CO2响应性L-脯氨酸基纳米反应器的构筑及其催化性能

靳雯，陈小丽，唐娱，李茹玉，申迎华，张凯

（太原理工大学化学化工学院，山西 太原 030024）

直接不对称Aldol反应是一种能生成C—C键的重要有机合成反应[1]。针对目前L-脯氨酸有机小分子催化剂催化直接不对称Aldol 反应时，存在用量大、需在有机溶剂中反应和难以回收[2]等难题，研究人员将L-脯氨酸固载在有机聚合物载体上，利用其自组装形成纳米反应器，为L-脯氨酸提供疏水微环境，以减少催化剂用量和实现水相催化[3-4]。进一步，引入智能响应性结构单元，通过外界刺激（如温度、pH和光等）对聚合物载体的自组装体结构进行调控以实现催化剂的简单回收[5-6]。

利用pH对组装体结构进行调控，在药物传输、催化和微反应器等方面具有广泛应用[7-8]。Del Prado等[9]研究了不同pH 对Aldol 反应性能的影响。本文作者课题组[10]前期探究了在不同pH 下聚合物自组装结构对Aldol 反应性能的影响。但上述研究在调控聚合物自组装结构时均不可逆地向体系中引入了磷酸盐，且未深入探究影响聚合物自组装结构的因素及自组装结构与催化性能的联系。

近年来，CO2作为一种特殊的pH 响应性刺激源，具有调控方便、绿色环保、不易引入杂质、在溶液中易扩散且易去除等优点，在调控聚合物自组装结构方面具有巨大的应用潜力[11-13]。基于此，本文采用可逆加成-断裂链转移（RAFT）分散聚合法制备了一系列固载L-脯氨酸CO2响应性聚合物。采用实验和模拟相结合的方法，通过调控甲基丙烯酸二乙氨基乙酯（DEA）含量，探究了亲疏水单体比例和序列结构对聚合物自组装结构的影响。最后考察了催化剂在水相催化直接不对称Aldol 反应中的催化性能。

1 材料和方法

1.1 材料

功能化L-脯氨酸（N-Boc-L-ProlA）和大分子链转移试剂（mPEG22-DDMAT），自制[14-15]；偶氮二异丁腈（AIBN）、乙醚，国药集团化学试剂有限公司；三氟乙酸、甲基丙烯酸苄酯（BnMA）、甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯（DEA）和对硝基苯甲醛，阿拉丁试剂有限公司；环己酮，天津市光复科技发展有限公司；乙醇、石油醚、乙酸乙酯和四氢呋喃（THF），科密欧试剂有限公司；去离子水，实验室自制（电阻率为16.50MΩ·cm）。

1.2 表征及测试

核磁共振氢谱（1H NMR），DPX400，德国Bruker 公司，聚合物或催化粗产物浓度20mg/mL，试剂氘代氯仿；X 射线光电子能谱（XPS），ESCALAB250，Thermo Fisher Scientific，取5mg 冷冻干燥处理后的聚合物粉末进行测试；凝胶渗透色谱仪（GPC），PL-GPC50，美国Agilent公司，流动相THF，标样窄分布聚苯乙烯，聚合物浓度2mg/mL；动态光散射粒度分析仪（DLS），ZS90，英国Malvern 公司，He-Ne 激光器（633nm）和90°散射角，聚合物浓度0.1mg/mL；透射电子显微镜（TEM），JEM-1011，日本电子公司，吸取聚合物浓度为1mg/mL的溶液1滴于铜网上，室温干燥24h后进行表征，使用Nano Measurer 软件选取50 个左右粒径进行统计；高效液相色谱（HPLC），Waters ACQUITY UPC，美国Waters 公司，OJ 手性柱，洗脱液20%（质量分数）甲醇，流速1.0mL/min；冷冻干燥机，Scientz-10N-E，宁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

