基于萘环的精确自降解两亲性嵌段寡聚物、合成方法及其应用
技术领域
本发明涉及高分子合成化学领域，更具体地涉及一种基于萘环的精确自降解寡聚物的合成制备方法，并且研究了这种寡聚物的组装特点。
背景技术
两亲性嵌段共聚物自组装是在溶液中自下而上(bottom-up)构建纳米材料的一种简单通用的方法。通过改变嵌段共聚物疏水部分和亲水部分的分子量比重，可以获得包括胶束、囊泡、圆柱相、片层的不同几何形貌的组装体。传统的嵌段共聚物通常是线性-线性的结构，为了拓展组装体的形貌而将其中一个线性嵌段替换成支化的拓扑结构，这种线性-支化嵌段共聚物(linear-dendritic block copolymers，LDBCs)可以具有不同于传统嵌段共聚物的组装结构。Stupp课题组利用这种LDBC，通过Π-Π堆积和分子间氢键作用，可以在二氯甲烷中获得纳米带状组装体(J Am Chem Soc 2001,123(17),4105-4106)；通过引入手性烷基链，可以进一步获得具有螺旋结构的手性超分子组装体(J Am Chem Soc 2005,127(22),7992-3)。Gitsov课题组利用原子转移自由基聚合(ATRP)合成一种两亲性LDBC，通过改变良溶剂和亲水支化部分的支化度可以得到蠕虫状胶束、双连续相、洋葱状的具有高级形貌的组装体(Macromolecules 2019,52(15),5563-5573)。
近年来化学家们发展了一种触发式自降解聚合物(Self-Immolative Polymer，SIP)，在特定的刺激作用下其分子主链可以发生类似多米诺骨牌的级联解聚，从而导致组装体解离，这种分子可被用在药物运输载体、自修复材料、形状记忆材料等领域。Moore课题组利用SIP制造了一种具有核壳结构的微胶囊，壳由交联的自降解聚合物构成，内容物为液体自修复材料，在特定的刺激作用下，通过扫描电子显微镜观察到了微胶囊壳壁随着自降解聚合物的分子降解发生解体，释放出内容物(J Am Chem Soc 2010,132(30),10266-10268)。申请人所在课题组进一步拓展，基于自降解聚合物制造了两亲性线性共聚物(J AmChem Soc 2014,136(20),7492-7)和支化共聚物(J Am Chem Soc 2015,137(36),11645-55)两种共聚物，在水溶液中形成稳定的组装体，实现了程序化的酶促反应和超灵敏监测。
不过，传统的自降解聚合物一般通过缩合聚合制备得到，制备方法简单快速，但是得到的聚合物的分子量分布通常较宽，因此难以实现对分子和组装体的精确控制。多肽作为构成生命体的一种重要分子，其分子量和氨基酸序列的准确性对于其功能的实现非常重要。人工合成多肽通常使用固相合成的方法，得到的多肽分子量单一，序列结构精确。近年来，化学家们在精确高分子合成领域也取得了许多重要进展。Lutz课题组利用两种选择性化学反应通过迭代策略设计了一种单分散的聚烷氧基胺酰胺，并且在其序列中引入二进制编码进行加密，通过串联质谱可以再对该分子进行解码(Nat Commun 2015,6.)。高超课题组通过交替的Menschutkin反应和铜催化的叠氮-炔烃环加成反应(CuAAC)，成功地合成了一系列阳离子序列确定的聚合物，这些聚合物具有最多12个重复单元的季铵盐主链，并表征了它们的精确结构(J Am Chem Soc 2019,141(11),4541-4546.)。
