Этиленфосфаты и поли(этиленфосфаты): дизайн, синтез и пост-модификация тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Косарев Максим Алексеевич

• Косарев Максим Алексеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Косарев Максим Алексеевич

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Полифосфорные эфиры - специфический класс биоразлагаемых полимеров

2.2. Получение полифосфорных эфиров

2.2.1 Ступенчатая полимеризация

2.2.1.1. Поликонденсация

2.2.1.2. Полиприсоединение

2.2.2. Полимеризация с ростом цепи

2.2.2.1. ПРЦ шеститичленных циклических фосфоэфиров

2.2.2.2. ПРЦ пятичленных циклических фосфоэфиров

2.2.2.3. ЯОМР

2.3. Модификация полимеров

2.3.1. Модификация концевых групп

2.3.1.1. Введение функционального фрагмента использованим функционализированного инициатора

2.3.1.2. Модификация функциональных групп, содержащихся в исходном инициаторе

2.3.1.3. Модификация концевой гидроксильной группы

2.3.2. Модификация основной цепи

2.3.3. Модификация боковой цепи

2.3.3.1. Реакции у атома фосфора

2.3.3.2. Модификация заместителей при атоме фосфора

2.4. Свойства ПФЭ

2.4.1. Энзиматическое и гидролитическое разложение полифосфорных эфиров

2.4.1.1. Механизм гидролиза

2.4.1.2. Энзиматическое разложение

2.4.2. Биосовместимость

2.4.2.1. Цитотоксичность

2.4.2.2. Эффект невидимки (Stealth Effect)

2.4.3. Биомедицинское применение ПФЭ

2.4.3.1. Протеин-полимерные конъюгаты

2.4.3.2. Доставка лекарственных средств

2.4.3.3. Доставка генов

2.4.3.4. Гидрогели на основе ПФЭ

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Исследование катализаторов и механизма ПРЦ циклофосфатов

3.1.1. Сравнение каталитических свойств TBD и BHT-производных Mg, Ca, Zn и Al в ПРЦ iPrOEP

3.1.2. Использование BHT-Mg катализатора в ПРЦ этиленфосфатов, этиленфосфонатов и этиленфосфорамидата

3.1.2.1. Полимеризация метилэтиленфосфата (MeOEP)

3.1.2.2. Полимеризация трет-бутил этиленфосфата (tBuOEP)

3.1.2.3. Полимеризация этиленфосфорамидата Et2NEP

3.1.2.4. Полимеризация этиленфосфонатов

3.1.3. Механизм полимеризации и переэтерификации этиленфосфатов

3.1.3.1. Механизм полимеризации MeOEP при катализе BHT-Mg комплексами

3.1.3.2. Механизм полимеризации и переэтерификации MeOEP при катализе TBD

3.2. Дизайн ПФЭ, способных к быстрому гидролизу

3.2.1. Получение 2,3-дигидроксипропокси- замещенных поли(этиленфосфатов)

3.2.2. Основный гидролиз 2,3-дигидроксипропокси- замещенных поли(этиленфосфатов)114

3.3. Разработка методов пост-модификации ПФЭ

3.3.1. Поли(глицидилэтиленфосфат)

3.3.2. Поли(этиленфосфорная кислота)

3.3.3. Синтез и термолиз гомополимеров íBuOEP

3.3.4. Синтез блок-сополимеров íBuOEP

3.3.5. Синтез PEPA-содержащих блок-сополимеров

3.4. Исследование перспективных направлений биомедицинского использования PEPA

3.4.1. Остеогенные свойства солей PEPA

3.4.2. PEPA в терапии ВИЧ

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

4.1. Общие сведения

4.2. Синтез исходных соединений

4.3. Синтез катализаторов

4.4. Синтез мономеров

4.5. Получение полимеров

4.5.1. Синтез гомополимеров

4.5.2. Синтез сополимеров

4.6. Исследование гидролиза поли(2,3-дигидроксипропокси этиленфосфата)

4.7. Исследования термолиза сополимеров íBuOEP

4.8. Приготовление производных PEPA для биологических испытаний

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Этиленфосфаты и поли(этиленфосфаты): дизайн, синтез и пост-модификация»

1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Биоразлагаемость и биосовместимость - свойства современного материала, желательные для массового бытового и технического применения и совершенно необходимые при использовании в биомедицине. Такие материалы обычно изготавливают из относительно гидрофобных полиэфиров, таких, как полигликолиды, полилактиды, поли-8-капро-лактон, поликарбонаты. В последнее время интерес исследователей привлекают фосфорные аналоги полиэфиров - полифосфоэфиры (ПФЭ). По сравнению с традиционными полиэфирами ПФЭ имеют ряд преимуществ: 1) химическое многообразие, обусловленное наличием пятивалентного фосфора в основной цепи полимера; 2) регулируемая в широких пределах гидрофиль-ность; 3) специфический ферментативный гидролиз; 4) структурное сродство с ДНК, РНК и тей-хоевыми кислотами.

Степень разработанности темы. Современные и эффективные подходы, основанные на полимеризации с раскрытием цикла (ПРЦ), нашли применение в синтезе ПФЭ с конца 80-х годов. Преимущества ПРЦ заключаются в возможности контроля (заданная степень полимеризации БРп, узкая полидисперсность Вы) растущей полимерной цепи варьированием соотношения мономер/инициатор; возможности инициирования и/или обрыва цепи с одновременной функцио-нализацией полимера; а также дизайна циклических мономеров варьированием экзоцикличе-ского заместителя у атома фосфора.

Вместе с тем, несмотря на более чем 30 лет интенсивных и плодотворных исследований, оставался нераскрытым ряд фундаментальных вопросов: 1) механизм ПРЦ этиленфосфатов, эффективность катализаторов различных типов; 2) механизм гидролиза и гидролитическая стабильность ПФЭ, токсичность полифосфатов и продуктов их гидролиза, возможность регулировать гидролитическую стабильность ПФЭ; 3) простые и эффективные методы пост-модификации ПФЭ.

Целью работы является разработка эффективных методов синтеза и постмодификации ПФЭ, а также исследование возможности применения получаемых полимеров в биомедицинских приложениях.

Задачами исследования являются: 1) экспериментальное и теоретическое исследование механизмов координационной и органокаталитической ПРЦ этиленфосфатов, конкуренции ПРЦ и переэтерификации; 2) поиск эффективных катализаторов ПРЦ этиленфосфатов различных классов, обеспечивающих высокую степень контроля цепи и возможность получения (со)поли-меров этиленфосфатов с традиционными циклическими мономерами ПРЦ (лактонами, лакти-дами) на их основе; 3) создание ПФЭ, способных к быстрому гидролитическому расщеплению; 4) дизайн и разработка воспроизводимых методов синтеза этиленфосфатных мономеров полиме-ризационной чистоты, способных к быстрой и эффективной постполимеризационной модификации; 5) оценка возможности использования поли(этиленфосфатов) в регениративной медицине и в области доставки лекарственных препаратов.

Объектами исследования являются этиленфосфатные мономеры, поли(этиленфосфаты) и катализаторы ПРЦ.

Предметом исследования являются: эффективные и универсальные катализаторы ПРЦ, новые этиленфосфатные мономеры полимеризационной чистоты и полимеры - ПФЭ - на их основе, токсичность и биосовместимость ПФЭ, возможные пути химической пост-модификации ПФЭ.

