北理工Acc. Chem. Res.綜述：功能化異腈基聚合物

【背景介紹】

基于異腈的反應的研究最早可以追溯到上世紀二十年代，但直到目前的基于異腈反應構筑的聚合物（IBPs）卻十分稀缺。這其中主要的原因是缺乏高效的聚合方法，限制了IBPs的大規模制備和應用。雖然基于現代有機化學能夠開發功能化IBPs，但利用小分子異腈反應制備IBPs依然面臨挑戰。而對于新型催化劑和聚合方法的出現，近年來越來越多的IBPs被成功合成出來。這其中，主要有兩種異腈單體可被用于構建IBPs，分別是可在線性聚合物鏈上引入功能化側基的單異腈單體和可用于構建雜環、螺環聚合物的雙異腈單體。通過合理的結構設計實現具有功能的聚合物，可為IBPs的發展開辟道路。

【成果簡介】

近期，北京理工大學的蔡政旭和董宇平等人發表了有關功能化異腈基聚合物的綜述文章。在這篇綜述中，作者首先介紹了在異腈單體設計及其相關領域的研究進展和本實驗室的研究成果。隨后，通過選取典型案例，探討了功能化聚合物的特征性能和潛在應用。特別是在光學領域，發現紫外光敏感的IBPs在光刻技術方面具有應用前景。而一鍋法高效實現雙異腈和二氧化碳的聚合則為二氧化碳的再利用，為緩解溫室效應提供了新的思路。此外，通過結構改性，含有二甲苯的IBPs能夠表現出黑色材料的特點，可用于制造熱電傳感器、熱探測器等。在最近的研究中，作者所在的課題組還合成了具有簇發光性能的螺雜環IBP，可特異性對腫瘤細胞的識別和殺傷。通過總結這些最新研究成果，為基于異腈化學的聚合方法能夠為實現多樣功能化大分子及其材料提供新的思路。研究成果以題為“Functional Isocyanide-Based Polymers”發布在國際著名綜述期刊Acc. Chem. Res.上。

異腈化學

作者首先介紹了異腈單體在合成化學中的重要作用，由于異氰基團的高反應性賦予了異氰化物有能力參與多種類型的分子反應，包括α-加成，配位和自由基反應等，成功構建了一系列小分子功能性化合物。

圖1. 異腈參與的化學反應

基于單異氰化物單體的聚合

基于小分子異腈的高反應性，將異腈單體引入到聚合反應中。通過對催化劑的不斷優化，實現從金屬催化到無金屬催化，通過自聚構建功能性螺旋狀聚合物。

圖2. 聚合物P1-P6，共聚物PX的合成策略和分子結構

基于雙異腈單體的多組分聚合

通過無金屬催化一鍋法實現多組分聚合，將雙異腈與內炔酯形成的活性離子中間體與不同的第三組分反應，成功構建了雜環和螺環聚合物。這種通過非環化合物構建環化聚合物具有高原子利用率，其中多組分螺化聚合是該團隊首次提出并繼續發展的新課題。

圖3.基于雙異腈單體多組分聚合

基于雙異腈與內炔酯，雙醛的反應(a)。通過對三個單體的底物拓展，構建了多種呋喃聚合物。基于雙醛的結構，作者又將活化雙酮作為第三組分，成功得到異呋喃聚合物。通過對底物的拓展，構建了多種取代基異呋喃聚合物。提出了一類新型的多組分聚合反應-多組分螺化聚合 (multicomponent spiropolymerization，MCS)。將多組分的非螺環單體通過一步反應，得到含螺環結構聚合物的反應定義為多組分螺化聚合。作者將CO₂作為第三組分引入聚合實現螺環聚合物的構建。基于上述螺環聚合物的工作，進一步將苯甲酰基異硫氰酸酯作為第三組分引入螺環聚合中

折射率

折射率作為聚合物材料的一個重要物理性質。而對聚呋喃胺(P7m)，在632.8 nm處的RI值為n = 1.680，遠高于商用光學聚合物材料，為后續這類聚合物光學的研究提供了一個更好的發展。

