Узловатые полимеры
Одноцепочечные циклизованные/узловидные полимеры представляют собой новый класс полимерной архитектуры с общей структурой, состоящей из множества внутримолекулярных единиц циклизации внутри одной полимерной цепи . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Такая структура была синтезирована посредством контролируемой полимеризации поливиниловых мономеров, о чем впервые сообщили в исследовательской лаборатории доктора Вэньсиня Ванга. Эти множественные внутримолекулярные циклизованные/узловидные единицы имитируют характеристики сложных узлов, обнаруженных в белках и ДНК, которые придают этим структурам некоторую эластичность. [ 7 ] [ 8 ] Следует отметить, что 85% эластичности натурального каучука обусловлено узловыми структурами внутри его молекулярной цепи. [ 9 ] [ 10 ]
Реакция внутримолекулярной циклизации заключается в том, что растущая полимерная цепь реагирует с виниловой функциональной группой в своей собственной цепи, а не с другой растущей цепью в реакционной системе. Таким образом, растущая полимерная цепь ковалентно связывается сама с собой, подобно узлу на веревке. По существу, одноцепочечные циклизованные/узловидные полимеры состоят из многих из этих звеньев (внутримолекулярно циклизованных), в отличие от других полимерных архитектур, включая разветвленные и сшитые полимеры, которые образованы двумя или более полимерными цепями в комбинации.
Линейные полимеры также могут образовывать узловые топологии посредством нековалентных связей. Узлы и скользящие узлы были обнаружены также в природных полимерах, таких как белки. Топология цепей и теория узлов формализуют и классифицируют такие молекулярные конформации.
Синтез
[ редактировать ]Деактивация расширенного ATRP
[ редактировать ]Простая модификация радикальной полимеризации с переносом атома (ATRP) была представлена в 2007 году. [ 11 ] кинетически контролировать полимеризацию за счет увеличения соотношения неактивного катализатора меди (II) к активному катализатору меди (I). Модификация этой стратегии называется ATRP с усиленной дезактивацией, при которой добавляются различные соотношения меди (II) / меди (I). В качестве альтернативы можно использовать катализатор на основе меди (II) в присутствии небольших количеств восстановителя, такого как аскорбиновая кислота, для получения низкого процентного содержания меди (I) на месте и для контроля соотношения медь (II) / медь (I). . [ 1 ] [ 3 ] ATRP, усиленная дезактивацией, характеризуется уменьшением мгновенной кинетической длины цепи ν, определяемой следующим образом: ,
это означает, что среднее количество мономерных звеньев добавляется к концу растущей цепи во время каждого цикла активации/дезактивации, [ 12 ] Результирующая скорость роста цепи замедляется, чтобы обеспечить достаточный контроль над реакцией, что значительно увеличивает процент поливиниловых мономеров в реакционной системе (даже до 100 процентов (гомополимеризация)).
![{\displaystyle \nu ={\frac {R_{\text{p}}}{R_{\text{deac}}}}={\frac {k_{\text{p}}[{\text{M} }][{\text{P}}]}{k_{\text{deac}}[{\text{Cu}}^{\text{II}}][{\text{P}}]}}= {\разрыв {k_{\text{p}}[{\text{M}}]}{k_{\text{deac}}[{{\text{Cu}}^{\text{II}}}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2059dda9682adfa516f4f9bc3e94ef94ad77a4f8)
Процесс полимеризации
[ редактировать ]Обычно одноцепочечные циклизованные/узловидные полимеры синтезируют путем усиленной дезактивации ATRP поливиниловых мономеров с использованием кинетически контролируемой стратегии. В процессе полимеризации происходит несколько основных реакций: инициирование, активация, дезактивация, продолжение цепи, внутримолекулярная циклизация и межмолекулярное сшивание. Процесс полимеризации поясняется на рисунке 2.