Научная новизна работы состоит в 1) сравнительном исследовании ПРЦ этиленфосфа-тов, этиленфосфонатов и этиленфосфоамидатов при катализе производными 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенола (BHT-H) с Mg, Al, Ca и Zn, демонстрации высокой эффективности однокомпо-нентного катализатора [(BHT)Mg(THF)(^-OBn)]2 в получении статистических сополимеров с ди-лактидом (L-LA); 2) теоретическом обосновании "донорно-акцепторного" механизма полимеризации этиленфосфатов при катализе TBD и установлении причины переэтерификации стериче-ски незатрудненных поли(этиленфосфатов), разработке эффективного метода синтеза линейных ПФЭ в присутствии триметилфосфата (TMP); 3) получении полимера с аномально высокой склонностью к фрагментации в слабоосновных условиях на основе нового мономера - глициди-лэтиленфосфата, методом комбинации ПРЦ и мягкого кислотного гидролиза; 4) разработке препаративного метода синтеза трет-бутилэтиленфосфата (íBuOEP), синтезе ряда гомо- и сополимеров на основе этого мономера; 4) разработке способа получения (со)полимеров поли(этилен-фосфорной кислоты) (PEPA) термолизом (со)полимеров поли(íBuOEP); 5) демонстрации нетоксичности солей PEPA, а также высокой эффективности кальциевых солей в остеогенной диффе-ренцировке стволовых клеток; 6) изучении возможности использования аддуктов блок-сополимеров PEPA в инъекционной доставке противовирусных препаратов.

Практическая и теоретическая значимость работы заключается в: 1) доказательстве эффективности координационного катализатора [(BHT)Mg(THF)(^-OBn)]2 в ПРЦ циклических этиленфосфатов разных классов и демонстрации возможности получения сополимеров этилен-фосфатов с L-LA с его участием; 2) демонстрации действия триметилфосфата (TMP) в качестве конкурентного ингибитора ПРЦ этиленфосфатов с обеспечением формирования линейного полимера; 3) доказательстве "донорно-акцепторного" механизма TBD-катализируемой ПРЦ этиленфосфатов посредством DFT-моделирования и экспериментальных данных; 4) разработке метода пост-модификации ПФЭ, позволяющего регулировать скорость фрагментации полимеров; 5) разработке эффективного метода синтеза (со)полимеров поли(этиленфосфорных) кислот (PEPA); 6) демонстрации способности кальциевых солей PEPA инициировать остеогенную диф-ференцировку стволовых клеток; 7) доказательстве высокой эффективности использования сополимеров mPEG-é-PEPA в качестве полимерного "вектора" для доставки противовирусных препаратов (на примере аддуктов с тенофовир дизопроксилом).

Методология диссертационного исследования. Методическая часть исследования состояла в разработке воспроизводимых методов синтеза этиленфосфатов и поли(этиленфосфатов), изучении активности катализаторов ПРЦ и методов постмодификации ПФЭ. Для этого был использован широкий спектр синтетических и инструментальных методов. Соединения были получены с использованием реакций нуклеофильного замещения, элиминирования, окисления и

ПРЦ. Структура, состав и чистота полученных соединений определялись методами спектроскопии ЯМР высокого разрешения, гель-проникающей хроматографии (ГПХ) и элементного анализа.

Положения, выносимые на защиту:

1. Комплекс [(BHT)Mg(THF)(^-OBn)]2 (Mg3) является эффективным однокомпонентным катализатором ПРЦ этиленфосфатов различных классов и пригоден для получения сополимеров с L-LA.

2. Использование триметилфосфата (TMP) в ПРЦ этиленфосфатов - эффективный способ синтеза линейных поли(этиленфосфатов).

3. Полиэтиленфосфаты, содержащие гидроксигруппы в ß-положении алкокси-заместителей у атомов фосфора основной цепи, подвержены быстрой гидролитическрй фрагментации, протекающей через образование циклических фосфорных эфиров.

4. Термолиз гомо- и сополимеров поли(íBuOEP) в протонных средах с образованием производных поли(этиленфосфорной) кислоты (PEPA) протекает с сохранением основной цепи без образования сшивок.

5. Кальциевые соли PEPA нетоксичны и способствуют остеогенной дифференцировке мезенхи-мальных стволовых клеток (МСК).

6. Конъюгация блок сополимеров mPEG-é-PEPA с тенофовир дизопроксилом (TFD) способствует увеличению противовирусной активности против ВИЧ.

Личный вклад автора состоял в подборе и анализе научной литературы по теме диссертации, разработке методов синтеза новых мономеров и выполнении экспериментов по (со)поли-меризации на различных катализаторах, исследовании процессов функционализации и термолиза синтезированных полимеров, проведении экспериментов для подтверждения результатов моделирования, интерпретации полученных результатов, подготовке материалов к публикации. В работах опобликованных в соавторстве значительный вклад принадлежит соискателю.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей в международных рецензируемых научных изданиях, индексируемых международными базами данных (Web of Science, Scopus) и рекомендованных диссертационным советом МГУ для публикации результатов научно-квалификационных работ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из шести разделов: введения, обзора литературы на тему «Полифосфорные эфиры: синтез, свойства, применение», обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 187 листах машинописного текста, содержит 124 рисунка и 19 таблиц. Список цитируемой литературы включает 275 наименований.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Полифосфорные эфиры: синтез, свойства, применение 2.1. Полифосфорные эфиры - специфический класс биоразлагаемых полимеров

Биоразлагаемые полимеры - перспективный класс макромолекул, включающий в себя различные типы полиэфиров, такие, как полигликолиды, полилактиды, полилактоны, поликарбонаты, полифосфаты и др. Полифосфаты обладают рядом уникальных свойств и потому вызывают особый интерес. Полифосфорные эфиры (ПФЭ) представляют собой гидрофильные аналоги полиэфиров. Химическое разнообразие - главное преимущество в химии ПФЭ (Рис. 1), поскольку наличие пятивалентного фосфора в основной цепи позволяет синтезировать полимеры с широким спектром функциональных групп как в боковой, так и в основной цепи, контролируя такие свойства, как биосовместимость, гидрофильность, скорость разложения, кристалличность, термическая стабильность. Возможность варьировать важнейшие характеристики полимера открывает множество перспективных путей практического применения ПФЭ.

Фосфатная группа биоподобная гидрофильная адгезивная О

Основная цепь: Боковая цепь: " гидрофильная/гидрофобная

гидрофильная/гидрофобная алифатическая/ароматическая возможность модификации аморфная/кристаллическая

О -0-P-0-R2 О -0-P-0-R2 О || 1 -0-P-0-R2 О и _ -0-P-0-R2-

п R1 п OR1 п NR12

полифосфиты

полифосфонаты полифосфаты

R1, R2 = Alk. Ar

Рисунок 1 — Разнообразие полифосфорных эфиров

полифосфамидаты

Первые синтетические фосфорсодержащие полимеры были получены в середине 1950-х годов, основным путём их синтеза являлась ступенчатая полимеризация. Открытие огнезащитных свойств полимеров, включающих атомы фосфора в основной цепи, вызвало рост интереса к

химии фосфорных полимеров, однако высокая стоимость исходных соединений, низкая молекулярная масса и вероятная гидролитическая нестабильность ПФЭ, привели к снижению внимания исследователей с середины 1960-х годов.

