酰胺基团在天然与合成高分子中无处不在，赋予材料关键的生理与物理化学特性。然而，传统主链酰胺聚合物（即聚酰胺）的合成，通常依赖高温、高反应性单体或严苛的酰胺化条件，这极大限制了单体种类和对其他官能团的容忍度。尽管化学家们发展了金属催化脱氢偶联、多组分聚合等替代方案，但这些方法往往面临催化剂或单体合成复杂、原子经济性欠佳、产物分子量有限等问题。相比之下，“先酰胺化后聚合”的策略，即预先在单体中安装极性且能量密集的酰胺键，有望在更温和的条件下实现聚合，并提升化学选择性。然而，此类用于合成主链酰胺聚合物的“酰胺优先”路径报道甚少，且大多仍需高温真空等苛刻条件，单体种类与性能调控范围有限。

针对上述挑战，华南理工大学赵俊鹏教授、张广照教授团队开发了一种温和、原子经济的一锅两步法，从天然氨基酸衍生的氨基醇与反应性溶剂γ-丁内酯出发，经原位生成酰胺基伯二醇，再与二环氧化物进行线性逐步开环聚合，成功合成了一系列结构多样的聚醚酰胺。该方法的精髓在于路易斯酸碱对有机催化剂独特的化学选择性，能够在含有仲/叔羟基和酰胺基团的多质子体系中优先激活伯羟基进行环氧开环，从而避免交联与支化。这种“三模块”合成策略充分利用了丰富易得的起始原料，实现了材料结构的多样化定制与性能的精细调控，并展示了所得聚醚酰胺在界面材料中的两种截然不同的高性能应用：亲水性品种表现出广谱抗蛋白吸附能力，而疏水性品种则展现出对多种基材的强力粘合，即使在液氮温度下或经10次重复使用后依然性能卓越。相关论文以“Site-Selective Trimodular Polymerization to Amino Acid-Based Poly(ether amide)s with Divergent Properties”为题，发表在JACS上。

图1. 主链酰胺聚合物的合成路径示意图。

研究团队首先通过γ-丁内酯与多种氨基醇（包括乙醇胺及从天然α-氨基酸衍生的七种氨基醇，如L-丙氨醇、L-缬氨醇、L-苯丙氨醇、L-亮氨醇、L-异亮氨醇和L-甲硫氨醇，以及5-氨基-1-戊醇）在80°C下反应4小时，定量生成了酰胺基伯二醇。随后，在优化的路易斯酸碱对催化条件下（以三乙基硼为路易斯酸，叔丁基磷腈碱为路易斯碱，二醇/二环氧/碱/三乙基硼的摩尔比为1/1/0.02/0.15，50°C），这些原位生成的二醇与1,4-丁二醇二缩水甘油醚进行逐步开环聚合。在24小时内，所得聚合物的分子量（Mw,SEC）达84.5~101.1 kg/mol（表1）。凝胶渗透色谱与核磁共振谱图证实，所得聚合物具有严格的线性结构，伯羟基与环氧基团近乎等摩尔消耗，仲羟基与酰胺基团在聚合过程中保持完好，排除了交联或超支化的发生。即使对于带有β-取代基的位阻二醇，聚合反应同样顺利进行。有趣的是，含硫醚基团的甲硫氨醇衍生物虽无法均聚（可能由于硫醚-三乙基硼相互作用削弱了催化剂活性），但通过与甘氨醇衍生物以8:2的摩尔比共聚，并提高催化剂用量，成功获得了硫醚功能化的聚醚酰胺（分子量58.5 kg/mol）。此外，采用芳香族二环氧单体间苯二酚二缩水甘油醚时，因体系粘度较高，需将催化剂换为叔丁醇钾（二醇/二环氧/叔丁醇钾/三乙基硼=1/1/0.06/0.15）并将反应时间延长至48小时，同样可制备出分子量超过100 kg/mol（102.6~104.5 kg/mol）的线性聚合物，且伯羟基选择性不受影响。

