南开大学郭术涛研究员课题组：​发展有机催化剂实现醇的转异丙烯基醚化用于构筑模块化缩丙酮前药和生物材料

    01研究背景当提起丙酮时大家都不陌生，当然了很多人也会觉得它是一种毒性很大的化合物。

    事实上，丙酮是人体中天然存在的，它是一种人体代谢物。

    正是由于丙酮低毒以及它的结构可以发生多种类型化学反应等特点，引起了我们课题组的兴趣。

    在基于丙酮所构筑的多种动态化学键中，缩酮键由于具有较高的酸敏感性、可利用人体组织中存在的pH梯度差来激活等优势，使我们想要利用这类化学键开发新型刺激响应型药物递送系统和生物材料。

    A. 缩酮前药发展的现状缩酮是有机化学中羟基的常用保护基，稳定的环状缩酮结构也常见于一些药物分子。

    虽然与缩酮结构类似的缩醛被广泛用于酸敏感前药的研究，然而利用具有更高酸敏感性（差别近百倍）的缩酮构筑前药的研究鲜有报道。

    据作者所知，2004年UC Berkeley的Fréchet教授首次利用缩酮构筑了含羟基药物的前药（Bioconjugate Chem. 2004, 15, 6, 1254–1263），之后意大利University of Padova的Lucia Biasutto等人利用甲基异丙烯基醚首次制备了基于缩丙酮的前药（Mol. Pharm. 2013, 10, 7, 2781–2792），基于缩酮结构设计前药才逐渐进入大家的视线。

    目前，缩酮用于药物递送和生物材料领域的潜力尚未充分研究，尤其是前药的构效关系和构筑方法等，还有待进一步探索。

    针对这些问题，这几年我们课题组相应进行了模块化缩丙酮前药的构效方面的初步研究，以及缩丙酮前药在抗肿瘤、抗炎等方面的初步探索（Nano Lett. 2020, 20, 4, 2558–2568；Nano Lett. 2020, 20, 7, 5465–5472）。

    B. 缩酮前药发展过程中面临的关键问题在研究中我们发现，限制缩酮前药发展和应用的一个重要原因是其缺乏有效的构筑方法。

    在化学反应中，缩酮可以通过羟基与异丙烯基醚发生加成反应得到，然而传统构建异丙烯基醚的方法条件苛刻，仅适用于结构简单、官能团耐受性强的底物，适用范围窄，基本不适用于结构复杂、官能团多、耐受性差的药物分子（图1a）。

    因此，发展新型温和高效构筑异丙烯基醚的方法就尤为重要。

    02研究出发点本文研究的出发点：醇的异丙烯基醚构筑新方法的设计我们注意到，共振稳定的羰基鎓离子在酸性条件下与缩酮是一个动态平衡过程，且在弱碱存在下，羰基鎓离子可以重排进而产生异丙烯基醚（图1b）。

    因此，我们设想，是否可以设计一种Brønsted酸碱对作为有机催化剂，不仅可以催化醇与甲基异丙烯基醚反应生成缩酮，还可以催化与缩酮动态平衡的羰基鎓离子重排，从而获得相应醇的异丙烯基醚。

    如果该设想可行，那么该方法将会是一种简便且温和的催化转异丙烯化方法，可用于多种类型异丙烯基醚的合成。

    03结果与讨论A. 方法的建立▲图1 有机催化羟基转异丙烯基醚方法的设计我们首先以2-辛醇为底物，在四氢呋喃中进行醇与甲基异丙烯基醚（2a）的反应（图1c）。

    根据假设，Brønsted酸可以催化醇和2a得到缩酮，所以我们首先评估了不同pKa的Brønsted酸。

    我们发现，使用对甲苯磺酸（pTSA）的反应产生了2-辛醇的异丙烯基醚衍生物（3a）。

    然而，同时它也产生了大量的副产物，为2a的二聚体和低聚物。

    由于碱在促进羰基鎓离子发生重排生成异丙烯基醚中起着至关重要的作用，因此我们选择pTSA作为酸碱对的Brønsted酸，制备了几种有机对甲苯磺酸盐催化剂来评价碱的作用。

    通过筛选我们发现，碱的存在对副反应有明显的抑制作用，且对甲苯磺酸与2,6-二甲基吡啶形成的鎓盐（LPTS）催化效果最好。

    方法建立后，我们还对底物适用范围以及机理进行了探索，这部分文章中都有详细描述，这里不再赘述。

    值得一提的是，我们发展的这种有机催化转异丙烯化方法可适用于多种不同类型的复杂结构药物分子（如紫杉烷、类固醇、核苷和前列素等）以及生物医用高分子（如聚乙二醇和聚乙二醇-聚己内酯）等底物。

