通过苄基克罗普（CROP）引发剂合成的羧酸α端官能化的聚(2-噁唑啉)

《Polymer Chemistry》：Carboxylic acid α-end-functionalized poly(2-oxazoline)s synthesized through benzylic CROP initiators

　　聚(2-oxazoline)（POx）作为聚(ethylene glycol)在生物医学应用中的替代品的重要性日益增加，这引发了对于末端功能化构建块的需求，这些构建块可以进一步功能化为靶向配体、标记或其他聚合物等组分。在本研究中，我们通过使用两种溴甲基苯甲酸作为引发剂，对亲水性聚(2-ethyl-2-oxazoline)（PEtOx）和疏水性聚(2-n-nonyl-2-oxazoline)（PNonOx）的α链末端进行了甲基酯化处理，以实现这些单体的阳离子开环聚合（CROP）。动力学研究表明，甲基取代的化合物比对位取代的化合物更具优势，因为它能够更快地启动CROP反应。通过核磁共振光谱（NMR）、基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-TOF MS）和高效液相色谱（HPLC）对末端基团的纯度进行了详细研究，结果发现，在140°C下通过CROP制备的PEtOx中，由于链转移反应的发生，有超过20%的链缺乏所需的末端基团。而在85°C的乙腈中进行CROP时，链转移几乎不存在。进一步使用甲基-3-(bromomethyl)benzoate通过三乙胺醋酸盐和叠氮化钠分别终止CROP反应，制备了包含PEtOx和PNonOx的嵌段共聚物以及异链结构PEtOx。使用氢氧化钠（NaOH）水解后，得到了具有羧酸α-端基团和叠氮化物或羟基ω-端基团的PEtOx。由于实现了高纯度的末端基团，这种简单的商业引发剂为开发各种高级POx结构提供了新的、直接的方法，特别是在羧酸或甲基酯与叠氮化物末端基团的互斥反应方面。

多年来，聚(ethylene glycol)（PEG）一直是生物医学应用的黄金标准。然而，最近的研究证明了抗PEG抗体的形成，这些抗体可能引起过敏反应，因此人们开始寻找合适的替代品。聚(2-oxazoline)（POx）在这方面受到了广泛关注。特别是，具有甲基和乙基侧链的POx表现出与PEG相似的性质，包括生物相容性、亲水性，最重要的是隐身效应。它们通过修饰侧链或末端基团而具有易于适应的能力，这使得POx在药物输送领域特别感兴趣。POx的多功能性源于阳离子开环聚合（CROP），这种聚合方式能够控制链的长度和末端基团。通过使用合适的终止剂和引发剂，可以在POx链中引入各种类型的末端基团。例如，氨基或羟基、叠氮化物、硫醇、炔烃和环辛炔等基团，这些基团有助于将其他功能性基团或构建块连接到POx上。羧酸在生物 conjugation（共轭）领域至关重要，它们作为多功能基团，可以通过成熟的酰胺化反应将药物、荧光探针和蛋白质等生物分子共价结合。通过在含有甲基酯的单体上进行CROP反应（如甲基3-(4,5-dihydrooxazol-2-yl)propanoate（MestOx），然后对甲基酯部分进行水解，可以利用羧酸。通过在POx的ω链末端使用包含甲基酯基团的亲核试剂终止CROP反应，或者通过使用琥珀酸酐等后聚合功能化反应，可以实现羧酸基团的引入。

令人惊讶的是，只有少数报道描述了通过使用功能化CROP引发剂获得含有α-COOH基团的POx（图1）。例如，甲基溴乙酸酯、叔丁基溴乙酸酯和乙基3-溴丙酸酯。所有这些引发剂都代表烷基酯，因为未保护的羧酸可以作为亲核试剂终止CROP反应。因此，这些化合物引入了受保护的羧酸基团，随后可以对其进行脱保护，为α端基团的功能化提供了一条可行的策略。然而，正如对甲基溴乙酸酯进行的详细动力学研究所示，它们往往表现出较慢的CROP起始速度。相比之下，苄基溴化物能够快速启动CROP反应，因为苄基阳离子的共振稳定性促进了在苄基底物上的亲核取代。实际上，含有苯环上额外甲基酯取代基团的苄基溴化物在市场上可以买到，但据我们所知，它们尚未被研究作为2-oxazolines的CROP引发剂。对于这些分子来说，甲基酯在芳香环上的位置可能会影响其引发能力，因为甲基酯在电子上没有被解偶联（示意图S1）。

本研究中，我们探讨了甲基-4-(bromomethyl)benzoate（4M）和甲基-3-(bromomethyl)benzoate（3M）是否是可行的CROP引发剂，并且是否能够产生具有羧酸α端基团的明确定义的POx。为了全面评估它们的性能，进行了详细的动力学研究，以评估引发效率和传播速率常数，使用了亲水性和疏水性单体。通过高效液相色谱（HPLC）联合同基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）确定了所得POx的末端基团纯度。最终，我们展示了基于优化CROP条件的两亲嵌段共聚物和异链结构构建块的合成（示意图1）。

