近日，菠菜导航材料科学与工程学院刘润辉教授课题组报道了N-羧基环内酸酐（NCA）开环聚合的新型阳离子催化策略，同时实现快速、可控聚合制备多肽聚合物。相关成果以“Single-Center Trifunctional Organocatalyst EnablesFast and Controlled Polymerization on N-Carboxyanhydride”为题发表在ACS Central Science（DOI：10.1021/acscentsci.4c01346）。
多肽聚合物广泛应用于抗菌、药物与基因递送、组织工程等领域，是一类重要的生物材料。伯胺引发NCA开环聚合一直是制备多肽聚合物的经典方法，具有原料来源广泛、结构多样等优点，但存在反应速率慢、对水分敏感、可控性差及难以合成高分子量多肽聚合物等问题。传统催化剂难以同时兼顾快速与可控聚合，且多依赖于氢键作用，其分子间与分子内氢键可能干扰催化效果。为了解决上述问题，我们迫切需要探索一种新的催化策略，以同时实现快速和可控的NCA聚合。
菠菜导航刘润辉教授课题组长期致力于解决多肽聚合物合成的核心问题和挑战，在前期研究中首次建立了对水分耐受、超快速NCA聚合新方法，可在敞口容器中高效制备多肽聚合物（Nat. Protoc. 2024; Angew. Chem. Int. Ed. 2021; Nat.Commun. 2018; Chin. Chem. Lett. 2021）。受阳离子-偶极相互作用启发，该课题组近期提出了一种“单中心，三功能”的阳离子催化新策略，可通过阳离子-偶极相互作用和非典型氢键作用同时实现快速和可控的NCA聚合，彻底解决了伯胺聚合体系的难题。该催化策略可快速合成分子量可控（DP = 20~500）、分散性窄的多肽聚合物，将反应时间从数天缩短至几小时内，显著提高聚合速度。该催化策略具有普适性，对于不同类型的伯胺引发剂、多种NCA单体及不同的溶剂体系，均能实现快速、可控聚合（均聚或共聚），制备不同功能性端基、拓扑结构的多肽聚合物。机理研究表明，阳离子催化剂展现出“单中心，三功能”，可通过阳离子-偶极作用或非典型氢键作用活化NCA单体、适度钝化伯胺活性中心、加速氨基甲酸中间体脱羧，从而在加快聚合速度的同时增强可控性。值得一提的是，阳离子催化剂可回收性能优异，五次循环回收后仍保持高效的催化活性。阳离子催化策略展现出高效的催化活性和普适性，有望为聚合新催化剂的结构设计提供新思路。
菠菜导航材料科学与工程学院博士生陈康是该论文的第一作者，武月铭特聘副研究员和刘润辉教授是该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部等基金的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.4c01346