废材+白给，这组合棒极了

图1“卡宾烯”和“硫脲”共催化体系

——单丝不成线，独木不成林。

——二人同心，其利断金。

——三个臭皮匠，顶个诸葛亮。

上面的三句话想必大家都耳熟能详，日常生活中协作是解决问题的有效办法；而今天我就跟大家聊聊“卡宾烯”和“硫脲”这两兄弟一起协同催化合成聚酯生物医用材料的故事（图1）。

“卡宾烯”（NHO，图2）是N-杂环卡宾类化合物的亚烷基衍生物。近年来已成为一种性能优良、高效的催化剂。由于环外碳碳双键具有很强的极化能力，卡宾烯具有很强的亲核性和碱性，这正是它发挥作用的秘密武器。

图2 “卡宾烯”的化学结构式

“硫脲”（TU，图3）是一种含硫原子和氮原子的有机物，也是制药工业的重要原料；其化学结构中的氮氢键可以与含氧官能团如羰基形成氢键作用，从而起到活化效果。

图3 “硫脲”的化学结构式

作为催化剂大家族里的两位重要角色，“卡宾烯”和“硫脲”在聚酯材料的制备合成中发挥了重要的作用。聚酯材料是一种高分子材料，是生物医用材料的重要组成部分，可以应用在手术缝合线、植入内固定器械、药物缓释等现代医学领域。

通常来说，聚酯生物材料的合成是将环状内酯单体在催化剂的作用下经过引发剂引发开环聚合从而转变为聚合物的过程。在这个过程中，“卡宾烯”和“硫脲”就发挥了他们的助推作用。“卡宾烯”是通过活化引发剂，促进环状内酯单体的开环反应；而“硫脲”是通过氢键活化环状内酯单体，从而引发聚合反应。

不过，这两兄弟在单独工作的时候效果并不理想。比如，“卡宾烯”表现为效率低下，也就是说，它需要花费很多的功夫才能完成这项工作，这是因为环状内酯单体活性较差，单纯的活化引发剂很难高效的进行聚合反应。而“硫脲”单独工作的时候，则表现出了“无活性”，这是因为硫脲只能活化环状内酯单体，而引发剂活性不够，因此不能进行反应（图4）。

图4 “卡宾烯”和“硫脲”的作用模式

那么，如果让他们组成一个TEAM，一起工作如何？最近，中科院青岛能源所生物基材料组群王庆刚研究组的科研人员就开展了相关试验。科研人员期望“卡宾烯”利用环外碳碳双键的碱性活化引发剂，而“硫脲”通过氢键活化内酯单体，“双活化”的方式引发内酯的高效开环聚合反应。结果也是令人惊喜的，“卡宾烯”和“硫脲”组成的共催化体系成功实现了丙交酯、戊内酯和己内酯的高效可控聚合，所获得的聚酯材料具有分子量可控、多分散性窄、端基明确以及无金属残留等诸多优点。

正如现实生活中拔萝卜（图5）的过程，一个人的力量是有限的，当你独自一人面对困难时，团结合作可以帮你渡过难关，让任何困难都变简单。

图5 卡宾烯和硫脲共催化体系催化内酯开环聚合反应

此外，科研人员通过大量实验研究发现，与设想的“硫脲”活化内酯单体，“卡宾烯”活化引发剂的简单催化模式不同，该有机协同催化反应机理是硫脲负离子的双活化作用机制（图6）。首先，“卡宾烯”与“硫脲”相互作用，硫脲氮原子上的氢被卡宾烯夺取，形成硫脲负离子。硫脲负离子通过氢键作用同时活化内酯单体和引发剂。该催化体系具有催化剂简单易得、催化效率高及广泛适用性等独特优势，使得规模化制备聚酯生物材料成为可能。

图6 “卡宾烯”和“硫脲”的协同催化机理

由“卡宾烯”与“硫脲”制备合成的聚酯生物材料（图7）具有无毒无害、无金属残留、可降解、可回收等特点，完全符合可持续发展理念，具有广阔的发展空间。

图7聚合物实例

来源：中国科学院青岛生物能源与过程研究所

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