材料

2-乙基-2-oxazoline（EtOx，Sigma-Aldrich，≥99%）在氩气氛围下蒸馏。2-n-Nonyl-2-oxazoline（NonOx，>99%，水分含量<70 ppm）由NGP Polymers提供，按收到状态使用。甲基-4-(bromomethyl)benzoate（4M，>97%）和甲基-3-(bromomethyl)benzoate（3M，>97%）从TCI购买，并在正己烷中重新结晶。醋酸（AcOH，VWR，ACS，Reag. Ph. Eur.）、三乙胺（NEt3，Sigma-Aldrich，≥99%）、氢氧化钠（NaOH，Roth，≥99%）和叠氮化钠（abcr，99%）按收到状态使用。作为CROP溶剂的乙腈（CH3CN）要么使用溶剂纯化系统（SPS 800，MBRAUN）干燥，要么从Roth购买（Rotidry?Sept ≥99.9%，≤10 ppm H2O）。其他所有化学品都来自标准供应商，无需进一步纯化即可使用。

仪器

质子核磁共振（1H NMR）谱是在室温下使用Bruker AC 300 MHz谱仪在CDCl3中记录的。残余的非氘代溶剂信号用于参考化学位移（δ）。尺寸排阻色谱（SEC）测量是在配备了CBM-20A系统控制器、LC-10AD VP泵、SIL-10AD VP自动进样器、RID-10A折射率检测器和Techlab的TCC6000柱 oven以及PSS的SDV Linear S柱的Shimadzu系统上进行的，温度为40°C，使用CHCl3:Net3:异丙醇（94:4:2）作为流动相，流速为1 mL min?1。使用Polymer Standards Service的聚苯乙烯（PS）标准品（400至10000000 g mol?1）进行校准。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）是在配备smartbeam? 3D激光器（355 nm波长）的Bruker Daltonics rapifleX MALDI-TOF/TOF系统上进行的。谱线以正反射模式记录。trans-2-[3-(4-tert-Butylphenyl)-2-methyl-2-propenylidene]malononitrile（DCTB）被用作基质，加入三氟乙酸钠作为掺杂盐。使用制造商的flexAnalysis 4.0软件进行记录谱线的评估和处理，包括基线减除和使用Poly(methyl methacrylate）（PMMA）标准品（2500 g mol?1或5000 g mol?1）进行校准。气相色谱（GC）测量是在配备AOC-20s自动进样器、AOC-20i喷射器和火焰离子化检测器（FID）的Shimadzu GC-2010 Plus系统上进行的，使用氯仿作为溶剂，氦气作为载气。分离是在Phenomenex ZB-5柱上进行的，固定相为5%苯基、95%二甲基聚硅氧烷，柱长30米，内径0.25毫米，膜厚0.25微米。GC的参数如下：FID温度270°C，分流10%；程序：60°C下2分钟，以16°C/min的速度加热至200°C，然后在200°C下保持4分钟。通过单体和CROP溶剂的峰面积确定单体转化率和[M]0/[M]t，使用反应溶剂作为内标。高效液相色谱（HPLC）是使用Agilent LC 1200系列系统（Polymer Standards Service GmbH，德国美因茨）进行的，配备了Techlab K7柱 oven和SofTA Corporation的蒸发光散射检测器（ELSD）Model 400。分离柱为Merck的Chromolith High Resolution RP18柱（100 × 4.6 mm）。流动相由A：水+0.1%甲酸和B：乙腈+0.1%甲酸组成。除非另有说明，所有样品在线性梯度洗脱程序开始时都在流动相组合物中的浓度为1.0 mg mL?1。进样量为10 μL。流速设置为1 mL min?1，柱子预热至30°C。在10% B的平衡时间后，梯度洗脱在20分钟内完成至90% B，随后是10分钟的等比例步骤，再用5分钟回到10% B。ELSD使用氮气作为载气（喷雾室45°C，漂移管温度70°C）。

在先前的工作中和本研究中使用的引发剂的示意图。在本研究中，我们探讨了甲基-4-(bromomethyl)benzoate（4M）和甲基-3-(bromomethyl)benzoate（3M）是否是可行的CROP引发剂，并且能否产生具有羧酸α端基团的明确定义的POx。为了彻底评估它们的性能，进行了详细的动力学研究，以评估引发效率和传播速率常数，使用了亲水性和疏水性单体。所得POx的末端基团纯度通过高效液相色谱（HPLC）联合同基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）来确定。最终，我们展示了基于优化CROP条件的两亲嵌段共聚物和异链结构构建块的合成（示意图1）。

