基于取代基效应实现高效合成化学可回收聚酰胺的机理路径研究
第一作者与机构：本研究的第一作者为Youwei Ma，通讯作者为Youwei Ma与Francesco Stellacci。研究团队其他成员包括Chihui Zheng, Davide Raphaël Bréas, Gadi Slor, Alain Phillipe Alexandre Molleyres, Qiyue Liao。所有作者均隶属于瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）的材料研究所（Institute of Materials），其中Francesco Stellacci教授同时在EPFL的生物工程学院（Institute of Bioengineering）任职。
发表信息：该研究以题为“Efficient Synthesis of Chemically Recyclable Polyamides via Substituent Effects-Enabled Mechanistic Pathway”的研究论文形式，发表于国际权威化学期刊《Angewandte Chemie International Edition》（简称Angew. Chem. Int. Ed.）2025年第64卷，文章识别码为e202516735。
学术背景与动机：本研究属于高分子化学与可持续材料科学交叉领域。亚胺化（imination）和酰胺化（amidation）是现代化学合成中两类基础的缩合反应，对制备药物中间体、共价有机框架、聚酰胺（polyamides）、合成肽和蛋白质等功能材料至关重要。然而，传统的聚酰胺合成（如尼龙）通常需要苛刻的条件，例如超过230°C的高温和真空环境，能耗巨大，且可能不适用于热敏性或挥发性底物。虽然使用催化剂或高活性试剂（如酰氯）可以降低反应温度，但这些方法常伴随催化剂去除、使用危险化学品或产生腐蚀性副产物等问题。因此，开发一种无需催化剂、条件温和、且能实现聚合物化学回收的聚酰胺合成新策略，对于推动低碳化学制造和循环塑料经济具有重大意义。
研究团队注意到，在β-酮酸酯（如乙酰乙酸酯）中，位于酮羰基β位的酯基能够显著增强酮与胺的反应活性，可在室温下快速形成β-烯胺酯（β-enamino ester）。受此启发，他们提出一个核心科学问题：这种生成的β-烯胺基团是否能反过来促进其相邻酯基的酰胺化反应？如果存在这种协同的“取代基效应”，则可能设计出一种串联反应，在温和条件下高效构建酰胺键。为此，他们选择二甲基丙酮-1,3-二羧酸酯（dimethyl acetone-1,3-dicarboxylate, DADC）作为模型分子进行探究。DADC结构对称，中心为一个酮羰基，两侧β位各有一个酯基，为研究酮与酯对胺的协同反应性提供了理想平台。本研究旨在：1）通过小分子模型实验和理论计算，深入阐明DADC与胺类化合物反应的详细机理与动力学；2）将这一化学原理应用于多种胺类（小分子、大分子、合成与生物基来源）的高效、无催化剂聚合或交联，合成一系列含有β-烯胺二酰胺（β-enaminodiamide, EADA）结构的聚酰胺热固性材料；3）系统评估所合成材料的（热）机械性能；4）探索基于EADA键化学可回收性的闭环回收策略。
详细研究流程与结果分析
第一部分：模型研究与反应机理阐明
研究首先从小分子模型反应入手，以揭示DADC与胺反应的本质。
1. 反应活性与动力学研究：研究人员将DADC与过量的正己胺（n-hexylamine, HEA，10当量）在CDCl₃中室温混合，通过¹H NMR监测反应进程。24小时后，68%的DADC转化为β-亚胺二酯（β-iminodiester, IDE）及其互变异构体β-烯胺二酯（β-enaminodiester, EADE）。相比之下，结构类似的4-庚酮（HPA）在相同条件下与HEA几乎不发生反应。这证实了β位酯基的存在能极大促进酮的亚胺化。随后，将反应温度升至60-120°C，¹H NMR谱图显示，DADC和EADE的信号逐渐减弱，同时出现归属于最终产物——三己基取代的β-烯胺二酰胺（EADA）的新信号。在100°C下反应1小时，转化率可达85%；120°C下1小时，转化率达91%。而缺乏β-烯胺结构的二甲基戊二酸酯（dimethyl glutarate, DG）在120°C下与HEA反应1小时，¹H NMR谱图无明显变化。这强有力地证明了生成的β-烯胺基团能显著促进剩余酯基的酰胺化，且整个反应（DADC → EADA）无需催化剂。