Подобно обычному ATRP, полимеризация начинается с инициирования образования свободного радикала , за которым следует распространение цепи и обратимое равновесие активации/дезактивации. В отличие от полимеризации одиночных виниловых мономеров, при полимеризации поливиниловых мономеров распространение цепи происходит между активными центрами и одной из винильных групп свободных мономеров. Таким образом, в линейные первичные полимерные цепи вводятся многочисленные непрореагировавшие боковые винильные группы, что приводит к высокой локальной/пространственной концентрации винила. По мере роста цепи растущий центр реагирует со своими собственными боковыми винильными группами с образованием внутримолекулярных циклизованных колец (т.е. внутримолекулярная циклизация). Уникальный процесс чередующегося роста цепей/внутримолекулярной циклизации в конечном итоге приводит к одноцепочечной циклизованной/узловой архитектуре полимера.
Внутримолекулярная циклизация или межмолекулярное сшивание
[ редактировать ]Стоит отметить, что из-за множества реакционноспособных центров поливиниловых мономеров в линейные первичные полимерные цепи вводится множество непрореагировавших боковых винильных групп. Эти подвесные винильные группы могут реагировать с растущими активными центрами либо своей собственной полимерной цепи, либо других. Следовательно, в этом процессе может происходить как внутримолекулярная циклизация, так и межмолекулярная сшивка.
Используя стратегию усиленной дезактивации, относительно небольшая мгновенная кинетическая длина цепи ограничивает количество винильных групп, которые могут быть добавлены к растущему концу цепи во время каждого цикла активации/дезактивации, и, таким образом, поддерживает рост полимерных цепей в ограниченном пространстве. Таким образом, в отличие от того, что происходит при свободнорадикальной полимеризации (FRP) , можно избежать образования огромных полимерных цепей и крупномасштабных комбинаций на ранних стадиях реакции. Следовательно, небольшая мгновенная кинетическая длина цепи является предпосылкой для дальнейших манипуляций с внутримолекулярной циклизацией или межмолекулярным сшиванием. Учитывая небольшую мгновенную кинетическую длину цепи, регулирование различных размеров и концентраций цепи может привести к различным типам реакций. Низкое соотношение инициатора к мономеру приведет к образованию более длинных цепей, но к более низкой концентрации цепей. Этот сценарий, несомненно, увеличит вероятность внутримолекулярной циклизации из-за высокой локальной/пространственной концентрации винила внутри границы роста. Хотя возможность межмолекулярных реакций может увеличиваться по мере роста полимерных цепей, вероятность того, что это произойдет на ранней стадии реакций, минимальна из-за низкой концентрации цепей, поэтому могут образовываться одноцепочечные циклизованные/узловидные полимеры. Однако, напротив, высокая концентрация инициатора не только уменьшает размер цепи во время фазы линейного роста, тем самым подавляя внутримолекулярную циклизацию, но также увеличивает концентрацию цепи внутри системы, так что боковые винильные группы в одной цепи с большей вероятностью выпадут. в границу роста другой цепи. Как только мономеры превращаются в короткие цепи, межмолекулярное соединение увеличивается и позволяет образовывать сверхразветвленные структуры с высокой плотностью разветвлений и винильных функциональных групп. [ 3 ]
Примечание
[ редактировать ]- Концентрация мономера важна для синтеза одноцепочечных циклизованных/узловидных полимеров, но кинетическая длина цепи является ключевым определяющим фактором синтеза.
Приложения
[ редактировать ]Одноцепочечные циклизованные полимеры состоят из множества циклизованных колец, которые придают им некоторые уникальные свойства, включая высокую плотность, низкую характеристическую вязкость , низкие коэффициенты трения поступательного движения , высокие температуры стеклования. [ 13 ] [ 14 ] и превосходную эластичность образующейся сети. [ 15 ] В частности, обилие внутреннего пространства делает одноцепочечные циклизованные полимеры идеальными кандидатами в качестве эффективных грузоперевозчиков.
