分享一篇近期发表在J. Am. Chem. Soc.上的文章，题目为Radical Deamination of Primary Amines for Initiation of Controlled Polymerization。文章的通讯作者是来自康奈尔大学的Brett P. Fors教授。

    可控自由基聚合（CRP）技术特别是可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合已经广泛应用于聚合物的合成。与热引发相比，光控RAFT可以实现更温和的自由基生成条件，对聚合物链增长也有更好的控制。此外，在RAFT聚合中使用光化学可以在以前难以引发的官能团如C−H键和羧基中实现引发过程，从而合成新型的聚合物结构，但目前还没有关于伯胺α-碳的光引发的报道。伯胺在小分子、药物和生物分子中含量丰富，是有潜力的聚合物接枝位点。本文中，作者利用光激发电子供体-受体（EDA）复合物选择性生成自由基，直接从伯胺的α-碳引发RAFT聚合（图1）。

图1. 小分子、药物和生物分子中的伯胺以及EDA复合物通过脱氨反应引发RAFT聚合的设计

    在作者采用的EDA复合物中，氨基衍生的Katritzky盐为电子受体，二硫代氨基甲酸酯为电子供体。在可见光的条件下，单电子转移（SET）和2,4,6-三苯基吡啶自由基脱氨可以在底物氨基的α-碳上生成烷基自由基，作为聚合的引发物种。同时，EDA复合物断裂的副产物二硫自由基可以与增长链末端结合，在原位形成大分子链转移剂（CTA），从而实现RAFT聚合（图2a）。

    首先，作者以_L-苯丙氨酸乙酯作为模型氨基酸引发剂进行聚合研究。_L-苯丙氨酸乙酯生成Katritzky盐1a作为电子受体后与二硫代氨基甲酸酯电子供体2a结合，形成引发物种。在加入给体后，形成的EDA复合物的紫外-可见光谱显示出吸光度的红移特征（图2b）。随后作者将EDA复合物溶液与丙烯酸甲酯（MA）混合，用456 nm光照射，得到分子量为2.7 kg/mol的聚合物，分散度窄，实验分子量也与理论值相符，表明EDA复合物可以有效引发可控RAFT聚合（表1，entry 1）。当NMP作为聚合溶剂时，随着投料比升高，分散度变宽（表1，entry 2−4），因此作者将溶剂改为DMSO，此时分子量可以提高到120 kg/mol，同时分散度窄（表1，entry 5−10）。此外，该聚合方法对其他丙烯酸酯和酰胺单体也有效，如丙烯酸乙酯（EA）、丙烯酸苄酯（BnA）、N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）和2-羟乙基丙烯酸酯（HEA）（表1，entry 11−14）。

图2. (a)伯胺的活化和自由基的形成；(b) 1a和2a形成的EDA复合物的紫外-可见光谱

表1. EDA-RAFT引发丙烯酸酯和酰胺单体聚合

    接下来，作者研究了EDA-RAFT的动力学行为是否与标准RAFT聚合的动力学一致。MA随时间的转化率显示链增长的早期较快，偏离了标准RAFT聚合的一级动力学（图3a）。这是由于EDA-RAFT在低转化率下具有更高的自由基浓度。随着链增长的继续和EDA复合物的完全消耗，聚合平衡达到稳态，符合标准RAFT聚合的动力学行为。与标准RAFT聚合相一致，M_n随转化率线性增加，Đ均较窄（图3b）。这说明在初期的偏离后，EDA-RAFT表现出可控自由基聚合的特征。当作者对聚合进行开/关照射切换时，可以观察到聚合只在有光的情况下进行，而在黑暗中没有观察到聚合，表明在EDA复合物完全消耗后，增长的聚合物链与二硫代氨基甲酸酯形成的大分子CTA具有光引发转移终止剂的行为（图3c）。

图3. EDA-RAFT的动力学行为

    基于以上实验结果，作者提出了EDA-RAFT的聚合机理（图4）。在光照射下，EDA复合物迅速发生SET和2,4,6-三苯基吡啶的裂解，形成烷基自由基引发剂并引发聚合。引发后，聚合物继续增长，直到被二硫自由基封端，原位形成大分子CTA。作为光引发转移终止剂的CTA可以光解释放增长自由基，增长自由基可以与另一条二硫酯封端的聚合物链参与RAFT平衡，也可以与二硫自由基重新结合回到封端状态。在反应早期，由于EDA复合物的快速消耗和光引发转移终止剂光解共同产生自由基，导致自由基浓度较高，聚合速率高于标准RAFT。在EDA复合物被消耗后，自由基完全来源于光引发转移终止剂光解，聚合呈现一级动力学。当光刺激被移除时，转化停止，聚合只有在继续照射下才能继续进行。

图4. EDA-RAFT的聚合机理

    最后，作者探索了EDA-RAFT能否应用于其他伯胺引发的聚合（图5）。EDA-RAFT成功地引发了多种典型氨基酸衍生的Katritzky盐的聚合（5a−f），得到的聚合物分子量与理论值相符，分散度窄，同时具有较高的链末端保真度。二肽衍生的Katritzky盐也可以成功引发聚合（5g），表明EDA-RAFT可以适用于生物分子偶联应用。除了氨基酸酯外，α位为苄基和氰基的伯胺衍生的Katritzky盐也成功地引发了聚合（5h、5i）。

图5. EDA-RAFT引发的多种伯胺衍生的Katritzky盐聚合

    综上所述，作者利用EDA复合物触发自由基脱氨，从伯胺的α-碳引发可控的RAFT聚合。这种方法无需复杂的修饰和外加光催化剂，且适用于多种伯胺，为聚合物生物偶联提供了新的改进方案。

作者：SY

DOI: 10.1021/jacs.5c02493

Link: https://doi.org/10.1021/jacs.5c02493