黑材料性質

黑材料因其具有高的吸收光的性質，被廣泛應用在熱釋電傳感器，熱探測器，光學儀器等。與小分子黑色材料相比，聚合物黑色材料具有更好的加工性能。聚合物P7e, P7f顯示出黑色外觀。對于所有薄膜，該聚合物的透射率從700 nm到200 nm逐漸降低，表明聚合物在可見光區域(200-700nm)具有較低的透射率，具有黑材料的性質。

圖4. (a) P7f的透射光譜；(b) P7a (CCDC-1854434) 結構單元的晶體結構

旋光性

通過單異腈與手性基團聚合構建了螺旋構象聚合物，表現出良好的光學性質。a顯示了分別含有M4和M5單元的一對聚合物的圓二色性(CD)光譜。在364 nm處觀察到一致的正負效應，顯示P5c和P4c相反的單手螺旋。作者同樣還顯示了非手性M3與手性M4或M5在不同M4/M5/M3摩爾比下的螺旋選擇性無規共聚，產生了一系列不同程度的單手螺旋構象的P5Xc和P6Xc聚合物。隨著手性單體比例的增加，CD光譜中觀察到的單手性螺旋構象的程度也相應增加，說明共聚物中的M4/M5序列可以誘導非手性M3的螺旋構象生成光學活性共聚物。

生物學探針

螺環結構和雜原子組成的螺環體聚合物具有較高的生物活性以及熱穩定性和化學穩定性，可作為藥物載體和蛋白質抑制劑的功能材料。發現具有CTE性質的P11聚合物可以用作p53-MDM2抑制劑以及用于癌細胞靶成像。體外實驗和分子對接均表明MDM2與P11存在穩定的相互作用，從而導致P11的熒光增強。

圖5. (a) 用不同濃度的MDM2處理的P11的相對熒光強度；(b) P11(三聚物)和MDM2蛋白的對接研究

由于MDM2在癌細胞中過表達，P11與MDM2的相互作用可作為癌細胞示蹤劑來區分癌細胞與正常細胞。所有用P11孵育的癌細胞都表現出明亮的熒光，而非癌細胞只表現出微弱的熒光。還發現該聚合物P11與MDM2相互作用可使p53重新激活，在癌細胞中產生ROS，最終導致癌細胞凋亡，但對非癌細胞沒有明顯的細胞毒性。因此，螺環聚合物作為一種新型的癌癥藥物支架具有巨大的潛力。

圖6. 不同細胞系的共聚焦激光掃描顯微圖像 (a-g) 腫瘤細胞；(h-j)正常細胞

【總結】

具有明確結構、獨特性能的新型IBPs的設計和合成是一項需要對合成方法和功能基團引入進行協同思考的挑戰。目前，為了發展IBPs，研究人員仍然需要探索新型催化劑和合成方法。例如，對于單異腈基聚合來說，單體的獲得更加容易，然而毒性大、不穩定的單異腈卻也阻礙著聚合物的規模化工業制備。此外，建立明確的結構-功能關系并進一步拓展應用范圍，也是IBPs如今面臨的重要問題。作者所在的課題組也會在未來的研究中繼續致力于合成功能化IBPs，并且基于此類聚合物開發拓展更多特定應用。

文獻鏈接：Functional Isocyanide-Based Polymers. Acc. Chem. Res., 2020, DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00514

通訊作者簡介：

蔡政旭，2005年至2009年就讀于武漢大學化學專業。2014年在中科院化學研究所獲得有機化學博士學位。之后，他在芝加哥大學從事博士后研究。他現在是北京理工大學的副教授。目前主要從事純有機室溫磷光材料開發及功能聚合物的合成和應用。

董宇平，1986年在吉林大學獲得化學學士學位，1992年在浙江大學獲得高分子科學博士學位。1992年至1994年在北京大學從事博士后研究。他從1994年起擔任北京理工大學副教授，從2001年起擔任教授。目前主要從事三鍵聚合物的合成及聚集誘導發光材料開發和應用。2017年獲國家自然科學一等獎。

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