具有刚性骨架的树状分子的合成

张 娟

（温州大学，浙江 温州 325006）

树状分子(Dendrons and Dendrimers)是Tomalia在1985年首次提出的，源于希腊语dendron一词，是“树”的意思。树状分子由三个组成部分：核心焦点单元、重复支化单元和末端功能单元。由于核心焦点单元被重复的树枝状单元包围着，所以有特殊的纳米环境，可以作为新型药物载体来包封各种化学物质，重复支化单元内层空隙中可以封装一些小客体分子，末端功能单元的多价表面与其他的化学基团进行反应，丰富了树状分子表面的性质，能够应用于仿生纳米器件中[1]。

1 研究背景

1.1 树状分子的性质特点

树状分子独特的化学性质：1）树状分子没有特定的分子量分布；2）树状分子表面由大量的官能团组成，将焦点核心与外部环境隔开，所以对特定位点有隔离作用；3）树状分子的尺寸增加因数量有序而变得系统化；4）在逐步合成树状分子的过程中，可在反应位点进行修饰而丰富树状分子的功能；5）表面密集的大型树状分子拥有较大的包封空间，便于包裹药物；6）树状分子的末端功能单元控制其整体的溶解度。有机树状分子最基本的特点是：易合成、化学稳定性高、性能好、载药容量大、可重复性和再生性好[2]。树状分子主要由发散法和收敛法两种方法来合成[3]。发散法的合成方式是由内向外延伸，它以小分子为起点，通过若干个化学反应逐渐向外延伸，逐步合成高代数的树状分子。该方法的优点是外围的官能团易被修饰，然而随着反应步数的增多，反应位点呈指数增长，产物纯化难度增大。收敛法的合成方式与发散法相反，是由外向内收敛，通过反复的保护和去保护这两个步骤来合成树状分子的分支，然后再用一个中心的官能团将各个分支连接起来，该方法的反应位点不会随着反应代数的增加而增加，因此不存在副反应呈指数增加的现象，但会因为空间位阻而影响反应产率。

1.2 DNA-树状分子杂化体的合成研究

DNA-树状分子杂化体有两种合成方法：直接偶联法和发散生长法。目前，关于DNA-树状分子杂化体的合成方法已经颇为成熟。

树枝状大分子的DNA结构是高度分支的结构，有机械稳定性和生物相容性的优点，可用来构建可编程的DNA树状纳米载体[4]。1993年，Damha通过固相合成法合成了DNA树状分子，与DNA-树状分子杂化体有所差别的是，它的三个组成部分都为DNA分子，这是从未被报道的一种新型结构，但合成产率不高。由于当时生物分子检测水平的局限，这一发现并没有引起广泛的关注[5]。后来，他们将合成策略由收敛法改成了发散法，提高了反应产率[6]。超支化DNA树状聚合物是通过三个DNA单体自组装构建的，嵌入DNA酶的超支化DNA树状大分子可作为信号放大器，用于比色测定核算[7]。寡核苷酸可通过共价结合或配位作用修饰到MOFs上，可用于生物传感器中[8]。DNA-胆固醇杂化体的应用较为广泛，2019年，Chidchob等构建了一种单面立方体DNA修饰饰胆固醇的单元，胆固醇的取向和支架的灵活性能够改变连接在立方体上的胆固醇单元的组装方式，从而控制其与细胞膜相互作用行为，其表面迁移率可由胆固醇数目调节[9]。脂质-DNA胶束由于其体积小、制备简单、可编程设计以及生物相容性好等优点，在人类疾病治疗方面有巨大的应用潜力[10]。近十年来，多面倍硅氧烷(POSS)-树枝状杂化材料引起了人们的广泛关注。四川大学李乙文等报道了几种POSS-树枝状分子杂化材料，重点介绍了它们的合成策略、可调宏观性能和潜在的应用前景。同时，阐述了POSS-树枝状聚合物杂化材料的发展趋势、面临的挑战和未来的发展方向[11]。2019年，湖南大学谭蔚泓课题组设计了一种正四面体DNA-胆固醇杂化体，以此作为一种新型探针来与细胞膜作用，研究发现其靶向性和膜锚定稳定性更高[12]。

自20世纪90年代以来，DNA-树状分子杂化体的自组装引起了科学家们广泛的关注，其中核酸具有合成容易、结构可预测、可编程性高等优点，为精确控制相互作用强度和特异性提供了优良的材料[13]。不同的DNA-树状分子杂化体在溶液中能够自组装形成不同形貌的聚集体，如胶束、纤维、囊泡等[14-15]。 而改变树状分子骨架的刚柔性，其杂化体的组装行为也会发生改变，所以本文研究了一种新型树状分子合成方法。

2 具有刚性骨架的树状分子合成的实验步骤

图1 具有刚性骨架的树状分子合成示意图

1）化合物G1Alk-COOMe的合成

于装有磁子的1 000 mL烧瓶中，依次加入没食子酸甲酯（5.0 g，0.27 mmol），十二烷基溴（26.8 g，108 mmol），碳酸钾（14.8 g，107 mmol），碘化钾（8.9 g，54mmol），用250 mL丙酮溶解。60 ℃条件下回流24 h，TLC监测反应。反应结束后，减压除去大部分丙酮，用水和二氯甲烷萃取，饱和食盐水萃取，有机相用无水Na2SO4干燥。过滤后，浓缩有机相，加入甲醇沉淀，得白色粉末状固体，产率67%。

2）化合物G1Alk-Br的合成

于装有磁子的烧瓶中，依次加入G1Alk（7 g，10.6 mmol），四溴化碳（4.24 g，12.6 mmol）和THF（20 mL），在冰浴条件下缓慢加入PPh3（3 g，11.4 mmol），5 min后撤走冰浴，室温反应，期间TLC板跟踪反应进程。反应结束后，减压除去THF，加入甲醇沉淀2次，得到白色固体，柱层析纯化（200～300目（75～48 μm）硅胶，DCM∶PE =40∶1）。

3）化合物G1Alk的合成

于装有磁子的烧瓶中加入G1Alk-COOM（e8.9 g，12.9 mmol），用超干四氢呋喃溶解。在冰浴条件下缓慢加入四氢铝锂（0.55 g，14.45 mmol），5 min后撤去冰浴，室温搅拌1 h，TLC监测。反应结束后，冰浴条件下缓慢滴加适量饱和氯化铵溶液。过滤，四氢呋喃洗涤滤饼，收集有机相，减压除去大部分四氢呋喃，有机相浓缩，真空干燥得透明蜡状固体，产率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，反应原料投料为G1Alk-Br（5 g，7 mmol），3,5-二羟基苯甲酸甲酯（0.56 g，3.4 mmol），碳酸钾（2.0 g，14.0 mmol），碘化钾（1.2 g，108 mmol），用50 mL丙酮溶解。沉淀后，柱层析纯化（100～200目（150～75 μm）硅胶，DCM∶PE = 1∶1），产率89%。

5）化合物G2Alk的合成

同化合物G1Alk的合成，反应原料投料为G2Alk-COOMe (5.4 g，3.6 mmol), 四氢铝锂（0.3 g，8.0 mmol）,得到淡黄色透明固体。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 结束语

本文成功合成出一类具有刚性骨架的树状分子，并用核磁对其结构进行了表征，将这种新型的树状分子与DNA进行偶联，通过调控DNA-树状分子杂化体的亲疏水比例，有望发展出一种新的组装体，为两亲性嵌段共聚物的组装体带来更多新的性质。