)的1H NMR圖（溶劑為氘代氯仿）

表1 統(tǒng)計(jì)了由1H NMR 計(jì)算的四種PBL-b-PD中各結(jié)構(gòu)單元的鏈節(jié)數(shù)（DP）和用GPC 測得的分子量分布系數(shù)（PDI）。可以看出，DEA 的DP 隨投料增加而增加，說明通過控制DEA 投料量能有效改變聚合物的親疏水單體比例；所制備聚合物的PDI 小，說明聚合物分子量分布均勻，RAFT 試劑對聚合起到了良好的控制作用[18]。

表1 四種PBL-b-PD和PL-b-PBD各結(jié)構(gòu)單元的DP、聚合物的Mn和PDI

序列結(jié)構(gòu)是影響聚合物自組裝結(jié)構(gòu)和性能的另一個關(guān)鍵因素[7]。因此，本文合成了與PBL-b-PD-(DEA)2序列結(jié)構(gòu)不同的PL-b-PBD（表1）。將二者通入CO2自組裝后的膠束溶液經(jīng)冷凍干燥處理，通過XPS 對其表面化學(xué)組成進(jìn)行了分析。PBL-b-PD-(DEA)2的XPS 分析結(jié)果如圖3(a)所示，284.8eV處為C—C/C—H 峰，C—N 峰在286.0eV 處，C—O峰在286.7eV 處，C==O 峰在288.9eV 處；圖3(b)是PL-b-PBD 的XPS 分析結(jié)果，291.7eV 處出現(xiàn)了PBnMA鏈段中苯環(huán)的π-π*峰，說明與前者的表面化學(xué)組成不同，即序列結(jié)構(gòu)不同[8]。

圖3 PBL-b-PD-(DEA)2和PL-b-PBD的C1s XPS譜圖

2.2 聚合物自組裝行為及結(jié)構(gòu)

采用DLS分別對不同結(jié)構(gòu)的聚合物在不同介質(zhì)中的自組裝行為進(jìn)行了表征，粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表2。隨著DEA 含量增加，PBL-b-PD 在同一介質(zhì)中的粒徑依次增加。PBL-b-PD-(DEA)2在不同介質(zhì)中的粒徑如圖4 所示，在乙醇∶水=80∶20（體積比）時該聚合物自組裝形成的納米反應(yīng)器粒徑最大，這是因?yàn)镻DEA 和PBnMA 鏈段在乙醇與水的混合溶劑中伸展導(dǎo)致聚合物粒徑較大。當(dāng)聚合物在去離子水中時，PDEA 和PBnMA 鏈段疏水卷曲[18-19]，自組裝形成的納米反應(yīng)器粒徑最小，為42.7nm；當(dāng)向PBL-b-PD-(DEA)2的去離子水中通入CO2后，僅PDEA 鏈段質(zhì)子化親水舒展，PBL-b-PD-(DEA)2粒徑增大至144.3nm。在CO2水溶液和去離子水中，序列結(jié)構(gòu)不同的PL-b-PBD粒徑均大于PBL-b-PD-(DEA)2，這可能是PL-b-PBD 表層同時分布著親疏水鏈段（圖3），限制了聚合物的自組裝。此外，采用TEM 對CO2水溶液中自組裝后的PBL-b-PD-(DEA)2納米反應(yīng)器的形貌及大小進(jìn)行了表征[圖4(b)]?？梢钥闯?，組裝后的納米反應(yīng)器呈現(xiàn)球形，平均粒徑為(102±1.4)nm，該粒徑小于DLS所測粒徑，這是由于在TEM 制樣過程中樣品水分蒸發(fā)而導(dǎo)致聚合物鏈段收縮。

表2 PL-b-PBD和四種PBL-b-PD在不同介質(zhì)中的粒徑

采用DPD 模擬進(jìn)一步對不同聚合物的自組裝結(jié)構(gòu)和催化性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究（圖5）。在中性條件下，PBL-b-PD結(jié)構(gòu)中催化位點(diǎn)L-脯氨酸與BnMA 珠子構(gòu)成納米反應(yīng)器的外層，疏水的DEA 珠子處于納米反應(yīng)器內(nèi)部，這是由各單體珠子親疏水性和單體的聚合順序決定的。隨著高分子鏈中DEA含量增加，納米反應(yīng)器外層變薄[圖5(b)～(e)左下角剖面圖]，為后續(xù)聚合物自組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。圖5(a)PL-b-PBD 由于聚合順序不同，表層無序分布著三種珠子，不利于聚合物自組裝。此外，探究了DEA 質(zhì)子化后對聚合物的自組裝結(jié)構(gòu)的影響，以PBL-b-PD-(DEA)2為例，DEA質(zhì)子化后親水性增強(qiáng)分布在組裝體外層，疏水珠子BnMA和催化位點(diǎn)L-脯氨酸珠子分布在內(nèi)層，自組裝結(jié)構(gòu)與質(zhì)子化前相比發(fā)生了反轉(zhuǎn)[圖5(f)]，有利于水相催化Aldol 反應(yīng)。因此，親疏水單體比例和聚合順序?qū)酆衔锏淖越M裝結(jié)構(gòu)有較大的影響[19]并直接影響其后續(xù)催化Aldol反應(yīng)的催化效率。