На начальном этапе исследователей привлекали огнеупорные свойства ПФЭ. Вследствие этого, в структуру полимеров включали повторяющиеся ароматические фрагменты. Кроме того, на начальном этапе изучения ПФЭ должным образом не разрабатывались универсальные синтетические подходы к этим соединениям. Однако со временем исследователи отметили, что структурное сходство ПФЭ с ДНК, РНК и тейхоевыми кислотами [1,2] открывает возможность создания гидрофильных, а также биоразлагаемых и биосовместимых полимеров на основе полифосфорных эфиров. Таким образом, возникла и остается весьма перспективной биомедицинская область применения ПФЭ.

Фундаментальные работы Пенчека в середине 1970-х годов в области полимеризации с раскрытием цикла (ПРЦ) циклических фосфоэфиров стали переломным моментом в химии ПФЭ. Новый подход сделал синтез полифосфорных эфиров возспроизводимым, а сами ПФЭ доступными соединениями. В отличие от большинства ступенчатых методов полимеризации, приводящих к линейным полимерам, ПРЦ позволяет получать ПФЭ с разной топологией: линейные, разветвленные, сверхразветвленные, звездчатообразные. Кроме того, полимеризация циклических фосфоэфиров с напряженными алифатическими лактонами, лактидами и карбонатами позволяет получать сополимеры различных типов.

Одним из вариантов применения полифосфорных эфиров оказалась область адресной доставки малых молекул и генов в организме. Этому способствует в первую очередь активный метаболизм фосфорсодержащих соединений в организме и структурная схожесть фосфорсодержащих фрагментов с молекулами ДНК и РНК. Кроме того, блок-сополимеры ПФЭ с гидрофобными алифатическими полиэфирами, например, полилактидом, способны к мицеллообразованию, что расширяет возможный спектр применений.

Еще одно применение полифосфорных эфиров - создание материалов, использующихся в имплантации и в протезировании, поскольку фосфорсодержащие полимерные материалы могут имитировать механическое и химическое поведение биологических тканей лучше, чем металлы или керамики [3,4].

Разнообразие и перспективность возможных сфер применения полифосфорных эфиров, а также материалов на их основе заставляет ученых всего мира искать полимеры и сополимеры, обладающие наилучшими сочетаниями свойств. Кроме того, все еще возникает ряд вопросов как о механизмах реакций в процессе синтеза ПФЭ, так и о токсичности и биосовместимости ряда

получаемых полимеров. В связи с этим целью данной работы был сбор и анализ химической литературы, касающейся способов получения ПФЭ, их свойств и перспективных областей применения.

2.2. Получение полифосфорных эфиров

В зависимости от заместителей все фосфорные полиэфиры можно разделить на четыре основных класса: полифосфиты, полифосфонаты, полифосфаты и полифосфоамидаты (Рис. 1). Основываясь на механизмах реакций, приводящих к образованию полимеров, всё многообразие синтетических методов получения полифосфорных эфиров можно разделить на две группы: ступенчатую полимеризацию (step-growth polymerization) и полимеризацию с ростом цепи ^hain-growth polymerization). Оба подхода имеют ряд принципиальных различий, как в механизмах, так и в характеристиках получаемых полимеров - степени полимеризации (DPn) и молекулярно-мас-совом распределении (ММР, dispersity 0m).

При ступенчатой полимеризации би- и полифункциональные мономеры реагируют сперва с образованием димеров, тримеров и более длинных олигомеров, которые в конечном счёте, реагируя друг с другом, приводят к длинноцепочечным полимерам. Таким образом, молекулярный вес не является линейной функцией конверсии. Классическую ступенчатую полимеризацию, в ходе которой из двух мономеров, взятых в стехиометрических количествах, образуются линейные полимеры, можно описать рядом уравнений Каротерса [5]:

где ИРп - среднечисловая степень полимеризации; р - конверсия (степень превращения) полимеризации; ДРуу - среднемассовая степень полимеризации; Мп - среднечисловая молекулярная масса; Мм - среднемассовая молекулярная масса; В - полидисперсность полимера.

2.2.1 Ступенчатая полимеризация

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

Приведенные выше уравнения справедливы для необратимых процессов и начальных стадий равновесных процессов, когда можно пренебречь скоростью обратной реакции. Из этих уравнений вытекают два важных следствия. Во-первых, при ступенчатой полимеризации принципиально невозможно получить полимеры с узким ММР: при конверсии, близкой к количественной (р ^ 1), Ви стремится к 2. Во-вторых, реальная степень полимеризации, которую можно ожи-

дать, будет относительно низкой, поскольку для ОРп = 50 необходима р = 98%, а для ОРп = 100 требуется р = 99%.

Свойства полимера во многом зависят от степени полимеризации, поэтому важно уметь контролировать молекулярную массу полимера. В свою очередь, среднечисловая степень поли-

меризации ОРп является функцией времени, и продукт с желаемой молекулярной массой может быть получен при прекращении реакции в определенное время. Однако даже по окончании реакции масса полимера будет изменяться со временем вследствие того, что его концевые фрагменты будут содержать различные функциональные группы, которые могут продолжить реагировать друг с другом. Одним из способов решения данной проблемы является введение в реакцию избытка одного из мономеров. Тем самым полимеризация продолжается до тех пор, пока один из реагентов не израсходован полностью, а все концевые группы полимера будут иметь ту же функциональную группу, что и группа мономера, который находился в избытке. При этом в связи с избытком одного из мономеров уравнение Каротерса для среднечисловой степени полимеризации примет следующий вид:

1+г

ОРп =-, (6)

п 1+7—2гр у '

где г = [Са]/[СЙ] <1 - стехиометрическое соотношение реагентов, равное отношению исходных концентраций функциональных групп.

Из приведенного выше выражения видно, что влияние избытка реагента заключается в снижении степени полимеризации для данного значения р. В пределе полной конверсии моно-

мера лимитирующего реагента р ^ 1 степень полимеризации ОРп ^ (1 + г)/(1 — г). То есть

уже при 1% избытке одного мономера предел ОРп составляет 199. Таким образом, избыток мономера, с одной стороны, позволяет решить проблему стабильности получаемых полимеров, а с другой - снижает возможную степень полимеризации.

Другой способ достижения желаемой молекулярной массы - это добавление небольшого количества монофункционального мономера, часто называемого ограничителем цепи или стабилизатором молекулярных масс. Такой реагент контролирует полимеризацию бифункциональных

мономеров, поскольку реагирует с концевыми группами растущего полимера, лишая его функ-

циональных групп, способных к дальнейшей реакции. При этом зависимость ОРп от конверсии описывается в соответствии с Формулой 6.

С точки зрения химизма протекающих реакций ступенчатая полимеризация в свою очередь подразделяется на поликонденсацию и полиприсоединение.

2.2.1.1. Поликонденсация

Поликонденсация - такой вид полимеризации, при котором наблюдается выделение побочных продуктов с низкой молекулярной массой (воды, спиртов, хлористого водорода, аммиака и др.). Обратимость реакций на отдельных стадиях полимеризации требует смещения равновесия в сторону высокомолекулярных продуктов, которое обычно реализуют азеотропной отгонкой, пониженнием давления или использованием оснований [6].