根据[EtOx]0：[引发剂]0比例为20和EtOx浓度为2 mol L?1，准备了含有EtOx（3 g，30 mmol，20 eq.）、4M或3M（345 mg，1.5 mmol，1 eq.）和CH3CN（12 mL）的储备溶液，在惰性条件下（氩气）。将0.9 mL的样品转移到14个合适的反应容器中，盖上盖子并放置在校准器的自动进样器中。在微波合成器（Biotage Initiator+，吸光度非常高，温度控制）中以140°C进行聚合，反应时间不同（1秒、10秒、20秒、30秒、60秒、90秒、120秒、180秒、240秒、300秒、360秒、720秒、1080秒和1500秒）。通过加压空气自动冷却后，打开小瓶，并取出样品进行GC、1H NMR光谱和SEC分析。在回流条件下，使用4M和3M引发的EtOX的CROP的动力学研究

一个预热的烧瓶连接到Findenser?上，通过T型接头和气体气泡器进行三次抽真空，然后在氩气流下加热和冷却。根据[EtOx]0：[引发剂]0比例为20和EtOx浓度为2 mol L?1，准备了含有EtOx（5 g，50 mmol，20 eq.）、4M或3M（576 mg，2.5 mmol，1 eq.）和CH3CN（20 mL）的溶液。抽取t0样本进行GC分析。将聚合溶液使用Heat-On（Radleys）设置为85°C，在回流条件下和恒定的氩气流下加热。定期取出样本（5分钟、10分钟、15分钟、30分钟、45分钟、60分钟、90分钟、120分钟、150分钟、180分钟、240分钟、300分钟和360分钟）进行GC、1H NMR光谱和SEC分析。在回流条件下，使用3M引发的NonOX的CROP的动力学研究

一个预热的烧瓶连接到Findenser?上，通过T型接头和气体气泡器进行三次抽真空，然后在氩气流下加热和冷却。根据[NonOx]0：[3M]比例为10和NonOx浓度为2 mol L?1，将NonOx（5 g，25.3 mmol，10 eq.）和3M（580 mg，2.53 mmol，1 eq.）溶解在CH3CN（7 mL）中。在抽取样本进行GC分析后，将聚合溶液使用Heat-On（Radleys）设置为85°C，在回流条件和恒定的氩气流下加热。定期取出样本（5分钟、10分钟、15分钟、30分钟、45分钟、60分钟、90分钟、120分钟、150分钟、180分钟、240分钟、300分钟、360分钟、420分钟、480分钟、540分钟和600分钟）进行GC、1H NMR光谱和SEC分析。3M-EtOx20-OAc和4M-EtOx20-OAc的合成

在氩气保护下，准备了含有EtOx、乙腈和3M或4M的反应溶液，以实现初始[EtOx]0：[initiator]0比为20，并且EtOx的浓度为2 mol L?1。CROP反应在回流条件下或使用微波合成器（Biotage Initiator+，吸收水平非常高，具有温度控制功能）在140 °C下进行，如上所述。聚合时间根据动力学研究选定。通过加入乙酸和NEt3来终止CROP反应。反应溶液在50 °C下搅拌过夜，随后用CHCl3稀释，并用NaHCO3水溶液（2次）和盐水（1次）洗涤。有机相在Na2SO4上干燥。过滤后，在减压条件下去除溶剂。残留物在真空中干燥。详细信息列在表1中。

3M-EtOx20-OAc和4M-EtOx20-OAc合成所用的详细用量。上表：CROP条件。下表：封端所需的用量及产率。

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样品
3M或4M [mg|mmol|eq.]
EtOx [g|mmol|eq.]
CH3CN [mL]
tCROP [h]
转化率 [%]

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3M-EtOx20-OAc（回流）
347|1.51|1
3|30.3|20
12
11
93

4M-EtOx20-OAc（回流）
573|2.50|1
5|50|20
20
5
定量

3M-EtOx20-OAc（140 °C）
23|0.1|1
0.2|2.0|20
0.8
0.42
定量

4M-EtOx20-OAc（140 °C）
21|0.09|1
0.18|1.81|20
0.72
0.42
86

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样品
AcOH [mg|mmol|eq.]
NEt3 [mg|mmol|eq.]
产率 [g|%]

3M-EtOx20-OAc（回流）
136|2.27|1.5
306|3.03|2
3.30|定量

4M-EtOx20-OAc（回流）
315|5.25|2.1
438|4.33|1.7
3.20|65

3M-EtOx20-OAc（140 °C）
12.1|0.20|2
20.4|0.2|2
0.20|98

4M-EtOx20-OAc（140 °C）
11.0|0.17|2
17.5|0.17|2

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3M-NonOx10-OAc的合成

根据[NonOx]：[3M]比为10以及NonOx的浓度为2 mol L?1，在乙腈中准备了含有NonOx（5 g，25.3 mmol，10 eq.）、3M（580 mg，2.53 mmol，1 eq.）和CH3CN（7 mL）的溶液。如上所述，在85 °C下进行聚合。10小时后（转化率：90%），通过加入AcOH（304 mg，5.07 mmol，2 eq.）和NEt3（513 mg，5.07 mmol，2 eq.）来终止CROP反应。反应溶液在50 °C下搅拌过夜，并用氯仿稀释。随后用NaHCO3水溶液洗涤两次，用盐水洗涤一次，有机相在Na2SO4上干燥并过滤。在减压条件下去除溶剂。在真空中干燥后，得到白色粉末产物（2.54 g，产率51%）。

