自然界中，手性高分子广泛存在于DNA、蛋白质、纤维素等关键生物大分子中，并且聚合物的手性构型对材料的热学、力学和光学性能具有深远影响。生物合成是制备手性聚合物的主要手段之一，但受限于酶的构型专一性，最终产物也往往只有一种立体构型。相比之下，化学合成具备构建所有立体异构体的潜力，有助于系统研究聚合物构型与性能的关系。当前，手性聚合物的化学合成主要通过两种方式：1）消旋单体的对映选择性聚合（动力学拆分）；2）手性单体聚合。然而，前者存在单体利用率低（最多50%单体参与聚合）、对手性催化剂依赖性强等问题；后者局限于对映专一性聚合（enantiospecific polymerization），即每种手性单体仅生成一种特定对映体聚合，若要获得所有的聚合物立体异构体，则需要预先合成所有构型的手性单体，而这对于两个或更多手性中心的单体体系尤为困难。

立体发散催化策略在小分子合成中被广泛应用，该策略通过不同催化剂控制，可由同一底物构建具有两个手性中心的全部四种立体异构体。虽然该策略在有机合成领域已日趋成熟，但在聚合物合成中尚未被开发。若能将立体发散催化策略应用于聚合物体系，实现立体发散聚合（stereodivergent polymerization），则有望从一个或两个手性单体出发，高效合成具备一个或两个手性中心聚合物的所有立体异构体，从而为手性高分子材料的立体可控合成开辟新路径。

近日，美国科罗拉多州立大学Eugene Y.‒X. Chen教授课题组从微生物来源的“生物塑料”(R)-聚-3-羟基丁酸酯（(R)-P3HB）出发合成手性α(α)-烷基取代β-内酯单体，再通过催化立体发散开环聚合，实现了16种具有双手性中心的对映纯聚羟基脂肪酸酯（PHA）材料的发散合成。相关论文发表在Nature 期刊，第一作者为Jun-Jie Tian（田俊杰）博士，Ruirui Li（李瑞瑞）博士为共同第一作者。

立体发散合成全构型的对映纯PHA

作者以微生物来源的(R)-P3HB为原料，通过醇解、α-烷基化、水解和闭环等步骤合成了四种(R,R)-α-烷基取代β-内酯单体（M1–M4）。随后，分别采用[Y]/BnOH和有机超碱^tBu-P₄/BnOH催化体系进行开环聚合，成功制备了一系列高分子量、低分散性的对映纯P(M1)–P(M4)。¹³C NMR显示，两类催化体系所得聚合物均具有完美的规整性，但立体微结构完全不同。DSC和WAXS测试进一步证实了两者热性能和晶型的显著差异。通过醇解后产物的绝对构型分析，金属配位-插入型的开环聚合（O-acyl断裂）保持手性构型，得到threo-(R,R)-diisotactic PHA；而碱催化的阴离子开环聚合（O-alkyl断裂）诱导β位手性翻转，得到erythro-(R,S)-diisotactic PHA。这一结果揭示了不同催化机制对开环聚合产物立体构型的精准调控能力，实现了从同一种对映纯单体出发，合成具有不同绝对构型的手性聚合物。

进一步地，作者通过非对映合成α,α-双取代单体，(R,R)和(S,R)-M5 (或 M6)，并分别使用[Y]/BnOH和^tBu-P₄/BnOH实现其催化剂控制的立体发散聚合，实现了α,α-双取代PHA全部构型[(R,R), (S,S), (R,S), (S,R)]的合成。此外，作者还研究了这些α,α-双取代PHA的化学闭环回收性。在NaOH催化下，这些聚合物高立体选择性地解聚为β-内酯单体，且β位手性中心发生构型翻转。

热学、流变性和力学性能研究

接着，作者系统研究了合成所得diisotactic PHAs [P(M1)–P(M6)] 的热学、流变性及力学性能，发现其性质高度依赖于α位取代基的结构与两个手性中心的相对构型。在热稳定性方面，引入α-烷基取代显著提升了材料的热分解温度（T_d = 261–292 °C），高于微生物来源的(R)-P3HB（T_d ≈ 250 °C）。尤其是α,α-双取代的P(M5)、P(M6)由于缺失α-H，可进一步抑制顺式消除反应，T_d可高达300–313 °C，展现出优异的热稳定性。热力学性能测试表明，P(M1)–P(M5)为半结晶材料，其熔点（T_m）受α-烷基链长和主链立体构型显著影响。对于threo-(R,R)-diisotactic α-烷基取代PHAs，P(M1)（201 °C）与P(M2)（202 °C）的T_m相近，P(M3)与P(M4)的T_m均为134 °C。而在erythro-(R,S)型系列中，T_m随着α-烷基链从甲基（Me）延长至丁基（ⁿBu）而显著下降，从208 °C降至124 °C。除P(M1)外，threo构型(R,R)-P(M)的T_m值普遍具有高于erythro构型(R,S)。对于diisotactic的α,α-双烷基取代PHA材料而言，(R,S)/(S,R)-P(M5)构型熔点高达282 °C，甚至超过PET（T_m = 246 °C），而其(R,R)/(S,S)构型则仅99 °C。

