本研究报告所依据的文档发表于Macromolecules期刊，2019年52卷，由北京大学的Chang-xia Shi, Yu-ting Guo, Yu-huan Wu, Zhao-yue Li, Yao-zong Wang, Fu-sheng Du* (通讯作者) 以及 Zi-chen Li* (通讯作者)共同完成，研究团队来自北京分子科学国家实验室、教育部高分子化学与物理重点实验室、软物质科学与工程中心、化学与分子工程学院。该研究于2019年5月29日正式发表。

本研究属于高分子化学与材料科学交叉领域，具体聚焦于可降解高分子材料的合成、可控聚合及化学循环。研究的核心驱动力在于，开发新一代兼具优异性能与环境友好特性的生物医用高分子材料。聚缩肽（Polydepsipeptides，简称PDPS）作为一类由α-羟基酸与α-氨基酸严格交替共聚而成的聚(酯-酰胺)，不仅继承了聚酰胺良好的热稳定性与力学性能，也具备了聚酯固有的可降解性，在组织工程、药物递送等领域展现出巨大潜力。然而，其关键单体——吗啉-2,5-二酮衍生物（Morpholine-2,5-dione Derivatives, MDs）的传统合成方法步骤繁琐，且其开环聚合（Ring-Opening Polymerization，ROP）通常在高温、金属催化剂或酶催化下进行，对聚合物分子量及其分布（分散度）的控制不佳，限制了PDPS材料的精准构筑与应用。因此，本研究旨在：（1）发展一种简便、高效且结构可调的MDs单体普适性合成新策略；（2）系统研究并实现MDs的有机碱催化可控开环聚合，以制备结构明确、分子量可控的PDPS；（3）探索PDPS的化学解聚途径，实现单体或其前体的高效回收，为高分子材料的闭环循环利用提供新范式。

本研究的工作流程系统而深入，主要包含三个核心步骤：新型MDs单体的合成、其有机催化可控开环聚合的研究，以及所得PDPS聚合物的降解与单体回收。

第一步：新型MDs单体的合成。 本研究创新性地设计了一条结合帕塞里尼类型反应（Passerini-Type Reaction）与分子内酯化的三步合成路线。首先，以不同的氨基酸为起始原料，制备相应的异腈衍生物。其次，作为关键步骤，将所得的氨基酸异腈衍生物与不同的醛类化合物，在硼酸存在下进行帕塞里尼类型反应，高产率（82%-91%）地得到一系列N-(α-羟基酰基)-α-氨基酸酯中间体（1a-1i）。该反应条件温和（室温），高效构建了MDs单体的核心骨架。最后，在酸性催化剂（Amberlyst 15离子交换树脂）作用下，上述中间体在甲苯中回流进行分子内酯化环化，以良好至优秀的产率（71%-90%）成功合成了九种结构新颖的MDs单体（2a-2i）。这些单体结构多样，可通过选用不同的氨基酸（如甘氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸）和醛类（从简单的乙醛、丙醛到长链烷基醛、苯丙醛等）进行灵活调控。研究特别对含两个手性中心的单体（如2i）进行了手性分离与表征，通过手性高效液相色谱（HPLC）和单晶X射线衍射确定了其绝对构型，证实了合成路线的有效性和对立体化学的部分可控性。

第二步：有机催化可控开环聚合及聚合物合成。 此部分是该研究的核心，旨在克服传统MDs聚合控制性差的难题。研究团队首先尝试使用强有机碱三氮杂双环癸烯（TBD） 和二氮杂双环十一碳烯（DBU） 作为单一催化剂，以苄醇（BnOH）为引发剂，在室温下对代表性单体2f进行聚合。结果显示，虽然单体转化率高，但所得聚合物的尺寸排阻色谱（SEC）图呈现明显的双峰分布，表明聚合过程失控，同时生成了线性PDPS和环状PDPS低聚物。通过MALDI-TOF质谱等手段确认了环状副产物的存在。这归因于强碱TBD/DBU可能使MDs单体中的酰胺基去质子化，引发副反应。 为获得可控聚合，研究引入了1-(3,5-双(三氟甲基)苯基-3-环己基-2-硫脲（TU） 作为共催化剂，构建了DBU/TU和TBD/TU二元催化体系。当[TU]/[DBU]或[TU]/[TBD]的摩尔比大于3时，2f的开环聚合呈现出典型的活性/可控聚合特征：聚合动力学符合一级反应规律；聚合物的分子量（Mn）随单体转化率线性增长，且与理论值高度吻合；在整个聚合过程中，聚合物的分散度（Đ）始终保持在较低水平（<1.1）。MALDI-TOF质谱进一步证实了聚合物链末端为预期的苄氧基结构。通过调整单体与引发剂的比例，可以精确调控PDPS的分子量。此外，研究成功将这一可控聚合体系拓展至其他多种MDs单体（2c，2e，2g，2h，2i），并利用顺序加料法成功合成了结构明确的PDPS嵌段共聚物（如P2f-b-P2i）。 尤为有趣的是，通过改变反应条件，研究实现了对PDPS拓扑结构的调控：在无外加引发剂条件下，仅使用TBD催化聚合，可选择性获得环状PDPS；通过调节TBD的投料量，甚至可以实现从线性和环状混合物到几乎纯环状PDPS的转变。为阐明TU在控制聚合中的关键作用，研究团队通过核磁共振波谱（NMR）研究了TBD、TU与单体2c之间的相互作用。结果表明，TBD能同时使TU和MDs去质子化，但由于TU的酸性更强，在TU存在时，TBD会优先与TU作用生成TU阴离子，从而有效抑制了MDs单体的去质子化副反应。生成的TU阴离子与TBD/DBU形成的二元体系，作为高效的双功能催化剂，促进了由苄醇引发的可控链增长，从而排除了环状聚合物的生成途径。