有鉴于此，申请人基于异氰酸酯和羟基的高效偶联反应设计了一系列具有不同聚合度的分子量精确的含萘环线性聚氨酯，其主链可发生级联解聚；并且通过在其末端连接上亲水性的支化甘醇，得到一种精确的两亲性LDBC。通过慢加水的方式，在同样的组装条件下不同聚合度的LDBC可以在水溶液中形成各种不同形貌的组装体。这种精确的分子对于探索分子内在的组装机制具有重要意义。
发明内容
本发明通过借鉴传统固相合成中所用的保护-脱保护来合成精确结构多肽的方法，设计了一种新的路线，合成了一系列具有不同聚合度的基于萘环的精确自降解两亲性嵌段寡聚物，并且利用共溶剂的方法得到了具有不同高级形貌结构的组装体。该组装体通过光照可以进一步发生解体，因此可用于药物运输载体及光刻胶领域。
在一个方面，本发明提供了一种基于萘环的精确自降解两亲性嵌段寡聚物，所述寡聚物由三部分构成：a)由3,4-二羟基苯甲醛衍生的含有两个疏水烷基链及邻硝基苄氧羰基的光触发基元；b)疏水的基于萘环的由氨基甲酸酯键连接的可降解重复单元；c)亲水的基于3,4,5-三羟基苯甲酸甲酯的树枝状甘醇辅助组装基元。
a)
其中，
b)
其中，n＝0、1、2、3或4
c)
本发明的基于萘环的精确自降解两亲性嵌段寡聚物具有以下结构：
其中，
n为1、2、3或4，并且
R选自：
在一个方面，本申请还提供了上述精确自降解两亲性嵌段寡聚物的合成方法，所述方法包括：
(1)使式(i)的单体与式(ii)的光触发基元反应，得到的产物在对甲苯磺酸作用下脱除保护基以继续与所述单体反应，得到寡聚物中间体
(2)使所述寡聚物中间体与式(iii)的支化甘醇部分反应，得到所述两亲性嵌段寡聚物
其中n为1、2、3或4，并且
R选自：
在一些实施方案中，使式(i)的单体与式(ii)的光触发基元在二丁基二月桂酸锡(DBTL)的存在下在70～110℃反应2～8小时。
在一些实施方案中，使寡聚物中间体与式(iii)的支化甘醇部分在二丁基二月桂酸锡(DBTL)的存在下在70～110℃反应2～8小时。
在一些实施方案中，式(i)的单体与式(ii)的光触发基元的摩尔比为1:1～4:1。
在一些实施方案中，寡聚物中间体与式(iii)的支化甘醇部分的摩尔比为1:1～1:4。
优选地，式(i)的单体与式(ii)的光触发基元的反应在氮气气氛下进行。
优选地，寡聚物中间体与式(iii)的支化甘醇部分的反应氮气气氛下进行。
具体地，该合成方法的主要思路是：在催化剂作用下异氰酸酯与羟基之间可以发生高效偶联反应。所用的单体的一端为酰基叠氮，其是异氰酸酯的前体，另一端的羟基用叔丁基二甲基硅基进行保护。在加热条件下，酰基叠氮可以转化为异氰酸酯，可与寡聚物的羟基反应，得到一段具有叔丁基二甲基硅基保护羟基的寡聚物。在对甲苯磺酸作用下，保护基被脱除，羟基暴露出来，继续与单体反应。如此迭代，即可得到一系列具有不同聚合度的寡聚物。
得到的末端为羟基的一系列寡聚物继续与末端为酰基叠氮的亲水支化甘醇部分反应，即可得到最终的精确两亲性嵌段寡聚物。
在另一个方面，本发明提供了通过本发明的两亲性嵌段寡聚物自组装制备的组装体。
在另一个方面，本发明提供了在水溶液中组装得到具有不同形貌结构的组装体的方法，所述方法包括：将本发明的两亲性嵌段寡聚物溶解于纯有机溶剂中，并且向所得溶液中缓慢滴加水，然后通过透析除去有机溶剂，得到具有相应形貌结构的组装体。
在一些实施方案中，有机溶剂选自四氢呋喃、1,4-二氧六环和DMF中的一种或多种。
