北理工Acc. Chem. Res.综述：功能化异腈基聚合物

【背景介绍】

基于异腈的反应的研究最早可以追溯到上世纪二十年代，但直到目前的基于异腈反应构筑的聚合物（IBPs）却十分稀缺。这其中主要的原因是缺乏高效的聚合方法，限制了IBPs的大规模制备和应用。虽然基于现代有机化学能够开发功能化IBPs，但利用小分子异腈反应制备IBPs依然面临挑战。而对于新型催化剂和聚合方法的出现，近年来越来越多的IBPs被成功合成出来。这其中，主要有两种异腈单体可被用于构建IBPs，分别是可在线性聚合物链上引入功能化侧基的单异腈单体和可用于构建杂环、螺环聚合物的双异腈单体。通过合理的结构设计实现具有功能的聚合物，可为IBPs的发展开辟道路。

【成果简介】

近期，北京理工大学的蔡政旭和董宇平等人发表了有关功能化异腈基聚合物的综述文章。在这篇综述中，作者首先介绍了在异腈单体设计及其相关领域的研究进展和本实验室的研究成果。随后，通过选取典型案例，探讨了功能化聚合物的特征性能和潜在应用。特别是在光学领域，发现紫外光敏感的IBPs在光刻技术方面具有应用前景。而一锅法高效实现双异腈和二氧化碳的聚合则为二氧化碳的再利用，为缓解温室效应提供了新的思路。此外，通过结构改性，含有二甲苯的IBPs能够表现出黑色材料的特点，可用于制造热电传感器、热探测器等。在最近的研究中，作者所在的课题组还合成了具有簇发光性能的螺杂环IBP，可特异性对肿瘤细胞的识别和杀伤。通过总结这些最新研究成果，为基于异腈化学的聚合方法能够为实现多样功能化大分子及其材料提供新的思路。研究成果以题为“Functional Isocyanide-Based Polymers”发布在国际著名综述期刊Acc. Chem. Res.上。

异腈化学

作者首先介绍了异腈单体在合成化学中的重要作用，由于异氰基团的高反应性赋予了异氰化物有能力参与多种类型的分子反应，包括α-加成，配位和自由基反应等，成功构建了一系列小分子功能性化合物。

图1. 异腈参与的化学反应

基于单异氰化物单体的聚合

基于小分子异腈的高反应性，将异腈单体引入到聚合反应中。通过对催化剂的不断优化，实现从金属催化到无金属催化，通过自聚构建功能性螺旋状聚合物。

图2. 聚合物P1-P6，共聚物PX的合成策略和分子结构

基于双异腈单体的多组分聚合

通过无金属催化一锅法实现多组分聚合，将双异腈与内炔酯形成的活性离子中间体与不同的第三组分反应，成功构建了杂环和螺环聚合物。这种通过非环化合物构建环化聚合物具有高原子利用率，其中多组分螺化聚合是该团队首次提出并继续发展的新课题。

图3.基于双异腈单体多组分聚合

基于双异腈与内炔酯，双醛的反应(a)。通过对三个单体的底物拓展，构建了多种呋喃聚合物。基于双醛的结构，作者又将活化双酮作为第三组分，成功得到异呋喃聚合物。通过对底物的拓展，构建了多种取代基异呋喃聚合物。提出了一类新型的多组分聚合反应-多组分螺化聚合 (multicomponent spiropolymerization，MCS)。将多组分的非螺环单体通过一步反应，得到含螺环结构聚合物的反应定义为多组分螺化聚合。作者将CO₂作为第三组分引入聚合实现螺环聚合物的构建。基于上述螺环聚合物的工作，进一步将苯甲酰基异硫氰酸酯作为第三组分引入螺环聚合中

折射率

折射率作为聚合物材料的一个重要物理性质。而对聚呋喃胺(P7m)，在632.8 nm处的RI值为n = 1.680，远高于商用光学聚合物材料，为后续这类聚合物光学的研究提供了一个更好的发展。

