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多功能序列可控高分子聚醚合成新策略2018-12-21

自然界中的生物大分子,如核酸和蛋白质,在生物系统中合成时其链长、序列和手性都受到严格控制,从而保证它们能够正确传递遗传信息或者执行生物学功能。精确控制初级序列以实现分子复杂性、结构多样性,这是自然界中几乎所有生物体的基本需求(Nature, 2003, 421, 427),同时,这也是高分子化学家追求不懈的目标。长久以来,高分子化学家已经开发了各种合成策略以实现对聚合物序列结构的控制,例如单体插入、串联单体加成、动力学控制、分离模板法、连续增长聚合等,往往这些聚合策略只能一定程度上减小分子量分布、并实现对聚合物序列的粗略控制。这些传统的序列控制策略始终无法与自然界对大分子序列控制的精度相媲美。

迭代合成,是一种能够真正意义上制备精准序列可控高分子的策略,并能实现可以与自然匹敌的序列控制精度。在迭代合成中,一次加入一类特定单体结构,高分子链定向增长,反应残渣及过量单体随即被分离,如此循环往复(Science, 2013, 341, 1238149)。近年来,固相迭代合成(Science, 1986, 232, 341)已逐渐成为制备序列可控聚合物的佼佼者,主要由于其简单的反应纯化过程,以及易于实现自动化(Science, 2001, 291, 1523–1527)。在固相合成中,不溶的固相载体往往价格昂贵,而且链不断增长的聚合物纯度难以实时监控。另一方面,固相载体极大限制了偶联反应的速率,最终导致反应产率、序列精度显著下降。此外,固相合成往往难以量产,从而妨碍了其在材料科学领域的实际应用。

高分子聚醚由于其优异的水溶性、生物相容性、非免疫原性等特点,在材料科学和生物医学等领域有着广泛应用。其中,具有均一链长的单分散聚乙二醇(PEG)尤其引人关注。然而,研究表明威廉姆逊成醚反应(Williamson ether synthesis)对底物、催化剂以及反应条件等要求极其苛刻,因此传统的固相合成难以用于制备单分散PEG。由此,液相迭代合成法被用于制备单分散线性PEG,但是每一个合成循环周期(加成、去保护)都要求使用复杂的柱层析法纯化产物,极大地增加了生产成本。迄今为止,PEG由于其简单的线性分子结构,仅能够实现端基修饰,无法进行位点选择的结构改性,这限制了对PEG物化性能及生物活性的优化。因此,开发一种普适的合成策略,用以生产具有多功能性、序列可控的聚醚以满足实际应用的需求,是一项相当具有挑战性的重要课题。

图1. 膜分离-液相迭代法制备多功能序列可控高分子聚醚。

最近,英国帝国理工学院化工系Andrew G. Livingston教授研究团队开发了一类全新的结合分子筛分技术的液相迭代合成法,并以此制备了一类新型的多功能序列可控高分子聚醚(图1)。研究团队设计合成了4类具有活性侧基的手性五乙二醇单体,并分别将其编码为L、O、N、D5-8,图2);一个尺寸巨大的三臂星状大分子(9,图2)作为液相载体;每个合成循环过程中,加入特定单体,序列结构通过成醚反应增长,再通过膜分离获得产物;如此循环,最终生成特定序列的星状高分子聚醚(21a21b,图2)。整个合成过程中都采用液相反应,因此可以实现对反应过程的实时监控,以确保反应完成。这种新的合成策略结合了液相反应、实时监控以及尺寸依赖的膜分离技术,能够高效生产高纯度、序列精准可控的高分子聚合物。而且,活性侧基的引入为进一步优化高分子聚醚结构性能提供了可能,从而解锁了其在生物医药、纳米科技以及信息存储等领域的应用潜力。相关工作近日发表在Nature Chemistry 上。

图2. 序列可控星状高分子聚醚的合成路径。图片来源:Nat. Chem.

