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  2025年5月19日，中科院長春應化所陶友華研究員、王獻紅研究員在《Nature Communications》上以“On-demand, Readily Degradable Poly-2,3-dihydrofuran Enabled by Anion-binding Catalytic Copolymerization”為題在線發表了陰離子結合催化的陽離子共聚實現易降解乙烯基聚合物的合成的論文。本論文的第一作者為博士生張楨，陶友華研究員、王獻紅研究員為文章的共同通訊作者。

  發展可降解和可回收的塑料以減少塑料垃圾已引起學術界和工業界的廣泛關注。乙烯基聚合物是第一大高分子材料，但其全碳-碳主鏈的惰性性質對其可降解性提出了巨大的挑戰。聚2,3-二氫呋喃（PDHF）是一種特殊的乙烯基聚合物，因其優異的強度、韌性、良好的阻隔性能和高透光率等優點而在食品包裝、高性能樹脂等領域具有潛在的應用前景。將可降解位點嵌入PDHF主鏈從而實現乙烯基聚合物的可持續化具有重要意義，但如何精確將可降解位點均勻分布在PDHF主鏈并同時保持高分子量，是極具挑戰性課題。一方面，二氫呋喃單體的均聚速率相比于可降解共聚單體的共聚速率要快的多；另一方面，當聚合反應涉及不同類型單體共聚時，如何使得催化體系同時有效調控不同單體衍生的鏈末端，實現可控共聚合，更具挑戰性。

  近年來，陶友華等人提出“陰離子結合催化聚合”的概念(Nature Synthesis 2022, 1, 815-823; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202303237; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202425178)，旨在通過陰離子結合作用的動態化協同，在不同時空尺度上高效且特異性識別單體和聚合鏈末端，從而實現對聚合反應的高效與高選擇性調控，并成功實現了氨基酸環狀單體的活性陰離子聚合和乙烯基醚等單體的活性陽離子聚合，實現了對聚合物分子量及端基結構的精確控制。基于此，他們認識到，陰離子結合催化聚合的概念很有希望實現易降解乙烯基聚合物的合成（圖1）。為此，他們選用環狀縮醛作為可降解共聚單體，它可以優先加成到增長的DHF衍生的碳陽離子上，且具有不利的均聚傾向，因而能夠實現少量的可降解位點均勻分布在PDHF主鏈。同時，陰離子結合催化能夠特別有效地可逆活化不同類型的鏈末端(例如，通過乙烯基加成衍生自DHF的鏈末端以及通過環狀縮醛開環所產生的鏈末端，圖1)，進而產生長壽命的增長活性種，獲得高分子量（大于30萬）的PDHF共聚物。該方法可以實現低含量的縮醛單元均勻插入高分子量的PDHF鏈中，在不犧牲本體材料的熱機械、光學和阻隔特性的情況下，賦予按需水解降解性，實現了對乙烯基材料壽命終止管理。此外，該方法還可以很容易地適用于傳統的陽離子聚合，以合成具有定制性能的可按需降解的聚合物。

圖1. 陰離子結合催化的二氫呋喃與環狀縮醛共聚

  初期的單體篩選表明，2, 2-二甲基-1, 3-二氧雜環庚烷 (DMDOP)可作為二氫呋喃的理想共聚單體。由于DMDOP不具有均聚能力，使得縮醛在PDHF主鏈上能夠離散的插入且最終產物不會混有縮醛的均聚物。聚合物結構分析顯示，共聚物具有明確結構且DOSY NMR只有一組擴散系數證明了產物為單一的共聚物而非均聚物的混合物（圖2a；圖2b）。聚合監測以及擴鏈實驗（圖2c；圖2d）證明了聚合過程中的高活性鏈末端保留，這使得DHF與DMDOP的陽離子共聚以可控的方式進行。在高投料比下，作者首次成功合成了數均分子量大于30萬的二氫呋喃-縮醛共聚物，實現了在高分子量的PDHF鏈上均勻插入低含量的可降解縮醛單元。

圖2. DHF與DMDOP的可控陽離子共聚合

圖3. 共聚物降解行為研究

  隨后的降解研究表明（圖3），高分子量的二氫呋喃-縮醛共聚物可在弱酸性條件下快速水解成結構明確的遙爪型低聚物。同時，水解得到的低聚物在氧化條件下具有完全的降解能力，可最終分解得到小分子產物。

圖4. 共聚物性能研究

  共聚物性能研究表明（圖4），高分子量的共聚物具有與均聚二氫呋喃相當的熱機械、阻隔、粘結性能和光學特性。這說明，少量環狀縮醛的插入賦予了PDHF的更易降解特性的同時，并沒有明顯影響本體材料的性能。

  總之，上述二氫呋喃與環狀縮醛的可控陽離子共聚合的成功實現，進一步拓展了陰離子結合催化聚合的概念與應用，并代表著可控合成易降解的乙烯基聚合物的一種新方法。

  該工作得到國家杰出青年科學基金以及區域聯合基金重點項目等的支持。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59834-8