值得注意的是，所得聚醚酰胺的分子量分布（DM）较普通逐步聚合产物更宽。这既可能源于丰富的酰胺、羟基、醚和烷基带来的强氢键及疏水作用导致的大分子聚集与缠结、从而扭曲了SEC测量结果；也可能因氢键作用影响链端羟基和环氧基的反应活性，并在聚合后期导致高粘度，使逐步聚合偏离等反应性的理想假设。而对于含苯环的间苯二酚二缩水甘油醚体系，链刚性带来的更高粘度和更大的聚合物/单体极性差异，可能是其分布更宽的原因。

示意图1. 通过γ-丁内酯被氨基醇开环，随后在路易斯酸碱对催化下原位形成的酰胺二醇与二环氧化物进行逐步开环聚合，一锅两步法合成聚醚酰胺的通用示意图。

以代表性产物GlyBD为例，¹H NMR谱中，-CH₂C(=O)NHCH₂-（7.75–7.86 ppm）、-CH₂C(=O)NHCH₂-（3.16–3.20 ppm）和-CH₂C(=O)NHCH₂-（2.08–2.14 ppm）三组信号的积分比为1:2:2，证实了酰胺质子在逐步开环聚合过程中的完整性。DEPT 135 NMR谱中，69 ppm处唯一的负峰对应于与仲羟基相邻的次甲基碳，证实了仲羟基在反应中未被消耗。¹H NMR动力学跟踪表明，伯羟基与环氧基团信号同步减弱、仲羟基信号同步增强；二环氧与二醇的转化率呈近乎完美的线性关系（斜率接近1），证明环氧基团与伯羟基在整个聚合过程中等摩尔消耗。这些数据综合验证了环氧基团选择性地与二醇的伯羟基反应，而酰胺基和环氧开环生成的仲羟基始终保持完好，确保了产物严格的线性结构。

为揭示该体系严格的伯羟基选择性机理，作者进行了密度泛函理论计算。以甘氨醇衍生的酰胺二醇和缩水甘油甲醚为模型反应物，计算表明：在三乙基硼存在下，伯羟基因与硼形成更强的氧-硼相互作用（相对于氮-硼相互作用），优先被磷腈碱去质子化，形成更稳定的三元离子络合物；随后，伯羟基对活化环氧化物的亲核进攻能垒（26.3和24.8 kcal/mol）显著低于去质子化酰胺基团的进攻（39.4 kcal/mol）。这种较大的动力学差异为环氧优先被伯羟基开环提供了另一重有力保障。更有力的是，与模型仲羟基化合物相比，伯羟基形成络合物更稳定，且后续环氧开环能垒更低。根据阿伦尼乌斯方程估算，伯羟基与环氧化物的反应速率常数约为仲羟基的3800倍；即使对于体积更大的β-取代酰胺二醇（如亮氨醇、异亮氨醇、苯丙氨醇衍生物），伯羟基的反应速率也比仲羟基快至少1300倍。对于叔丁醇（叔羟基），由于强烈的位阻效应，环氧开环能垒高达35.4 kcal/mol，这也解释了为何叔丁醇钾在本体系中仅作为碱催化剂而不作为竞争亲核试剂。这种热力学与动力学上的双重优势，共同保障了聚合反应严格的线性选择性。不过，若刻意过量加入二环氧，仲羟基仍可能被激活导致交联（形成不溶物），这恰好证明伯羟基选择性源于更快的动力学而非热力学优势，因此反应需严格保持二醇与二环氧的等摩尔比。

