今天给大家推送的一篇文章是发表在JACS上的研究进展，题为：Controlling Polymer Composition in Organocatalyzed Photoredox Radical Ring-Opening Polymerization of Vinylcyclopropanes。该文章利用有机小分子催化剂，模拟过渡金属催化的原子转移自由基反应，在光照条件下，主要解决了乙烯基环丙烷(VCP)单体的开环聚合转化率不高以及产物选择性差的问题。但是该研究的DFT计算却存在相当的失误。该文章的通讯作者为科罗拉多州立大学的Garret M. Miyake。

乙烯基环丙烷(VCP)在有机化学中，是一种常用的合成子。因为，三元环本身带有巨大的环张力，同时根据分子轨道理论，基于原子轨道线性组合成分子轨道(LCAO)的近似，三元环的前线轨道是由三个C原子的p轨道线性组合而成，因此，利用过渡金属的氧化加成基元反应，在环张力的驱动下，过渡金属可以直接对三元环的C-C单键氧化加成，并生成η³络合的烯丙基物种，再利用过渡金属的迁移插入以及还原消除等基元反应，使得VCP有着丰富的化学性质。一般而言，VCP作为5碳组分参与反应，例如斯坦福大学P. A. Wender小组发展的Rh催化的环加成[5+2]反应，用来合成七元环；以及北京大学余志祥小组发展的铑催化的[5+2+1]环加成反应，用来构筑八元环。此外，余志祥课题组还发展了VCP作为3碳组分的方法学，例如合成五元环的[3+2]环加成反应以及合成六元环的[3+2+1]环加成反应。

与之相对应，在高分子化学中，人们发展VCP的高分子聚合反应主要是利用VCP的自由基化学。而且不同的是，一般在自由基聚合过程中，化学反应的启动位点不在三元环上，而是在双键上。这是因为，三元环的前线轨道具有部分π键的性质，可以与C=C双键共轭，当自由基对双键进行加成后，其生成的C自由基，三元环可以起到稳定的作用。同时三元环本身的环张力还会驱动下一步的开环反应，生成新的高烯丙基(homoallylic)C自由基。早在1993年，日本东京工业大学的Takeshi Endo小组，就发展了VCP的自由基聚合反应。在该反应中，他们一般使用双吸电子基取代的VCP，在传统的自由基引发剂例如AIBN，BPO或者是DTBP引发下，实现聚合。一般认为，该反应的反应机理如图所示（Figure 1）：首先自由基物种对双键进行加成，由于三元环对自由基的稳定化作用，该加成具有区域选择性，生成三元环取代的自由基物种；随后，在环张力的驱动下，C-C单键均裂，三元环开环，生成双吸电子基取代的高烯丙基自由基物种。由于开环过程中，C-C单键可以自由旋转，因此新生成的双键没有立体选择性，同时双吸电子基可以提供π*空轨道通过两轨道单电子作用，或者提供孤对电子通过两轨道三电子作用来稳定自由基。最后，生成的自由基主链继续链增长过程，实现聚合。但该反应存在一个很大的问题，由于高烯丙基物种可以通过分子内环化发生4-endo-trig关环反应生成四元环自由基，因此，该反应的化学选择性不好，使得聚合产物既有线性结构重复单元，也有四元环结构，聚合的可控性较差（Figure 2）。因此，人们借助ATRP方法实现VCP的可控聚合。在2008年，印度理工的NikhilKumar Singha小组借助Cu催化的ATRP，部分实现了VCP的可控聚合。虽然产物主要以线性重复单元为主，但是该方法仍然有一个缺陷，即单体产化率不高，小于50%。这是因为，单体或者高分子主链上的双吸电子基可以作为双齿配体与Cu催化剂发生配体交换反应，使催化剂失活。因此，VCP的可控自由基聚合是一个难题。

Figure 1. VCP的开环聚合

Figure 2. VCP开环聚合的选择性问题

Garret M. Miyake小组认为，使用具有光氧化还原活性的有机小分子催化剂(PC)，可以解决VCP的自由基可控聚合问题。这是因为，该类型有机小分子不仅可以替代Cu催化剂在ATRP反应的作用，而且由于有机小分子不存在配体交换反应使其失活的问题，使得反应的转化率得到提高。一般，具有光氧化还原活性的有机催化剂，是以杂原子参与的共轭芳香有机小分子。这是因为，杂原子上的孤对电子可以与共轭体系的π电子通过两轨道四电子作用，提高HOMO能级，进而降低HOMO与LUMO的能级差，使得该种分子更容易被光激发，进而具有了单电子还原性。他们认为，有机小分子催化的原子转移自由基反应(O-ATRP)可能具有如下机理（Figure 3）：首先，PC经过光激发，生成三线态自由基，与Br代物引发剂经过单电子还原的过程，生成自由基活性中间体以及Br和催化剂的自由基络合物，随后自由基与VCP实现链增长的过程，最后被Br络合物淬灭，实现可控聚合。Garret M. Miyake小组基于他们之前的工作，进行了初步尝试。

