告别“脆弱”！一锅法合成强韧的可降解生物塑料！
骨架上带有立构中心的聚合物，其物理和机械性能很大程度上取决于其立构规整度。催化剂控制的立体选择性配位聚合反应，通常被用于由手性或前手性单体制备高性能的有规立构结晶聚合物材料。带有两个立体异构中心的单体通常需要事先被分离成不同的手性外消旋和非手性内消旋非对映异构体，这个过程既浪费了大量材料，分离和纯化过程也十分繁琐。
聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一类骨架带有立构中心的聚酯材料，可以由细菌和其他微生物从可再生资源中产生，在周围环境中甚至在海洋中都能够降解，与需工业处理的废旧塑料相比，PHA具有的生物可降解能力是十分吸引人的。然而，PHA的主要成员聚羟基丁酸酯（P3HB）脆性较大，同时微生物合成PHA的成本较高，难以满足实际的应用需求。
美国科罗拉多州立大学Eugene Y.X. Chen教授（2015年“美国总统绿色化学挑战奖”学术奖获得者）团队发现镧系催化剂可以依次聚合手性、非手性非对映异构体，从而制备具有更大延展性的聚羟基链烷酸酯；该催化剂可以直接从单体的非对映异构体混合物中选择性地合成共聚物，避免了费时费力的分离过程。相关工作以“Stereosequenced crystalline polyhydroxyalkanoates from diastereomeric monomer mixtures”为题，于2019年11月8日发表于Science期刊上，第一作者为Tang Xiaoyan。
合成路线假设
在研究工作中，Chen课题组开发了从八元环状丁交酯单体(8DLMe，Me指代8DL环上的甲基取代基)到PHA的合成路线，催化控制各种8DL单体的立体选择性聚合，形成了具有立体序列微结构的PHA，制得了具有高结晶度和延展性的PHA材料。如图1所示，研究人员首先假定，在手性中心控制的立构选择性聚合中，如果外消旋催化剂能分别将外消旋(rac)和内消旋(meso)8DLMe进行活性立体选择性聚合，分别形成等规(it)和间规(st)聚羟基丁酸酯（P3HB）上（图1A），同时对rac-8DLMe立体异构体之间存在高对映选择性，而对rac-8DLMe和meso-8DLMe之间则为高非对映选择性，因此非对映混合物的开环聚合可以得到结晶的等规和间规立体异构嵌段共聚物P3HB（it-sb-st-P3HB）（图1B）。在这样假定的聚合体系中，(R,R)催化剂将选择性地聚合(S,S)-8DLMe，而(S,S)催化剂将聚合(R,R)-8DLMe，当rac-8DLMe几乎被消耗完时，链的增长将过渡到meso-8DLMe的配位插入反应上，从而形成立体两嵌段P3HB。图1C为催化剂：1-3为外消旋钇(Y)配合物，4为镧(La)配合物。
图1非对映和对映选择性聚合
实验验证合成路线
随后，研究人员对非对映和对映选择性聚合的假设进行了验证。rac-8DLMe和meso-8DLMe以一锅法聚合的方式来合成等规和间规立体两嵌段P3HB，在rac/meso=1/1的聚合反应中，研究人员发现rac-8DLMe首先被快速消耗，30s内基本被完全消耗(> 97%)，此时才消耗了24% meso-8DLMe(图2A)。将反应延长至35分钟将导致meso-8DLMe接近完全(>98%)转化，生成最终的递变立体异构两嵌段P3HB（图1B）。
进一步的实验结果也验证了上述假设的链段结构。首先，动力学表明，在相同条件下，rac-8DLMe的聚合速率远高于meso-8DLMe（图2A），在共聚反应中单体转化率也显示出共聚单体形成长嵌段链段的趋势。其次，分离出的it-sb-st-P3HB为半结晶物质，存在两个结晶温度和两个熔融温度（图2B），符合结晶等规和间规结构嵌段聚合物的特征。第三，可以通过改变非对映异构体混合物的rac/meso-[8DLMe] / [3]以及催化剂种类来调整嵌段聚合物的性质（图2C）。第四，用粉末X射线衍射对其结晶结构进行了表征，递变立体异构两嵌段P3HB存在明显的等规和间规P3HB的晶体衍射峰。