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3M-EtOx20-b-NonOx10-OAc的合成

在惰性条件下，将3M（231 mg，1.01 mmol，1 eq.）和EtOx（2 g，20.2 mmol，20 eq.）溶解在CH3CN（8 mL）中（[M]0，EtOx = 2 mol L?1）。使用上述装置，在85 °C下进行16小时的CROP反应。取样品并通过SEC和1H NMR光谱进行分析（转化率：96%）。然后加入NonOx（1.99 g，10.1 mmol，10 eq.）（[M]0，NonOx = 1 mol L?1），并在85 °C下继续聚合18小时（转化率：99%）。通过加入AcOH（121 mg，2.02 mmol，2 eq.）和NEt3（204 mg，2.02 mmol，2 eq.）来终止反应。混合物在50 °C下搅拌过夜，用CHCl3稀释，并用NaHCO3水溶液洗涤两次，用盐水洗涤一次。有机相在Na2SO4上干燥。过滤后，在减压条件下去除挥发物，并在真空中干燥，得到无色粉末产物（3.54 g，产率87%）。

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3M-NonOx10-b-EtOx20-OAc的合成

在惰性条件下，将3M（232 mg，1.01 mmol，1 eq.）和NonOx（2 g，10.1 mmol，10 eq.）溶解在CH3CN（2.8 mL）中（[M]0，NonOx = 2 mol L?1）。使用上述装置，在85 °C下进行11小时的CROP反应。取样品并通过1H NMR光谱（转化率99%）和SEC进行分析。然后加入EtOx（2 g，20.0 mmol，20 eq.）和CH3CN（5.3 mL）（[M]0，EtOx = 2 mol L?1），并在85 °C下继续聚合17小时（转化率：97%）。通过加入AcOH（122 mg，2.03 mmol，2 eq.）和NEt3（205 mg，2.03 mmol，2 eq.）来终止反应。混合物在50 °C下搅拌过夜，用CHCl3稀释，并用NaHCO3水溶液洗涤两次，用盐水洗涤一次。有机相在Na2SO4上干燥。过滤后，在减压条件下去除挥发物，并在真空中干燥，得到无色粉末产物（3.48 g，产率87%）。

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3M-EtOxn-N3的合成通用方法

根据[EtOx]：[3M]比为20或40以及EtOx的浓度为2 mol L?1，在乙腈中准备了含有EtOx、3M和CH3CN的溶液。使用上述装置，在回流条件下（85 °C）进行聚合，时间按如下规定。冷却至室温后，取样品确定转化率，并通过加入叠氮化钠（NaN3）来终止CROP反应。在70 °C下搅拌过夜后，过滤掉盐类。混合物用CHCl3稀释，并用NaHCO3水溶液洗涤两次，用盐水洗涤一次。有机相在MgSO4上干燥。过滤后，在减压条件下去除溶剂。残留物溶解在CH2Cl2中，然后沉淀在已冷却至-80 °C的乙醚中。产品在真空中干燥，得到无色粉末。详细信息列在表2中。

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样品
3M [mg|mmol|eq.]
EtOx [g|mmol|eq.]
CH3CN [mL]
tCROP [h]
转化率 [%]

3M-EtOx20-N3
578|2.52|1
5|50.4|20
20
17.5
92

3M-EtOx40-N3
290|1.26|1
5|50.4|40
20
37.5
98

3M-EtOx40-N3
434|6.56|2.6
3.44|69

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通用脱保护步骤

将聚合物溶解在0.1 M NaOH中并在室温下搅拌过夜。通过加入1 M HCl将混合物酸化至pH = 4，然后用CHCl3萃取（3次）。有机相用水和盐水洗涤，然后在Na2SO4上干燥。过滤后，在减压条件下去除溶剂，并在真空中干燥。详细信息列在表3中。

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甲酯α-末端基团水解的详细用量

样品
脱保护产物
脱保护物用量 [g|mmol]
0.1 M NaOH [mL]
产率 [g|%]

