J. Am. Chem. Soc. | 合成新型含鏻阳离子的聚两性离子

今天为大家介绍的是最近在J. Am. Chem. Soc. 上报道的一篇标题为 “Polymer Zwitterions with Phosphonium Cations” 的文章。该文的通讯作者是马萨诸塞大学的Todd Emrick教授。

聚两性离子（Polymer Zwitterions）由于其高亲水性和表面抗污性能，在表面涂层、医疗器械和药物输送载体等方面具有重要应用价值。但是因为可溶解聚两性离子的有机溶剂很少，因此对于它们基本溶液性质的探索不足。为此，研究者们在考虑改变两性离子的组分，以调节其理化性质。

目前，聚两性离子的阴离子部分可调性较强（磷酸盐、磺酸盐和羧酸盐），但阳离子部分通常为铵盐或其变体。尽管基于鏻的聚电解质很常见，然而，鏻阳离子的聚两性离子仅有一例聚合后修饰的报道，且产物难以进行分子量表征。含鏻聚两性离子制备困难可能是因为需要强亲氧性的磷试剂，而缺乏合适的反应前体。为此，Todd Emrick课题组开发了新型基于鏻的两性离子单体及其相应聚两性离子的制备方法，并表征了其基本溶液性质。

简单来说，合成该新型鏻两性离子单体依赖于一种新型功能型前驱体1,3-丙烷磺酸内酯（图1A）。具体来说，通过正丁基锂对1,3-丙烷磺酸内酯进行去质子化，然后加入4-乙烯基苄基碘（化合物5），可生成官能团化的4-乙烯基苄基衍生物（化合物6）。通过三烷基膦或三芳基膦就可以使化合物6上的磺酸内酯开环，随后生成鏻两性离子单体（化合物7a-c）。作者通过¹H-NMR表征了化合物6与7a-c，可看到磺酸内酯上氧旁边的烷基氢变为鏻旁边烷基氢，化学位移也由4.4 ppm移至1.8 ppm，表明磺酸内酯的开环和鏻两性离子的生成。

图1. （A）鏻离子两性离子单体及其聚合物合成路线。（B）不同分子量9c的体积排阻色谱图和（C）9a-c的³¹P NMR。9a：R = n-butyl；9b：R = n-octyl；9c：R = phenyl。

进一步地，作者通过常规自由基聚合得到7a-c对应的聚两性离子（化合物8a-c），发现产物在氯仿中具有25 ℃的LCST，聚合控制较差。随后，他们尝试通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合得到了（化合物9a-c）。作者发现RAFT法可很好地控制聚合物的分子量和分散度（图1B，表1）。而通过不同的鏻两性离子单体，可制备不同的聚两性离子（图1C，表1）。

表1. 聚合物9a-c的体积排阻色谱的表征结果

为了探究这种新型基于鏻的聚两性离子的基本溶液性质，作者观察了它们在水和各种有机溶剂中的分散行为。作者发现聚合物可在水和1,2,4-三氯苯（TCB）中形成水包油（o/w）乳液（图2）。制备乳液时，9a是从水相引入的，而9b和9c可在油相中预溶解。作者观察到这些水包油（o/w）乳液可稳定数天到数月。而相同浓度下制备它们的油包水（w/o）乳液仅能稳定几分钟。

图2. 聚合物9a在TCB和水中形成水包油乳液。

鉴于聚两性离子在生物应用中的重要性，作者表征了9a-c在0.05–5 mg/mL浓度范围下对人细胞系HEK293和MDA-MB-231的细胞毒性，发现该浓度范围内细胞活力没有统计学下降。这表明这类聚两性离子的安全性与在生物应用中的潜力。

另外，作者将新型两性离子单体7a-c与传统聚两性离子（聚磷酸胆碱，PC）共聚得到了嵌段共聚物10a-c。由于两种单体不同的亲疏水性，作者发现PC本身不表现两亲性，但嵌段共聚物则表现出两亲性。尤其是共聚物10c，均聚物9c甚至自身不溶于水。作者表征了共聚物10c在不同溶剂中的³¹P-NMR。结果表明在水中亲水性PC嵌段屏蔽了疏水性9c嵌段的磷信号；在氯仿中情况则相反；在甲醇中，共聚物两嵌段均能溶解良好，因而共聚物可均匀分散在甲醇中，两者P信号均很明显。

图3. （A）鏻两性离子与传统两性离子的嵌段共聚物的合成；（B）共聚物10c在不同溶剂中的³¹P-NMR和组装。

总的来说，Todd Emrick课题组通过1,3-丙烷磺酸内酯和三取代膦制备了新型以鏻为阳离子部分的两性离子，并通过可控自由基聚合制备了其相应的聚两性离子。通过改变三取代膦的取代基，可改变对应的聚两性离子的溶解度和界面性质。并且，基于鏻的聚两性离子与传统聚两性离子的嵌段共聚物表现出两亲性和表面活性剂性质。且作者证实了基于鏻的聚两性离子的低细胞毒性，期待这类新型聚两性离子材料展现更广阔的应用潜力。

作者: SJL    审校: ZRC

DOI: 10.1021/jacs.1c00793

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c00793