通过改变HEA/DADC比例和溶剂条件，研究发现反应动力学可控：降低胺比例或使用溶剂（如CDCl₃）会减缓反应，溶剂甚至可将反应“捕获”在亚胺化（EADE）阶段。对不同温度下的反应进行动力学分析，计算得到表观活化能（Ea）仅为16 kJ mol⁻¹，远低于传统酰胺化反应，说明该路径能垒极低。
2. 取代基效应与反应选择性：研究考察了不同胺（R-NH₂）与DADC的反应性。脂肪胺（如正己胺、苄胺）转化率高（85-89%），而空间位阻大的胺（如环辛胺、α-甲基苄胺）或芳胺（如苯胺及其衍生物）转化率较低（≤60%）。对于芳胺，供电子基团（如甲基、甲氧基）能提高反应性，而强吸电子基团（如硝基）则严重抑制反应，仅得到EADE中间体。这些结果表明胺的亲核性和空间位阻是影响反应效率的关键因素。
特别地，通过研究甲基乙酰乙酸酯（MAA，仅有一个β-酯基的酮）与HEA的反应，发现其可在室温下高效形成烯胺酯，但即使加热至120°C也无法进一步生成烯胺酰胺。结合¹H NMR监测DADC反应过程中不同酰胺质子信号的出峰顺序（非共轭酯的酰胺质子信号先出现且更强），推测两个酯基在形成EADE后，因空间和电子效应变得不等价：与烯胺共轭的酯基反应活性较低。
3. 密度泛函理论（DFT）计算验证机理：为从理论上阐明反应路径和取代基效应的协同作用，研究团队进行了DFT计算（M06-2X/6-311++G(d,p)水平）。计算清晰地描绘了DADC与HEA反应的逐步机理： * 步骤一：亚胺化。HEA亲核进攻DADC的酮羰基，形成中间体TSA1。由于一个酯羰基通过分子内氢键稳定了过渡态的N-H键，此步骤的吉布斯自由能垒（ΔG⁰）仅为35.7 kcal mol⁻¹，远低于4-庚酮与HEA反应的能垒（42.5 kcal mol⁻¹）。这解释了DADC酮基的高反应性。随后脱水形成亚胺A2，并迅速互变异构为更稳定的EADE中间体（ΔG⁰ = -3.0 kcal mol⁻¹）。 * 步骤二：酰胺化（路径选择）。计算比较了HEA进攻EADE中“共轭酯基”与“非共轭酯基”两条路径。进攻非共轭酯基的过渡态（TSA3）能垒（38.6 kcal mol⁻¹）显著低于进攻共轭酯基的能垒（TSA3i, 49.4 kcal mol⁻¹），从理论上证实了反应优先发生在非共轭酯基上。这归因于共轭酯基的羰基碳因烯胺的给电子共振效应而亲电性降低。 * 步骤三：第二次酰胺化与互变异构。形成单酰胺A3-1后，经历一个低能垒（4.0 kcal mol⁻¹）的互变异构，使剩下的酯基脱离共轭体系，恢复高反应活性，进而被第二个HEA分子进攻（TSA4，ΔG⁰ = 38.2 kcal mol⁻¹），最终生成EADA。整个反应路径的总ΔG⁰为负值（-9.5 kcal mol⁻¹），表明是热力学自发过程。
与模型反应DG+HEA的对比计算显示，DADC路径中所有关键中间体的能垒均更低，最终产物也更稳定。这归因于β-烯胺基团通过分子内氢键减少了构象柔性（从而降低空间位阻），并具有一定的弱吸电子效应，共同促进了胺对酯的亲核进攻。
第二部分：EADA热固性材料的合成、表征与性能
基于上述机理，研究将DADC化学应用于聚合物的合成。
1. 聚(β-烯胺二酰胺)（PEADA-n）的合成：以聚丙二醇二胺（poly(propylene glycol) bis(2-aminopropyl ether), PPG）为胺源，与DADC在120°C无催化剂条件下聚合。通过改变DADC中官能团（酮+酯）与PPG中胺基的投料摩尔比（n = 1.2, 1.3, 1.4），合成了一系列交联密度不同的PEADA-n弹性体。FTIR证实了DADC的酮羰基（1716 cm⁻¹）和酯羰基（1737 cm⁻¹）峰消失，并出现了归属于EADA键的新峰（1740, 1710, 1670 cm⁻¹）。研究还展示了一种两步法合成策略：先在室温下使DADC的酮基与PPG的胺基选择性反应，形成稳定的液态EADE预聚物，再加热触发酯的酰胺化交联。这为涂层等应用提供了便利。
