分享一篇近期發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上的文章，題目為Radical Deamination of Primary Amines for Initiation of Controlled Polymerization。文章的通訊作者是來自康奈爾大學(xué)的Brett P. Fors教授。
可控自由基聚合（CRP）技術(shù)特別是可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合已經(jīng)廣泛應(yīng)用于聚合物的合成。與熱引發(fā)相比，光控RAFT可以實(shí)現(xiàn)更溫和的自由基生成條件，對(duì)聚合物鏈增長(zhǎng)也有更好的控制。此外，在RAFT聚合中使用光化學(xué)可以在以前難以引發(fā)的官能團(tuán)如C?H鍵和羧基中實(shí)現(xiàn)引發(fā)過程，從而合成新型的聚合物結(jié)構(gòu)，但目前還沒有關(guān)于伯胺α-碳的光引發(fā)的報(bào)道。伯胺在小分子、藥物和生物分子中含量豐富，是有潛力的聚合物接枝位點(diǎn)。本文中，作者利用光激發(fā)電子供體-受體（EDA）復(fù)合物選擇性生成自由基，直接從伯胺的α-碳引發(fā)RAFT聚合（圖1）。
圖1. 小分子、藥物和生物分子中的伯胺以及EDA復(fù)合物通過脫氨反應(yīng)引發(fā)RAFT聚合的設(shè)計(jì)
在作者采用的EDA復(fù)合物中，氨基衍生的Katritzky鹽為電子受體，二硫代氨基甲酸酯為電子供體。在可見光的條件下，單電子轉(zhuǎn)移（SET）和2,4,6-三苯基吡啶自由基脫氨可以在底物氨基的α-碳上生成烷基自由基，作為聚合的引發(fā)物種。同時(shí)，EDA復(fù)合物斷裂的副產(chǎn)物二硫自由基可以與增長(zhǎng)鏈末端結(jié)合，在原位形成大分子鏈轉(zhuǎn)移劑（CTA），從而實(shí)現(xiàn)RAFT聚合（圖2a）。
首先，作者以L-苯丙氨酸乙酯作為模型氨基酸引發(fā)劑進(jìn)行聚合研究。L-苯丙氨酸乙酯生成Katritzky鹽1a作為電子受體后與二硫代氨基甲酸酯電子供體2a結(jié)合，形成引發(fā)物種。在加入給體后，形成的EDA復(fù)合物的紫外-可見光譜顯示出吸光度的紅移特征（圖2b）。隨后作者將EDA復(fù)合物溶液與丙烯酸甲酯（MA）混合，用456 nm光照射，得到分子量為2.7 kg/mol的聚合物，分散度窄，實(shí)驗(yàn)分子量也與理論值相符，表明EDA復(fù)合物可以有效引發(fā)可控RAFT聚合（表1，entry 1）。當(dāng)NMP作為聚合溶劑時(shí)，隨著投料比升高，分散度變寬（表1，entry 2?4），因此作者將溶劑改為DMSO，此時(shí)分子量可以提高到120 kg/mol，同時(shí)分散度窄（表1，entry 5?10）。此外，該聚合方法對(duì)其他丙烯酸酯和酰胺單體也有效，如丙烯酸乙酯（EA）、丙烯酸芐酯（BnA）、N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）和2-羥乙基丙烯酸酯（HEA）（表1，entry 11?14）。
圖2. (a)伯胺的活化和自由基的形成；(b) 1a和2a形成的EDA復(fù)合物的紫外-可見光譜
表1. EDA-RAFT引發(fā)丙烯酸酯和酰胺單體聚合
接下來，作者研究了EDA-RAFT的動(dòng)力學(xué)行為是否與標(biāo)準(zhǔn)RAFT聚合的動(dòng)力學(xué)一致。MA隨時(shí)間的轉(zhuǎn)化率顯示鏈增長(zhǎng)的早期較快，偏離了標(biāo)準(zhǔn)RAFT聚合的一級(jí)動(dòng)力學(xué)（圖3a）。這是由于EDA-RAFT在低轉(zhuǎn)化率下具有更高的自由基濃度。隨著鏈增長(zhǎng)的繼續(xù)和EDA復(fù)合物的完全消耗，聚合平衡達(dá)到穩(wěn)態(tài)，符合標(biāo)準(zhǔn)RAFT聚合的動(dòng)力學(xué)行為。與標(biāo)準(zhǔn)RAFT聚合相一致，Mn隨轉(zhuǎn)化率線性增加，?均較窄（圖3b）。這說明在初期的偏離后，EDA-RAFT表現(xiàn)出可控自由基聚合的特征。當(dāng)作者對(duì)聚合進(jìn)行開/關(guān)照射切換時(shí)，可以觀察到聚合只在有光的情況下進(jìn)行，而在黑暗中沒有觀察到聚合，表明在EDA復(fù)合物完全消耗后，增長(zhǎng)的聚合物鏈與二硫代氨基甲酸酯形成的大分子CTA具有光引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑的行為（圖3c）。
圖3. EDA-RAFT的動(dòng)力學(xué)行為
基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者提出了EDA-RAFT的聚合機(jī)理（圖4）。在光照射下，EDA復(fù)合物迅速發(fā)生SET和2,4,6-三苯基吡啶的裂解，形成烷基自由基引發(fā)劑并引發(fā)聚合。引發(fā)后，聚合物繼續(xù)增長(zhǎng)，直到被二硫自由基封端，原位形成大分子CTA。作為光引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑的CTA可以光解釋放增長(zhǎng)自由基，增長(zhǎng)自由基可以與另一條二硫酯封端的聚合物鏈參與RAFT平衡，也可以與二硫自由基重新結(jié)合回到封端狀態(tài)。在反應(yīng)早期，由于EDA復(fù)合物的快速消耗和光引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑光解共同產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致自由基濃度較高，聚合速率高于標(biāo)準(zhǔn)RAFT。在EDA復(fù)合物被消耗后，自由基完全來源于光引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑光解，聚合呈現(xiàn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)。當(dāng)光刺激被移除時(shí)，轉(zhuǎn)化停止，聚合只有在繼續(xù)照射下才能繼續(xù)進(jìn)行。
圖4. EDA-RAFT的聚合機(jī)理
最后，作者探索了EDA-RAFT能否應(yīng)用于其他伯胺引發(fā)的聚合（圖5）。EDA-RAFT成功地引發(fā)了多種典型氨基酸衍生的Katritzky鹽的聚合（5a?f），得到的聚合物分子量與理論值相符，分散度窄，同時(shí)具有較高的鏈末端保真度。二肽衍生的Katritzky鹽也可以成功引發(fā)聚合（5g），表明EDA-RAFT可以適用于生物分子偶聯(lián)應(yīng)用。除了氨基酸酯外，α位為芐基和氰基的伯胺衍生的Katritzky鹽也成功地引發(fā)了聚合（5h、5i）。
圖5. EDA-RAFT引發(fā)的多種伯胺衍生的Katritzky鹽聚合
綜上所述，作者利用EDA復(fù)合物觸發(fā)自由基脫氨，從伯胺的α-碳引發(fā)可控的RAFT聚合。這種方法無需復(fù)雜的修飾和外加光催化劑，且適用于多種伯胺，為聚合物生物偶聯(lián)提供了新的改進(jìn)方案。
作者：SY
DOI: 10.1021/jacs.5c02493
Link: https://doi.org/10.1021/jacs.5c02493
