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波士顿学院牛嘉团队 JACS:通过活性开环聚合生成类多糖

波士顿学院牛嘉团队 JACS:通过活性开环聚合生成类多糖 高分子科技
2024-08-08
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导读:这一发现表明,类多糖可以在适当的条件下实现完全的化学回收...
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多糖是自然界中最丰富的生物大分子之一,起着结构支撑、能量储存和细胞信号传递等关键作用。传统方法从自然资源中分离多糖,通常需要繁琐的纯化过程,并导致复杂的混合物,以及批次间差异显著,难以获得具有精确分子量和可重复性多分散性的多糖结构。为了克服这些限制,化学家们开发了各种合成方法,包括酶法合成、缩聚反应、固相合成和开环聚合(ROP)。然而,多糖的高复杂性和结构多样性(包括官能团和立体化学)为以上提到的这些技术带来了重大挑战。美国波士顿学院牛嘉教授课题组一直致力于发展新颖高分子化学方法合成多糖。他们最近发展了一系列通过阳离子和自由基活性聚合合成分子量和分子量分布高度可控的天然多糖或镜像对称多糖,包括葡聚糖、甘露聚糖和半乳聚糖(Nat. Chem202315, 1276-1284),纤维素(J. Am. Chem. Soc2024146, 7963-7970),以及类多糖(pseudo-polysaccharide, 一类具有单糖重复单元和非天然键的多糖类似物)(J. Am. Chem. Soc2024146, 5056-5062)。

本文报道了牛嘉教授团队在活性阴离子聚合合成类多糖方法上的又一进展。类多糖因其合成简便且可控而受到欢迎,并且在材料和生物医学应用中,其功能可以与天然多糖相媲美甚至超越。之前已有类多糖合成方法被报道,例如葡萄糖碳酸酯的阴离子开环聚合和来源于葡萄糖的双环β-内酯的阴离子开环聚合。这些聚合物在药物输送、抗菌纳米颗粒、水凝胶、肝素模仿物、蛋白质稳定和免疫反应激活等方面展示了广泛的应用。

作者展示了一种新型的葡萄糖醛酸-1,6-内酯单体的设计与合成。从市售的脱水葡萄糖(1,6-脱水-β-D-葡萄吡喃糖)出发,通过开环-氧化-关环步骤得到所需多克级的葡糖醛酸-1,6-内酯,总产率为24%至57%。单体的绝对结构通过X射线晶体学确认。之后作者通过由有机碱DBU催化的葡萄糖醛酸1,6-内酯的活性阴离子开环聚合(ROP)制备了含有1,6-酯键的类多糖。这些类多糖表现出明确的链末端基团、良好控制的分子量和窄的分子量分布,这是活性聚合的标志。

图1. 单体合成路线

图2. 活性聚合研究

通过详细的二维核磁共振(2D NMR)技术分析以及和小分子模式化合物比对,作者发现在开环聚合过程中C1发生了异构化,从β-构型向α-构型发生了转化,并且α-构型成为主要连接方式。C1异构化可能是高度反应性亲核性苷键醇盐通过开链中间体的α-苷键和 β-苷键的相互转化所致。这种高度反应性亲核性苷键醇盐的快速异构化与以往的报道一致。

图3. 通过二维NMR谱学和模型小分子确定类多糖的立体化学结构

作者通过热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)测量了热性能,显示10%重量损失的分解温度(Td)范围为270到287 ℃,玻璃化转变温度(Tg)根据侧链结构的不同而变化。类多糖表现出可调的玻璃化转变温度和机械性能,这可能对创造超越天然多糖性能的新型聚合物材料具有特殊优势。

图4. 类多糖的材料学性质

作者进一步展示了在碱性条件下类多糖可以在DBU的催化下迅速解聚,回收出原始单体。解聚反应条件温和,回收率接近100%。回收的单体的NMR谱图与原始单体高度一致,表明解聚过程中没有发生显著的化学变化。这一发现表明,类多糖可以在适当的条件下实现完全的化学回收。这一发现为开发可持续的、多功能的高分子材料提供了新的途径,有望在未来的材料科学和工业应用中发挥重要作用。

图5. 类多糖解聚和化学回收

该项研究工作最近发表在Journal of the American Chemical Society上。文章的共同第一作者是波士顿学院博士生Brayan RondonPoom Ungolan。博士后吴联谦对该工作的早期发展做出了重要贡献。牛嘉教授团队欢迎有志于将有机化学、糖化学和化学生物学等领域的技术应用于新颖大分子化学和工程的同学申请博士研究生和博士后职位。

原文链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c06431


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