金庸的小说《神雕侠侣》中古墓派武功中，有一套叫做“双剑合璧”的剑法。在小说中杨过使用全真剑法，小龙女使玉女剑法，两人双剑合璧，威力奇大，大败金轮法王和李莫愁。但小龙女从老顽童周伯通处学得左右互搏术，掌握分心二用之后，亦可一人使出双剑合璧，出手速度比两人同使要快上数倍，威力尤强。

在立体选择性聚合中，主要分为链末端控制和位点控制两种控制机制。一般单一催化剂依靠一种立体选择性聚合机制，只能产生一种立构规整性。在环状手性双酯的聚合中，将外消旋催化剂联用（杨过和小龙女的双剑合璧），外消旋催化剂利用其对映体发挥对映选择作用，可以实现对链末端手性和单体手性的双重识别，发生立体错误时，两个对映体催化剂之间进行分子间链交换，从而可以获得不同的立构规整性。但是具有上述功能的催化剂很难定制合成，且分子间链交换能垒高，效率低。那么，如果能开发一种简单高效的单分子催化剂将左右互搏术和双剑合璧结合，就可以克服对外消旋催化剂的依赖，从而实现对聚合物立体微观结构的精细控制。

近日，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室张越涛教授课题组巧妙利用分子内多位点催化剂的多位点协同，通过对链末端手性和单体手性的双重识别，实现了丙交酯的立体选择性聚合，合成了等规和杂同等规聚合物。该工作发表在最新一期的《Chem》。

图1.催化剂结构及催化机制示意图

作者设计合成了具有顺式结构的cis(R,S)-DiTU，该催化剂中，两个硫脲基团在同侧，有利于相互协同，作为对比，还合成了两种对映体纯的反式(S,S)-DiTU和(R,R)-DiTU催化剂，分别与MeOK结合催化外消旋丙交酯的聚合。聚合结果表明，cis(R,S)-DiTU/MeOK = 1/1可以实现rac-LA的立体选择性聚合，催化产生的PLA等规度高达0.96，且聚合呈活性聚合。而(S,S)-DiTU和(R,R)-DiTU与MeOK只能得到富等规PLA（P_m~0.76）。进一步的动力学结果表明：(S,S)-DiTU和(R,R)-DiTU分别对DLA和LLA具有较高的活性，而另一种活性低，对rac-LA的活性处于中间，呈现一个较低的立体选择性因子(k_D/k_L= 1.82 for (S,S)-DiTU;k_L/k_D= 1.79 for (R,R)-DiTU),因此得到富等规聚合物，而要想获得高等规聚合物，立体选择性因子一般要大于20。与之形成鲜明对比的是，(R,S)-DiTU/MeOK对LLA和DLA的聚合速度相同，但比(S,S)-DiTU/MeOK或(R,R)-DiTU/MeOK的聚合速度快5-9倍。

图2.几种催化剂结构及聚合动力学

为了进一步理解上述现象。作者进行了一系列控制实验。1.作者采用基于手性环己二胺框架的单硫脲催化剂，即Takemoto催化剂，与MeOK结合，催化rac-LA的聚合。聚合效果（速率和立构规整性等）与(R,R)-DiTU/MeOK或(S,S)-DiTU/MeOK体系相当。这一结果证明反式双硫脲催化聚合时，只有一个硫脲基团参与聚合。2.等量的(R,R)-DiTU和(S,S)-DiTU混合与MeOK混合，催化rac-LA的聚合，其结果与一种单独使用基本一致，从而排除了(R,S)-DiTU中的R-或S-手性中心分别对rac-LA中的LLA或DLA进行立体选择性的可能性。3.在(R,S)-DiTU/MeOK = 1/2时催化rac-LA聚合，产生了P_m= 0.59的PLA，且聚合速率也有一定下降。这是因为两当量的MeOK的会与分子内两个硫脲基团的两个芳基N-H位点反应，生成分子内双活性位点的活性物种，破坏了两个硫脲基团之间的协同作用。这些结果进一步表明，多位点协同催化对于(R,S)-DiTU实现rac-LA的高聚合速率和对ROP的立体选择性至关重要。

随后，作者进行了理论计算来研究反应机理。理论计算表明，(R,S)-DiTU与一分子的MeOK反应，可以生成具有镜面对称结构的CATA和CATA’，二者能够分别优先聚合DLA和LLA。单体开环后，聚合物链与原来的硫脲基团相连接。当“误插入”发生时（如对CATA，发生LLA的插入），链末端的手性发生变化，聚合物链将发生分子内链穿梭，聚合物链将转移到另一个硫脲上，相比于不穿梭具有较低的能垒。此外计算表明，连续插入两个手性相同的单体具有较低的能垒，因此，最终产生具有立体嵌段结构的高等规聚乳酸。为了更形象的展示该过程，作者使用动画进行了演示。

图3.CATA催化(A)DLA和(B)LLA的聚合

图4.(R,S)-DiTU/MeOK催化rac-LA的聚合机理示意

动画1. (R,S)-DiTU/MeOK催化rac-LA的聚合机理示意

基于上述机制，作者推断，对于同时具有R和S手性中心的meso-LA, CATA和CATA’分别活化进攻具有R和S手性的酯基位点，并产生具有相反手性的链端，导致链末端穿梭。以CATA催化meso-LA,聚合为例，具有R手性的酯基被活化和攻击后，开环后产生的具有S手性的链末端将穿梭转移到另一个硫脲上，CATA将转化为CATA'。新形成的RS-CATA’将活化并攻击具有S手性的酯基，也将伴随分子内链穿梭，产生RSSR-CATA成为新的活性物质。通过不断重复上述分子内链穿梭过程（钟摆的摆动），实现了完美的振荡自适应催化(Oscillatory Adaptive Catalysis OAC)，，最终催化meso-LA生成高杂同等规PLA。值得注意的是，钾离子使两个硫脲基团中的四个N-H键靠近，能够使聚合物链末端选择去拔除哪个N-H质子并占据相应的R或S位点，催化剂中未反应的硫脲空位决定了下一个插入单体的手性（图5和动画2）。

图5. (R,S)-DiTU/MeOK催化meso-LA的聚合

动画2. (R,S)-DiTU/MeOK催化meso-LA的聚合机理示意

结论：张越涛教授课题组所开发的顺式双硫脲催化剂通过双硫脲基团可以分别实现对聚合物链末端的识别和单体的活化（即利用左右互搏术施展双剑合璧），进而通过分子内链穿梭进行立体化学自动校正，实现了对聚合物立构规整性的精准控制，该OAC体系为未来催化剂设计和开发更有效、选择性更强的多位点催化剂提供了实验和理论基础。

该工作在评审时，受到四位审稿人的一致好评，并受邀在《Trends in Chemistry》撰写“Mechanism of the Month”进一步介绍本工作。该工作受到国家重点研发计划，自然科学基金重大研究计划和自然基金面上项目等经费的支持。

论文信息:Wuchao Zhao（赵武超）, Fengchao Cui（崔凤超）, Jianghua He（何江华）Yuetao Zhang（张越涛）*，&Eugene Y.-X. Chen；Oscillatory adaptive catalysis: Intramolecular chain shuttling regulated by stereo-autocorrection in stereoselective polymerization of lactide,Chem(2024),

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.06.031