Nature Chem.：多功能序列可控高分子聚醚合成新策略—解讀

前言：英國帝國理工學院的Andrew G. Livingston課題組近期在Nature Chemistry 上報道了一種製備單分散序列可控高分子的新策略。我們很榮幸地採訪到了Livingston課題組的董瑞蛟博士，專訪紀要附於論文解讀之後，歡迎各位讀者閱讀。

Andrew G. Livingston教授。圖片來源：Imperial College London

自然界中的生物大分子，如核酸和蛋白質，在生物系統中合成時其鏈長、序列和手性都受到嚴格控制，從而保證它們能夠正確傳遞遺傳信息或者執行生物學功能。精確控制初級序列以實現分子複雜性、結構多樣性，這是自然界中幾乎所有生物體的基本需求（Nature, 2003, 421, 427），同時，這也是高分子化學家追求不懈的目標。長久以來，高分子化學家已經開發了各種合成策略以實現對聚合物序列結構的控制，例如單體插入、串聯單體加成、動力學控制、分離模板法、連續增長聚合等，往往這些聚合策略只能一定程度上減小分子量分佈、並實現對聚合物序列的粗略控制。這些傳統的序列控制策略始終無法與自然界對大分子序列控制的精度相媲美。

迭代合成，是一種能夠真正意義上製備精準序列可控高分子的策略，並能實現可以與自然匹敵的序列控制精度。在迭代合成中，一次加入一類特定單體結構，高分子鏈定向增長，反應殘渣及過量單體隨即被分離，如此循環往復（

高分子聚醚由於其優異的水溶性、生物相容性、非免疫原性等特點，在材料科學和生物醫學等領域有著廣泛應用。其中，具有均一鏈長的單分散聚乙二醇（PEG）尤其引人關注。然而，研究表明威廉姆遜成醚反應（Williamson ether synthesis）對底物、催化劑以及反應條件等要求極其苛刻，因此傳統的固相合成難以用於製備單分散PEG。由此，液相迭代合成法被用於製備單分散線性PEG，但是每一個合成循環週期（加成、去保護）都要求使用複雜的柱層析法純化產物，極大地增加了生產成本。迄今為止，PEG由於其簡單的線性分子結構，僅能夠實現端基修飾，無法進行位點選擇的結構改性，這限制了對PEG物化性能及生物活性的優化。因此，開發一種普適的合成策略，用以生產具有多功能性、序列可控的聚醚以滿足實際應用的需求，是一項相當具有挑戰性的重要課題。

圖1. 膜分離-液相迭代法制備多功能序列可控高分子聚醚。

最近，英國帝國理工學院化工系Andrew G. Livingston教授研究團隊開發了一類全新的結合分子篩分技術的液相迭代合成法，並以此製備了一類新型的多功能序列可控高分子聚醚（圖1）。研究團隊設計合成了4類具有活性側基的手性五乙二醇單體，並分別將其編碼為L、O、N、D（5-8，圖2）；一個尺寸巨大的三臂星狀大分子（9，圖2）作為液相載體；每個合成循環過程中，加入特定單體，序列結構通過成醚反應增長，再通過膜分離獲得產物；如此循環，最終生成特定序列的星狀高分子聚醚（21a，21b，圖2）。整個合成過程中都採用液相反應，因此可以實現對反應過程的實時監控，以確保反應完成。這種新的合成策略結合了液相反應、實時監控以及尺寸依賴的膜分離技術，能夠高效生產高純度、序列精準可控的高分子聚合物。而且，活性側基的引入為進一步優化高分子聚醚結構性能提供了可能，從而解鎖了其在生物醫藥、納米科技以及信息存儲等領域的應用潛力。相關工作近日發表在

圖2. 序列可控星狀高分子聚醚的合成路徑。圖片來源：Nat. Chem.

為了實現無柱層析的全液相聚醚合成，需要一種高效的策略來分離鏈增長的聚合物和反應碎片。作者選擇通過有機溶劑納濾（organic solvent nanofiltration, OSN）來進行分子篩分，不僅因為它易操作，並且可以實現較高的分離效率（圖3）。值得一提的是，OSN正是Livingston研究團隊另外一個代表性的研究方向，近年來，他們已經大大提高了有機納濾膜的過濾性能（

研究團隊選擇三臂星狀分子9（圖2）來支撐不斷增長的聚醚，這個星狀分子不僅能夠有效地保護聚醚分子的端基，並且由於具有高紫外消光係數可同時作為監測反應的紫外標記。尤其重要的是，這個三臂星狀分子能夠有效地使不斷增長的聚醚發生三元聚合，從而使其尺寸顯著增加。因此，與尺寸較小的單體相比，尺寸較大的星狀聚醚難以穿過有機多孔膜，從而使其分離效率顯著增大（圖3）。

圖3. 尺寸依賴的膜分離以及實時的HPLC過程監控。圖片來源：Nat. Chem.