第三步：聚合物降解与单体回收。 这部分研究体现了“从摇篮到摇篮”的可持续设计理念。研究探索了两种将PDPS化学回收为有价值小分子的路径。首先，碱催化醇解法：在室温下，仅使用1 mol%的TBD作为催化剂，PDPS（以P2c为例）在乙醇/二氯甲烷混合溶剂中可在数分钟内被定量、快速地醇解，几乎完全转化为合成MDs的前体——N-(α-羟基酰基)-α-氨基酸乙酯。该前体可方便地用于重新合成MDs单体。其次，酸催化解聚法：以固体酸Amberlyst 15为催化剂，在甲苯中回流加热PDPS（如P2i），经过约46小时，可近乎定量地将聚合物直接解聚回纯净的原始MDs单体。这两种方法分别为快速回收单体前体和直接回收高纯度单体提供了高效、清洁的方案。

本研究取得了多项重要的结果，这些结果环环相扣，共同支撑了最终结论。在单体合成方面，成功开发了基于帕塞里尼反应的MDs高效合成平台，合成了九种结构可调的新单体，产率高，为后续研究提供了丰富的物质基础。在聚合研究方面，最关键的结果是发现了TU在二元催化体系中的决定性作用，并系统证明了当[TU]/[碱] > 3时，MDs的ROP可从不可控转变为高度可控的活性聚合。这一发现是成功制备分子量可控、分散度窄的线型PDPS以及嵌段共聚物的直接原因。同时，通过调控催化条件（有无引发剂、催化剂用量）实现聚合物拓扑结构（线型 vs. 环状）的可控合成，是该研究的另一项重要成果。在降解回收方面，实现了PDPS在温和条件下分别向单体前体或纯单体的高效、定量转化，这不仅是概念的证明，更提供了切实可行的回收路径。这些结果共同表明，通过巧妙的催化剂设计和条件优化，可以克服MDs聚合中的固有挑战，实现对PDPS化学结构的精准控制，并完成其生命周期闭环。

本研究的结论是：成功构建了一个集“单体灵活合成—聚合精准控制—材料完全回收”于一体的可持续PDPS材料体系。其科学价值在于，深入揭示了有机碱催化MDs开环聚合的复杂机理（特别是TU的调控机制），发展了基于氢键供体/碱对的二元催化策略用于挑战性单体的可控聚合，为杂环单体的活性聚合提供了新思路。其应用价值则非常显著：首先，所开发的PDPS材料热稳定性好（Td,5%约295°C），玻璃化转变温度（Tg）可在24.5至100.4°C范围内通过侧链结构进行调控，具备了作为可定制化高性能生物材料的潜力。其次，所建立的单体回收方法，特别是酸催化定量回收单体，为实现高分子材料的化学循环、减少环境足迹和资源消耗提供了极具前景的范例，符合绿色化学与可持续发展的核心理念。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1. 合成方法学的创新：将多组分帕塞里尼反应高效引入MDs单体合成，步骤简洁、条件温和、结构可调性强，是一种普适性平台策略。2. 聚合控制的关键突破：首次系统阐明了强有机碱催化MDs聚合失控的根源（酰胺去质子化），并创新性地引入TU构建二元催化体系，成功实现了MDs的活性可控ROP，解决了该领域长期存在的挑战。3. 拓扑结构的精准调控：在同一单体体系内，仅通过改变催化条件（催化剂种类、有无引发剂），即可选择性地合成线型或环状PDPS，展示了高度的合成控制力。4. 完整的可持续性闭环设计：研究不仅关注材料的合成，更前瞻性地设计了材料的“终点”，实现了聚合物到单体（前体）的高效化学回收，完整展现了“设计-合成-应用-回收”的全链条研究思路，对推动可循环高分子材料的发展具有重要示范意义。5. 深入的基础机理研究：通过核磁共振等手段对催化剂与单体的相互作用进行了实验探究，为提出的机理假设提供了直接证据，使整个研究不仅停留在现象观察，更深入到机理理解层面。