近日，北京大學(xué)劉允研究員與廈門大學(xué)汪騁教授合作，開創(chuàng)性地采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，揭示了硫脲催化1,2-二硫戊環(huán)開環(huán)聚合中過渡態(tài)的穩(wěn)定機(jī)制。該研究成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。
因聚二硫化物主鏈中的動態(tài)S?S鍵，在生物醫(yī)學(xué)、可持續(xù)聚合物和彈性體材料領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而，如何同時實(shí)現(xiàn)高反應(yīng)活性和選擇性一直是開環(huán)聚合的難點(diǎn)。盡管團(tuán)隊(duì)此前提出的"陰離子結(jié)合催化"策略（2023年發(fā)表于《美國化學(xué)會志》）取得初步進(jìn)展，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)或計(jì)算方法難以解析催化劑構(gòu)效關(guān)系，尤其是過渡態(tài)中復(fù)雜的非共價(jià)相互作用網(wǎng)絡(luò)（圖1）難以驗(yàn)證。
團(tuán)隊(duì)將機(jī)器學(xué)習(xí)與化學(xué)機(jī)理研究結(jié)合，構(gòu)建了完整的"數(shù)據(jù)驅(qū)動"研究框架。他們首先從PubChem數(shù)據(jù)庫中篩選13,250種異硫氰酸酯，運(yùn)用主成分分析（PCA）和k-means聚類，最終合成了44種具有不同芳基取代基（鄰、間、對）的硫脲催化劑（圖1）。
圖1催化劑庫構(gòu)建：數(shù)據(jù)驅(qū)動的1,2-二硫戊環(huán)可控ROP陰離子結(jié)合催化劑設(shè)計(jì)工作流。
以(R)-硫辛酸甲酯為模型單體，團(tuán)隊(duì)通過1H和13C NMR量化了聚合速率（k?）和區(qū)域選擇性（P??），發(fā)現(xiàn)活性差異近兩個數(shù)量級（0.15–7.31 h?1），選擇性范圍較窄（0.61–0.76）。研究采用極端梯度提升（XGBoost）結(jié)合逐步回歸分析高通量反應(yīng)數(shù)據(jù)及62個分子描述符（圖2），并通過SHAP（沙普利加和解釋）量化特征貢獻(xiàn)（圖3–4）
圖2機(jī)器學(xué)習(xí)模型：（A）XGBoost與逐步回歸結(jié)合的工作流程；（B）反應(yīng)速率（k?）和（C）區(qū)域選擇性（P??）的XGBoost性能。
圖3XGBoost識別的反應(yīng)活性（k?）關(guān)鍵催化劑特征：（A）前五位特征的SHAP圖；（B）13種代表性催化劑的SHAP分析，按（C）結(jié)構(gòu)特征分為快、中、慢反應(yīng)活性簇（紅、綠、藍(lán)虛線圓圈）。
圖4區(qū)域選擇性（P??）關(guān)鍵催化劑特征：（A）前五位特征的SHAP圖；（B）Vbur(H5)和（C）ALIEmin(N27)的圖形定義；（D）空間特征Vbur(H5)和（E）電子特征ALIEmin(N27)對14種催化劑的SHAP分析，按Vbur(H5)值升序排列。
研究通過數(shù)據(jù)科學(xué)揭示了過渡態(tài)穩(wěn)定機(jī)制，證明硫脲催化劑中構(gòu)象、電子和空間特征的協(xié)同效應(yīng)。芳基二面角（Major Φ）和構(gòu)象比例（γ）對反應(yīng)活性起決定性作用——更平面的芳基（如間位?NO?取代的催化劑20）減少旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體并提升活性（圖3）。區(qū)域選擇性則受芳基NH位點(diǎn)空間位阻（Vbur(H5)）和胺氮給電子能力（ALIEmin(N27)）共同調(diào)控（圖4）。電子效應(yīng)方面，吸電子基團(tuán)增強(qiáng)芳基π平面與單體的范德華接觸以提高選擇性，供電子基團(tuán)則穩(wěn)定陽離子以降低能壘。最終，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鹵素取代催化劑（如24、25、26、40）通過適度電正性和最小位阻實(shí)現(xiàn)活性-選擇性平衡，得到了比前作性能更加優(yōu)異的催化劑。
團(tuán)隊(duì)通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算發(fā)現(xiàn)高選擇性催化劑8的芳基扭曲構(gòu)象可形成更緊密的過渡態(tài)（范德華接觸距離縮短0.11 ?），而高活性催化劑20因構(gòu)象單一性實(shí)現(xiàn)高效預(yù)組織（圖5）。這些結(jié)果與機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測高度吻合，證實(shí)了數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的可靠性。
圖5最高選擇性催化劑（8）與最高活性催化劑（20）對比：（A）反應(yīng)活性和（B）區(qū)域選擇性的關(guān)鍵差異特征；（C）松弛掃描的構(gòu)象分布和（D）DFT優(yōu)化過渡態(tài)幾何中的臨界距離進(jìn)一步闡釋。
該研究開創(chuàng)了 作者簡介： 劉允研究員 劉允博士，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師，國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金（海外）獲得者（2022年）。2017年獲美國印第安納大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位，2011年獲廈門大學(xué)化學(xué)學(xué)士學(xué)位，2017-2021年在美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）貝克曼先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所從事博士后研究，師從Jeffrey S. Moore院士。2021年9月加入北京大學(xué)任獨(dú)立PI，課題組專注于動態(tài)聚合物合成及聚合物物理化學(xué)研究。 劉允課題組誠邀有志于高分子化學(xué)前沿研究的博士生及博士后加入。 聯(lián)系方式：yun.liu@pku.edu.cn 全文鏈接： https://doi.org/10.1002/anie.202502090 來源：高分子科學(xué)前沿 聲明：僅代表作者個人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>
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