Macromolecules：接枝苯硼酸酯的氧化可降解脂肪族聚碳酸酯

【引語】

活性氧類物質（ROS）在生物系統中的存在非常普遍，并且被認為是各種生理過程的關鍵物質。ROS與各種病理相關，包括炎性疾病和癌癥。因此，氧化應激性正在成為開發先進的檢測探針，成像代理和特定站點交付系統的重要生物標志物。ROS響應聚合物中包含不同的氧化敏感基團可以作為納米藥物的智能載體，使其在過去的十年中引起了很多關注。這些聚合物大多數通過逐步聚合法制備。在各種觸發基團中，苯基硼酸等對H₂O₂的氧化高度敏感，這個特性可以廣泛的應用于ROS響應熒光探針，聚合物成像劑，和生物分子響應水凝膠等等。此外，脂肪族聚碳酸酯(PC)擁有良好生物相容性和生物降解性，特別是聚三亞甲基碳酸酯（PTMC）及其衍生物，已經顯示出巨大的醫學藥物應用潛力，如組織工程，藥物/基因遞送，其中降解率是影響的關鍵因素之一。

【成果簡介】

功能性聚酯和聚碳酸酯因為其可控性和按需降解性在生物醫學和制藥領域有很廣泛的應用。近日，北京大學化學工程與技術學院的李子臣和杜福勝（共同通訊作者）課題組在Macromolecules上發表了一篇名為“Oxidation Degradable?Aliphatic Polycarbonates with Pendent?Phenylboronic Ester”的文章，報告了一種具有氧化促進降解特點的新型的脂肪族聚酯。兩種含有苯基硼酸酯基的六元環狀碳酸酯（C1和C2）分別有由絲氨醇和2-氨基甲基-2-甲基丙烷-1,3-二醇合成。C1或C2與三亞甲基碳酸酯及其共聚衍生物得到一系列共聚物。兩個系列的兩親性使用聚（乙二醇）作為大分子引發劑從C1和C2制備嵌段共聚物（BPC1和BPC2）。它們能夠形成直徑小于150nm的納米顆粒。經過分析發現BPC1和BPC2的納米顆粒表現出不同的降解特性，BPC2的降解速率稍快。特別的是BPC2納米顆粒對低至0.02mM的H₂O₂較敏感。

【圖文導讀】

圖1.衍生自氨基取代的1,3-二醇的功能性環狀碳酸酯的合成

六元環狀碳酸酯與氧化反應性苯基硼酸酯由含有氨基的1,3-二醇制得。接下來是兩種合成途徑。途徑A，在1-3二醇環化之前，先保護起絲氨醇的氨基，適用于合成六元環狀碳酸脂C1。途徑B只有兩步，然而因為有羥基干擾，制得C1的轉換率很低，但是更容易形成2d以制的C2。

圖2.不同時間的化合物核磁測試圖

（A）由六元環狀碳酸脂C1去除Boc基團以后，得到三氟乙酸鹽的環狀碳酸酯（1c）不僅可以用作中間體得到C1，也作為模型化合物研究分子內異構化的過程。由上圖可知，其不僅可以通過分子內異構化得到環狀4-羥甲基-2-惡唑烷酮（7a），還通過1c水解產生一些絲氨醇。

（B）由六元環狀碳酸脂C2去除Boc基團以后，得到2c。然后分子內化，以比1c快很多的速度形成5-羥甲基-5-甲基-1,3-惡嗪烷-2-酮（5a），如圖，5min后便可以反應完全。

?圖3：單體C2和嵌段共聚物BPC2a（C）

考慮到A反應很容易形成2c’（未質子化的2c），而其與氯甲基集團的偶聯反應是必要的，所以采用另外一條路徑B合成C2。化合物2和苯基硼酸酯的氯甲酸酯直接偶聯反應產生適度的2d產率（大約60％），其可以使用氯甲酸乙酯或三光氣作為閉環試劑很容易地轉化為單體C2。具體結構表征見上圖。

?圖4：合成C2開環反應的HNMR和GPC圖譜

單體C2的開環聚合反應由1,8-二氮雜雙環十一碳-7-烯催化進行，使用兩個初始濃度然后通過HNMR和GPC監測。結果如圖。

A和B顯示在低初始單體濃度（0.3M）下，C2的ROP遵循偽一級動力學，其表觀速率為0.20 h ^-1，直到單體轉化率為?78％，超過該值以后動力學曲線趨于平衡，最高轉化率為80％。

C和E顯示了M_n和單體轉換率之間的近似的關系曲線，最終轉換率達到94%，M_n達到7700 g/mol。

D和F分別為反應混合物在0.3M和1.0M的單體濃度下在不同時間的GPC曲線。

?圖5：單體C2與H₂O₂?反應的HNMR圖譜

如上圖所示，在H₂O₂環境下，C2被快速氧化并分解成兩個暫時中間體：2c'和對苯二酚甲基化物（4）。4快速轉化成4-（羥甲基）苯酚（4b），通過H₂O直接反應或者或間接由磷酸酯作為中間體水解為4b。HNMR驗證了上述反應。

?圖6：分解示意圖和圖譜分析?