在一些实施方案中，在溶液中寡聚物的浓度为0.1～5mg/mL。
在一些实施方案中，水与有机溶剂的体积比为1:1～10:1。
在一些实施方案中，滴加所述水的时间为1～10h。
在一些实施方案中，本发明提供了通过式(I)的寡聚物自组装制备的片层状组装体以及制备该片层状组装体的方法。
所述方法包括：将式(I)的寡聚物溶解在纯的有机溶剂(例如四氢呋喃)中，并且向所得溶液中缓慢滴加水，然后通过透析除去有机溶剂(例如四氢呋喃)，获得片层状组装体。
在一些实施方案中，片层状组装体的高度为1～20nm，例如5nm。
在一些实施方案中，本发明提供了通过式(II)的寡聚物自组装制备的纳米带状组装体以及制备该纳米带状组装体的方法。
所述方法包括：将式(II)的寡聚物溶解在纯的有机溶剂(例如四氢呋喃)中，并且向所得溶液中缓慢滴加水，然后通过透析除去有机溶剂(例如四氢呋喃)，获得纳米带状组装体。
在一些实施方案中，本发明提供了通过式(III)的寡聚物自组装制备的长线状组装体以及制备该长线状组装体的方法。
所述方法包括：将式(III)的寡聚物溶解在纯的有机溶剂(例如四氢呋喃)中，并且向所得溶液中缓慢滴加水，然后通过透析除去有机溶剂(例如四氢呋喃)，获得长线状组装体。
在一些实施方案中，长线状组装体的长度为50nm～2000nm。例如长线状组装体的长度可以只有100nm左右，或者长度可达几个微米。所得长线状组装体还具有明显的螺旋结构。
在一些实施方案中，本发明提供了通过式(IV)的寡聚物自组装制备的具有手性消光效应的组装体(组装体疏水内核引入手性香茅醇)以及制备该具有手性消光效应的组装体的方法。
所述方法包括：将式(IV)的寡聚物溶解在纯的有机溶剂(例如四氢呋喃)中，并且向所得溶液中缓慢滴加水，然后通过透析除去有机溶剂(例如四氢呋喃)，获得具有手性消光效应的组装体。
在一些实施方案中，该组装体具有较强的手性消光效应，具有光学活性，具有较强的圆二色谱信号。
在一个方面，本发明的寡聚物及其组装体在紫外光辐照下降解。在一些实施方案中，在紫外光辐照30分钟后，寡聚物及组装体基本上都能降解完全。
附图说明
图1为本发明制备例1合成的光触发基元的核磁共振氢谱；
图2为本发明制备例2合成的中间体的核磁共振氢谱；
图3为本发明制备例2合成的含萘环自降解单体的核磁共振氢谱；
图4为本发明制备例3合成的亲水性支化甘醇的核磁共振氢谱；
图5为本发明制备例4合成的精确自降解寡聚物的凝胶渗透色谱；
图6为本发明制备例5合成的精确自降解两亲性嵌段寡聚物的凝胶渗透色谱；
图7为本发明制备例5合成的精确自降解两亲性嵌段寡聚物的基质辅助激光解吸飞行时间质谱；
图8a为本发明组装例1制备的片层状组装体的冷冻透射电镜照片；图8b为本发明组装例1制备的片层状组装体的原子力显微镜照片；
图9为本发明组装例2制备的纳米带状组装体的冷冻透射电镜照片；
图10a为本发明组装例3制备的纳米线状组装体的冷冻透射电镜照片；图10b为本发明组装例3制备的纳米线状组装体的原子力显微镜照片；
图11为本发明组装例4制备的具有手性消光效应的组装体的圆二色谱测试结果；
图12为本发明的精确自降解两亲性嵌段寡聚物的单链降解GPC跟踪结果；
图13为本发明精确自降解两亲性嵌段寡聚物的包覆尼罗红的组装体的降解释放荧光跟踪结果。
具体实施方式