Доставка генов
[ редактировать ]Хорошо известно, что макромолекулярная структура невирусных векторов доставки генов изменяет их эффективность трансфекции и цитотоксичность. Доказано, что циклизованная структура снижает цитотоксичность и увеличивает время циркуляции для приложений доставки лекарств и генов. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Уникальная структура циклизующихся цепей обеспечивает одноцепочечным циклизованным полимерам другой метод взаимодействия между полимером и плазмидной ДНК и приводит к общей тенденции к более высоким возможностям трансфекции, чем у разветвленных полимеров. [ 19 ] [ 20 ] Более того, благодаря природе одноцепочечной структуры этот циклизованный полимер может «развязываться» в линейную цепь в восстановительных условиях. Профили трансфекции астроцитов, сравнивающие 25 кДа- PEI , SuperFect® и Lipofectamine®2000 и циклизованный полимер, показали большую эффективность и жизнеспособность клеток, сохраняя при этом жизнеспособность нервных клеток выше 80% через четыре дня после трансфекции. [ 21 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Чжэн, Ю; Цао, Хунлян; Ньюленд, Бен; Донг, Исяо; Пандит, Абхай; Ван, Вэньсинь (24 августа 2011 г.). «Трехмерная структура одноциклизованной полимерной цепи в результате контролируемой полимеризации мультивиниловых мономеров: за пределами теории Флори-Стокмайера». Журнал Американского химического общества . 133 (33): 13130–13137. дои : 10.1021/ja2039425 . ПМИД 21744868 .
- ^ Чжэн, Ю; Ньюленд, Бен; Тай, Хонгюн; Пандит, Абхай; Ван, Вэньсинь (2012). «Структуры одиночных циклизованных молекул в результате RAFT-гомополимеризации мультивиниловых мономеров». Химические коммуникации . 48 (25): 3085–7. дои : 10.1039/C2CC17780C . ПМИД 22343904 . S2CID 46257830 .
- ^ Jump up to: а б с Чжао, Тяньюй; Чжэн, Ю; Поли, Жюльен; Ван, Вэньсинь (21 мая 2013 г.). «Контролируемая гомополимеризация мультивиниловых мономеров посредством комбинации виниловых олигомеров как универсальный подход к гиперразветвленной архитектуре» . Природные коммуникации . 4 : 1873. Бибкод : 2013NatCo...4.1873Z . дои : 10.1038/ncomms2887 . hdl : 10379/14533 . ПМИД 23695667 .
- ^ «Полимер, завязанный в кельтские узлы» . мир химии . Проверено 28 мая 2013 г.
- ^ «Полимеры разветвляются» . Химическая обработка . Проверено 23 июня 2013 г.
- ^ «Древние кельтские узлы вдохновляют на научный прорыв» . Ирландские Таймс . Проверено 21 мая 2013 г.
- ^ Шоу, С.Ю.; Ван, JC (23 апреля 1993 г.). «Завязывание цепи ДНК при замыкании кольца». Наука . 260 (5107): 533–6. Бибкод : 1993Sci...260..533S . дои : 10.1126/science.8475384 . ПМИД 8475384 .
- ^ Тейлор, Уильям Р.; Линь, Куанг (2 января 2003 г.). «Белковые узлы: запутанная проблема» . Природа . 421 (6918): 25. Бибкод : 2003Natur.421...25T . дои : 10.1038/421025a . ПМИД 12511935 .
- ^ Эрман, Джеймс Э. Марк; Бурак (2007). Резиноподобная эластичность: молекулярный праймер (2-е изд.). Кембридж [ua]: Cambridge Univ. Нажимать. ISBN 9780521814256 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ «Эдинбургское атомное плетение может укрепить пластик» . Новости Би-би-си . 07.11.2011 . Проверено 7 ноября 2011 г.
- ^ Ван, Вэньсинь; Чжэн, Ю; Робертс, Эмма; Даксбери, Кристофер Дж.; Дин, Лифэн; Ирвин, Дерек Дж.; Хаудл, Стивен М. (октябрь 2007 г.). «Контроль роста цепочки: новая стратегия в отношении гиперразветвленных материалов». Макромолекулы . 40 (20): 7184–7194. Бибкод : 2007MaMol..40.7184W . дои : 10.1021/ma0707133 .
