今天为大家分享一篇最近发表在ACS Macro Letters上的文章，Degradable Polyphosphoramidate via Ring-Opening Metathesis Polymerization。这篇文章的通讯作者是美国西北大学的Hao Sun和Nathan C. Gianneschi教授。
可降解聚合物在许多应用领域中都很有吸引力，比如药物递送、组织工程、可回收材料等等。在2012年，Kilbinger课题组报道了一个含有膦酰二胺基团的环烯烃PTDO，并将它用作ROMP后在聚合物末端修饰氨基的试剂1。Kilbinger及其合作者认为，当聚合物末端掺杂入一个PTDO后，链末端形成了一个不活泼的钌卡宾，因此不会进一步聚合。而本文的作者认为，在合适的条件下，PTDO能够通过开环易位聚合得到一个主链完全可降解的聚合物。
作者通过DFT计算发现，PTDO的环张力非常小，只有10.86 kcal/mol，这个数值要远小于降冰片烯的环张力27.2 kcal/mol。但是他们认为，通过降低聚合过程的温度，能够使PTDO的平衡单体转化率提高，再使用合适的催化剂，就可以得到分子量可控、分散度低的高分子聚合物。此外，这样的聚合物可以通过水解生成胺和磷酸，是一种潜在的生物相容性的材料。
图1. PTDO的合成路线以及它的开环易位聚合
如图1所示，作者通过两步反应合成了环烯单体PTDO，然后在不同的温度下用Grubbs引发剂进行聚合。结果如表1所示，首先将0.3 M起始浓度的单体分别在2 oC和20 oC下尝试聚合(entry 1、2)，结果发现，在20 oC时，尽管有较高的单体转化率，但是它的分子量分布较宽，这意味着在这段时间内聚合反应已经接近平衡，容易发生链回咬等副反应。而在较低的温度下，单体可以达到更高的转化率，同时分子量分布也能够做的很窄。但温度如果进一步降低，聚合速率会大大减慢，在一段时间内无法观察到聚合物的生成。同时，适当提高起始单体浓度，有利于减少副反应的发生。最终作者认为在起始单体浓度为0.5 M，温度为2 oC的条件下，能够得到较好的聚合结果：5 h内单体转化率可达55 %，并且分子量分布较窄。
表1. PTDO在不同温度下的开环易位聚合（单体：引发剂 = 100：1）
接着，为了说明该聚合过程是可控的，并且是活性聚合，作者使用了一些动力学方法进行验证。但是作者直接采用 与时间的线性关系来说明该聚合过程的一级动力学，笔者认为不太恰当。因为在这个体系中，平衡单体浓度是比较高的，链增长的这一步骤应当是可逆的，因此采用
与时间的线性关系来说明这个结论更合适。
在室温下，PPTDO是一个黄色、易碎的固体。当聚合物暴露在空气中时，它会呈橡胶状。差示扫描量热法显示，它只有在42 oC有一个玻璃化转变温度，因此它是一个非晶相的固体。热分析显示，PPTDO是热稳定的，在室温并且无水的条件下有很长的保质期。
图2. PTDO单体和PPTDO聚合物在0.25 M HCl的DMSO-d6溶液中的降解。A) 单体降解31P NMR谱随时间的变化；B) 聚合物降解31P NMR谱随时间的变化；C) 在酸处理240 h前后，PPTDO的SEC曲线
随后，作者进行了聚合物的降解实验。作者使用1H和31P NMR来监测降解过程，如图2所示，PTDO单体在0.25 M HCl的DMSO溶液中作用48 h，几乎完全转化成苯酚磷酸酯和二胺。而聚合物PPTDO在同样条件下作用240 h后，有80 %转化成苯酚磷酸酯，并且在SEC-MALS曲线上没有高分子量聚合物的峰，说明主链已经完全降解。
此外，作者还使用降冰片烯作为共聚单体与PTDO进行共聚。在混聚时，PTDO的单体转化率提高，并且能得到低分子量分布的高聚物，所得共聚物在HCl的处理下，能实现主链的完全降解。作者还合成了PTDO和降冰片烯的嵌段共聚物，由于两端亲疏水性的不同，该聚合物能够在水溶液中自组装形成分布均一的纳米粒子。并且PPTDO这一嵌段能在酸性条件下降解，而降冰片烯则不会，这样的特性使得该材料具有成为刺激响应材料的潜质。
总之，在本文中，作者在低温下实现了含有膦酰胺的环烯单体PTDO开环易位聚合，合成了高分子量的聚膦酰胺。该聚合过程可控，能与其他单体，如降冰片烯实现共聚，所得到的聚合物能在酸性条件下实现主链的完全降解。其中，PPTDO和降冰片烯的嵌段共聚物还能在水溶液中自组装形成纳米粒子，并且没有明显的细胞毒性。因此，该材料具有很大的潜力应用于药物递送和可回收材料等领域。
DOI: 10.1021/acsmacrolett.0c00401
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.0c00401