（A）由H₂O₂觸發的線性模型化合物3的氧化分解機理。簡言之，化合物3被H₂O₂氧化并迅速分解形成中間體4和5。 5通過分子內環化重排成5a，同時，5也可以通過分子內碳酸酯 - 氨基甲酸酯交換轉化為非環狀化合物5b（22％），或水解轉化為化合物2（13％）。 此外，化合物5能夠和中間體4反應形成化合物6，得到化合物6a（15％），6b（5％）和6c（10％）。此外6c也可以通過化合物2和4的反應制備。

（B）線性化合物3（5mg / mL）的H NMR光譜，氘化PB（pH 7.4,50mM）與H ₂?O ₂（60mM）在37℃下孵育48小時。

（C）化合物3的高分辨率氧化降解產物：5a（C₆H₁₁NO₃+Na⁺），計算值：168.0631; 實測值：168.0633。5b（C₇H₁₅NO₄+H⁺），計算值：177.1074; 實測值：178.1076。6c（C₁₂H₁₉NO ₃+H⁺），計算值：226.1438; 實測值：226.1440。6a（C₁₃H₁₇NO₄+H⁺），計算值：252.1230; 實測值：252.1233。6b（C₁₄H₂₁NO₅+H⁺），計算值：284.1493; 實測值：284.1494。

圖7：主要的降解產物及其表征

（A）C2的主要降解產物和可能生成的低聚物的結構。

（B）在完全降解樣品的HNMR中，我們可以清楚地看到降解產物的信號包括4-羥基-甲基苯酚，5a和化合物2和6c。

（C）在最后的降解產物的HNMR圖譜中，顯示出化合物6a和6c的組分大大增加而相對量化合物2和5a的含量大大減少。

圖8：通過激光散射監測的BPC2c納米粒的氧化降解??

散射光強度（90°）隨時間的變化。在不存在H₂O₂的情況下，納米顆粒穩定散射。在被H_?2 O_?2氧化時，散射光強度急劇下降，同時伴隨著R h減少和R g / R h比的快速增加。推測是因為在納米表面的碳酸酯鍵氧化裂解，伴隨著小分子產物的部分脫落。在30分鐘后，?可以觀察到散射光強度的再增加，以及R h的增加和R g / R h比的顯著降低。這可能是因為納米顆粒內部的進一步氧化降解導致的顆粒輕微膨脹。

圖9：降解納米顆粒的熒光分析?

如圖所示，兩種顆粒都隨著熒光強度的降低和H₂O₂濃度的增加，納米顆粒的降解速率增加。在相同的H₂O₂濃度下，

BPC₂C下降略快于BPC1b。 這些結果表明可以通過改變他們的結構來控制降解速率。此外，嵌段共聚物納米顆粒，特別是BPC2c，對低濃度（0.02mM）的H₂O₂非常敏感。

【小結】

綜上所述，研究人員通過開環反應生成兩個三亞甲基碳酸酯衍生物，六元環狀碳酸酯C1和C2。通過共聚 C1或C2與其他環狀單體的反應，我們能夠制備各種氧化反應共聚物。使用PEG作為大分子引發劑，制備了兩種的不同前段長度的兩親嵌段共聚物。在中性PB溶液，嵌段共聚物可以形成穩定分散的納米顆粒，并且可以響應濃度低至0.02mM的H₂O₂，這顯示出其潛在的載藥性，像靶向炎性疾病或腫瘤遞送藥物。此外，聚合物鏈的空間位阻和納米顆粒內的異質微環境可能影響降解產物。

文獻鏈接：Oxidation Degradable Aliphatic Polycarbonates with Pendent Phenylboronic Ester（Macromolecules，2016, DOI: 10.1021/acs.macromol.6b01883）

該文獻匯總由材料人編輯部杜征崢供稿，材料牛編輯整理。

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