Исторически первым синтезом ПФЭ была конденсация POClз с бисфенолом А в присутствии фенола [7]. Обнаружение огнеупорных свойств у нового тогда класса фосфорных полиэфиров послужило толчком к наработке библиотек подобных соединений (Рис. 2) [8,9].

0

п НО-Аг-ОН + т С1—Р-С1

1

О

п : т = 1 : 1.1

1. -2л НС1

2. МеОН

О МеО-Р— О -О-Аг-О-Р- -ОМе

1 О Л 1 О Л

У Вг * п

Аг =

Вг Вг

Рисунок 2 — Синтез полифосфатов поликонденсацией бисфенолов с арилфосфодихлоридами

[8,9]

Поликонденсация дихлоридов алкил или арил фосфоновых кислот с диолами или дигид-рокси арилами может проводится в различных условиях: на границе раздела фаз [10-14] в расплаве [15,16], в низко- [17,18] и высокотемпературных [19] условиях, а также с применением межфазного катализатора [20-24].

Другой вид поликонденсации - полипереэтерификация диэфиров фосфористой кислоты с диолами. Этот подход в основном применяется для получения полифосфитов и полифосфонатов и непригоден для прямого получения полифосфатов из эфиров фосфорной кислоты вследствие образования разветвлений при реакции с боковой сложноэфирной группой.

о

К20-Р-СЖ2 + Н0-1Ч1-0Н -К20

£ -К2ОН

К2 = (-СН2-)п> т = д|ку|> дгу|> н

Рисунок 3 — Синтез ПФЭ термической полипереэтерификацией

Однако полипереэтерификация сопровождается побочными реакциями, что приводит к снижению молекулярной массы получаемых полимеров. Одной из таких реакций является внутримолекулярная циклизация, которая активно изучалась (Табл. 1).

Таблица 1 — Основные продукты циклизации термической переэтерификации диолов с диэтил-фосфитом в отсутствие катализаторов ___

№ Диол Продукт Выход, % Лит.

1 но—он ^о н 56 [25]

2 но-А>н ^о' н 78 [25]

4 ЛоР^н 75 [25]

8 XI Н0-Д>н ^о' н 83 [25]

3 79 [25]

5 & 76 [25]

6 но^^он >с< 85 [25]

7 Рг но^^он Рг 78 [25]

9 д 80 [26]

10 0 35 [26]

11 0 3 [26]

0

-р-о-к1-о

1

г

-н

При реакции диэтилфосфита с 1,2-диолами образуются производные 2-гидро-2-оксо-1,3,2-диоксафосфолана. Реакция с 1,3-диолами приводит к образованию 2-гидро-2-оксо-1,3,2-ди-оксафосфоринанов. Помимо образования циклических фосфоэфиров, также может наблюдаться образование циклических простых эфиров. В случае 1,4-бутандиола образуется тетрагидрофуран с выходом 80%, реакция с 1,5-пентандиолом приводит к образованию тетрагидропирана с выходом 30%, а продукт циклизации 1,6-гександиола - оксепан - обнаруживается лишь с 3% выходом.

Если исключить из полимеризации диолы, склонные к образованию циклических продуктов (п < 6, Табл. 1), основной побочной реакцией становится деалкилирование, которое происходит из-за нуклеофильной атаки атома кислорода в спиртовой группе диола по а-углеродному атому фосфористого диэфира (Рис. 4). В ходе этой реакции одна из функциональных групп сложного эфира превращается в кислотную Р-ОН группу, а алкилирование одной из спиртовых групп диола не позволяет последнему участвовать в процессе полипереэтерификации. Кроме того, возникновение кислотных центров вызывает дегидратацию спиртов, создавая ещё один фактор, ограничивающий молекулярный вес полимера.

Рисунок 4 — Схема деактивации диола в синтезе ПФЭ термической полипереэтерификацией в

Последние работы в области синтеза ПФЭ полипереэтерификацией нацелены на устранение или уменьшение побочных реакций. Особого внимания заслуживает подход [27], заключающийся в поэтапной термической переэтерификации (Рис. 5). Первый этап протекает при 120140 ^ и проводится в избытке диметилфосфоната. При этом образуются только олигомерные фосфорные эфиры с метилэфирными концевыми группами, а выделяющийся метанол непрерывно удаляют при пониженном давлении. После удаления 90% теоретического количества метанола температуру повышают до 160-180 На втором этапе высокомолекулярные полимеры образуются в результате реакций переэтерификации между олигомерами, сопровождающихся отщеплением диалкилфосфоната.

результате деалкилирования

о

МеО-Р-ОМе + НО^-ОН Н

120°С

О

тМеО-Р-О Н

О 0

II II

р-о-1 О-Р I

1 н I н

-МеОН

180°С

О

МеО-Р-О Н

х = 3 - 5

О

^-О-Р-О

1 I

н

НО-^-ОН =

он

-(СН30)2Р(0)Н

ноЧ^Ьон

0

МеО-Р-О

1

н

о

II

о

Я.гО-Р-ОМе

1 I

н

X

о

II

I

н

КтО-Р-О+К-гО-Р-ОМе

I

н

но

■о-0Н

но

Мп = 100, 200, 300, 400, 600, 1000, 2000 Рисунок 5 — Общая схема получения ПФЭ в результате термической полипереэтерификации

Применяя этот протокол, в полипереэтерификацию удается вовлечь диолы различной природы и протяженности, избегая проблем, связанных с деалкилированием фосфоната [28]. В частности, реакция с полиэтиленгликолями [27] не осложняется внутри- и межмолекулярной циклизацией, что позволяет достичь полимеры с массой до 30 кДа [29].

Другой способ подавления реакций деалкилирования основан на применении диарилфос-фонатов (Рис. 6). Замена sp3 гибридизованного а-углеродного атома фосфористого диэфира на sp2 гибридизованный атом исключает возможность SN2 реакций в этом положении. Поликонденсация дифенилфосфоната с диолами, такими, как 1,10-декандиол и тетраэтиленгликоль, приводит к получению полифосфонатов с высокой молекулярной массой (до 30 кДа по данным мембранной осмометрии) [30]. Кроме того, дифенилфосфонат реагирует со спиртами практически необратимо [31], следовательно, удаление фенола, выделяющегося в процессе поликонденсации, не является необходимым для синтеза полимеров со средней молекулярной массой.

+ НО-Р1-ОН К1= (-сн2-)10 _ -(СН2СН20)зСН2СН2-

/—\

/ V-О|-Р-О-Р{1-О-[Н

Рисунок 6 — Полипереэтерификация диолов с дифенилфосфонатом

Известны работы, в которых изучалась возможность получения ПФЭ, избегая токсичных растворителей и мономеров, поликонденсацией фосфорной кислоты с гликолями (Рис. 7) [32]. К сожалению, в реакционной смеси обнаруживаются только олигомерные продукты с Рп = 11 (по данным MALDI-TOF MS и ЯМР-спектроскопии). Авторы отмечают, что увеличение времени реакции и изменение условий проведения реакции не способствует ни увеличению количества полимера, ни росту его молекулярной массы. По всей видимости, такое поведение связано с протеканием деалкилирования, которое приводит к образованию моно-, ди- и триэфиров фосфорной

кислоты, а также простых эфиров гликолей. Несмотря на существенные недостатки, эта стратегия привлекательна своей простотой и доступностью реагентов.

