Thiourea-Based Bifunctional Catalysts for Epoxide-Involved Ring-Opening Polymerization of α-Amino Acid N-Carboxyanhydrides

化学 双功能 亲核细胞 开环聚合 氧化环己烯 聚合 环氧化物 催化作用 高分子化学 电泳剂 组合化学 有机化学 聚合物
作者
Kaiyue Wang,Zhuoqun Li,Mei Xu,Bo Li
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:56 (14): 5599-5609
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.3c00830
摘要

Thiourea-quaternary ammonium salt bifunctional catalysts with both electrophilic and nucleophilic centers were designed in this paper to initiate the ring-opening polymerization (ROP) of α-amino acid N-carboxyanhydrides (NCAs) for the efficient synthesis of polypeptides. We disclosed this kind of bifunctional catalyst for the efficient synthesis of polypeptides in the presence of propylene oxide (PO), which was judiciously added as an in situ activator for the efficient ROP of NCA. By MALDI-TOF MS and 1H NMR analysis, we identified the end groups of the polymer and clarified the ROP process in the presence of the bifunctional catalyst. We showed that the PO was initially ring-opened by the nucleophilic attack of a halogen ion; then, the newly formed alkoxide ions attacked the electrophilic carbonyl of NCA, providing the carbamate anion. After undergoing a decarboxylation of the carbamate anion, the nucleophilic attack of N to the carbonyl on an NCA ring occurred synergistically to complete the chain growth. The involved three steps formed the whole catalytic cycle. We also disclosed that the structural factors, including the electronic effect on electrophilic/nucleophilic centers, steric factors, and the coupling thermodynamics, have a strong relationship with catalyst performance. We believe the insightful structure–performance relationship will shed light on further metal-free catalyst design for artificial polypeptide synthesis.
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