為了進行高效的OSN，有機膜必須能夠經受有機溶劑、酸、鹼以及各種活性物質的考驗。為此，作者製備了三種堅固的不對稱多孔膜，包括聚醚醚酮膜（PEEK）、聚苯並咪唑膜（PBI-BC）以及連續塗膜法制備的聚苯並咪唑膜（PBI-CC）。多孔膜的孔徑分佈通過液液孔隙度測定法測定（圖3c），PBI-CC的平均孔徑約為5.0 nm，顯著大於PEEK（約3.5 nm）或PBI-BC（約4.0 nm）。4種單體（5-8）的分子量範圍為531至642 Da，它們的分子尺寸均小於2 nm，而星狀大分子9的分子量則為1,682 Da，直徑大於5 nm（圖3b）。理論上，以上所有的多孔膜都能截留尺寸較大的星狀大分子，同時允許尺寸較小的單體通過（圖3a）。在這三種膜中，與PEEK或PBI-BC相比，PBI-CC不僅具有最高的溶劑滲透性（12 L•m^-2•h^-1•bar^-1），而且也展現出了最高的分離效率（圖3d）。因此，PBI-CC多孔膜能夠快速有效地分離生長的星狀聚合物與反應碎片。

圖4. 星狀大分子聚醚中間產物的HPLC譜圖。圖片來源：Nat. Chem.

在每個合成循環週期（即偶聯、分子篩分和去保護），所有步驟都可以通過HPLC監測，包括對關鍵的成醚反應的實時監測。在HPLC圖譜中，四氫吡喃（Thp）保護的星狀聚醚的保留時間比起始去保護的星狀聚醚長1-2分鐘（圖4a-d）。在發現反應不完全的情況下，進一步加入反應物以使其完成，確保最終星狀聚醚的高純度。前三個鏈增長循環的偶聯反應均在12小時內完成，但最後三個循環中偶聯反應則需要更長時間（18-24小時），所添加單體的比例為12當量，即4當量/每臂。通過HPLC實時監測膜分離過程顯示，分離裝置中殘餘單體的量隨著時間增加而顯著下降，直至完全消失。同時，通過HPLC監測去保護過程，產物的保留時間再次降低1-2分鐘。圖4中所有星狀聚醚中間體均呈現單一的HPLC峰，證實了星狀聚醚的高純度。GPC進一步表徵了所有星狀聚醚中間產物，均產生單一的GPC峰，證實了其結構均一性。而且，伴隨著分子鏈的增長，星狀聚醚的保留時間逐漸縮短，表明分子尺寸/分子量逐步增加。

圖5. 序列可控高分子聚醚的結構表徵。圖片來源：Nat. Chem.

為了完成序列可控聚醚的合成，需將星狀聚醚中的聚醚分子鏈從星狀分子上裂解。研究團隊最初嘗試進行鈀催化的氫解反應，但幾乎沒有得到任何產物，主要是由於聚醚分子鏈中含有一定量的硫醚，最終導致催化劑中毒。相反，在-78 ℃下，使用三氯化硼（BCl

圖6. 序列可控高分子聚醚的位點選擇多功能化。圖片來源：Nat. Chem.

為了證明這種新型聚醚的多功能性，作者對其進行了位點選擇的側鏈修飾。22a和22b經過兩步改性，側鏈上的硫醚和疊氮基團分別轉化為活性的巰基（SH）和氨基（NH₂），得到完全去保護的聚醚（24a和24b）（圖6a），總產率為80%。此外，羅丹明B異硫氰酸酯（RBITC）和熒光素-5-馬來酰亞胺（FM）在一鍋中連續綴合到聚醚側基以避免在中間純化過程中損失，最終形成序列可控的多功能聚醚（25a和25b）。通過紫外分光光度法和熒光光譜法評估這兩種多功能聚醚的光學行為的變化，結果表明25a和25b均在502 nm和546 nm處具有較強的紫外吸收峰，分別對應於熒光素和羅丹明B的吸收。富含熒光素的

——小結——

Andrew G. Livingston教授課題組通過膜分離-液相迭代合成法成功製備了高純度、序列可控的多功能高分子聚醚。該策略通過實時監測以確保反應完成，並利用尺寸選擇的OSN分子篩分技術，極大提高了目標聚合物的純度、產率以及序列精度。特異性的位點修飾提供了一種精確控制側鏈結構和功能性的通用途徑。這種膜分離-液相合成平臺能夠用於開發各種新型序列可控的高分子聚合物，以滿足實際應用的需求。

