编辑 | 小杨
撰文 | 小杨
文献信息：
A Force-controlled release of small molecules with a rotaxane actuator
Nature
本周要介绍的文章是来自于英国曼切斯特大学的Guillaume De Bo教授课题组的工作。2015年，他获得了英国皇家学会大学研究奖学金，在曼彻斯特大学从事机械力在合成中的应用研究。机械力是一种强大且相对未被充分探索的能量来源，其扭曲、弯曲和拉伸化学键的能力在激活化学反应方面独树一帜。对这种力的精确控制可能会彻底改变我们构建和重排分子结构的方式，并改变对化学转化的思考方式。当受到机械力作用的化学实体（“机械感受体”）嵌入到聚合物骨架中时，可以实现对这种力的精确控制。实际上，将大分子的两端拉开会在链的中间产生高度定向的应变。Guillaume教授的研究目标是设计、合成和研究新的机械感受体，这些感受体可以催化地利用机械能量来引发不同寻常的化学转化。
力控小分子释放在药物输送以及医疗或材料领域的愈合或指示剂释放方面具有巨大潜力。在聚合物力化学中，聚合物作为执行器用于拉伸机械敏感分子（机械受体）。这种技术已经实现了通过机械受体的键断裂或笼体、超分子或金属复合物的解离，以及“柔性激活”等方式释放分子货物。然而，迄今为止所描述的系统在每次拉伸事件中释放的分子种类和数量上有限。这是由于在首次激活后，执行聚合物会解离，难以反复激活可剪切的机械受体。物理包封策略可以用于传递更大的货物负载，但这些往往受到非特异性（即非机械性）释放的影响。本文展示了一种轮烷（在其中大环被困在带有堵头的轴上的交锁分子）作为高效执行器来触发轴上附加的货物分子释放。通过超声波处理和压缩，在溶液中和在体相中分别实现了多达五个货物分子的释放，释放效率分别达到71%和30%，这使得该轮烷装置成为迄今为止最有效的释放系统之一。本文还演示了三种代表性功能分子（药物、荧光标记物和有机催化剂）的释放，预计这种装置可以释放多种货物分子。该轮烷执行器为各种力控释放应用提供了一个多功能平台。
正文内容：
交锁分子如轮烷，由于其大幅度运动能力，非常适合作为力执行器。这一特性已被用于制造非剪切型轮烷力传感器。我们最近展示了轮烷能够影响嵌入其轴中的机械受体的力化学反应性，并展示了轮烷执行器如何通过增强轴上共价键的机械不稳定性来促进解堵反应。同时，刺激响应型轮烷已与聚合物结合以执行各种化学任务。在这些概念的基础上，我们提出使用轮烷结构来同时释放多种小分子货物（如图1a，扩展数据图1和补充视频1所示）。轮烷通过连接到轴和大环的两条聚合物链中介进行机械激活。拉伸力会将大环拉向货物舱室，其中货物分子（蓝色球；如图1a）沿轴分布。大环与这些立体障碍物的强力接触会导致通过机械化学剪切轴上共价键逐步释放这些货物分子。这种基于轮烷的力控小分子释放系统显示了其在药物输送和功能材料中的广泛应用前景。
图1 拉伸轮烷执行器逐步释放聚合物轴上货物单元的逐步释放
设计
我们的设计基于一种轮烷结构（图片1a），由一个pillar[5]芳烃（P5）大环穿过C12烷基链构成，一侧延伸连接聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMA）聚合物，另一侧连接带有货物的寡聚物（货物区）。另一个PMA链连接到P5大环上，以实现该组件的机械激活。选择这个大环是因为它的刚性和管状性质，更灵活的大环会倾向于导致轴的断裂（去堵塞）。货物单元（N-三苯甲基马来酰亚胺，2，因其体积庞大而被选择）通过Diels-Alder反应加载到货物寡聚物的呋喃基团上。拉伸时，大环沿着货物区拉动，直到遇到第一个Diels-Alder加合物，它作为一个障碍，因为这个小大环在没有断裂共价键的情况下，无法通过这个体积障碍（图1a）。进一步拉动大环对抗加合物，最终触发反Diels-Alder反应（图1a），释放货物单元。这种激活几何结构，其中机电活性（Diels-Alder加合物）被推动而非拉动（图片1a左框），是轮烷结构独有的。此过程重复进行，直到大环沿货物区拉动并逃脱（图1a）。最多五个货物单元通过轮烷15释放。
合成