为了实现无柱层析的全液相聚醚合成,需要一种高效的策略来分离链增长的聚合物和反应碎片。作者选择通过有机溶剂纳滤(organic solvent nanofiltration, OSN)来进行分子筛分,不仅因为它易操作,并且可以实现较高的分离效率(图3)。值得一提的是,OSN正是Livingston研究团队另外一个代表性的研究方向,近年来,他们已经大大提高了有机纳滤膜的过滤性能(Science, 2015, 348, 1347,点击阅读相关),并且将OSN用于包括药用活性成分的连续合成(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 13576,点击阅读相关)在内的多个领域。

研究团队选择三臂星状分子9(图2)来支撑不断增长的聚醚,这个星状分子不仅能够有效地保护聚醚分子的端基,并且由于具有高紫外消光系数可同时作为监测反应的紫外标记。尤其重要的是,这个三臂星状分子能够有效地使不断增长的聚醚发生三元聚合,从而使其尺寸显著增加。因此,与尺寸较小的单体相比,尺寸较大的星状聚醚难以穿过有机多孔膜,从而使其分离效率显著增大(图3)。

图3. 尺寸依赖的膜分离以及实时的HPLC过程监控。图片来源:Nat. Chem.

为了进行高效的OSN,有机膜必须能够经受有机溶剂、酸、碱以及各种活性物质的考验。为此,作者制备了三种坚固的不对称多孔膜,包括聚醚醚酮膜(PEEK)、聚苯并咪唑膜(PBI-BC)以及连续涂膜法制备的聚苯并咪唑膜(PBI-CC)。多孔膜的孔径分布通过液液孔隙度测定法测定(图3c),PBI-CC的平均孔径约为5.0 nm,显著大于PEEK(约3.5 nm)或PBI-BC(约4.0 nm)。4种单体(5-8)的分子量范围为531至642 Da,它们的分子尺寸均小于2 nm,而星状大分子9的分子量则为1,682 Da,直径大于5 nm(图3b)。理论上,以上所有的多孔膜都能截留尺寸较大的星状大分子,同时允许尺寸较小的单体通过(图3a)。在这三种膜中,与PEEK或PBI-BC相比,PBI-CC不仅具有最高的溶剂渗透性(12 L•m-2•h-1•bar-1),而且也展现出了最高的分离效率(图3d)。因此,PBI-CC多孔膜能够快速有效地分离生长的星状聚合物与反应碎片。

图4. 星状大分子聚醚中间产物的HPLC谱图。图片来源:Nat. Chem.

在每个合成循环周期(即偶联、分子筛分和去保护),所有步骤都可以通过HPLC监测,包括对关键的成醚反应的实时监测。在HPLC图谱中,四氢吡喃(Thp)保护的星状聚醚的保留时间比起始去保护的星状聚醚长1-2分钟(图4a-d)。在发现反应不完全的情况下,进一步加入反应物以使其完成,确保最终星状聚醚的高纯度。前三个链增长循环的偶联反应均在12小时内完成,但最后三个循环中偶联反应则需要更长时间(18-24小时),所添加单体的比例为12当量,即4当量/每臂。通过HPLC实时监测膜分离过程显示,分离装置中残余单体的量随着时间增加而显著下降,直至完全消失。同时,通过HPLC监测去保护过程,产物的保留时间再次降低1-2分钟。图4中所有星状聚醚中间体均呈现单一的HPLC峰,证实了星状聚醚的高纯度。GPC进一步表征了所有星状聚醚中间产物,均产生单一的GPC峰,证实了其结构均一性。而且,伴随着分子链的增长,星状聚醚的保留时间逐渐缩短,表明分子尺寸/分子量逐步增加。

图5. 序列可控高分子聚醚的结构表征。图片来源:Nat. Chem.