图 1(a) 为 mPEG22-b-P[BnMAx-co-N-Boc-LProlAn]-b-PDEAy[N-Boc-PBL-b-PD-(DEA)m（m=0,1,2,3）]的合成步骤。[mPEG22-DDMAT]∶[BnMA]∶[N-Boc-L-ProlA]∶[DEA]摩 尔 比 为1∶200∶20∶100，将0.74g BnMA、121.90mg N-Boc-L-ProlA、28.70mg mPEG22-DDMAT 和0.69mg AIBN 用4.40mL乙醇/水混合溶剂（80∶20，体积比）溶解并通入N2除氧。70℃反应24h 后加入0.68g DEA 和1.04mg AIBN，70℃反应24h。乙醇透析，30℃真空干燥得到的白色粉末N-Boc-PBL-b-PD-(DEA)2。改变DEA 的 摩 尔 比[mPEG22-DDMAT]∶[BnMA]∶[NBoc-L-ProlA]:[DEA]=1:200:20:0、1:200:20:50 和1:200:20:200，重复上述步骤分别得到聚合物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]

如图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]摩尔比为1∶200∶20∶100， 将121.90mg N-Boc-LProlA、28.70mg mPEG22-DDMAT 和0.69mg AIBN 用4.40mL乙醇/水混合溶剂（80∶20,体积比）溶解并通入N2除氧。70℃反应24h 后加入0.74g BnMA、0.68g DEA 和1.04mg AIBN，70℃反应24h。乙醇透析，30℃真空干燥得到白色粉末，即N-Boc-PL-b-PBD。

1.5 聚合物脱保护

脱保护步骤见本文作者课题组前期研究工作[15]，得到PBL-b-PD-(DEA)m（m=0,1,2,3）和PLb-PBD。

1.6 耗散粒子动力学模拟

根据实验中聚合单体的投料比和聚合顺序构建粗粒化模型，采用耗散粒子动力学（DPD）对聚合物在中性和酸性条件下的自组装结构进行模拟。珠子总数35640 个，盒子体积100Å×100Å×100Å，珠子数密度为3，聚合物与水的体积比为1∶10，体系中一个水珠子代表5 个水分子，弹簧常数为3，模拟积分步长为0.05，耗散力常数为4.5，截断半径为6.5Å，模拟时间25万步[16]。

1.7 胶束的制备及催化Aldol反应

胶束的详细制备方法参见文献[7]，以PBL-b-PD-(DEA)2为例，具体如下：称量10.0mg PBL-b-PD-(DEA)2，加入1.0mL THF 溶解，滴加9.0mL 去离子水，室温搅拌2h，透析24h，将胶束定容至1.0mg/mL。将PBL-b-PD-(DEA)2胶束（摩尔分数10%，相对于对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，加入对硝基苯甲醛（23.2mg, 1.54×10-4mol）和环己酮（81.0µL,7.7×10-4mol），室温反应48h。反应结束后通入N2排出CO2（气体流速75mL/min，通气30min），用乙醚萃取产物，离心分离催化剂，合并有机相并旋蒸。以石油醚和乙酸乙酯（4∶1,体积比）作为洗脱剂，通过硅胶柱色谱纯化得到纯的Aldol 产物。1H NMR 测定粗产物的转化率（conv.）和非对映体过量（anti/syn），HPLC 测定纯产物的对映体过量值（ee）。

2 结果与讨论

2.1 聚合物的制备及结构表征

亲疏水单体比例[17]的精准调控是研究聚合物自组装结构和性能的关键。基于此，PBL-b-PD先将BnMA 和N-Boc-L-ProlA 对mPEG22-DDMAT 进行无规扩链，再将中间体N-Boc-PBL与DEA嵌段聚合，最后改变PBL-b-PD中DEA的投料量，制备了四种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链的化学结构。图2(a)是典型聚合物PBL-b-PD-(DEA)2在脱保护前的1H NMR，其中化学位移δ=7.18（e）处为PBnMA链段上苯环的氢，与苯环相连的CH2位于δ=4.88（d）处；δ=1.26 （h） 处是N-Boc-L-ProlA 的质子峰[COOC(CH3)3]；δ=3.60（c）和δ=1.30（a）处分别是聚合物主链上O—CH2与CH2的特征质子峰；δ=0.89（i）处为CH3，δ=2.61（g）处为PDEA 链段的质子峰[N—CH2]。脱保护的PBL-b-PD-(DEA)2[图2(b)]中位于h 处的特征质子峰消失，说明N-Boc-PBL-b-PD-(DEA)2中L-ProlA 的保护基团COOC(CH3)3已脱除，成为具有催化活性的亚胺基团。