通过单电子转移活性自由基聚合30，利用甲基丙烯酸酯在轮烷8的大环和轴上同时引发，获得链中心大分子轮烷（图1b）。这样确保轮烷置于链的中心区域，在超声处理时该区域受力最大。轮烷引发剂通过一种封端交换策略组装，其中首先通过用3,5-双（三氟甲基）苯磺酰基（BTBS）封端轴6与P5衍生物5形成的包合物，生成活性轮烷（7），BTBS也是一个优秀的离去基31。通过迭代点击化学组装的货物区末端的羧酸取代BTBS后，获得轮烷引发剂8（三货物和五货物区在组装后呈现少量（通常小于6%）未加载的呋喃基单元（补充资料）。
模型研究
由于P5大环具有圆柱形状，轮烷的形成会产生两种异构体，即聚合物位于轮烷的同侧或对侧，分别标记为顺式和反式。这些异构体的身份通过旋转参比核Overhauser效应谱证实（补充资料第4.3节）。同样，将货物与轴连接的Diels-Alder反应也可以生成内型和外型两种异构体（补充资料）。由于这些机械变色单元的几何形状可以极大地影响它们的机械化学反应性，我们决定在组装多货物轮烷装置之前，探讨这两种异构性的影响（图2）。包含单个货物单元的轮烷9的四种可能异构体（数均分子量Mn=92–114kDa，分散度Đ=1.12–1.17；详细信息见补充资料第5.11节），通过超声处理进行机械激活，这种技术在塌陷的空化泡附近产生伸长流。通过尺寸排阻色谱监测反应进程（补充资料第6.3节），并通过1H NMR谱比较Diels-Alder加合物的诊断峰（峰a、b、c；图2b）和释放出马来酰亚胺货物后的呋喃单元的峰（峰x、y、z；图2b）确定货物释放的效率。轮烷9的反式异构体证明是更好的执行器，能够以相同的效率（71%转化率；图2a）激活内型和外型加合物，因此我们决定用这种异构体组装更大的结构。货物分子可以通过用甲醇提取超声处理后的聚合物残留物回收（补充资料第6节）。通过1H NMR谱分析该提取物确认货物的释放，特别是马来酰亚胺烯峰（峰D；图2c）的存在。通过1H NMR谱还确认了在释放货物单元后大环从轴上解离（补充资料第6.5节）。
图2 机械活化模型轮烷9的几何异构体
货物释放
我们接着探讨了轮烷执行器释放功能分子的能力（图3）。我们选择了三种代表性货物分子（药物、荧光标记物和有机催化剂），这些分子代表了此类力控释放装置在生物医学（药物释放、分子标记）和材料（损伤报告、自愈）应用中的潜力。首先，我们将一个庞大的马来酰亚胺货物单元与一个缬氨酸-瓜氨酸肽连接子相连，通过一个自毁性对氨基苯氧羰基间隔连接到药物上。这种结构通常用于抗体-药物偶联物，因为它依赖于癌细胞中过表达的溶酶体半胱氨酸蛋白酶cathepsin B来触发释放级联。作为概念验证，我们选择了负载多柔比星（一个广谱的高效化疗药物），其在溶液中的释放效率为65%。我们选择了N-(1-芘基)马来酰亚胺，一个流行的荧光探针，作为分子标记物，以展示轮烷执行器能够容纳不同大小和形状的货物。在机械释放非荧光N-(1-芘基)马来酰亚胺时，现场标记了一个模型硫醇（十二烷基硫醇）以形成相应的荧光加合物。最后，三苯甲基阳离子的释放，一个已知催化环加成和重排反应的温和路易斯酸有机催化剂，进一步展示了轮烷执行器通过多种解离机制释放各种货物分子的多功能性。
图3通过逆转录环加成和杂质裂解控制功能货物分子的释放
多货物轮烷在溶液中的活化
我们通过超声波对分别负载五个和三个货物单元的轮烷15和13（图1b）进行了机械活化（图4a–c）。这些较长体系的机械行为更加复杂，因为大环可能到达货物区的末端，或因竞争性键断裂而停在中途，分别导致货物负载的完全或部分释放（图4a）。竞争性键断裂可能发生在PMA链或轮烷轴（解堵）上，无论哪种情况，货物分子都不能再释放，因为轮烷不再位于聚合物的中央区域，或整体结构丧失（图4a）。我们对这些聚合物的稀溶液进行超声波处理，直到主链中至少发生一个键（共价键或机械键）断裂（即，观察到的Mn低于初始Mn的一半；补充信息第6节）。在PMA链中的非选择性断裂，从超声波处理后剩余的完整轮烷量判断，是这些较长轮烷的主要途径（分别为三货物轮烷低于40%和五货物轮烷低于50%；图4c和补充信息第8.7节），而轴的断裂是次要途径（通常低于5%；补充信息第8.7节）。其余的轮烷参与了货物释放过程。由于可以通过^1H NMR光谱区分内部和末端Diels–Alder加合物/呋喃基团（图4b），我们能够分别确定这些位置的货物释放程度。它们的相对积分（图4c）显示，大多数参与货物释放的轮烷（即没有经历非选择性断裂的；图4a的左路径）能够到达货物区的末端并交付全部负载，三货物轮烷和五货物轮烷的释放效率分别高达44%和22%（图4c）。