2. 材料性能表征： * 溶胀与凝胶分数：所有PEADA-n薄膜在多种有机溶剂和酸碱水溶液中仅溶胀不溶解，表明形成了稳定的交联网络。随着n值增大（交联密度增加），在二氯甲烷中的溶胀比从1740%降至1320%，凝胶分数从76%微升至80%。 * 热性能：TGA显示材料热稳定性好，5%热失重温度约350°C。DSC测得的玻璃化转变温度（Tg）在-58°C左右，且随交联密度增加略有上升。 * 动态力学与机械性能：DMA证实了材料的弹性体行为，在Tg以上出现橡胶平台，平台储能模量（E‘）随n值增大而增加（0.07 至 0.24 MPa）。单轴拉伸测试显示，PEADA-n具有典型的弹性体应力-应变曲线，断裂应力（0.08–0.15 MPa）随n值增加而增加，断裂应变（78%–160%）则相应降低。循环拉伸测试表明材料具有良好的弹性。 * 其他聚酰胺的合成：使用结晶性的1,12-十二烷二胺（DDA）与DADC反应，得到了塑料状的聚酰胺（PDDA）薄膜，其熔点为70°C，拉伸强度达6.0 MPa，断裂应变为50%。
3. 胺类聚合物的交联改性：利用DADC在低温（80°C）下的高反应活性，成功对热敏感的胺类聚合物进行了交联改性。 * 聚烯丙基胺（PALA）：用5 mol%的DADC交联PALA，得到了PALA-5%EADA。与线性PALA相比，交联后材料的耐热性显著提高（橡胶平台可延伸至200°C），且从软而可延伸变为刚而强韧。 * 生物基蛋白（麸质，Gluten）：将DADC作为交联剂与麸质、甘油共混，在80°C下模压制成了生物塑料Gluten-5%EADA。与未交联的对照样品相比，交联后材料的Tg从73°C升至108°C，拉伸强度和断裂应变也有所提升。
第三部分：EADA热固性材料的化学回收
1. 碱催化水解回收：首先以小分子三己基-EADA模型化合物进行研究。在70°C的乙醇/5 M NaOH混合溶液中，该模型化合物在3天内水解转化率达91.2%。DFT计算揭示其水解活化能（35.0 kcal mol⁻¹）低于常规酰胺N-己基己酰胺的水解能垒（42.4 kcal mol⁻¹），这归因于EADA结构中分子内氢键对水解中间体的稳定作用。
将此策略应用于PEADA-1.2的交联网络。将聚合物薄膜在70°C的乙醇/5 M NaOH溶液中浸泡3天，可完全溶解。通过旋蒸除去乙醇、二氯甲烷萃取、干燥等步骤，以89%的收率回收了起始胺PPG。¹H NMR证实回收的PPG具有高纯度。更重要的是，该回收方法具有选择性：将PEADA-1.2与聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯泡沫、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙-66等常见塑料混合后，在上述条件下仅PEADA-1.2被选择性降解，其他塑料保持完整，从而实现了从混合塑料废物中分离回收目标组分。回收的PPG可用于与新的DADC重新聚合，制备出的PEADA-1.4薄膜具有与原始材料可比的热机械性能，实现了闭环回收。
2. 酸催化解离与热再加工：由于EADA键中含有烯胺结构，其在酸性条件下也可逆。PEADA-1.2在氯仿/三氟乙酸混合溶剂中于60°C下可逐渐解聚。解聚液经中和、浇铸、干燥后可重新形成薄膜，其模量和强度甚至有所提高，可能源于回收过程中交联密度的增加。此外，含有动态烯胺键的Gluten-5%EADA生物塑料可通过热压（90°C）进行再加工，重塑后的薄膜保持均一性和良好的机械性能，展示了热再加工能力。
研究结论与意义
本研究系统性地重新审视并发展了DADC化学，揭示了其与胺类化合物反应的高效性源于其分子内独特的协同取代基效应：β位的两个酯基首先通过共轭和吸电子效应促进中心酮的亚胺化，生成的β-烯胺中间体又通过分子内氢键和电子效应，降低了剩余酯基的空间位阻和反应能垒，从而在温和条件下（≤120°C）无需催化剂即可高效完成后续酰胺化。
基于这一机理认识，研究成功地将该化学应用于一系列胺类（从小分子到大分子，从合成到生物基）的无催化剂聚合或交联，合成出多种性能可调的聚酰胺热固性材料（弹性体和塑料）。与传统聚酰胺合成需要超过230°C的高温和真空条件相比，该方法显著降低了能耗和工艺要求。
尤为突出的是，所合成的材料中的EADA键可在温和条件（70°C碱液或酸性有机介质）下进行化学解离，实现了热固性材料的闭环化学回收，甚至能从混合塑料废料中选择性回收目标单体。此外，材料还具备热再加工能力。
研究亮点与价值
这项工作通过巧妙的分子设计，将内在的取代基效应转化为实现聚合物绿色合成与循环利用的强大工具，为发展低碳、可持续的高分子材料制造工艺提供了重要的科学基础和技术范例。