О

но-р-он он

но

,он

-Н,0

fCH2-)-0-P-0-

он

Рисунок 7 — Общая схема поликонденсации фосфорной кислоты с этиленгликолем

Относительно новой стратегией в синтезе ПФЭ поликонденсацией является ациклическая метатезисная полимеризация. В зависимости от природы мономеров выделяют ациклический ме-татезис диенов (ADMET) и триенов (ATMET).

Мономерами в ациклической метатезисной полимеризации выступают эфиры фосфорной или алкилфосфоновых кислот с несколькими винильными фрагментами, а реакция протекает в присутствии катализаторов Граббса. В случае ADMET получаются ненасыщенные ПФЭ линейного строения, а в ATMET - сверхразветвленной структуры (Рис. 8) [33].

о

II

а) [Ru] cat. 60°С

R - Н2С=СН2

R = Me, "Bu, OPh, Cl

6)

O

m

O'^O' „0

A

Ла

G1

A A

сверхразветвленный полимер

в)

РСуз

СЬ

гл

Cl

^Ru=

Ph

CI, СГ

Ru=

PCy3

Ph

G1

кат. Граббса 1-го поколения

РСуз G2

кат. Граббса 2-го поколения

РСуз Cl'-D

G3

кат. Ховейда-Граббса 1-го поколения

Рисунок 8 — Получение ПФЭ: а) ADMET полимеризацией и б) ATMET полимеризацией.

в) Структуры используемых катализаторов

Селективность реакции хорошо демонстрирует пример АОМЕТ-полимеризации мономера с реакционноспособной связью Р-С1 [34]. Последняя остается в образующемся полимере, позволяя проводить пост-модификацию в боковой цепи.

1,0 мольн. % кат. Граббса 1-го поколения

- Н2С—СН2

Nu

Et3N / CH2CI2 комн. т.

Рисунок 9 — Синтетическая роль в ADMET-полимеризации ди-(бутен-3-ил) хлорфосфата и постмодификация поли(ди-(бутен-3-ил) хлорфосфата)

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Косарев Максим Алексеевич, 2022 год

// \ N:

CuBr, Ме0Н/Н20

Sn(Oct)2

ТГФ

Br

R =

О.

О

м р

-оХо' о.

1

,0

н

"ОН

Вг

О.

"ОН

гл о. .о х X

- о" чо

о

о.

о

II

-сг^о'

О©

.N

\

CuBr, Ме0Н/Н20

TBD или DBU

Вг

0е I -

о

S

Вг-

ov

о

о

о

II

XTjV

о

.0

н

,0.

н

Рисунок 32 — Получение макромономеров для ATRP реакцией ПРЦ этиленфосфатов с использованием 2-гидроксиэтил-2-бромизобутирата в качестве инициатора [86,87]

Внедрение терминального ацетиленового фрагмента в концевую группу ПФЭ также было реализовано использованием соответствующего пропаргилового спирта (Рис. 33а). В дальнейшем именно алкиновый фрагмент позволил получить тройной блок-сополимер медь-катализиру-емой реакцией азид-алкинового циклоприсоединения (СuAAC, Copper(I)-catalyzed Azide-Alkyne

Cycloaddition) (Рис. 33б) [88]. Авторы предложили использовать подобный полимер как многофункциональную платформу, обладающую окислительно-восстановительной и pH чувствительностью, для совместной доставки доксорубицина и ДНК.

а)

ГЛ xV° + 0 0

Sn(Oct)2 ТГФ,90 °С

о

II

.Pv

Г

Propargyl-PEEP

CuBr.

ГО

б) Propargyl-PEEP + N3-a-PCL-ss-PDMAEMA

Г

PEEP-a-PCL-ss-PDMAEMA

в) PEEP-a-PCL-ss-PDMAEMA

Мз-а-РСЬ-эв-РОМАЕМА = м

Рисунок 33 — Получение а) пропаргил-содержащего поли(этилэтиленфосфата) ПРЦ и б) последующее азид-алкиновое сочетание с образованием тройного блок-сополимера; в) функцио-нализация концевой гидроксильной группы триблок-сополимера глюкозамином [88]

2.3.1.3. Модификация концевой гидроксильной группы

В дополнение к рассмотренным выше методам часто применяют модификацию, которая затрагивает концевую гидроксильную группу полифосфоэфиров, полученных ПРЦ. В роли модификатора выступают активные ацилирующие агенты, способные к быстрой и селективной реакции. В рассмотренном выше примере (Рис. 33) целевой триблок-сополимер был модифицирован галактозамином с помощью диимидазолилкарбоната, что наделило его способностью распознаваться асиалгликопротеиновым рецептором.

Рассмотренный ранее амфифильный полимер - РТХ-РЕЕР (Рис. 30) был успешно модифицирован фолиевой кислотой (ЕЛ). Для этого БЛ превратили в активированный N гидроксисукцинимидный эфир, который далее реагировал с концевой гидроксильной группой полимера (Рис. 34). По задумке авторов такая модификация позволяет повышать как избирательность, так и эффективность доставки полимерных мицелл благодаря способности фолиевой кислоты связываться с определенными антигенами, связанными с опухолью [83].

н о СХ^п

о у м^^Л

Фолиевая кислота (РА) ® О^^ОН

«К

РЬ

РТХ-РЕЕР-РА

Рисунок 34 — Функционализация концевой гидроксильной группы РТХ-РЕЕР фолиевой

кислотой

В статье [89] авторы разработали подход для создания ковалентносвязанных конъюгатов ПФЭ с протеинами, в качестве альтернативы РЕОилированным протеинам. Такая процедура, по мнению исследователей, позволит стабилизировать белковые терапевтические агенты и увеличить их период полувыведения для поддержания эффективной концентрации в течение длительного времени. Кроме того, конъюгаты полифосфоэфир-белок ввиду их биоразлагаемости предотвращают нежелательную аккумуляцию полимера в организме. Ключевая стадия получения конъюгатов состояла в обработке поли(метилэтиленфосфонат)а ^№-дисукцинимидилкарбонатом. Образовавшийся смешанный карбонат К-гидроксисукцинимида (Рис. 35) реагировал с доступными аминогруппами уриказы с образованием конъюгата, при этом инструментальные методы

(ГПХ, MALDI-TOF MS) подтвердили сохранение нативной гомотетрамерной структуры фермента. Универсальность метода была продемонстрирована также на примере бычьего сывороточного альбумина (БСА).

ВпО

DBU

CH2CI2,

О °с

ВпО

.0 О.

CH3CN, СН2С12,

о °с

уриказа рН=8

ВпО

Рисунок 35 — Получение конъгата уриказа-поли(метилэтиленфосфонат) 2.3.2. Модификация основной цепи

Как правило, основная цепь ПФЭ не содержит функциональных фрагментов, и модификации основной цепи посвящено относительно небольшое число публикаций.

Описан способ получения синтетических аналогов тейхоевых кислот из поли(1-ацетокси-2,3-глицерилфосфата) (Рис. 36). Гидролиз ацетокси-группы и получение свободной гидроксиль-ной группы достигалось обработкой полимера безводным раствором аммиака в метаноле [2].

О

и

он J о

<А

NH3/CH3OH

20 °С

О

t°

0 НО

©

nh4

о.