为了完成序列可控聚醚的合成,需将星状聚醚中的聚醚分子链从星状分子上裂解。研究团队最初尝试进行钯催化的氢解反应,但几乎没有得到任何产物,主要是由于聚醚分子链中含有一定量的硫醚,最终导致催化剂中毒。相反,在-78 ℃下,使用三氯化硼(BCl3)处理星状聚醚,苄基醚键得以脱保护,从而得到两个序列可控的高分子聚醚(22a22b)(图5a)。22a22b的分子结构通过NMR光谱测定。如图5b-c所示,所得聚醚(22a22b)均呈现单一的HPLC峰,证实了其较高的产物纯度。MALDI-ToF质谱进一步证实了22a22b的分子量及分布(图5d-e),目标分子的离子峰[M+Na]+,其实际观察的m/z值分别为2490.0 Da(22a)和2163.0(22b),与理论摩尔质量2489.2和2163.2 Da完美吻合。由于两个叠氮基团的解离,还观察到[M-n(N2-2H)+Na]+(n = 1-2)的两个碎片峰。通过串联质谱(MS / MS)进一步验证了22a22b的分子序列。通过DSC和TGA评估了22a22b的热性质。在室温下,22a22b都是粘性油状物质,并且具有尖锐的玻璃化转变温度(Tg)但却没有熔点(Tm),证实了它们的无定形性质。此外,在22a(-55.1 ℃)和22b(-50.3 ℃)之间的Tg差异,表明了单体序列对其热力学行为的影响。

图6. 序列可控高分子聚醚的位点选择多功能化。图片来源:Nat. Chem.

为了证明这种新型聚醚的多功能性,作者对其进行了位点选择的侧链修饰。22a22b经过两步改性,侧链上的硫醚和叠氮基团分别转化为活性的巯基(SH)和氨基(NH2),得到完全去保护的聚醚(24a24b)(图6a),总产率为80%。此外,罗丹明B异硫氰酸酯(RBITC)和荧光素-5-马来酰亚胺(FM)在一锅中连续缀合到聚醚侧基以避免在中间纯化过程中损失,最终形成序列可控的多功能聚醚(25a25b)。通过紫外分光光度法和荧光光谱法评估这两种多功能聚醚的光学行为的变化,结果表明25a25b均在502 nm和546 nm处具有较强的紫外吸收峰,分别对应于荧光素和罗丹明B的吸收。富含荧光素的25a在甲醇中呈现红橙色,吸光度为502 nm > 546 nm。相反,富含罗丹明B的25b在甲醇中则呈粉红色,与25a恰恰相反其吸光度为502 nm < 546 nm(图6b)。当荧光素分子在490 nm处被激发时,这两种聚醚均在518 nm和585 nm处呈现两个发射峰,其中富含荧光素的聚醚25a在 518 nm处的发射峰的强度显著高于585 nm处的发射峰(图6c)。相反,富含罗丹明B的聚醚25b在518 nm处仅呈现极弱的荧光发射信号,而在585 nm处则显示极强的荧光信号。这两种聚醚荧光行为的差异主要归因于Förster共振能量转移(FRET),比如在富含罗丹明B的聚醚25b中,荧光供体(荧光素)所产生的荧光几乎完全被荧光受体(罗丹明B)所吸收,从而产生极强的黄色荧光吸收带,因此其整体呈现黄色荧光信号。因此,侧链结构和单体序列对序列可控聚醚的光学性能具有显著影响。

——小结——

Andrew G. Livingston教授课题组通过膜分离-液相迭代合成法成功制备了高纯度、序列可控的多功能高分子聚醚。该策略通过实时监测以确保反应完成,并利用尺寸选择的OSN分子筛分技术,极大提高了目标聚合物的纯度、产率以及序列精度。特异性的位点修饰提供了一种精确控制侧链结构和功能性的通用途径。这种膜分离-液相合成平台能够用于开发各种新型序列可控的高分子聚合物,以满足实际应用的需求。