董瑞蛟博士專訪紀要

X-MOL：

董瑞蛟博士您好，非常榮幸您願意接受我們的專訪。

這篇文章中，我們注意到貴團隊新開發了一種膜分離-液相迭代合成法，用於生產序列可控的聚合物，能否先介紹一下這種新方法？

董瑞蛟博士：

傳統的固相迭代合成操作簡單，產物易於純化，因此已被廣泛用於製備各種天然大分子（寡核苷酸、聚多肽）以及序列可控的合成聚合物。然而，由於固相載體難以溶解於反應溶劑中，從而產生了非均相反應體系，由此產生了兩個後果：其一，顯著降低了偶聯（coupling）反應的速率，導致反應難以100%完成，從而降低了反應產率以及序列精度；另一方面，整個反應過程難以實時監控，即使反應未能完成，也無法及時進行調整和彌補，極大增加了錯誤序列出現的風險。迄今為止，固相迭代合成所製備的高分子聚合物，最終都必須通過高效液相色譜進行純化，以除去反應過程中產生的錯誤序列鏈結構，因此顯著增加了生產成本。此外，固相迭代合成往往難以實現量產，進而限制了其在材料科學等領域的實際應用。

而我們報道的這種新的合成策略，完美結合了液相迭代合成和有機納濾（OSN）技術，理論上來講，這種方法幾乎能夠與所有有機反應類型兼容，具有極高的普適性。一方面，液相體系極大加快了偶聯反應速率，易於達到100%完成度；另一方面，我們可以對整個合成循環過程（偶聯、膜分離、去保護）進行實時監測，任何一個環節出現錯誤都可以及時彌補，從而避免了錯誤序列產生的可能。這種新策略所製備的序列可控聚合物具有極高的純度以及序列精度，因此無需通過高效液相色譜對其進行純化。更為重要的是，這種膜分離-液相迭代合成能夠實現量產，因此具有極大的工業應用前景。

X-MOL：

這篇文章的關鍵idea是如何產生的呢？

董瑞蛟博士：

我們小組一直以來都對有機多孔膜分離技術感興趣，這種技術主要應用於分子染料有機納濾、海水淡化等領域。近年來，我們小組也一直致力於單分散聚乙二醇的合成，前期我們嘗試過固相迭代合成法，但始終未能成功，僅僅只能得到聚合度很低的寡聚物，這主要受限於非均相的反應體系以及苛刻的威廉姆遜成醚反應（Williamsons ether synthesis）。我們意識到威廉姆遜成醚反應只與液相迭代合成兼容，那麼問題的關鍵就在於如何將增長中的聚合物與過量的反應單體有效分離？因此，我們決定嘗試將膜分離技術應用到單分散聚合物、序列可控聚合物的製備過程中。

X-MOL：

在這個研究課題的具體工作中，您的團隊所遇到的最大挑戰是什麼？最後又是如何找到解決方案的呢？

董瑞蛟博士：

我們研究過程中最大的挑戰來自於兩個方面：其一、反應單體的結構設計，由於聚乙二醇單元極難實現側鏈改性，因此如何在聚乙二醇主鏈骨架上引入側鏈以及篩選具有相對穩定性的活性側基成為了一大難題。幸運的是，通過不斷的試錯，並不斷改進單體結構，最終合成了四種滿足需求的五乙二醇衍生物，其與偶聯反應、去保護反應完全兼容。其二、尋找一種合適的有機多孔膜，既具有足夠的穩定性能夠承受酸、鹼以及各種溶劑的考驗，而且還要具有納米尺度的孔徑分佈，以便於實現快速高效的分離。我們不斷調整制膜參數，並對多孔膜進行表面改性，在維持較高溶劑滲透性的前提下，不斷提高其分離效率，最終制備了一種具有納米級孔徑的高分子多孔膜，不僅獲得了非常高的分離效率，而且產率遠高於固相迭代合成。

X-MOL：

這個工作對於整個領域可能產生什麼樣的影響？

董瑞蛟博士：

該工作的重要性不僅在於開發了一種全新的液相迭代合成法，可以用於快速、高效、精準、大規模地製備單分散、序列可控的高分子聚合物。尤其，那些與傳統固相迭代合成無法兼容的各種有機反應，均可以嘗試採用這種新型的液相合成方法來製備，從而進一步拓寬了合成方法以及序列可控聚合物的種類。同時這一研究也為序列可控聚合物的發展提供了新的研究思路。

原文

Sequence-defined multifunctional polyethers via liquid-phase synthesis with molecular sieving

Nat. Chem., 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0169-6

導師介紹

Andrew G. Livingston

http://www.x-mol.com/university/faculty/34312

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