图2 N-Boc-PBL-b-PD-(DEA)2(a)和PBL-b-PD-(DEA)2(b)的1H NMR图（溶剂为氘代氯仿）

表1 统计了由1H NMR 计算的四种PBL-b-PD中各结构单元的链节数（DP）和用GPC 测得的分子量分布系数（PDI）。可以看出，DEA 的DP 随投料增加而增加，说明通过控制DEA 投料量能有效改变聚合物的亲疏水单体比例；所制备聚合物的PDI 小，说明聚合物分子量分布均匀，RAFT 试剂对聚合起到了良好的控制作用[18]。

表1 四种PBL-b-PD和PL-b-PBD各结构单元的DP、聚合物的Mn和PDI

序列结构是影响聚合物自组装结构和性能的另一个关键因素[7]。因此，本文合成了与PBL-b-PD-(DEA)2序列结构不同的PL-b-PBD（表1）。将二者通入CO2自组装后的胶束溶液经冷冻干燥处理，通过XPS 对其表面化学组成进行了分析。PBL-b-PD-(DEA)2的XPS 分析结果如图3(a)所示，284.8eV处为C—C/C—H 峰，C—N 峰在286.0eV 处，C—O峰在286.7eV 处，C==O 峰在288.9eV 处；图3(b)是PL-b-PBD 的XPS 分析结果，291.7eV 处出现了PBnMA链段中苯环的π-π*峰，说明与前者的表面化学组成不同，即序列结构不同[8]。

图3 PBL-b-PD-(DEA)2和PL-b-PBD的C1s XPS谱图

2.2 聚合物自组装行为及结构

采用DLS分别对不同结构的聚合物在不同介质中的自组装行为进行了表征，粒径统计结果列于表2。随着DEA 含量增加，PBL-b-PD 在同一介质中的粒径依次增加。PBL-b-PD-(DEA)2在不同介质中的粒径如图4 所示，在乙醇∶水=80∶20（体积比）时该聚合物自组装形成的纳米反应器粒径最大，这是因为PDEA 和PBnMA 链段在乙醇与水的混合溶剂中伸展导致聚合物粒径较大。当聚合物在去离子水中时，PDEA 和PBnMA 链段疏水卷曲[18-19]，自组装形成的纳米反应器粒径最小，为42.7nm；当向PBL-b-PD-(DEA)2的去离子水中通入CO2后，仅PDEA 链段质子化亲水舒展，PBL-b-PD-(DEA)2粒径增大至144.3nm。在CO2水溶液和去离子水中，序列结构不同的PL-b-PBD粒径均大于PBL-b-PD-(DEA)2，这可能是PL-b-PBD 表层同时分布着亲疏水链段（图3），限制了聚合物的自组装。此外，采用TEM 对CO2水溶液中自组装后的PBL-b-PD-(DEA)2纳米反应器的形貌及大小进行了表征[图4(b)]。可以看出，组装后的纳米反应器呈现球形，平均粒径为(102±1.4)nm，该粒径小于DLS所测粒径，这是由于在TEM 制样过程中样品水分蒸发而导致聚合物链段收缩。