3A-EtOx20-OH
3M-EtOx20-OAc（回流）
0.50|0.26
5.1
0.32|64

4A-EtOx20-OH
4M-EtOx20-OAc（回流）
0.51|0.27
5.6
0.11|22

3A-EtOx20-N3
3M-EtOx20-N3
3.06|1.55
30
3.02|99

3A-EtOx40-N3
3M-EtOx40-N3
3.60|0.91
36
3.56|99

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结果与讨论

### EtOx的CROP动力学研究

预计由于3M和4M溴甲基苯甲酸在苯环上的取代模式分别位于间位和对位，它们的引发行为可能会有所不同。为了初步了解它们引发CROP的能力，对EtOx的CROP进行了动力学研究。聚合在乙腈中进行，初始单体浓度[M]0为2 mol L?1，单体与引发剂的比率[M]0/[I]0为20，以便能够直接表征末端基团。为了确保两种引发剂的条件一致，首先在140 °C下使用微波合成器进行反应。在这些条件下进行的CROP已知会通过链转移反应促进质子引发物种的形成。考虑到α-末端基团的重要性，也在回流条件下（即85 °C）进行了动力学研究。在所有情况下，通过1H NMR光谱和GC监测聚合的进展，以确定引发剂和单体的转化率。形成的PEtOx的摩尔质量和分散度通过SEC评估。一阶动力学图显示，在140 °C下使用两种引发剂进行的CROP表现为线性增长，表明聚合过程为伪一阶动力学，其中传播是速率决定步骤（图2）。从线性回归的斜率得到的聚合速率常数相当接近（kp, 4M = 2.05 L mol?1 min?1；kp, 3M = 1.93 L mol?1 min?1），因为单体、溴离子、溶剂和温度都是相同的。当CROP在相同条件下由溴代乙酸甲酯引发时，速率常数也类似（kp ≈ 2.7 L mol?1 min?1）。同样，当CROP在85 °C进行时，聚合速率常数也相近（kp, 4M = 0.053 L mol?1 min?1；kp, 3M = 0.047 L mol?1 min?1）。SECV谱图中，随着聚合时间的延长，摩尔质量向更高值移动。无论CROP条件如何，两种引发剂的摩尔质量都随转化率线性增加。通常观察到，在85 °C下进行的CROP时，摩尔质量分布更均匀（?140 °C ≤ 1.26；?85 °C ≤ 1.21）。对于两种聚合温度，当使用间位取代的3M时，分散度略低（?140 °C ≤ 1.20；?85 °C ≤ 1.21）。这可能是由于3M或4M引发CROP的速率略有不同。因此，我们详细检查了描述CROP早期阶段的数据。实际上，在85 °C下使用4M进行的CROP的伪一阶动力学图中，t ≤ 10分钟的数据点表明引发速率较慢。此外，在整个聚合过程中检测到所有CROP的1H NMR光谱中芳香区的变化（图S4–S7）。特别是，4M的芳香环上的C3和C5位质子信号（δ = 7.46 ppm）在引发后向高场位移。同样，两种引发剂的苯甲基质子信号（δ = 4.51 ppm）也发生了位移。未反应的3M和4M的相应信号与形成的PEtOx和残留单体的末端基团的信号保持分离。由于甲酯质子信号在δ = 3.91 ppm的化学位移没有变化，这些峰的积分被用来估算所有CROP过程中的引发剂效率（图2）。

### 3M（黑色）和4M（红色）在140 °C以及85 °C下引发的EtOx的CROP动力学研究（[M]0/[I]0 = 20，[M]0 = 2 mol L?1，CH3CN）。顶部：根据ln([M]0/[M]t) = kp × [I]0 × t的一阶动力学图。单体浓度通过GC确定。中间：随着单体转化率变化的摩尔质量Mn和分散度?（SEC，RID，PS校准）。底部：通过1H NMR光谱估算的引发剂效率。对于在140 °C下进行的CROP，反应早期观察到的引发剂效率超过90%。CROP后期的波动很可能是由于积分的不准确。在85 °C下进行的CROP引发速率较慢。3M的转化速率比4M快，这在关于引发剂浓度的一阶动力学图中尤为明显（图S8）。苄基溴化物是亲核取代的底物，可以促进SN1和SN2反应机制。一方面，它们的共振结构有利于通过SN1反应形成苄基阳离子。另一方面，苄基底物中的(primary)碳原子可以促进SN2反应。由于乙腈是非质子性溶剂，这可能使反应倾向于SN2或混合类型。如图S8所示，引发剂的消耗不符合一阶定律。因此，引发步骤并非纯粹的SN1型亲核取代。4M的较低反应活性与其不利于反应的共振结构有关，因为正电荷直接相邻于苄基位置的局部正电荷（方案S1）。4M的缓慢引发也解释了形成的PEtOx分散度略高的现象，因为延迟引发形成的大分子具有较低的摩尔质量。

### α-末端基团的准确性确定

在设计末端功能化聚合物时，目标功能基团的存在与否非常重要。POx的α-末端基团的准确性可能受到CROP过程中发生的链转移反应的影响（方案S2）。在这样的反应中，一个质子从ω-端氧杂唑鎓离子的取代基上的C1位置被抽象出来。通过这种消除反应形成了一个C-C双键。释放出来的质子可以引发一个新的链条，从而产生一个以氢原子作为α端基的POx。为了确定α端基的纯度，CROP使用醋酸和三乙胺进行终止，以引入一个醋酸酸酯的ω端基。所得到的3M-EtOx20-OAc和4M-EtOx20-OAc通过1H NMR光谱、SEC、MALDI-TOF MS和HPLC进行了详细表征，以研究分别由3M和4M引发的PEtOx中是否存在所需的甲酯（表4）。

表4

使用3M或4M引发的POx的选定表征数据


样品
Mn,theo [g mol?1]
Mn,SEC [g mol?1]
?SEC [g mol?1]
Mn,MALDI [g mol?1]
?MALDI [g mol?1]
纯度 [%]


3M-EtOx20-OAc（回流）
1890
2700
1.10
2200
1.08
99


4M-EtOx20-OAc（回流）
1890
2100
1.08
2260
1.07
95


3M-EtOx20-OAc（140 °C）
2090
2600
1.09
1870
1.12
79


4M-EtOx20-OAc（140 °C）
2090
2100
1.23
2220
1.07
65


3M-NonOx10-OAc
1790
2800
1.10
1880
1.24
n.d.


