具有剛性骨架的樹狀分子的合成

張 娟

（溫州大學(xué)，浙江 溫州 325006）

樹狀分子(Dendrons and Dendrimers)是Tomalia在1985年首次提出的，源于希臘語dendron一詞，是“樹”的意思。樹狀分子由三個組成部分：核心焦點單元、重復(fù)支化單元和末端功能單元。由于核心焦點單元被重復(fù)的樹枝狀單元包圍著，所以有特殊的納米環(huán)境，可以作為新型藥物載體來包封各種化學(xué)物質(zhì)，重復(fù)支化單元內(nèi)層空隙中可以封裝一些小客體分子，末端功能單元的多價表面與其他的化學(xué)基團進行反應(yīng)，豐富了樹狀分子表面的性質(zhì)，能夠應(yīng)用于仿生納米器件中[1]。

1 研究背景

1.1 樹狀分子的性質(zhì)特點

樹狀分子獨特的化學(xué)性質(zhì)：1）樹狀分子沒有特定的分子量分布；2）樹狀分子表面由大量的官能團組成，將焦點核心與外部環(huán)境隔開，所以對特定位點有隔離作用；3）樹狀分子的尺寸增加因數(shù)量有序而變得系統(tǒng)化；4）在逐步合成樹狀分子的過程中，可在反應(yīng)位點進行修飾而豐富樹狀分子的功能；5）表面密集的大型樹狀分子擁有較大的包封空間，便于包裹藥物；6）樹狀分子的末端功能單元控制其整體的溶解度。有機樹狀分子最基本的特點是：易合成、化學(xué)穩(wěn)定性高、性能好、載藥容量大、可重復(fù)性和再生性好[2]。樹狀分子主要由發(fā)散法和收斂法兩種方法來合成[3]。發(fā)散法的合成方式是由內(nèi)向外延伸，它以小分子為起點，通過若干個化學(xué)反應(yīng)逐漸向外延伸，逐步合成高代數(shù)的樹狀分子。該方法的優(yōu)點是外圍的官能團易被修飾，然而隨著反應(yīng)步數(shù)的增多，反應(yīng)位點呈指數(shù)增長，產(chǎn)物純化難度增大。收斂法的合成方式與發(fā)散法相反，是由外向內(nèi)收斂，通過反復(fù)的保護和去保護這兩個步驟來合成樹狀分子的分支，然后再用一個中心的官能團將各個分支連接起來，該方法的反應(yīng)位點不會隨著反應(yīng)代數(shù)的增加而增加，因此不存在副反應(yīng)呈指數(shù)增加的現(xiàn)象，但會因為空間位阻而影響反應(yīng)產(chǎn)率。

1.2 DNA-樹狀分子雜化體的合成研究

DNA-樹狀分子雜化體有兩種合成方法：直接偶聯(lián)法和發(fā)散生長法。目前，關(guān)于DNA-樹狀分子雜化體的合成方法已經(jīng)頗為成熟。

樹枝狀大分子的DNA結(jié)構(gòu)是高度分支的結(jié)構(gòu)，有機械穩(wěn)定性和生物相容性的優(yōu)點，可用來構(gòu)建可編程的DNA樹狀納米載體[4]。1993年，Damha通過固相合成法合成了DNA樹狀分子，與DNA-樹狀分子雜化體有所差別的是，它的三個組成部分都為DNA分子，這是從未被報道的一種新型結(jié)構(gòu)，但合成產(chǎn)率不高。由于當(dāng)時生物分子檢測水平的局限，這一發(fā)現(xiàn)并沒有引起廣泛的關(guān)注[5]。后來，他們將合成策略由收斂法改成了發(fā)散法，提高了反應(yīng)產(chǎn)率[6]。超支化DNA樹狀聚合物是通過三個DNA單體自組裝構(gòu)建的，嵌入DNA酶的超支化DNA樹狀大分子可作為信號放大器，用于比色測定核算[7]。寡核苷酸可通過共價結(jié)合或配位作用修飾到MOFs上，可用于生物傳感器中[8]。DNA-膽固醇雜化體的應(yīng)用較為廣泛，2019年，Chidchob等構(gòu)建了一種單面立方體DNA修飾飾膽固醇的單元，膽固醇的取向和支架的靈活性能夠改變連接在立方體上的膽固醇單元的組裝方式，從而控制其與細胞膜相互作用行為，其表面遷移率可由膽固醇數(shù)目調(diào)節(jié)[9]。脂質(zhì)-DNA膠束由于其體積小、制備簡單、可編程設(shè)計以及生物相容性好等優(yōu)點，在人類疾病治療方面有巨大的應(yīng)用潛力[10]。近十年來，多面倍硅氧烷(POSS)-樹枝狀雜化材料引起了人們的廣泛關(guān)注。四川大學(xué)李乙文等報道了幾種POSS-樹枝狀分子雜化材料，重點介紹了它們的合成策略、可調(diào)宏觀性能和潛在的應(yīng)用前景。同時，闡述了POSS-樹枝狀聚合物雜化材料的發(fā)展趨勢、面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向[11]。2019年，湖南大學(xué)譚蔚泓課題組設(shè)計了一種正四面體DNA-膽固醇雜化體，以此作為一種新型探針來與細胞膜作用，研究發(fā)現(xiàn)其靶向性和膜錨定穩(wěn)定性更高[12]。