本发明涉及一种基于萘环的聚合度精确的自降解寡聚物的合成与组装，该寡聚物的主链由氨基甲酸酯键连接，在相对应的触发事件的触发下，可以发生1,4-电子重排发生级联解聚，生成二氧化碳和对氨基萘甲醇。在该自降解寡聚物的周围连接亲水性的支化甘醇片段，组成两亲性嵌段共聚物，在相同的组装方式下，改变自降解寡聚物的聚合度，可得到具有不同形貌结构的组装体。
传统的自降解聚合物一般是通过缩聚反应得到，通常分子量分布比较宽，因此组装得到的形貌不够均一且每次制备的聚合物很难完全一致，导致其重复性较差。通过本申请提供的迭代方式获得的寡聚物具有单一的分子量，可重复性高，组装得到的形貌均一。且由于引入萘环，相对于传统含苯环的自降解聚合物，降解更加快速。因此使其具有作为快速释放药物载体、新型单分子光刻胶的应用前景。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
制备例1：光触发基元的合成
本发明中使用的光触发基元通过以下方式获得：
1)将3,4-二羟基苯甲醛(7.2mmol,1.00g)，十八烷基溴(15mmol,5.00g)和碳酸钾(15mmol,1.20g)溶解在50mL DMF中，加入催化量的碘化钾，氮气保护下90℃加热搅拌反应12h。冷却至室温，将反应体系倒入150mL H2O:HCl(100:50)中，加入二氯甲烷萃取，萃取液用无水硫酸钠干燥，除去溶剂。粗产物在乙醇中重结晶得到3.8g中间体(82％)。
2)将上一步合成的中间体(3.1mmol，2g)分散在10mL二氯甲烷中，冰浴条件下逐滴加入16mL浓硝酸，恢复室温继续反应4h。反应液依次用5％的NaHCO3水溶液、水、饱和食盐水进行洗涤，有机相用无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂得到绿色固体产物2g(93％)。
3)将上一步合成的中间体(2.9mmol，2g)溶解在50mL THF中，加入5mL甲醇，冰浴搅拌15min，向其中缓慢加入硼氢化钠(2.9mmol，0.11g)，室温避光反应5h，以石油醚-乙酸乙酯作为淋洗剂柱层析分离提纯得到终产物1.75g(87％)。其结构通过核磁氢谱表征，结果显示于图1，证明了所合成的光触发基元结构。
制备例2：含萘环自降解单体的合成
本发明中使用的含萘环自降解单体通过以下方式获得：
1)将4-羟甲基萘甲酸(1.01g,5mmo1，按照文献J.Med.Chem.2002,45,5755-5775合成)、咪唑(0.68g,10mmol)、催化量的4-二甲氨基吡啶溶解在30mL DMF中，冰浴搅拌15min。再将叔丁基二甲基氯硅烷(1.13g,7.5mmo1)溶解在20mL DMF中利用恒压滴液漏斗逐滴加入上述反应体系，室温反应12h。向其中加入大量饱和食盐水，再用乙酸乙酯进行萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，以石油醚-乙酸乙酯作为淋洗剂柱层析分离提纯得到产物1.42g(90％)。其结构通过核磁氢谱表征，结果显示于图2，证明了所合成的中间体结构。
2)将上一步合成的中间体(5.4mmol，1.7g)溶解在20mL THF中，冰浴15min，顺序地向其中缓慢加入三乙胺(6.5mmol，0.66g)、叠氮磷酸二苯酯(6.5mmol，1.79g)，室温搅拌反应4h。反应体系依次用水洗、饱和食盐水洗，乙酸乙酯萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，再以石油醚-乙酸乙酯作为淋洗剂柱层析分离提纯得到最终白色固体产物1.47g(80％)。其结构通过核磁氢谱表征，结果显示于图3，证明了所合成的含萘环自降解单体结构。