3M-EtOx20-b-NonOx10-OAc
4060
5100
1.10
4000
1.13
n.d.


3M-NonOx10-b-EtOx20-OAc
4060
4900
1.15
4010
1.12
n.d.


3M-EtOx20-N3
1980
2700
1.14
2430
1.22
95


3M-EtOx40-N3
3960
4200
1.11
4190
1.10
93


3A-EtOx20-OH
1880
1500
1.13
2300
1.07
100


4A-EtOx20-OH
1880
1400
1.13
2010
1.07
100


3A-EtOx20-N3
1970
1300
1.08
2620
1.07
93


3A-EtOx40-N3
3950
3800
1.10
4040
1.10
87


a
根据Mn,theo = [M]0/[I]0 × 转化率确定。
b
通过SEC（RID，PS校准）确定。
c
从MALDI-TOF质谱（DCTB + NaTFA）确定。
d
根据HPLC色谱图的信号面积确定（c = 1 mg mL?1）。在所有PEtOx的1H NMR光谱中都检测到了属于新的α端基的信号，无论聚合温度和引发剂是3M还是4M。此外，峰积分与醋酸酸酯ω端基的峰积分一致（图S9和S10）。然而，这种方法无法评估端基的纯度，因为具有所需α端基的链条也可能具有其他类型的ω端基。相反，具有醋酸酸酯ω端基的链条也可能是由质子引发的。MALDI-TOF质谱确认了所有PEtOx中甲酯基团的共价连接（图S11和S12）。实际上，最丰富的物种正是预期产物。特别是在140 °C下制备的PEtOx的质谱中，揭示了由于链转移反应而产生的质子引发的物种。这一观察结果与先前的知识一致，也通过3M-EtOx20-OAc和4M-EtOx20-OAc在140 °C下合成的SEC洗脱图中可见的轻微低分子量拖尾得到证实（图S13）。遗憾的是，由于某些端基的链条可能优先电离，无法从质谱中量化质子引发的链条的数量。尽管HPLC在研究领域中不常用于确定端基的纯度，但它能够很好地区分由质子引发的和由引发剂衍生的PEtOx链条，无论是对于苄基引发剂还是甲基甲苯磺酸酯。这里使用的HPLC方法只是对之前建立的RP18 Chromolith柱的方法进行了一些微调。测量使用了包含水和乙腈的二元移动相梯度，并添加了0.1%的甲酸以提高信号分辨率。图3中的洗脱图是使用ELSD记录的。

使用HPLC和MALDI-TOF MS确定由3M（黑色）和4M（红色）在微波（140 °C）和回流（85 °C）条件下引发的PEtOx的α端基。下图：3M-EtOx20-OAc和4M-EtOx20-OAc的HPLC色谱图（RP18 Chromolith柱，水/乙腈梯度，含0.1%甲酸，ELSD）。上图：在测量4M-EtOx20-OAc期间收集的HPLC馏分的完整MALDI质谱。插图显示了测量和理论同位素模式的叠加。在回流条件下合成的3M-EtOx20-OAc和4M-EtOx20-OAc的洗脱图中分别只显示了一个主要信号。相比之下，在140 °C下合成的相应聚合物的洗脱图中出现了两个聚合物群体。为了鉴定底层物种的结构，从洗脱液中收集了馏分并通过MALDI-TOF MS进行分析。在9.3分钟处洗脱的信号对应于质子引发的物种，而携带α-甲基酯基团的主要产物在10.9分钟处洗脱，无论α-端苯环上的取代模式如何。这种洗脱顺序与α端基的疏水性一致，因为更具疏水性的芳香甲酯预计会与疏水性的柱材料有更强的相互作用。4M-EtOx20-OAc中包含的质子引发链条的数量多于3M-EtOx20-OAc，这与在SEC洗脱图中观察到的强烈分子量拖尾一致。根据信号面积，140 °C下合成的样品中含有超过20%的不希望的杂质，这与之前关于在140 °C下合成POx的研究结果一致。无论引发剂如何，当CROP在85 °C下进行时，分配给质子引发链条的信号都在HPLC方法的检测限以下（图S14）。由于使用3M引发的CROP略快于4M，因此所有进一步的实验都使用3M作为引发剂在85 °C下进行。