Figure 3. VCP的O-ATRP反应机理

Figure 4. 条件优化

首先，Garret M. Miyake小组催化剂进行了筛选（Figure 4），单体/引发剂/催化剂的初始比例为1000/10/1，溶剂为DMAc(N,N-dimethylacetamide)。他们发现，图中所示的三种催化剂均能较好的催化VCP聚合。但是催化剂1的分布系数最好，为1.21，转化率为72%，通过核磁表征，发现线性结构单元在产物中的比例高达97%。随后，他们对反应条件，从溶剂，投料比方面进行了优化，最后发现，在乙酸乙酯溶剂下，单体转化率高达99%，线性结构比例高达97%，且可以得到他们期望的分子量产物。对聚合过程的动力学分析，以及光控实验，他们发现聚合物的分子量与单体的转化率呈线性关系（Figure 5）。

Figure 5. 初步机理研究

Figure 7. 线性聚合物后修饰

为了探究后修饰偶联的反应机理，Garret M. Miyake小组采取了实验与计算结合的手段。由于目标后修饰聚合物的核磁表征困难，他们采用模型底物进行机理研究（Figure 8）。首先，他们合成了具有Thorpe-Ingold效应的二烯底物，在图中所示的条件下，反应12 h后，原料回收了90%，但是底物的一个双键发生了异构化，这就说明，在生成高烯丙基自由基后，关环与开环是一个平衡的过程，而且在相应的产物中，得到了具有不同立体化学的三元环与四元环产物。为了解释模型底物的三元环以及四元环产物的选择性，Garret M. Miyake小组对该模型反应进行了DFT机理研究（Figure 9）。但是，GarretM. Miyake小组对反应选择性的解释是错误的。在该DFT研究中，Garret M. Miyake小组只计算了中间体与产物的热力学，而没有计算相应的关环过渡态，并且该小组还利用Baldwin规则，以及产物的热力学来理解产物的选择性。该机理解释有两大错误，第一，Baldwin规则是动力学控制，和产物的热力学没有关系，虽然Baldwin规则说3-exo-trig有利，4-endo-trig不利，但不代表这不能发生，而且这是rule，不是principle，说明作者对Baldwin规则的理解失误，使用Baldwin规则是不合理的；第二，作者既然使用了Baldwin规则来理解中间体的热力学，但是对产物的热力学却没有给出理解，这在逻辑上是不对的。这里的化学选择性，应该使用Curtin-Hammett原理进行解释，因为作者的实验已经证明其开环关环过程是一个平衡，即对于两个平衡的中间体，其对应的两个关环的过渡态决定了彼此的产物选择性。同时，作者的计算数据存在失误，其DFT计算所使用的溶剂化计算方法是错误的，也就是说，这篇文章的DFT数据有可能是不能使用的。

Figure 8. 模型底物机理实验

Figure 9. DFT机理计算

最后，GarretM. Miyake小组对聚合物进行了一系列表征，以及单体的简单拓展（Figure 10）。他们探究了线性重复单元以及带环状结构的重复单元对聚合物的热性能以及粘弹性进行了研究。对于热性能，环状结构的重复单元增多会降低聚合物的Tg；而对于粘弹性，环状结构的重复单元增多可以增大粘弹性。至于单体拓展，作者将双酯基上的取代基换成了不同的烷基取代基，都能得到分布系数较小的聚合物。

Figure 10. 单体拓展 

综上所述，在该工作中，GarretM. Miyake小组利用具有光氧化还原活性的有机小分子发展了VCP的可控聚合，解决了VCP聚合的单体转化率以及单体化学选择性问题，产物主要以线性结构产物为主，并对产物的热性能与力学性能进行了初步研究。但是，该文章的DFT计算存在着相当的失误，且计算数据的正确性有待商榷。

G. M. Miyake et al., J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 13268-13277

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07230?rand=2c8qky4c