- ^ Тан, Вэй; Матияшевский, Кшиштоф (27 октября 2008 г.). «Кинетическое моделирование нормального ATRP, нормального ATRP с [Cu], обратного ATRP и SR&NI ATRP». Макромолекулярная теория и моделирование . 17 (7–8): 359–375. дои : 10.1002/mats.200800050 .
- ^ Хоскинс, Джессика Н.; Грейсон, Скотт М. (2011). «Циклические полиэфиры: синтетические подходы и потенциальные применения». Полим. Хим . 2 (2): 289–299. дои : 10.1039/c0py00102c .
- ^ Крихельдорф, Ханс Р. (15 января 2010 г.). «Циклические полимеры: синтетические стратегии и физические свойства» . Журнал науки о полимерах. Часть A: Химия полимеров . 48 (2): 251–284. Бибкод : 2010JPoSA..48..251K . дои : 10.1002/pola.23755 .
- ^ Чжан, Кэ; Лакей, Мелисса А.; Цуй, Джун; Тью, Грегори Н. (23 марта 2011 г.). «Гели на основе циклических полимеров». Журнал Американского химического общества . 133 (11): 4140–4148. дои : 10.1021/ja111391z . ПМИД 21351775 .
- ^ Насонгкла, Норасед; Чен, Бо; Макараег, Николь; Фокс, Меган Э.; Фреше, Жан MJ; Сока, Фрэнсис К. (25 марта 2009 г.). «Зависимость фармакокинетики и биораспределения от архитектуры полимера: влияние циклических и линейных полимеров» . Журнал Американского химического общества . 131 (11): 3842–3843. дои : 10.1021/ja900062u . ПМК 2668136 . ПМИД 19256497 .
- ^ Чен, Бо; Джергер, Кэтрин; Фреше, Жан MJ; Сока, Фрэнсис К. (декабрь 2009 г.). «Влияние топологии полимера на фармакокинетику: различия между циклическими и линейными гребнеобразными полимерами ПЭГилированной поли(акриловой кислоты)» . Журнал контролируемого выпуска . 140 (3): 203–209. дои : 10.1016/j.jconrel.2009.05.021 . ПМК 2788102 . ПМИД 19465070 .
- ^ Вэй, Хуа; Чу, Дэвид Ш.; Чжао, Джулия; Паханг, Джошуэль А.; Каламбур, Сьюзи Х. (17 декабря 2013 г.). «Синтез и оценка циклических катионных полимеров для доставки нуклеиновых кислот» . Макробуквы ACS . 2 (12): 1047–1050. дои : 10.1021/mz400560y . ПМЦ 3881557 . ПМИД 24409400 .
- ^ Айд, Ахмед; Чжэн, Ю; Ньюленд, Бен; Ван, Вэньсинь (8 декабря 2014 г.). «За гранью ветвления: полимер с многоузловой структурой для доставки генов». Биомакромолекулы . 15 (12): 4520–4527. дои : 10.1021/bm5013162 . ПМИД 25375252 .
- ^ Ньюленд, Бен; Чжэн, Ю; Джин, Яо; Абу-Руб, Мохаммед; Цао, Хунлян; Ван, Вэньсинь; Пандит, Абхай (14 марта 2012 г.). «Одноциклизованная молекула против одноразветвленной молекулы: простая и эффективная трехмерная структура полимера с «узлом» для доставки невирусных генов». Журнал Американского химического общества . 134 (10): 4782–4789. дои : 10.1021/ja2105575 . HDL : 10379/3002 . ПМИД 22353186 . S2CID 4987813 .
- ^ Ньюленд, Б.; Айд, А.; Пинсели, А.В.; Чжэн, Ю.; Чжао, Т.; Чжан, Х.; Нимейер, Р.; Дауд, Э.; Пандит, А.; Ван, В. (2014). «Развязывание наноразмерной узловой полимерной структуры от линейных цепей для эффективной доставки генов in vitro и в мозг» (PDF) . Наномасштаб . 6 (13): 7526–33. Бибкод : 2014Nanos...6.7526N . дои : 10.1039/c3nr06737h . hdl : 10379/13109 . ПМИД 24886722 .