表2 PL-b-PBD和四种PBL-b-PD在不同介质中的粒径

采用DPD 模拟进一步对不同聚合物的自组装结构和催化性能之间的关系进行了研究（图5）。在中性条件下，PBL-b-PD结构中催化位点L-脯氨酸与BnMA 珠子构成纳米反应器的外层，疏水的DEA 珠子处于纳米反应器内部，这是由各单体珠子亲疏水性和单体的聚合顺序决定的。随着高分子链中DEA含量增加，纳米反应器外层变薄[图5(b)～(e)左下角剖面图]，为后续聚合物自组装结构的调控奠定了基础。图5(a)PL-b-PBD 由于聚合顺序不同，表层无序分布着三种珠子，不利于聚合物自组装。此外，探究了DEA 质子化后对聚合物的自组装结构的影响，以PBL-b-PD-(DEA)2为例，DEA质子化后亲水性增强分布在组装体外层，疏水珠子BnMA和催化位点L-脯氨酸珠子分布在内层，自组装结构与质子化前相比发生了反转[图5(f)]，有利于水相催化Aldol 反应。因此，亲疏水单体比例和聚合顺序对聚合物的自组装结构有较大的影响[19]并直接影响其后续催化Aldol反应的催化效率。

图5 不同聚合物的DPD模拟自组装结构图[左下角为对应结构的剖面图（水珠子均隐藏）]

2.3 纳米反应器催化Aldol反应

为考察催化剂自组装结构对催化性能的影响，将所制备的催化剂用于对硝基苯甲醛和环己酮间的不对称Aldol 反应。由表3 可知，在相同条件下，PL-b-PBD 和四种PBL-b-PD 比4-羟基-L-脯氨酸水相直接催化Aldol 反应的催化效率高，这与聚合物自组装成的纳米反应器能为疏水反应底物提供反应场所、实现L-脯氨酸催化位点的疏水活化有关。在CO2水溶液中，通过增加亲水性链段PDEA 的含量，将疏水链段PBnMA 和催化位点L-脯氨酸包裹，实现了对聚合物自组装结构的有效调控，催化活性和立体选择性也逐渐增强。其中，PBL-b-PD-(DEA)2具有最高的催化效率（图6），这是由于亲疏水嵌段比例合适，底物被吸引到纳米反应器内部与催化位点充分接触。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 链段更长，限制了疏水底物与催化剂之间的传质[10]。而PL-b-PBD 由于亲疏水链段同时分布在聚合物表层，自组装性能较差，不能为Aldol 反应提供稳定的反应场所，导致其催化效率较PBL-b-PD-(DEA)2的低。

表3 4-羟基-L-脯氨酸和各聚合物水相催化Aldol反应

图6 PBL-b-PD-(DEA)2催化产物1H NMR图（溶剂为氘代氯仿）

PBL-b-PD-(DEA)2在用量为10%（摩尔分数，相对于对硝基苯甲醛的聚合物上L-脯氨酸的量，下同）、室温反应48h 下的催化效率较高（转化率96%，anti/syn=93/7，94%ee），与Del Prado 等[9]的研究结果（催化剂用量为30%，室温反应24h，anti/syn=80/20，81%ee）相比，该催化剂在用量较少的情况下获得了较高的立体选择性，这与其自组装形成纳米反应器能在有限的反应空间内提高反应底物浓度有关[17]；另外，与本文作者课题组[10]前期的研究结果（催化剂用量为10%，室温反应24h，转化率92%，anti/syn=92/8，96%ee）相比，该催化剂不仅取得了类似的催化效果，且调控聚合物自组装的手段便利、环保、可逆。

3 结论

采用RAFT分散聚合法成功制备了一系列固载L-脯氨酸CO2响应性聚合物催化剂。通过实验和模拟结合的方法表明共聚物亲疏水单体比例和单体序列结构对聚合物的自组装结构有重要影响。该类型纳米反应器形成的疏水微区为水相催化Aldol 反应提供了良好的反应场所，其中DEA 与mPEG22-DDMAT 摩尔投料比为1∶100，在CO2刺激下内部由疏水链段PBnMA 和催化位点L-脯氨酸无规组成，外层分布着亲水链段PDEA的纳米反应器亲疏水单体比例和序列结构最佳，自组装结构较好，催化性能较高。该研究为固载L-脯氨酸纳米反应器的结构设计提供了思路。