Рисунок 36 — Гидролиз ацильных связей поли(1-ацетокси-2,3-глицерил фосфата)

В структуре ПФЭ, полученных в результате метатезисной полимеризаци (ADMET, ATMET, ROMP), содержатся C=C связи. Известно, что двойные связи затрудняют кристаллизацию полимера и понижают температуру плавления (Tm). Однако степень кристалличности можно увеличить, насыщая двойные связи. Для этого полимеры гидрировали в толуоле или ТГФ с использованием гетерогенных катализаторов, таких, как Pd/C или Pd(OH)2/C и при давлении H2

8-50 атм [51,90,91]. Для представленного на Рисунке 37 олефинового ПФЭ Тт равно -7 °С, а его гидрированный аналог плавится при температуре 44 °С.

РСуз

О

п

CU CP

Ru:

9 Ov "

PCy3

Ph

- H2O — CH2

О

и

■o'^o^Ar' о "

о

Pd/C, H2 8 бар

Рисунок 37 — ADMET полимеризация и гидрирование ненасыщенных С=С связей полученного полимера

2.3.3. Модификация боковой цепи

Превращения в боковой цепи полифосфорных эфиров можно разделить на две группы: химические превращения непосредственно у атома фосфора и реакции в заместителях при атомах фосфора.

2.3.3.1. Реакции у атома фосфора

Особенность полифосфорных эфиров, содержащих относительно лабильные OR заместители в боковой цепи - возможность селективного гидролиза с получением поли(этиленфосфор-ных кислот). Для проведения селективного гидролиза заместителей у фосфорного атома применяют сильные нуклеофильные агенты. Например, при деалкилировании поли(метилэтиленфос-фата) водным раствором триметиламина до 90% всех боковых групп превращаются в кислотные остатки (Рис. 38) [80,92]. Свободная поли(этиленфосфорная)кислота (PEPA) может быть получена пропусканием водного раствора полимерной соли через ионообменную смолу.

О

Ь-

,0.

Me3N/H20 20 °С

О

h

е

©

NMe¿

Dowex 50W HoO

О

м

W

он

,0.

Рисунок 38 — Деалкилирование поли(метилэтиленфосфата) и получение свободной PEPA

Для снижения риска расщепления основной цепи нуклеофилами был предложен мономер - 2-(проп-2-ен-1-илокси)-2-оксо-1,3,2-диоксафосфолан (аллилэтиленфосфат, AllOEP). Аллильный фрагмент можно рассматривать в роли защитной группы фосфорного эфира, которая

удаляется действием нуклеофилов. Обработка полимерного раствора NaI в смеси вода-ДМФА в течение 2 ч удаляла лишь 10% аллильных групп. В тех же условиях реакция с PhSNa количественно приводила к образованию натриевой соли полиэтиленфосфорной кислоты, побочным продуктом являлся (проп-2-ен-1-илсульфанил)бензол [93]. Поскольку PhSNa селективно удаляет аллильную группу и не затрагивает основную полимерную цепь, данная методика была применена в отношение блок-сополимера монометилового эфира полиэтиленгликоля (mPEG) с поли(аллилэтиленфосфат)ом (Рис. 39) [94].

МеО

^оКГо

1 1П <Х

PhSNa

Н

МеО

- PhS'

1 Jn oQ

о

II

Pv

©

NaS

ЧН

Рисунок 39 — Гидролиз блок-сополимера mPEG-é-p(AllOEP) тиофенолятом натрия

Полиэтиленфосфорамидат, полученный TBD катализируемой ПРЦ 2-((2-метокси-этил)амино)-2-оксо-1,3,2-диоксафосфолана, оказался лабильным при гидролизе, основная цепь полимера при гидролизе сохранялась [78]: полная конверсия в PEPA наблюдалась при pH 1 в течение 10 часов. Конверсия фосфорамидатной группы в фосфатную при pH 3 и 5 за 130 часов составила 23 и 7% соответственно (Рис. 40).

ВпО-

О

и

-Рv

HN.

О"

0.1М HCI

Н20, 10 ч

ВпО-

О

и

-Pv

О"

ОН

Рисунок 40 — Кислотный гидролиз поли(2-((2-метоксиэтил)амино)-1,3,2-диоксафосфолан-2-

оксида)

Ограниченное применение в синтезе PEPA имеет бензильная защитная группа ввиду высокой лабильности 2-бензил-2-оксо-1,3,2-диоксафосфолана (BnOEP). В первом сообщении по данной тематике было отмечено, что дебензилирование ПФЭ водородом на Pt катализаторе не позволяет достичь полной конверсии [92]. Однако Ивасаки и сотр. [95] сообщили, что дебензи-лирование сополимера поли(этилэтиленфосфата) и поли(бензилэтиленфосфата) в системе муравьиная кислота - Pd/C протекает количественно при комнатной температуре и не затрагивает этокси-фрагменты (Рис. 41). В данной работе также было успешно проведено алкилирование P-OH групп сополимера с образованием ацетоксиметил-производных, с демонстрацией селективного гидролиза ацетоксиметильных связей эстеразой свиной печени.

Pd/C

НСООН 4ч

О

и

•5У

он

II

о

о

Вг'

-сА

'Pr2NEt,CH3CN 2 дня

Рисунок 41 — Дебензилирование сополимера поли(этилэтиленфосфата) c поли(бензил этилен-фосфата) с последующим алкилированием ацетоксиметилбромидом

Другие исследователи предложили подход к PEPA, основанный на способности трет-бу-токси фосфорных эфиров претерпевать термическое элиминирование изобутилена [96]. В качестве мономеров ПРЦ были предложены 2-трет-бутокси-2-оксо-1,3,2-диоксафосфолан (íBuOEP), 4-метил-2-трет-бутокси-2-оксо- 1,3,2-диоксафосфолан и 4-метил-2-трет-бутокси-2-оксо-1,3,2-диоксафосфоринан (Рис. 42). Соответствующие гомополимеры превращали в полифосфоди-эфиры нагреванием до 120-130 °С. В случае поли(íBuOEP) изобутилен начинал элиминироваться уже при 78 °С. процесс завершался при 140 °С. Отмечено, что увеличение времени термолиза приводит к росту молекулярной массы полимера вследствие образования P-O-P связей, с образованием трехмерного сшитого полимера.

ГЛ

Vo 0 0

Et2Mg

бензол, 20 °С

ЕЮ

О

и

V

120 "С, 10 мин

Н

ЕЮ

О

м

■¡V

ОН

н

Рисунок 42 — Получение гомополимера поли(íBuOEP) с последующим термолизом в PEPA

Модификацию боковой цепи у атома фосфора легко осуществить исходя из поли-Н-фос-фонатов благодаря высокой реакционноспособности и широкого спектра химических превращений P-H связи. Прямым окислением под действием N2O4 были получены производные PEPA (Рис. 43) [29,97].

Vo

он

AI('Bu)3

OH2OI21 20 "С

'ВиО

О

м

О

н

N204/CH2CI2

-10 °с

'ВиО

о

II

% он

о

н

о

II

^о н

о

n204/ch2ci2

о

II

■Рч

-10 -С. 12 ч LÓH ..

