張 娟

（溫州大學(xué)，浙江 溫州 325006）

樹(shù)狀分子(Dendrons and Dendrimers)是Tomalia在1985年首次提出的，源于希臘語(yǔ)dendron一詞，是“樹(shù)”的意思。樹(shù)狀分子由三個(gè)組成部分：核心焦點(diǎn)單元、重復(fù)支化單元和末端功能單元。由于核心焦點(diǎn)單元被重復(fù)的樹(shù)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(lái)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(jià)表面與其他的化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)，豐富了樹(shù)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(shù)狀分子的性質(zhì)特點(diǎn)

樹(shù)狀分子獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)：1）樹(shù)狀分子沒(méi)有特定的分子量分布；2）樹(shù)狀分子表面由大量的官能團(tuán)組成，將焦點(diǎn)核心與外部環(huán)境隔開(kāi)，所以對(duì)特定位點(diǎn)有隔離作用；3）樹(shù)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(shù)狀分子的過(guò)程中，可在反應(yīng)位點(diǎn)進(jìn)行修飾而豐富樹(shù)狀分子的功能；5）表面密集的大型樹(shù)狀分子擁有較大的包封空間，便于包裹藥物；6）樹(shù)狀分子的末端功能單元控制其整體的溶解度。有機(jī)樹(shù)狀分子最基本的特點(diǎn)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(shù)狀分子主要由發(fā)散法和收斂法兩種方法來(lái)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(diǎn)，通過(guò)若干個(gè)化學(xué)反應(yīng)逐漸向外延伸，逐步合成高代數(shù)的樹(shù)狀分子。該方法的優(yōu)點(diǎn)是外圍的官能團(tuán)易被修飾，然而隨著反應(yīng)步數(shù)的增多，反應(yīng)位點(diǎn)呈指數(shù)增長(zhǎng)，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(guò)反復(fù)的保護(hù)和去保護(hù)這兩個(gè)步驟來(lái)合成樹(shù)狀分子的分支，然后再用一個(gè)中心的官能團(tuán)將各個(gè)分支連接起來(lái)，該方法的反應(yīng)位點(diǎn)不會(huì)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(huì)因?yàn)榭臻g位阻而影響反應(yīng)產(chǎn)率。

1.2 DNA-樹(shù)狀分子雜化體的合成研究

DNA-樹(shù)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(zhǎng)法。目前，關(guān)于DNA-樹(shù)狀分子雜化體的合成方法已經(jīng)頗為成熟。

樹(shù)枝狀大分子的DNA結(jié)構(gòu)是高度分支的結(jié)構(gòu)，有機(jī)械穩(wěn)定性和生物相容性的優(yōu)點(diǎn)，可用來(lái)構(gòu)建可編程的DNA樹(shù)狀納米載體[4]。1993年，Damha通過(guò)固相合成法合成了DNA樹(shù)狀分子，與DNA-樹(shù)狀分子雜化體有所差別的是，它的三個(gè)組成部分都為DNA分子，這是從未被報(bào)道的一種新型結(jié)構(gòu)，但合成產(chǎn)率不高。由于當(dāng)時(shí)生物分子檢測(cè)水平的局限，這一發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有引起廣泛的關(guān)注[5]。后來(lái)，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(shù)狀聚合物是通過(guò)三個(gè)DNA單體自組裝構(gòu)建的，嵌入DNA酶的超支化DNA樹(shù)狀大分子可作為信號(hào)放大器，用于比色測(cè)定核算[7]。寡核苷酸可通過(guò)共價(jià)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(xì)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(jiǎn)單、可編程設(shè)計(jì)以及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在人類疾病治療方面有巨大的應(yīng)用潛力[10]。近十年來(lái)，多面倍硅氧烷(POSS)-樹(shù)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(bào)道了幾種POSS-樹(shù)枝狀分子雜化材料，重點(diǎn)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(shí)，闡述了POSS-樹(shù)枝狀聚合物雜化材料的發(fā)展趨勢(shì)、面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向[11]。2019年，湖南大學(xué)譚蔚泓課題組設(shè)計(jì)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(lái)與細(xì)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(jì)90年代以來(lái)，DNA-樹(shù)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(cè)、可編程性高等優(yōu)點(diǎn)，為精確控制相互作用強(qiáng)度和特異性提供了優(yōu)良的材料[13]。不同的DNA-樹(shù)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(shù)狀分子骨架的剛?cè)嵝?，其雜化體的組裝行為也會(huì)發(fā)生改變，所以本文研究了一種新型樹(shù)狀分子合成方法。

2 具有剛性骨架的樹(shù)狀分子合成的實(shí)驗(yàn)步驟

圖1 具有剛性骨架的樹(shù)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(méi)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(cè)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(jī)相用無(wú)水Na2SO4干燥。過(guò)濾后，濃縮有機(jī)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(jìn)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?cái)嚢? h，TLC監(jiān)測(cè)。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(guò)濾，四氫呋喃洗滌濾餅，收集有機(jī)相，減壓除去大部分四氫呋喃，有機(jī)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(yǔ)

本文成功合成出一類具有剛性骨架的樹(shù)狀分子，并用核磁對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，將這種新型的樹(shù)狀分子與DNA進(jìn)行偶聯(lián)，通過(guò)調(diào)控DNA-樹(shù)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(lái)更多新的性質(zhì)。