在流变性能方面，与(R)-P3HB熔融后黏度在30分钟内急剧下降约70%不同，多数PHA在高于熔点的温度下保持剪切粘度稳定，表明其具备良好的熔融加工性。结果表明将P3HB主链的α-氢替换为烷基能显著提升熔融加工性；此外，主链中两个手性中心的相对构型亦有影响，(R,R)构型普遍优于(R,S)构型。力学测试揭示，较长的α-烷基链（如ⁿPr和ⁿBu）以及(R,S)立体构型可显著提升材料延展性。例如，(R,S)-P(M3)和(R,S)-P(M4)的断裂伸长率分别达到330%和282%，其力学性能优于低密度聚乙烯（LDPE），接近高密度聚乙烯（HDPE），兼具高强度与良好柔韧性。相比之下，(R,R)构型的PHA则表现出显著脆性。

超分子立体复合行为研究

将特定手性聚合物的对映体按化学计量比进行物理共混，是构建更加稳固、高结晶度的立体复合材料（stereocomplexed, sc）一种有效的策略。相比各自的对映体单组分，立体复合物通常表现出更高的结晶度、更高的熔点（T_m）以及更快的结晶速率。相较于研究深入的聚乳酸（PLA）立体复合体系，PHAs的立体复合行为仍鲜有涉及，已知(R)-和(S)-P3HB的共混并不能形成立体复合物。

该研究发现在P3HB的α位引入烷基后，PHA链之间展现出显著的立体识别与堆积能力，主链中两个相邻手性中心的相对构型（如threo vs. erythro）以及α-位侧链的体积大小共同决定了是否能形成立体复合结构。在P(M1)中，(R,R)与(S,S)构型共混后形成全新晶型，其T_m由单组分的201 °C提升至221 °C，结晶速率也显著增强；而其对应的(R,S)/(S,R)对映体则无法形成立体复合物。与之相反，(R,R)-P(M2)与(S,S)-P(M2)无法复合，而(R,S)与(S,R)-P(M2)的共混却能形成立体复合物。更有趣的是，在P(M3)中，两对对映体（RR/SS 和 RS/SR）均可形成各自的立体复合物，T_m最高提升55 °C，结晶温度（T_c）也提高近50 °C。

综上所述，本研究提出了催化剂控制的立体发散聚合策略，以微生物来源的(R)-P3HB为单一手性源，实现16种具有双手性中心的对映纯PHA材料的发散合成。通过对α-位引入不同烷基或双烷基取代，并利用金属催化与有机碱催化的区域选择性（O-acyl vs. O-alkyl）与立体选择性（保持 vs. 反转）开环机制，精确控制了高分子链中两个手性中心的相对构型与立构规整性。这一策略不仅实现了对映纯PHA材料的全构型[(R,R), (S,S), (R,S), (S,R)]合成，也提供了一个系统平台以研究聚合物构型对热性能、加工性、力学行为及超分子复合性能的影响。

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Stereodivergent transformation of a natural polyester to enantiopure PHAs

Jun-Jie Tian, Ruirui Li, Ethan C. Quinn, Jiyun Nam, Eswara Rao Chokkapu, Zhen Zhang, Li Zhou, Ravikumar R. Gowda & Eugene Y.-X. Chen

Nature, 2025, DOI: 10.1038/s41586-025-09220-7

作者介绍

田俊杰博士，博士毕业于南开大学王晓晨课题组，研究手性硼催化反应；2022年加入Eugene Y.-X. Chen课题组，目前主要研究立体选择性聚合和可循环尼龙。至今以第一作者（含并列）身份发表SCI论文8篇，其中包括Nature（1篇）、J. Am. Chem. Soc.（1篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（5篇）、ACS Catal. （1篇）。

李瑞瑞博士，博士毕业于南开大学赵东兵课题组，研究张力环的扩环反应；2021年加入王晓晨课题组，研究硼与金属协同催化；2023年加入Eugene Y.-X. Chen教授课题组，目前主要研究PHA的立体选择性合成。至今以第一作者（含并列）身份发表SCI论文5篇，其中包括Nature（1篇）、Nature Chemistry（1篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（1篇）、Chemical Communications（1篇）、Chin. J. Chem.（1篇）。