制备例3：亲水性支化甘醇的合成
本发明中使用的亲水性支化甘醇通过以下方式获得：
1)将3,4,5-三羟基苯甲酸甲酯(1g,5.4mmo1)、无水碳酸钾(2.25g，16.2mmol)分散在100mL无水DMF中，氮气保护下在80℃搅拌30min，再将原料1(9g，16.2mmo1，按照文献(Chem.Asian J.2011,6,452-458合成)加入反应瓶中，100℃继续反应24h，减压除去DMF，用二氯甲烷萃取，有机相顺序地进行水洗、饱和食盐水洗，无水硫酸钠干燥，再以二氯甲烷-甲醇作为淋洗剂柱层析分离提纯得到粘稠状液体产物5.6g(78％)。
2)将上一步合成的中间体(4.2mmol，5.6g)加入100mL甲醇中溶解，加热至回流，将氢氧化钾(8.4mmol，0.47g)加入瓶中，70℃回流反应12h。冷却至室温，用1M盐酸调节至pH＝3，二氯甲烷萃取，有机相顺序地进行水洗、饱和食盐水洗，无水硫酸钠干燥，减压除去溶剂得到粘稠状液体产物5.27g(95％)。
3)将上一步合成的中间体(0.38mmol，0.5g)溶解在10mL THF中，冰浴15min，顺序向其中缓慢加入三乙胺(0.45mmol，0.05g)、叠氮磷酸二苯酯(0.45mmol，0.12g)，室温搅拌反应4h。反应体系依次用水洗、饱和食盐水洗，乙酸乙酯萃取，有机相用无水硫酸钠干燥，减压除去有机溶剂得到最终粘稠状透明液体产物0.46g(90％)。其结构通过核磁氢谱表征，结果显示于图4，证明了所合成的亲水性支化甘醇的结构。
制备例4：精确自降解寡聚物合成
本发明中使用的末端羟基的精确自降解寡聚物通过以下迭代方式获得：
萘环自降解单体的酰基叠氮官能团在加热的条件下转化为异氰酸酯，在催化剂二丁基二月桂酸锡的作用下可与末端为羟基的光触发基元反应得到由氨基甲酸酯键连接的末端叔丁基二甲基硅基保护羟基的寡聚物。叔丁基二甲基硅基可通过对甲苯磺酸脱除，得到末端羟基的寡聚物，继续重复上述方法，即可得到分子量精确的自降解寡聚物。
通用的迭代制备方法如下：将制备例1得到的光触发基元(0.72mmol，0.5g)、制备例2得到的自降解单体(0.86mmol，0.3g)、1滴二丁基二月桂酸锡溶解在干燥的甲苯中，氮气保护，85℃反应4h。冷却至室温，反应在过量甲醇中沉淀，沉淀-溶解循环进行3次，得到末端羟基保护的寡聚物0.63g(86％)。
通用的羟基脱保护的方法如下：将上述末端羟基保护的寡聚物(0.2mmol，0.2g)溶解在10mL THF:MeOH(10:1)的混合溶剂中，冰浴下缓慢加入对甲苯磺酸(0.02mmol，4mg)，室温反应4h，反应在过量甲醇中沉淀，沉淀-溶解循环进行3次，得到末端羟基暴露的寡聚物0.16g(93％)。其结构通过凝胶渗透色谱(GPC)表征，结果显示于图5，证明了所合成的精确自降解寡聚物的结构。
制备例5：精确自降解两亲性嵌段寡聚物合成
本发明中使用的精确自降解两亲性嵌段寡聚物通过以下方式获得：