Рисунок 43 — Получение поли(4-метил-2-оксо-2-гидро-1,3,2-диоксафосфолана) и его окисление

PEPA доступны и в конвергентном двухстадийном синтезе, включающим в себя хлорирование поли-Н-фосфонатов с последующим гидролизом. Создание связи P-Cl можно осуществить молекулярным хлором [30,98,99], трихлоризоциануровой кислотой [100] или в условиях реакции Атертона-Тодда (CCU/EaN) [101-103]. В то же время полифосфорные эфиры со связью P-Cl открывают путь и к другим классам ПФЭ: полифосфатам и полифосфорамидатам (Рис. 44).

С12/СН2С12

HN

1IN—л

О

N

НС1/Н20

R1OH

'ВиО

О

м

О

R2NH2/Et3N

Н 'ВиО

CCI4/CH2CI2

О

и

NHR2

О

R2NH2 =

^NH2

Г Н /Ч

J С

О

Рисунок 44 — Синтетическая роль поли(триметилен-Н-фосфоната) в получении полимеров

различных классов ПФЭ

Помимо окислительных реакций, поли-Н-фосфонатам свойственны реакции присоединения по кратным связям: С=С [104,105], С=0 (реакция Абрамова) и С=К (реакция Кабачника-Филдса).

Присоединение к алкенам (Рис. 45) протекает в присутствии радикального инициатора, например, бензоилпероксида. Показано, что при 80 °С в течение 24 часов от 68 до 74% всех групп

вступают в реакцию с 1,2-эпокси-7-октеном (по данным 1Н и 31Р ЯМР). При этом эпокси- и 1,3-диоксалан-2-оновый фрагменты в образующемся полимере сохраняются.

О

-Р-(ОСН2СН2)хО-

н

+ н2с=сн к

РИСОО

о

II

^Р-(ОСН2СН2)хО-СН2СН2К

о

-Р-(ОСН2СН2)хО-|-

н

х = 4, 9, 13

14 =

-(СН2)4

о

47 Т>0

О ^о

Рисунок 45 — Присоединение алкенов к поли(Н-фосфонатам)

Модификация поли-Н-фосфонатов по реакции Абрамова приводит к а-гидроксиалкокси-замещённым ПФЭ и протекает в присутствии кислот или оснований. Подходящими субстратами являются карбонильные соединения с электроноакцепторными заместителями. В реакции с хло-рацетоном в условиях межфазного катализа до 96% всех Р-Н групп вступили в реакцию; при этом, контролируя температуру, удалось синтезировать полифосфоэфиры как с а-гидроксильной, так и с эпоксидной функциональной группой в боковой цепи (Рис. 46) [106].

О

Р-(0СН2СН2)130

н

о

II

Р-(0СН2СН2)130

н

С1

о

II

к2со3 Т, °С т Р

Ме4М+СГ 40 10.4 % 86.2 % 3.4 %

60 4.0 % 4.8% 91.2 %

т

Ме

Р-(ОСН2СН2)130

о

-Р-(0СН2СН2)130-

-ОН ^Р

-С1 Ме

Рисунок 46 — Модификация поли(Н-фосфонатов) реакцией Абрамова с анализом продуктов

реакции в различных условиях

Присоединение поли-Н-фосфонатов к основаниям Шиффа (Рис. 47) идёт медленно, полная конверсия наблюдается через 15 часов, однако каталитические количества СёЬ значительно увеличивают скорость процесса и снижают необходимое время реакции до 3 часов [107].

О

—Р-(ОСН2СН2)хО"

н

х = 4, 13

К

Л

\\ //

сн.

бензол

О

м

80 °С — Р-(ОСН2СН2)хО— РТ^Н

Рисунок 47 — Присоединение оснований Шиффа к поли(Н-фосфонатам)

Реакция палладий-катализирумого кросс-сочетания диалкилфосфитов с арилгалогени-дами (сочетание Хирао) позволяет превратить поли-Н-фосфонаты в соответствующие поли(арил-фосфонаты) (Рис. 48) [28]. Авторы установили, что оптимальными растворителями для сочетания по Хирао являются ТГФ и #,#-диметилацетамид, в то время как в СН2О2 максимальная конверсия Р-Н связей составила 4%, а в 1,2-дихлорэтане реакции не наблюдалось.

Анализ, выполненный с помощью метода дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), выявил уменьшение степени кристалличности для всех модифицированных полимеров, особенно выраженным этот эффект был для ПФЭ с С12 линкером: пик плавления Тт снизился с 38 °С для поли(додекан-Н-фосфоната) до -40 °С для поли(додекан фенилфосфоната).

Для ПФЭ с нонадекановым линкером (С 19) продемонстрирована возможность кросс-сочетания Хирао с рядом пара-замещенных фенилбромидов. Заместители в ароматическом кольце слабо влияли на термические свойства модифицированных полимеров, их Тт имели сравнимые значения (от 35 до 42 °С). Однако для полимера с PhCOOH группами отмечена низкая кристалличность - 4%, тогда как для остальных поли(додеканарилфосфонатов) кристалличность составила около 16%.

Превращение поли-Н-фосфонатов в арильные производные также сказалось на гидролитической устойчивости, которая увеличилась с 2 дней до 3 месяцев.

О

х= 10, 17,21,46

О

•о-р-оОМГ^

Вг

^ //

Рс!(ОАс)2 / с1ррТ КОАс / Е13М

Аг-Вг

О

Рс1(ОАс)2 / ЬррГ КОАс / Е13М

О

Аг

Рисунок 48 — Палладий-катализируемое кросс-сочетание поли-Н-фосфонатов с

арилгалогенидами

2.3.3.2. Модификация заместителей при атоме фосфора

Данный тип модификации включает в себя различные типы реакций. Ввиду этого строгая классификация громоздка для восприятия, поэтому в данном разделе мы ограничимся лишь наиболее значимыми примерами.

Один из путей модификации заместителей в боковой цепи состоит в ведении защитных групп. Защитные группы вводятся на стадии синтеза мономера и удаляются после полимеризации, приводя к высвобождению функциональных групп в структуре целевого полимера. Несмотря на кажущуюся универсальность, метод находит ограниченное применение. Основная

причина ограничения - требование к чистоте мономера, которое категорически необходимо в случае «живой» ПРЦ циклических фосфорных эфиров. Чрезмерное усложнение структуры мономера, такое, как введение защитных групп, значительно затрудняет очистку подобных соединений.

Работа [108] посвящена синтезу фосфорсодержащих полиэфиров, содержащих гидрок-сильные фрагменты в заместителях у атома фосфора. В качестве предшественников таких полимеров использованы два мономера c защитными группами: 2-(2-(бензилокси)этокси)-2-оксо-1,3,2-диоксафосфолан и 2-(2,2-диметил- 1,3-диоксалан-4-ил-метокси)-2-оксо- 1,3,2-диоксафосфо-лан. В ходе исследования серии сополимеров показано, что высвобождение гидроксильных групп путём удаления бензильных и ацетальных защитных групп протекает селективно при использовании мягкого каталитического гидрирования и кислотного гидролиза, соответственно, оставляя основную цепь нетронутой (Рис. 49). Возможность регулировать количество гидрок-сильных групп в полифосфорных эфирах посредством сополимеризации с другими циклическими фосфоэфирами, такими, как этилэтиленфосфат, а также своеобразная «ортогональность» условий снятия защитных групп позволяют регулировать химические и физические свойства по-лифосфоэфиров, открывая доступ к разнообразным модификациям боковой цепи.