为了建立两亲嵌段共聚物的合成框架，首先使用引发剂3M与疏水单体2-n-nonyl-2-oxazoline（NonOx）在氯苯中进行了CROP反应（图S15）。由于观察到的 broad 分子量分布是由于引发延迟所致，溶剂被更换为回流条件下的乙腈（图S16和S17）。为了确保形成的PNonOx在乙腈中的溶解性，选择了[M]0/[I]0 = 10。引发速度比在氯苯中快，但比EtOx慢，这从一级动力学图和引发剂效率中可以看出。45分钟后，引发效率达到了约90%。从这一点开始的数据点用于估计kp值为0.039 L mol?1 min?1。尽管引发延迟，分散系数仍然低于1.2。此外，使用三乙胺醋酸盐终止CROP的过程也很顺利，这一点通过1H NMR光谱和MALDI-TOF MS得到了验证（图S18–S20）。质谱中没有检测到质子引发的物种，但ω端基容易发生断裂，这通常在具有酯ω端基的PNonOx中观察到。

结果，在CH3CN（即回流条件）中合成了由EtOx和NonOx组成的嵌段共聚物。遵循在动力学研究中使用的[M]0/[I]0比率，通过连续添加单体来聚合EtOx和NonOx。根据目标应用的不同，甲酯在α链端的存在可能有利于亲水或疏水嵌段共聚物的功能化。因此，EtOx或NonOx被作为第一个单体进行聚合。同样，使用原位形成的三乙胺醋酸盐终止CROP。1H NMR光谱确认了两种重复单元在两种嵌段共聚物中都以预期的摩尔比存在（图S21，FNonOx,theo = 0.33，FNonOx,NMR = 0.35至0.37），同时也检测到了端基信号。通过第二次聚合后SEC信号的洗脱体积向低处移动，证明了链的延伸（图4）。对于两种嵌段共聚物，SEC洗脱图显示了狭窄的分子量分布，3M-EtOx20-b-NonOx10-OAc和3M-NonOx10-b-EtOx20-OAc的分散系数分别为? = 1.10和1.15。3M-NonOx10-b-EtOx20-OAc的略微增加的分散系数是由于在较高洗脱体积处有一个小肩峰。可以假设NonOx10物种的重新引发是不完全的，这与用于链延伸的EtOx的较高kp值相符。然而，MALDI-TOF质谱显示在低m/z值处有一个分配给[H(C5H9NO)10C2H3O2 + Na]+的分布（图S22），即通过链转移形成的PEtOx链条。相比之下，在3M-EtOx20-b-NonOx10-OAc的MALDI-TOF质谱中没有检测到质子引发的PNonOx。此外，两种质谱都显示了第二块嵌段的同质聚合物的存在，这很可能是由于测量过程中所需的较高激光强度导致的断裂。

3M-NonOx10-b-EtOx20-OAc和3M-EtOx20-b-NonOx10-OAc的SEC洗脱图（RI检测），以及在添加第二单体之前的相应第一块3M-NonOx10+和3M-EtOx20+的洗脱图。在较高的m/z值处，两种样品中都鉴定出了含有所需端基（3M和-OAc）的未断裂嵌段共聚物。与同质聚合物类似，3M-EtOx20-b-NonOx10-OAc的质谱显示了比以EtOx为末端嵌段的嵌段共聚物更多的氧杂唑鎓物种。还检测到了一种未知的嵌段共聚物物种，这可能是由于测量过程中所需的较高激光强度导致的断裂。

为了获得具有甲酯α端基的POx的更广泛用途并实现进一步的修饰，使用3M在[M]0/[I]0比为20和40的条件下在回流条件下进行CROP反应，随后使用叠氮化钠终止反应以实现叠氮化ω端基。同样，1H NMR光谱确认了α端基的存在，但不适合检测叠氮化ω端基。为此目的使用了IR光谱，发现了大约2100 cm?1处的特征叠氮振动带（图5）。此外，在MALDI-TOF质谱中发现了分配给具有叠氮端基或其片段的m/z系列（图S27和S28）。

通过1H NMR光谱（CDCl3，300 MHz）和IR光谱（图5）对具有非对称结构的3M-EtOx20-N3（黑色）和3A-EtOx20-N3（红色）的端基进行了光谱确认。（A）1H NMR光谱的叠加图。（B）具有特征振动带分配的IR光谱叠加图。完整光谱显示在SI中。甲酯α端基可能对进一步的修饰（如酯交换或酰胺化反应）很有价值。对于其他反应，例如肽的碳二亚胺介导的偶联，更倾向于使用自由的羧基团。因此，通过室温下用0.1 M水性NaOH溶液进行水解，对具有非对称结构的3M-EtOx20-N3、3M-EtOx40-N3、3M-EtOx20-OAc和4M-EtOx20-OAc进行了脱保护。

