今天给大家介绍的文章是最近发表在Macromolecules上的Poly(4-ketovalerolactone) from Levulinic Acid: Synthesis and Hydrolytic Degradation，文章的通讯作者是我们曾经介绍过的明尼苏达大学的Thomas R. Hoye教授。

本文报道了一种合成方法，通过乙酰丙酸（LA）合成4-羰基戊内酯（KVL），进一步通过开环酯交换聚合（ROTEP）制备聚（4-羰基戊内酯）（PKVL）。作者进行该课题的灵感来源于以下三点，分别是：（i）LA是一种简单易得、成本低廉的植物来源生物质，在调味料、增塑剂、生物燃料、树脂、聚合物等领域有广泛应用；（ii）前人已经有众多具有参考性的、环状内酯单体开环聚合制备聚酯的报导；（iii）有望合成一类新的生物来源可降解高分子材料。

KVL的合成在前人的文献中有过报导，除了作为反应副产物生成外，更通用的方法是由LA溴化后获得。前人通过筛选溶剂等反应条件，能够改变在3-位与5-位的溴化产物的比例，作者最终采用如图1a所示的溴·脲络合物，以2:1的比例得到5-溴LA与3-溴LA，以及少量多溴代产物。在三乙胺条件下，5-溴代LA的羧酸根负离子进行亲核取代反应，实现分子内环化，获得KVL，分离纯化后的产率为40%。

图1 KVL合成与聚合关键反应条件示意图

对KVL的聚合，作者首先尝试了2-乙基己酸锡(II)作为KVL进行ROTEP的催化剂，然而效果并不好，¹H NMR显示产物成分复杂。随后作者采用Brønsted酸进行催化。在氘代氯仿（CDCl₃）溶剂中，若采用三氟乙酸（TFA）催化，体系中除单体、聚合物外，还观察到其他新物质。随后考虑到二苯基磷酸（(PhO)₂PO₂H，DPP）在其他ROTEP反应中表现出的良好催化性能，作者在此也对其进行了尝试，聚合结果显示催化效果很理想（图1b）。在CDCl₃中以苄醇（BnOH）为引发剂，在70 ^oC进行本体聚合（KVL熔点T_m/KVL = 48-51 ^oC），反应单体具有高转化率。聚合物分子量受限于高分子产物在本体以及在普通有机溶剂中的溶解度。对分子量为3.3 kg mol^-1的样品进行差示扫描量热（DSC）实验（图2），结果表明作者获得的材料为半晶型聚合物，其热学性能与其他常见聚酯材料，如聚（ε-己内酯）、聚（δ-戊内酯）、聚（β-丙内酯），以及聚乳酸（PLA）与聚丙交酯（PGA）等相当。

图2 分子量3.3 kg mol^-1 PKVL样品的DSC曲线

作者在CDCl₃体系中分别进行引发剂BnOH与单体KVL等当量及1:5当量投料的反应，通过¹H NMR对聚合反应的链引发与链增长之间的相对反应速率进行比较。结果显示，在等当量反应中，KVL以高转化率被开环，估算该步反应的t_1/2 = 1 h。因而在随后的1:5当量反应中，作者在约3 t_1/2的时间范围内仅观察到极少量寡聚物的存在，从而定性证明了Brønsted酸催化条件下该反应中的链引发显著快于链增长。作者认为这主要是因为链末端羟基受羰基影响从而降低了亲核性。

作者同样采用有机碱TBD作为碱性ROTEP催化剂，在CDCl₃中进行了聚合实验。结果表明，碱性条件下该反应同样能达到90%的高转化率，但聚合速率显著慢于DPP催化体系。

作者将KVL与δ-戊内酯（VL）进行共聚。调整两种单体的投料比获得如图3所示的一系列化合物，其中简单的定性实验显示此条件下两种单体的引发速率约为2:1，KVL的开环速率略低。最终得到产物中的两种单体均有较理想转化率。

图3 PKVL-co-PVL不同比例聚合

对上述一系列化合物进行热学表征，显示KVL单元占比越大，获得聚酯的T_g与T_m越高（表1）。该现象可解释为KVL的极性高于VL。由此，作者实现了通过调节聚酯组分来调节材料热学性能。

表1 不同比例PKVL-co-PVL热学参数

此外，在KVL合成过程中调整溶剂条件，则主要产物为3-溴代LA。若以此进行环化，则将生成另外一种内酯单体4-乙酰基-β-丙内酯（APL）（图4a）。采用与制备PKVL相同的条件进行聚合，同样获得一系列聚合物（图4b），且聚合物侧链上的乙酰基使之在大多数有机溶剂中具有相当的溶解度。但该单体进行聚合的可控性不如KVL。

图4 APL合成与聚合

对获得的PKVL进行水解降解，作者发现在酸性与碱性条件下，水解降解的速率与产物均有不同。在过量NaOH条件下PKVL将在5分钟内快速完成水解生成对应羧酸；在盐酸条件下PKVL降解速率显著更慢，但同样有高降解转化率；中性条件的降解速率与酸性条件下接近。

通过对产物进行¹H NMR表征，作者确定了各条件下主要水解降解产物的结构，并由此对降解机理进行了分析（图5）。其中在酸性及中性条件下，降解发生机理为链末端的逐步回咬过程；而在碱性条件下，降解从链中各个位置发生。并且容易理解的是，碱性条件下的降解速率与pH紧密相关，例如在其他溶剂相同条件下，将NaOH换为Na₂CO₃，降解速率将显著降低。

图5 （a）碱性条件下从PKVL链中发生断裂；（b）酸性及中性条件下发生链末端的回咬

在酸性条件下，实际上降解并不彻底，最后得到的体系是分子量减小的聚合物与小分子的混合物。并且表征发现，生成的小分子产物中不仅有水解产生的单体与酸，还有一个新产物5-羟基乙酰丙酸双内酯（5-HLADL）（图6），这也与先前对聚合的研究中观察到的现象相呼应。文献调研显示5-HLADL为一天然产物，1891年首次被报道，源于羟基乙酰丙酸脱水的产物。由此可见，在降解体系中平衡的存在导致在合适的条件下，无论从单体还是聚合物出发，最终都将得到相同的产物。作者在此将该条件选定为CDCl₃:HFIP = 10:1，最终达到平衡后的的几种物质当量比约为5-HLADL:PKVL:KVL = 4:5:1。这也是罕见的通过聚合物降解直接得到较复杂结构天然产物的案例。

图6 KVL，PKVL及螺环天然产物在酸性条件下的平衡

另外，APL与PAPL的降解条件及现象与KVL系列实验类似。

综上所述，作者报道了通过ROTEP合成聚酯PKVL的新方法，该方法的原料来源为植物生物质，生成的高分子产物的热学性能与常见的多种聚酯材料相当，能够在不同条件下发生水解降解，且酸性条件降解能得到特殊产物。该方法对聚酯合成方法的拓展与绿色化学的发展具有相当大的意义。

作者: ZY 审校:LJH

DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00787

Link：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.0c00787