自20世紀90年代以來，DNA-樹狀分子雜化體的自組裝引起了科學(xué)家們廣泛的關(guān)注，其中核酸具有合成容易、結(jié)構(gòu)可預(yù)測、可編程性高等優(yōu)點，為精確控制相互作用強度和特異性提供了優(yōu)良的材料[13]。不同的DNA-樹狀分子雜化體在溶液中能夠自組裝形成不同形貌的聚集體，如膠束、纖維、囊泡等[14-15]。 而改變樹狀分子骨架的剛?cè)嵝?，其雜化體的組裝行為也會發(fā)生改變，所以本文研究了一種新型樹狀分子合成方法。

2 具有剛性骨架的樹狀分子合成的實驗步驟

圖1 具有剛性骨架的樹狀分子合成示意圖

1）化合物G1Alk-COOMe的合成

于裝有磁子的1 000 mL燒瓶中，依次加入沒食子酸甲酯（5.0 g，0.27 mmol），十二烷基溴（26.8 g，108 mmol），碳酸鉀（14.8 g，107 mmol），碘化鉀（8.9 g，54mmol），用250 mL丙酮溶解。60 ℃條件下回流24 h，TLC監(jiān)測反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，減壓除去大部分丙酮，用水和二氯甲烷萃取，飽和食鹽水萃取，有機相用無水Na2SO4干燥。過濾后，濃縮有機相，加入甲醇沉淀，得白色粉末狀固體，產(chǎn)率67%。

2）化合物G1Alk-Br的合成

于裝有磁子的燒瓶中，依次加入G1Alk（7 g，10.6 mmol），四溴化碳（4.24 g，12.6 mmol）和THF（20 mL），在冰浴條件下緩慢加入PPh3（3 g，11.4 mmol），5 min后撤走冰浴，室溫反應(yīng)，期間TLC板跟蹤反應(yīng)進程。反應(yīng)結(jié)束后，減壓除去THF，加入甲醇沉淀2次，得到白色固體，柱層析純化（200～300目（75～48 μm）硅膠，DCM∶PE =40∶1）。

3）化合物G1Alk的合成

于裝有磁子的燒瓶中加入G1Alk-COOM（e8.9 g，12.9 mmol），用超干四氫呋喃溶解。在冰浴條件下緩慢加入四氫鋁鋰（0.55 g，14.45 mmol），5 min后撤去冰浴，室溫攪拌1 h，TLC監(jiān)測。反應(yīng)結(jié)束后，冰浴條件下緩慢滴加適量飽和氯化銨溶液。過濾，四氫呋喃洗滌濾餅，收集有機相，減壓除去大部分四氫呋喃，有機相濃縮，真空干燥得透明蠟狀固體，產(chǎn)率86%。

1H NMR (500 MHz, CDCl3):δ= 0.87 (t, C12H25, 9H),1.29～1.47 (m, C12H25, 54H), 1.69～1.82 (m, C12H25, 6H),3.90～3.97 (m, C12H25, 6H), 4.58 (s, ArCH2OH, 2H), 6.55(s, ArH, 2H).13C NMR (120 MHz, CDCl3):δ= 153.3,137.6, 136.0, 105.4, 73.5, 69.1, 65.7, 32.0, 30.4, 29.8,29.7, 29.7, 29.4, 29.4, 26.2, 26.1, 22.7, 14.1。

4）化合物G2Alk-COOMe的合成

同化合物G1Alk-COOMe的合成，反應(yīng)原料投料為G1Alk-Br（5 g，7 mmol），3,5-二羥基苯甲酸甲酯（0.56 g，3.4 mmol），碳酸鉀（2.0 g，14.0 mmol），碘化鉀（1.2 g，108 mmol），用50 mL丙酮溶解。沉淀后，柱層析純化（100～200目（150～75 μm）硅膠，DCM∶PE = 1∶1），產(chǎn)率89%。

5）化合物G2Alk的合成

同化合物G1Alk的合成，反應(yīng)原料投料為G2Alk-COOMe (5.4 g，3.6 mmol), 四氫鋁鋰（0.3 g，8.0 mmol）,得到淡黃色透明固體。13C NMR (120 MHz,CDCl3):δ= 160.2, 153.1, 138.6，131.8, 106.2, 105.7,101.2, 73.5, 70.5, 69.1, 65.5, 31.9, 30.4, 29.8, 29.8,29.7, 29.4, 29.4, 29.4, 26.1, 22.7, 14.1。

3 結(jié)束語

本文成功合成出一類具有剛性骨架的樹狀分子，并用核磁對其結(jié)構(gòu)進行了表征，將這種新型的樹狀分子與DNA進行偶聯(lián)，通過調(diào)控DNA-樹狀分子雜化體的親疏水比例，有望發(fā)展出一種新的組裝體，為兩親性嵌段共聚物的組裝體帶來更多新的性質(zhì)。