第五，使用基质辅助激光解吸/电离-飞行时间质谱法表征了低分子量样品的链和链段结构聚合物，验证了在rac-8DLMe完全转化后，meso-8DLMe完全转化之前，未发生酯交换副反应，因此应该形成递变立体异构两嵌段P3HB。第六，控制rac-8DLMe、 meso-8DLMe顺序加料进行开环聚合，制备了立体异构两嵌段it-P3HB-sb-st-P3HB。在开环聚合中， rac-8DLMe在2分钟内被完全消耗，产生it-P3HB嵌段；meso-8DLMe随后加入反应体系参与聚合，所得的立体异构嵌段聚合物表现出了较低的分散度，并且每种聚合物都具有两个Tm值（图2D）。相对于由rac/meso混合物直接进行开环聚合制备的立体递变it-sb-st-P3HB，通过这种顺序开环聚合的方式，立体异构两嵌段聚合物的两个Tm值明显更高（比较图2D与图2C）；研究人员将此差异归因于该立体异构两嵌段聚合物缺乏相关的立体递变连接部分，即将meso-8DLMe并入it-P3HB嵌段的部分。
图2.立体等规和间规嵌段聚合物形成依据
共聚物力学性能
为了探究立体嵌段微结构对机械性能的影响，研究人员对上述合成的立体嵌段聚合物P3HB样品进行了拉伸测试，应力应变曲线如图3A蓝色曲线所示，极限抗拉强度为9.7 MPa，杨氏模量为317MPa，断裂伸长率约为17%。相对于it-P3HB或it-P3HB-sb-st-P3HB，延展性提高了约6倍。在相同聚合条件下，由rac-8DLEt开环聚合制得的高度等规、结晶的聚3-羟基戊酸酯则非常脆，极限抗拉强度为9.6 MPa，杨氏模量为587 MPa，断裂伸长率为2.3%（图3A，黑色曲线）。将it-P3HB-sb-st-P3HB中的st-P3HB含量从50%降低到14%，断裂伸长率将从17%下降到2.9%，而极限抗拉强度和杨氏模量则分别增加到16.0 MPa和1.16 GPa（图3A中蓝色与红色曲线）。
为了进一步提高立体嵌段P3HB材料的韧性，将8DLMe的非对映外消旋或内消旋异构体与乙基取代的8DL的非对映异构体（8DLEt）共聚，合成了8DLMe/Et共聚物，即聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)（P3HBV）。研究人员假设，在适当的溶剂中，通过选择性催化剂进行的meso-8DLMe和rac-8DLEt共聚反应将形成递变立体嵌段共聚物，如图4A所示。研究人员以4/1的比例进行了meso-8DLMe和rac-8DLEt的共聚合，得到的梯度立体嵌段共聚物显示出了优异的机械性能，极限抗拉强度为24.1MPa，杨氏模量为169MPa，断裂伸长率可达到564%（图3B）。
图3立体嵌段聚合物的机械性能
递变立体嵌段共聚物合成路线
构造8DLMe/Et立体序列嵌段共聚物最方便和最挑战性的方法，便是将8DLMe/Et所有的非对映异构体直接共聚在一起。图4B根据rac-8DLMe>rac-8DLEt、meso-8DLMe>meso-8DLEt的反应趋势以及催化剂对rac单体的对映选择性和对rac/meso异构体的非对映选择性，概述了合成立体嵌段共聚物it-P3HBV-sb-st-P3HBV的假定方案，该结构由含等规P3HBV和间规P3HBV嵌段组成，在给定催化剂和溶剂条件下，可以通过调节rac-8DLEt与meso-8DLMe的相对反应性来实现。
图4不同8DL单体混合物的非对映异构体的立体嵌段共聚
小结
通过催化剂控制的非对映选择性聚合，可以将8DLR单体（R = Me, Et, n-Bu）的非对映异构体混合物直接聚合成具有可调节性能的PHA材料，仅需要改变催化剂、单体结构和起始rac/meso非对映体的比例。但是，若想实现大规模合成PHA材料，还必须解决两个难题：一是从廉价的结构单元开发8DLR单体，最理想的是实现PHA的解构或降解来得到单体；二是发现具有更大R基团的非对映异构体和对8DLR单体更具活性和选择性的催化剂，使立体测序的PHA具有更高的分子量和结晶度，从而达到更优异的机械性能。
相关链接：
https://science.sciencemag.org/content/366/6466/754.abstract