通用的制备方法如下(以n＝4为例)：将制备例4获得的末端羟基的寡聚物(0.034mmol，50mg)、制备例3获得的末端羟基的亲水性支化甘醇(0.068mmol，90mg)、1滴二丁基二月桂酸锡溶解在干燥的甲苯中，氮气保护，85℃反应4h。冷却至室温，反应在过量甲醇中沉淀，沉淀物利用循环制备凝胶渗透色谱分离，得到精确自降解两亲性嵌段寡聚物40mg(43％)。其结构通过凝胶渗透色谱(GPC)表征，结果显示于图6，证明了所合成的中间体结构。另外也用基质辅助激光解吸飞行时间质谱(MALDI-TOF)同样证明了其结构，结果显示于图7。
组装例1：片层状组装体的制备
称取1mg的制备例5中的两亲性嵌段寡聚物(n＝2)溶解在1mL共溶剂二氧六环中(1mg/mL)，在500rpm条件下搅拌，利用注射泵将9mL水以1mL/h的速度缓慢加入其中。溶液继续搅拌2小时，然后将溶液转移到透析膜对水透析以除去二氧六环(截留分子量：14000Da)，在纯水中透析，并多次换水。其结构分别用冷冻透射电镜(Cryo-TEM)(图8a)和原子力显微镜(AFM)(图8b)证明。
组装例2：纳米带状组装体的制备
称取1mg的制备例5中的两亲性嵌段寡聚物(n＝3)溶解在1mL共溶剂二氧六环中(1mg/mL)，在500rpm条件下搅拌，利用注射泵将9mL水以1mL/h的速度缓慢加入其中。溶液继续搅拌2小时，然后将溶液转移到透析膜对水透析以除去二氧六环(截留分子量：14000Da)，在纯水中透析，并多次换水。其冷冻透射电镜(Cryo-TEM)照片如图9所示。
组装例3：纳米线状组装体的制备
称取1mg的制备例5中的两亲性嵌段寡聚物(n＝3)溶解在1mL共溶剂二氧六环中(1mg/mL)，在500rpm条件下搅拌，利用注射泵将9mL水以1mL/h的速度缓慢加入其中。溶液继续搅拌2小时，然后将溶液转移到透析膜对水透析以除去二氧六环(截留分子量：14000Da)，在纯水中透析，并多次换水。其结构分别用冷冻透射电镜(Cryo-TEM)(图10a)和原子力显微镜(AFM)(图10b)证明。
组装例4：手性组装体的制备
称取1mg的所下所示的引入手性中心的两亲性嵌段寡聚物溶解在1mL共溶剂二氧六环中(1mg/mL)，在500rpm条件下搅拌，利用注射泵将9mL水以1mL/h的速度缓慢加入其中。溶液继续搅拌2小时，然后将溶液转移到透析膜对水透析以除去二氧六环(截留分子量：14000Da)，在纯水中透析，并多次换水。对组装体进行圆二色谱测试，结果如图11所示。
降解例1：精确自降解两亲性嵌段寡聚物单链水平降解
称取5mg的制备例5中的两亲性嵌段寡聚物(n＝3)溶解在1mL THF:MeOH:H2O(8:1:1)的混合溶剂中(5mg/mL)，并向其中加入单分散的聚苯乙烯(M＝24000Da)作为标样，体系过220nm有机滤膜，然后在石英瓶中用紫外固化灯(波长200～400nm)进行辐照30min后分别间隔1h、3h、6h利用凝胶渗透色谱(GPC)监测降解过程。GPC监测的降解结果如图12所示。
降解例2：精确自降解两亲性嵌段寡聚物组装体降解
配制1mM尼罗红的二氧六环母液，取10微升加入1mL的制备例5中的两亲性嵌段寡聚物(n＝4)在二氧六环溶液中的1g/L溶液，在25℃以1mL/h速度慢加水9mL，然后透析除去二氧六环。包覆尼罗红的组装体用紫外固化灯(波长200～400nm)进行辐照，每隔5min取一次样用荧光光谱仪跟踪降解过程。荧光光谱仪监测的降解结果如图13所示。
以上已对本发明进行了详细描述，但本发明并不局限于本文所描述具体实施方式。本领域技术人员理解，在不背离本发明范围的情况下，可以作出其他更改和变形。本发明的范围由所附权利要求限定。