Рисунок 49 — Снятие ортогональных защитных групп с гидроксильных функций ПФЭ

Кетальная защитная группа, удаляемая кислотным гидролизом, была успешно использована для получения полифосфорного эфира, боковая цепь которого содержит фрагменты пирокатехина. Пирокатехины известны как хелат-образующие агенты благодаря бидентатному связыванию ОН групп с оксидами и ионами металлов. В щелочных средах автоокисление пирокате-хинов приводит к хинонам, которые претерпевают кросс-сшивки в присутствии разнообразных

нуклеофилов или других фенолов. Выраженные свойства адгезии и когезии пиракатехинов в сочетании с биоразлагаемостью полифосфатной цепи являются привлекательной стратегией для создания гидрогелей и медицинской визуализации на основе наночастиц металлов [109]. Синтез подобных полимеров доступен и в ADMET полимеризации (Рис. 50).

полимеризациия; в) удаление кетальной защитной группы с ПФЭ

Описано получение амфифильного триблок-сополимера с поли-2-(аминоэтил)этиленфос-фатной последовательностью для доставки малых интерферирующих РНК. Сополимер синтезировали полимеризацией 2-(К-дареда-бутоксикарбониламино)этокси-2-оксо-1,3,2-диоксафосфо-лана, используя в качестве макроинициатора блок-сополимер монометилового эфира полиэти-ленгликоля (шРЕО) и поли(е-капролактона) (Рис. 51). Для удаления бутоксикабонильных защитных групп и высвобождения аминогрупп, триблок-сополимер подвергли кислотному гидролизу [110,111].

О °С, 2 ч

J100

\® Q

NH3 CI

Рисунок 51 — Схема получения триблок сополимера c поли(2-аминоэтилэтилен фосфатным)

блоком

Ван и сотр. синтезировали блок-сополимер ПРЦ пропаргил-содержащего фосфатного мономера ((2-(проп-2-ин-1-илокси)-2-оксо-1,3,2-диоксафосфолана), используя поли-8-капролактон в качестве макроинициатора (Рис. 52) [112]. Модифицируя ацетиленовые фрагменты боковой цепи полифосфоэфирного блока азид-функционализированным полиэтиленгликолем медь-ката-лизируемой реакцией азид-алкинового циклоприсоединения, авторы получили привитой полимер. ГПХ анализ полимера (PCL-&-PPAEP)-g-PEG выявил увеличение молекулярной массы после прививания PEG и показал узкое мономодальное ММР (1.25), подтверждая тем самым, что медь-катализируемое азид-алкиновое циклоприсоединение совместимо с полифосфоэфирной цепью и не вызывает её разложения.

PEG-N3

(PCL-b-PPAEP)-g-PEG N=N Рисунок 52 — Синтез и модификация поли(8-капролактон)-й-поли(пропаргилэтиленфосфата)

Коллектив Вули сообщил о неудачной попытке воспроизвести синтез пропаргилэтилен-фосфата: по данным спектроскопии 31Р ЯМР, реакционная смесь содержала ряд продуктов, из которой целевой мономер был выделен только перегонкой в вакууме с крайне низким (менее 20%) выходом [113]. В качестве альтернативы исследователи синтезировали более стабильный мономер 2-(бут-3-ин-1-илокси)-2-оксо-1,3,2-диоксафосфолан и получили его гомополимер -поли(бутинилэтиленфосфат) (РБУР) (Рис. 53а). Для демонстрации возможности химической модификации авторы статьи провели медь-катализируемое сочетание РБУР с бензилазидом (Рис. 53б). По данным спектроскопии 1Н ЯМР, в течение одного часа наблюдалось полное исчезновение сигналов протонов терминальных ацетиленовых групп (5 2.06 м.д.) и возникали сигналы протонов триазольного кольца (5 7.80 м.д.). Для кривой ГПХ было отмечено смещение в сторону больших молекулярных масс и сохранение узкого ММР (Вы = 1.15). Эти результаты подтверждают совместимость азид-алкинового циклоприсоединения с фосфатной полиэфирной цепью.

а)

гл

V0

0ДС1

б)

ВпО

в)

ВпО

Е131М, ТГФ

0 °С. 12 ч

Вп!Ч,

СиВг,

ГО

о ОМе УФ, метанол л_1_ОМе

30 мин / \„_ РИ РИ

ВпО

РВУР

О—

Рисунок 53 — (а) Синтез мономера 2-(бут-3-ин-1-илокси)-2-оксо-1,3,2-диоксафосфолана и получение гомополимера поли(2-(бут-3-ин-1-илокси)-2-оксо-1,3,2-диоксафосфолана) (РБУР); постмодификация РБУР: (б) бензилазидом медь-катализируемой реакцией азид-алкинового циклоприсоединения и (в) 2-(2-метоксиэтокси)этантиолом тиол-иновой реакцией

Свободнорадикальная тиол-иновая реакция толерантна к большинству функциональных групп и позволяет достичь высокой степени функционализации алкинового фрагмента благодаря двойному 1,2-региоселиктивному присоединению тиола. Пост-модификация РБУР проводилась при УФ-облучении с использованием 2,2-диметокси-2-фенилацетофенона (ОМРА) в качестве

фотоинициатора (Рис. 53в). Чтобы предотвратить сшивку полимерной цепи в радикальных условиях, авторы использовали 20-кратный избыток тиола. Успешность тиол-иновой реакции подтверждалась исчезновением сигналов терминальных ацетиленовых протонов в спектрах 1Н ЯМР, диастериотопное расщепление метиленовой группы подтвердило высокую региоселективность реакции.

Эффективность тиол-иновой реакции в создании водорастворимых неионных, анионных, катионных и цвиттерионных диблок-сополимеров (Рис. 54) продемонстрирована в работах [114,115]. Все синтезированные сополимеры продемонстрировали способность к самоорганизации в водной среде, образуя сферические мицеллы с гидродинамическим радиусом от 15 до 23 нм, детектируемые методами динамического светорассеяния и просвечивающей электронной микроскопии.

цвиттерионный диблок сополимер

Рисунок 54 — Схематическое изображение функционализации поли(2-этилбутилэтиленфос-фата)5о-&-поли(бутинилэтиленфосфата) тиолами с разнозаряженными функциональными

группами

Синтетическая доступность бутинилэтиленфосфата позволила использовать тиол-иновую и азид-алкиновую модификаци в ряде приложений, например, в получении ковалентно связанных полимерных наночастиц с флуоресцентным контрастным агентом [116], в создании конъ-югатов паклитаксела [117,118] и полимерных наночастиц с хелатированными ионами серебра, которые обладают противомикробной активностью in vitro [119,120]. Также сообщалось о синтезе двойных гидрофильных блок-сополимеров ПФЭ, которые использовались в темплатном синтезе микрочастиц карбоната кальция [94,121].

Ван с коллегами сообщили о синтезе мономера (2-(проп-2-ен-1-илокси)-2-оксо-1,3,2-ди-оксафосфолана (аллилэтиленфосфата), который был введен в ПРЦ с использованием mPEG в качестве макроинициатора. Тиол-еновая реакция аллильных групп с цистеамином позволила получить сополимер c первичными аминогруппами в боковой цепи фосфоэфирного блока. Последующие модификации по аминогруппе привели к созданию конъюгатов доксорубицина, способных к самоорганизации в водных растворах и обладающих pH чувствительностью (Рис. 55) [122].

МеО

44

О

II

O'jV о