1H NMR光谱表明，所有脱保护的PEtOx中甲酯信号在δ = 4.00 ppm处消失，而PEtOx主链中的酰胺基团保持不变（图5）。此外，在脱保护过程中，3M-EtOx20-OAc和4M-EtOx20-OAc的酯基ω端基也发生了水解，因为1H NMR光谱中不存在醋酸的甲基信号（图S29和S30）。相邻的亚甲基质子信号发生了位移，表明形成了羟基ω端基。相比之下，3A-EtOx20-N3和3A-EtOx40-N3的IR光谱中显示叠氮ω端基保持稳定。根据甲基酯水解生成羧酸的结果，所有脱保护的聚合物的IR光谱中观察到了相应的CO振动带的轻微位移。然而，酰胺基团保持不变，表明PEtOx主链得到保留。上述观察结果与MALDI-TOF质谱的结果一致，后者清楚地表明3A-EtOx20-OH和4A-EtOx20-OH中存在羟基ω端基。除了具有羧酸α端基的物种外，所有脱保护的PEtOx中还离子化了钠羧酸盐（图S31–S34）。令人惊讶的是，脱保护后端基的变化显著影响了SEC分析中的洗脱行为（图6和图S35）。虽然分子量分布保持狭窄和单峰（? ≤ 1.13），但端基极性的增加导致在氯仿基溶剂中的流体动力学体积减小。因此，通过聚苯乙烯校准确定的表观分子量减小到了比预期更大的程度，特别是对于DP值为20的PEtOx（表4）。

通过使用3M引发CROP获得的保护型和脱保护型PEtOx的非对称共聚物的色谱分析。左图：SEC（RID）。右图：HPLC（RP18 Chromolith柱，水/乙腈梯度，含0.1%甲酸，ELSD）。在C18柱上进行HPLC分析时，端基转化对洗脱行为的影响更加明显。所有未保护的聚合物的洗脱时间都早于其受保护的对应物。这是合理的，因为极性更高的羧酸末端基团与疏水性固定相的相互作用会比相应的甲酯基团更小。随着DP值的增加，这种影响有所减弱，这一点从含有叠氮化物ω端基团的受保护和未保护聚合物的洗脱时间差异的比较中可以看出。对于3M-EtOx20-OAc和3A-EtOx20-OH来说，保留行为的差异尤为明显，这是由于ω端基团的额外影响。在这里，两种亲水末端基团的结合以及相对较低的摩尔质量甚至导致具有不同DP值的寡聚物链的洗脱时间出现轻微差异。

结论

使用了两种市售的溴甲基苯甲酸盐（3M和4M）作为2-噁唑啉的CROP反应的引发剂，从而引入了甲酯α端基团。动力学研究表明，在140°C和85°C下，这两种化合物引发的CROP反应的传播速率相似。然而，在回流条件下进行CROP反应时，3M的引发速率略快。对合成聚合物的深入HPLC分析显示，在140°C下进行CROP反应时形成了明显的质子引发的链，而在乙腈中的回流条件下进行CROP反应时，链转移几乎不存在。随后合成的杂齿聚合物和嵌段共聚物表明，使用这种引发剂系统也可以合成更复杂的结构。此外，成功地将甲酯基团脱保护为自由羧酸，同时保留了叠氮化物ω端基团。总之，这种商业引发的剂能够直接在各种POx分子的α链末端引入甲酯或羧酸官能团，便于进一步用小分子或其他聚合物构建块对聚合物进行修饰。特别是，由于羧酸或甲酯末端基团与叠氮化物末端基团的正交反应性，杂齿聚合物在这一应用中显示出极大的潜力。这种新型且多功能的末端官能化POx对于生物医学应用至关重要，因为POx作为PEG替代品的重要性已经引发了对末端官能化构建块的需求。

作者贡献

Caroline T. Holick：正式分析、研究、可视化和写作——原始草稿；Nora Engel：概念化、正式分析、研究和写作——审稿与编辑；Nicole Fritz：研究和写作——审稿与编辑；Christine Weber：概念化、监督和写作——原始草稿；Ulrich S. Schubert：资金获取、监督和写作——审稿与编辑。

利益冲突

作者声明他们没有已知的可能影响本研究的竞争性财务利益。

数据可用性

支持本研究结果的数据可在本文的补充信息（SI）中找到。补充信息包括：所有化合物的1H NMR光谱、动力学研究期间记录的1H NMR光谱、含有叠氮化物官能团的聚合物的IR光谱、所有聚合物的SEC洗脱图谱、动力学研究期间获得的SEC洗脱图谱、额外的动力学图表、所有聚合物的MALDI质谱图、额外的HPLC洗脱图谱和ELSD线性测试结果、以及描述引发剂和链转移机理的示意图。详见DOI：https://doi.org/10.1039/d6py00309e。

致谢

本工作得到了德国联邦经济事务与能源部（BMWE，项目BASE-Lipid，授权号16LP401003）和图林根州建设银行（TAB，“创新药物聚合物”，授权号2021FGI0005）的资助。MALDI-TOF质谱仪（rapifleX）由TAB提供资助（授权号2016IZN0009）。我们感谢NGP Polymers GmbH提供了单体NonOx。

参考文献