鉴于疏水组分有助于增强对固体表面的粘附，研究团队转向以间苯二酚二缩水甘油醚为单体制备的含芳香环聚醚酰胺。这类材料因引入多个疏水芳环，水接触角显著增大（GlyRD、IleRD、PheRD分别为52.6°、73.7°和67.6°），同时丰富的仲羟基与酰胺基团可提供大量非共价相互作用位点。得益于其线性结构和良好热稳定性，粘合测试样品可通过将聚合物薄膜热压于基材表面（120°C，5分钟）简便制备。采用搭接剪切实验评估粘合性能时，发现不含非极性侧基的GlyRD在玻璃、铝和环氧板上的粘合强度明显优于含异亮氨酸或苯丙氨酸侧基的变体，这是因前者更易形成氢键网络以增强内聚与界面粘附。进一步测试表明，GlyRD对木材、陶瓷、不锈钢、黄铜等多种基材均表现优异粘合（15.5~19.8 MPa），但对尼龙粘合较差（仅5.4 MPa），可能源于尼龙的结晶性和高内聚强度阻碍了与GlyRD形成界面氢键。尤其在不锈钢上的搭接剪切强度高达19.8 MPa，超越绝大多数非交联聚合物粘合剂，甚至可与部分交联热固性粘合剂媲美。得益于其热塑性，分离的钢试样可重新粘合，经10次循环后粘合强度仍保持18.3 MPa，且在第四次循环时强度升至23.1 MPa，显示重复剪切加热可促进粘合剂进一步浸润基材表面，从而在循环早期提高粘合强度。

为验证低温粘合性能，研究团队将粘合后的铝、黄铜和不锈钢试样分别浸入干冰（-78°C）和液氮（-196°C）中1小时后进行测试。结果发现，在铝和黄铜上粘合强度几乎不变（室温下分别为12.2和14.9 MPa，-196°C下分别约为12和15 MPa），不锈钢上虽略有下降（室温下19.8 MPa，-196°C下约14.8 MPa）但仍高于14.8 MPa，优于多数报道的耐超低温粘合剂。动态力学分析表明，该聚合物在低温下储能模量急剧升至GPa级，随温度降至约15°C时大幅增加，继续冷却至-80°C时达4.4 GPa，源于多重氢键的物理交联提供足够内聚强度；同时损耗模量维持较高水平，损耗因子在整个低温区间（-80至40°C）均超过0.14，呈现类橡胶态而非脆性力学响应，柔顺的醚键有助于链段滑动从而阻碍裂纹扩展。变温红外光谱证实，从120°C冷却至40°C过程中，O-H和C=O吸收峰逐渐蓝移（3340→3320 cm⁻¹和1650→1645 cm⁻¹），N-H弯曲振动峰红移（1545→1555 cm⁻¹），这些光谱变化共同表明氢键网络随温度降低而增强，与冷却过程中储能模量增加一致。同时，不规则的大分子结构避免了过于有序的氢键排列，同样有利于保持高粘合强度。令人惊叹的是，一块粘合面积为5 cm²（25×20 mm²）的不锈钢试样，经液氮处理1小时后，竟能悬挂一名90公斤的成年人，直观展示了其超强耐低温粘合能力。

总结与展望

本研究从天然氨基酸衍生的氨基醇和绿色溶剂γ-丁内酯出发，开辟了一条一锅两步的“三模块”合成路径，制备了结构新颖且丰富的生物基两亲性聚醚酰胺材料。路易斯酸碱对催化剂的使用，确保了多质子体系中严格的伯羟基选择性，结合密度泛函理论计算阐明了其热力学与动力学根源（氧-硼强相互作用保证优先去质子化，且伯羟基引发环氧开环速率比仲羟基快1300~3800倍）。这种集成酰胺基、仲羟基和醚键，并避免支化与交联的线性结构，结合单体的广泛可得性与易调变性，使聚醚酰胺展现出可灵活适配的界面性能：既可作为广谱抗蛋白污染涂层，也可作为强力热熔粘合剂，尤其在对不锈钢的粘合强度（约20 MPa）、可重复使用性（10次循环后仍达18.3 MPa）及超低温耐受性（-196°C下仍超14.8 MPa）方面显著优于现有聚合物粘合剂。该工作为开发新一代多功能、可适应、高性能且可持续的聚醚酰胺材料提供了富有启发性的策略，后续研究可望深入探索精细结构-性能关系、增强结构可控性、拓展单体范围（如二胺、取代内酯及不同环尺寸内酯）以及发掘这些材料的其他潜在应用。