圖5 不同聚合物的DPD模擬自組裝結(jié)構(gòu)圖[左下角為對應(yīng)結(jié)構(gòu)的剖面圖（水珠子均隱藏）]

2.3 納米反應(yīng)器催化Aldol反應(yīng)

為考察催化劑自組裝結(jié)構(gòu)對催化性能的影響，將所制備的催化劑用于對硝基苯甲醛和環(huán)己酮間的不對稱Aldol 反應(yīng)。由表3 可知，在相同條件下，PL-b-PBD 和四種PBL-b-PD 比4-羥基-L-脯氨酸水相直接催化Aldol 反應(yīng)的催化效率高，這與聚合物自組裝成的納米反應(yīng)器能為疏水反應(yīng)底物提供反應(yīng)場所、實(shí)現(xiàn)L-脯氨酸催化位點(diǎn)的疏水活化有關(guān)。在CO2水溶液中，通過增加親水性鏈段PDEA 的含量，將疏水鏈段PBnMA 和催化位點(diǎn)L-脯氨酸包裹，實(shí)現(xiàn)了對聚合物自組裝結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控，催化活性和立體選擇性也逐漸增強(qiáng)。其中，PBL-b-PD-(DEA)2具有最高的催化效率（圖6），這是由于親疏水嵌段比例合適，底物被吸引到納米反應(yīng)器內(nèi)部與催化位點(diǎn)充分接觸。PBL-b-PD-(DEA)3的催化效率略低于PBL-b-PD-(DEA)2，可能是由于PBL-b-PD-(DEA)3的PDEA 鏈段更長，限制了疏水底物與催化劑之間的傳質(zhì)[10]。而PL-b-PBD 由于親疏水鏈段同時分布在聚合物表層，自組裝性能較差，不能為Aldol 反應(yīng)提供穩(wěn)定的反應(yīng)場所，導(dǎo)致其催化效率較PBL-b-PD-(DEA)2的低。

表3 4-羥基-L-脯氨酸和各聚合物水相催化Aldol反應(yīng)

圖6 PBL-b-PD-(DEA)2催化產(chǎn)物1H NMR圖（溶劑為氘代氯仿）

PBL-b-PD-(DEA)2在用量為10%（摩爾分?jǐn)?shù)，相對于對硝基苯甲醛的聚合物上L-脯氨酸的量，下同）、室溫反應(yīng)48h 下的催化效率較高（轉(zhuǎn)化率96%，anti/syn=93/7，94%ee），與Del Prado 等[9]的研究結(jié)果（催化劑用量為30%，室溫反應(yīng)24h，anti/syn=80/20，81%ee）相比，該催化劑在用量較少的情況下獲得了較高的立體選擇性，這與其自組裝形成納米反應(yīng)器能在有限的反應(yīng)空間內(nèi)提高反應(yīng)底物濃度有關(guān)[17]；另外，與本文作者課題組[10]前期的研究結(jié)果（催化劑用量為10%，室溫反應(yīng)24h，轉(zhuǎn)化率92%，anti/syn=92/8，96%ee）相比，該催化劑不僅取得了類似的催化效果，且調(diào)控聚合物自組裝的手段便利、環(huán)保、可逆。

3 結(jié)論

采用RAFT分散聚合法成功制備了一系列固載L-脯氨酸CO2響應(yīng)性聚合物催化劑。通過實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)合的方法表明共聚物親疏水單體比例和單體序列結(jié)構(gòu)對聚合物的自組裝結(jié)構(gòu)有重要影響。該類型納米反應(yīng)器形成的疏水微區(qū)為水相催化Aldol 反應(yīng)提供了良好的反應(yīng)場所，其中DEA 與mPEG22-DDMAT 摩爾投料比為1∶100，在CO2刺激下內(nèi)部由疏水鏈段PBnMA 和催化位點(diǎn)L-脯氨酸無規(guī)組成，外層分布著親水鏈段PDEA的納米反應(yīng)器親疏水單體比例和序列結(jié)構(gòu)最佳，自組裝結(jié)構(gòu)較好，催化性能較高。該研究為固載L-脯氨酸納米反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了思路。