黑材料性质

黑材料因其具有高的吸收光的性质，被广泛应用在热释电传感器，热探测器，光学仪器等。与小分子黑色材料相比，聚合物黑色材料具有更好的加工性能。聚合物P7e, P7f显示出黑色外观。对于所有薄膜，该聚合物的透射率从700 nm到200 nm逐渐降低，表明聚合物在可见光区域(200-700nm)具有较低的透射率，具有黑材料的性质。

图4. (a) P7f的透射光谱；(b) P7a (CCDC-1854434) 结构单元的晶体结构

旋光性

通过单异腈与手性基团聚合构建了螺旋构象聚合物，表现出良好的光学性质。a显示了分别含有M4和M5单元的一对聚合物的圆二色性(CD)光谱。在364 nm处观察到一致的正负效应，显示P5c和P4c相反的单手螺旋。作者同样还显示了非手性M3与手性M4或M5在不同M4/M5/M3摩尔比下的螺旋选择性无规共聚，产生了一系列不同程度的单手螺旋构象的P5Xc和P6Xc聚合物。随着手性单体比例的增加，CD光谱中观察到的单手性螺旋构象的程度也相应增加，说明共聚物中的M4/M5序列可以诱导非手性M3的螺旋构象生成光学活性共聚物。

生物学探针

螺环结构和杂原子组成的螺环体聚合物具有较高的生物活性以及热稳定性和化学稳定性，可作为药物载体和蛋白质抑制剂的功能材料。发现具有CTE性质的P11聚合物可以用作p53-MDM2抑制剂以及用于癌细胞靶成像。体外实验和分子对接均表明MDM2与P11存在稳定的相互作用，从而导致P11的荧光增强。

图5. (a) 用不同浓度的MDM2处理的P11的相对荧光强度；(b) P11(三聚物)和MDM2蛋白的对接研究

由于MDM2在癌细胞中过表达，P11与MDM2的相互作用可作为癌细胞示踪剂来区分癌细胞与正常细胞。所有用P11孵育的癌细胞都表现出明亮的荧光，而非癌细胞只表现出微弱的荧光。还发现该聚合物P11与MDM2相互作用可使p53重新激活，在癌细胞中产生ROS，最终导致癌细胞凋亡，但对非癌细胞没有明显的细胞毒性。因此，螺环聚合物作为一种新型的癌症药物支架具有巨大的潜力。

图6. 不同细胞系的共聚焦激光扫描显微图像 (a-g) 肿瘤细胞；(h-j)正常细胞

【总结】

具有明确结构、独特性能的新型IBPs的设计和合成是一项需要对合成方法和功能基团引入进行协同思考的挑战。目前，为了发展IBPs，研究人员仍然需要探索新型催化剂和合成方法。例如，对于单异腈基聚合来说，单体的获得更加容易，然而毒性大、不稳定的单异腈却也阻碍着聚合物的规模化工业制备。此外，建立明确的结构-功能关系并进一步拓展应用范围，也是IBPs如今面临的重要问题。作者所在的课题组也会在未来的研究中继续致力于合成功能化IBPs，并且基于此类聚合物开发拓展更多特定应用。

文献链接：Functional Isocyanide-Based Polymers. Acc. Chem. Res., 2020, DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00514

通讯作者简介：

蔡政旭，2005年至2009年就读于武汉大学化学专业。2014年在中科院化学研究所获得有机化学博士学位。之后，他在芝加哥大学从事博士后研究。他现在是北京理工大学的副教授。目前主要从事纯有机室温磷光材料开发及功能聚合物的合成和应用。

董宇平，1986年在吉林大学获得化学学士学位，1992年在浙江大学获得高分子科学博士学位。1992年至1994年在北京大学从事博士后研究。他从1994年起担任北京理工大学副教授，从2001年起担任教授。目前主要从事三键聚合物的合成及聚集诱导发光材料开发和应用。2017年获国家自然科学一等奖。

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