随着货物区长度的增加，释放效率表面上看起来有所下降，但由于没有观察到大环在中途停留（如上所述），因此效率下降可能不是轮烷执行器的固有限制；这可能是由于聚合物化从这些大分子起始时形成的聚合物定义较差（图4c）。在这种情况下，轮烷较不可能位于链的中心，而链的中心在超声波处理期间经历最高强度的力，PMA链的非选择性断裂变得主要。我们还探讨了聚合物长度（Mn = 60–215 kDa）对五货物轮烷活化的影响，以及exo/endo含量（富exo到富endo）对三货物轮烷的影响（补充信息第8.7节）。我们发现聚合物长度对货物释放效率没有影响，但富endo的轮烷显示出更高的转换率（44%）比其富exo的对应物（29%）。
图4 通过机械力在溶液中释放多个分子
体香中的机械力活化
我们通过手动压缩小样本（约30毫克）的聚合物9、13和15，分别进行了单货物、三货物和五货物轮烷的整体活化（0.74 GPa，每个循环少于60分钟，10-45个循环；图4c,d）。尽管缺乏共价交联（这会导致更大的活化效果），但在这些纠缠网络中仍观察到大量货物释放（一个非互锁的对照聚合物确认了活化的机械性质；补充信息第7.2节），尽管在类似的活化后Mn情况下，释放程度低于溶液中（图4c）。同样，货物分子可以通过用甲醇提取压缩后的聚合物残余物来回收（补充信息第7节）。整体活化与溶液实验的不同之处在于释放全部货物负载的轮烷比例较低；即，较少的宏环能到达其货物区的末端。这可以通过网络分布张力应力的能力以及轮烷可能位于网络低应力区域来解释。尽管如此，在样本中释放多达30%的货物负载（使用单货物系统）或在同一位置释放多达五个货物分子（使用五货物系统），使我们的系统在共价力控制释放分子机制中处于最佳状态之一，并在多种环境下释放活性化合物方面显示出巨大的潜力。
结论
我们展示了一种使用轮烷执行器的力控制小分子释放方法，其中通过宏环沿轴线的力诱导运动，依次激活并释放小分子货物。轮烷架构能够对可切割的机械响应体进行迭代驱动，因为驱动聚合物并未直接连接到机械响应体上。这种架构还具有独特的激活方式，通过推而不是拉的几何结构激活机械响应体。我们已经证明，这种分子装置在溶液和整体中每条链可以释放多达五个货物单元。在整体中实现了高达30%的激活效率，使我们的装置成为迄今为止最好的共价力控制释放系统之一。此外，通过释放三种代表性功能分子（药物、荧光标记物和有机催化剂），展示了该驱动装置的多功能性，并预计可以释放更多种类的货物。此外，该系统还提供了按定义顺序释放不同货物单元的可能性。轮烷执行器的多功能性和效率应为更复杂的力控制释放系统铺平道路。
方法
溶液中通过超声波进行机械激活
将适量的聚合物（20 mg）加入Suslick细胞中，并溶解在干燥的MeCN（15 ml）中。开始超声波实验之前和整个实验过程中，通过通入氮气对溶液进行至少10分钟的脱气。整个超声波过程中，Suslick细胞通过冰浴冷却，以保持细胞内温度在约5–10 °C之间。系统施加脉冲超声波（1 秒开/1 秒关，25%振幅（13.0 W cm−2），20 kHz），持续所需时间。超声波处理后，蒸发溶剂并通过尺寸排阻色谱和NMR分析聚合物。回收超声波处理后的聚合物并用MeOH清洗以提取未附着在聚合物链上的小分子。然后对剩余的MeOH清洗后的聚合物和浓缩的MeOH清洗液进行NMR分析。
通过压缩进行整体机械激活
手工将适量的聚合物（25–30 mg）形成粗略的球形。将材料放置在标准的13 mm KBr压片模具的砧之间。然后施加10吨的压缩力；随着材料被压缩，材料逐渐重新排列以释放压力，因此在一小时内确保连续施加10吨的压力。然后释放压力，将压扁的材料重新折叠成一个新的球体。重复这种折叠后压缩的循环过程，直到尺寸排阻色谱分析显示材料的Mn有足够的降低。在这一点上，将材料溶解在二氯甲烷中，小心过滤（0.45 μm聚四氟乙烯膜）以去除任何金属颗粒，然后在真空中浓缩。对粗聚合物材料进行1H NMR分析，彻底干燥后将聚合物膜直接用MeOH清洗。收集MeOH清洗液并与清洗后的聚合物材料一起进行1H NMR分析。
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