Macromolecules：接枝苯硼酸酯的氧化可降解脂肪族聚碳酸酯

【引语】

活性氧类物质（ROS）在生物系统中的存在非常普遍，并且被认为是各种生理过程的关键物质。ROS与各种病理相关，包括炎性疾病和癌症。因此，氧化应激性正在成为开发先进的检测探针，成像代理和特定站点交付系统的重要生物标志物。ROS响应聚合物中包含不同的氧化敏感基团可以作为纳米药物的智能载体，使其在过去的十年中引起了很多关注。这些聚合物大多数通过逐步聚合法制备。在各种触发基团中，苯基硼酸等对H₂O₂的氧化高度敏感，这个特性可以广泛的应用于ROS响应荧光探针，聚合物成像剂，和生物分子响应水凝胶等等。此外，脂肪族聚碳酸酯(PC)拥有良好生物相容性和生物降解性，特别是聚三亚甲基碳酸酯（PTMC）及其衍生物，已经显示出巨大的医学药物应用潜力，如组织工程，药物/基因递送，其中降解率是影响的关键因素之一。

【成果简介】

功能性聚酯和聚碳酸酯因为其可控性和按需降解性在生物医学和制药领域有很广泛的应用。近日，北京大学化学工程与技术学院的李子臣和杜福胜（共同通讯作者）课题组在Macromolecules上发表了一篇名为“Oxidation Degradable Aliphatic Polycarbonates with Pendent Phenylboronic Ester”的文章，报告了一种具有氧化促进降解特点的新型的脂肪族聚酯。两种含有苯基硼酸酯基的六元环状碳酸酯（C1和C2）分别有由丝氨醇和2-氨基甲基-2-甲基丙烷-1,3-二醇合成。C1或C2与三亚甲基碳酸酯及其共聚衍生物得到一系列共聚物。两个系列的两亲性使用聚（乙二醇）作为大分子引发剂从C1和C2制备嵌段共聚物（BPC1和BPC2）。它们能够形成直径小于150nm的纳米颗粒。经过分析发现BPC1和BPC2的纳米颗粒表现出不同的降解特性，BPC2的降解速率稍快。特别的是BPC2纳米颗粒对低至0.02mM的H₂O₂较敏感。

【图文导读】

图1.衍生自氨基取代的1,3-二醇的功能性环状碳酸酯的合成

六元环状碳酸酯与氧化反应性苯基硼酸酯由含有氨基的1,3-二醇制得。接下来是两种合成途径。途径A，在1-3二醇环化之前，先保护起丝氨醇的氨基，适用于合成六元环状碳酸脂C1。途径B只有两步，然而因为有羟基干扰，制得C1的转换率很低，但是更容易形成2d以制的C2。

图2.不同时间的化合物核磁测试图

（A）由六元环状碳酸脂C1去除Boc基团以后，得到三氟乙酸盐的环状碳酸酯（1c）不仅可以用作中间体得到C1，也作为模型化合物研究分子内异构化的过程。由上图可知，其不仅可以通过分子内异构化得到环状4-羟甲基-2-恶唑烷酮（7a），还通过1c水解产生一些丝氨醇。

（B）由六元环状碳酸脂C2去除Boc基团以后，得到2c。然后分子内化，以比1c快很多的速度形成5-羟甲基-5-甲基-1,3-恶嗪烷-2-酮（5a），如图，5min后便可以反应完全。

 图3：单体C2和嵌段共聚物BPC2a（C）

考虑到A反应很容易形成2c’（未质子化的2c），而其与氯甲基集团的偶联反应是必要的，所以采用另外一条路径B合成C2。化合物2和苯基硼酸酯的氯甲酸酯直接偶联反应产生适度的2d产率（大约60％），其可以使用氯甲酸乙酯或三光气作为闭环试剂很容易地转化为单体C2。具体结构表征见上图。

 图4：合成C2开环反应的HNMR和GPC图谱

单体C2的开环聚合反应由1,8-二氮杂双环十一碳-7-烯催化进行，使用两个初始浓度然后通过HNMR和GPC监测。结果如图。

A和B显示在低初始单体浓度（0.3M）下，C2的ROP遵循伪一级动力学，其表观速率为0.20 h ^-1，直到单体转化率为〜78％，超过该值以后动力学曲线趋于平衡，最高转化率为80％。

C和E显示了M_n和单体转换率之间的近似的关系曲线，最终转换率达到94%，M_n达到7700 g/mol。

D和F分别为反应混合物在0.3M和1.0M的单体浓度下在不同时间的GPC曲线。

 图5：单体C2与H₂O₂ 反应的HNMR图谱

如上图所示，在H₂O₂环境下，C2被快速氧化并分解成两个暂时中间体：2c'和对苯二酚甲基化物（4）。4快速转化成4-（羟甲基）苯酚（4b），通过H₂O直接反应或者或间接由磷酸酯作为中间体水解为4b。HNMR验证了上述反应。

 图6：分解示意图和图谱分析 

（A）由H₂O₂触发的线性模型化合物3的氧化分解机理。简言之，化合物3被H₂O₂氧化并迅速分解形成中间体4和5。 5通过分子内环化重排成5a，同时，5也可以通过分子内碳酸酯 - 氨基甲酸酯交换转化为非环状化合物5b（22％），或水解转化为化合物2（13％）。 此外，化合物5能够和中间体4反应形成化合物6，得到化合物6a（15％），6b（5％）和6c（10％）。此外6c也可以通过化合物2和4的反应制备。

（B）线性化合物3（5mg / mL）的H NMR光谱，氘化PB（pH 7.4,50mM）与H ₂ O ₂（60mM）在37℃下孵育48小时。

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

图7：主要的降解产物及其表征

（A）C2的主要降解产物和可能生成的低聚物的结构。

（B）在完全降解样品的HNMR中，我们可以清楚地看到降解产物的信号包括4-羟基-甲基苯酚，5a和化合物2和6c。

（C）在最后的降解产物的HNMR图谱中，显示出化合物6a和6c的组分大大增加而相对量化合物2和5a的含量大大减少。

图8：通过激光散射监测的BPC2c纳米粒的氧化降解  

散射光强度（90°）随时间的变化。在不存在H₂O₂的情况下，纳米颗粒稳定散射。在被H ₂ O ₂氧化时，散射光强度急剧下降，同时伴随着R h减少和R g / R h比的快速增加。推测是因为在纳米表面的碳酸酯键氧化裂解，伴随着小分子产物的部分脱落。在30分钟后， 可以观察到散射光强度的再增加，以及R h的增加和R g / R h比的显着降低。这可能是因为纳米颗粒内部的进一步氧化降解导致的颗粒轻微膨胀。

图9：降解纳米颗粒的荧光分析 

如图所示，两种颗粒都随着荧光强度的降低和H₂O₂浓度的增加，纳米颗粒的降解速率增加。在相同的H₂O₂浓度下，

BPC₂C下降略快于BPC1b。 这些结果表明可以通过改变他们的结构来控制降解速率。此外，嵌段共聚物纳米颗粒，特别是BPC2c，对低浓度（0.02mM）的H₂O₂非常敏感。

【小结】

综上所述，研究人员通过开环反应生成两个三亚甲基碳酸酯衍生物，六元环状碳酸酯C1和C2。通过共聚 C1或C2与其他环状单体的反应，我们能够制备各种氧化反应共聚物。使用PEG作为大分子引发剂，制备了两种的不同前段长度的两亲嵌段共聚物。在中性PB溶液，嵌段共聚物可以形成稳定分散的纳米颗粒，并且可以响应浓度低至0.02mM的H₂O₂，这显示出其潜在的载药性，像靶向炎性疾病或肿瘤递送药物。此外，聚合物链的空间位阻和纳米颗粒内的异质微环境可能影响降解产物。

文献链接：Oxidation Degradable Aliphatic Polycarbonates with Pendent Phenylboronic Ester（Macromolecules，2016, DOI: 10.1021/acs.macromol.6b01883）

该文献汇总由材料人编辑部杜征峥供稿，材料牛编辑整理。

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