    B. 高效模块化缩酮前药的制备和抗肿瘤方面的应用▲图2 高效模块化缩酮前药的制备和抗肿瘤方面的应用我们以抗癌药物紫杉醇为模型合成了紫杉醇衍生的异丙烯基醚，系统地展示了其在构筑模块化紫杉醇缩丙酮前药的应用，并考察了前药的物化性质和抗肿瘤活性（图2）。

    例如，我们合成了两种紫杉醇-缩丙酮-氟尿苷孪药（PK3F和PK5F），用于实现通过聚合物胶束对物化性质差异大的疏水紫杉醇和亲水氟尿苷精确共负载，既克服了亲水性氟尿苷难以利用胶束包载的难题，又实现了两个抗癌药的精确共递送和共释放。

    体内评价表明，负载孪药的胶束在HCT116皮下异种移植肿瘤模型中达到增强抗肿瘤效果的目的。

    C. 新型生物医用高分子：功能性缩酮化多羟基高分子▲图3 功能性缩酮化多羟基高分子的制备除了前药领域，异丙烯基醚在新型生物材料的开发中也有巨大的潜在应用价值。

    例如，Fréchet等人利用结构最为简单的甲基异丙烯基醚对水溶性天然高分子葡聚糖进行了改性，获得了一类具有pH敏感性和疏水性的新型生物医用高分子，并被广泛用于生物材料和药物递送方面的研究（Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 5497–5502；Chem. Rev. 2017, 117, 1915–1926）。

    本文发展的异丙烯基醚合成方法，将有助于结构多样性异丙烯基醚的获得，从而拓宽pH敏感性生物医用高分子的种类，并提升其性能。

    在本文中，我们利用三种不同类型异丙烯基醚对葡聚糖进行缩酮化修饰，展示了异丙烯基醚在制备功能性缩酮化多羟基高分子方面的应用（图3）。

    04总结与展望针对异丙烯基醚合成难的问题，本文利用Brønsted酸碱对作为有机催化剂，发展了一种有机催化羟基转异丙烯合成异丙烯基醚的方法。

    该方法具有催化剂易得、反应条件温和、处理简单、官能团耐受性好、底物适用范围广的特点，有利于新型异丙烯基醚的实验室制备。

    其中，底物包括多种不同类型的、具有复杂结构的药物分子、功能性Linker以及部分含羟基的生物医用高分子，而这些分子的异丙烯基醚衍生物无法通过传统方法有效获得。

    本文还展示了紫杉醇衍生的异丙烯基醚在构筑模块化缩丙酮前药方面的应用以及功能性异丙烯基醚对多羟基高分子修饰制备新型生物材料的应用。

    除用于构筑缩酮外，异丙烯基醚还可通过其他反应类型用于构筑药物分子中间体。

    因此，本文所报道的异丙烯基醚的直接合成策略和后期模块化缩酮构筑策略，将促进酸敏感前药和生物材料在药物递送系统中的开发和实际应用。

    在后面的工作中，我们将继续开发基于缩丙酮的智能生物材料和药物递送系统，并探索他们在生物医学领域的应用。

    05心得与体会这个课题是从一个简单的反应中发现的，我记得当时郭老师让我和徐杨同学做紫杉醇的7'位上缩丙酮的反应，我们怎么都得不到想要的产物。

    当时心急的通宵做实验换条件找原因，打核磁都显示得到另外一个未知物质。

    后来结合LC-MS，发现意外得到了紫杉醇7'位上异丙烯基醚的结构，我们都很兴奋，决心仔细探索下去。

    事实证明，正是这样一个简单的反应成就了后来这个工作，虽然其中遇到了很多困难，也经历了很多不顺，好在我们都坚持下来了。

    实验学科就是这样，结果不可能永远按照自己预想的方向进行，不忽视每一个细节，才有可能发现一片新天地。

    “不能因为惧怕失败而失去挑战困难的信心，努力永远不会被辜负。

    ”与君共勉。

    06致谢这个课题从最初开始探索到最终发表，前前后后差不多四年时间，这过程很不易，多亏了导师郭术涛研究员的指导和鼓励。

    同时也非常感谢本论文的共同第一作者徐杨同学，我们同期进组，共同探索“缩酮化学”，徐杨对本论文的付出是有目共睹的。

    在此也要大力感谢论文所有的共同作者，没有他们也没有今天的成果。

    与此同时，还要感谢元素有机化学国家重点实验室的周其林院士、朱守非教授以及叶萌春教授对本工作的指导和帮助。

    感谢组里所有师弟师妹对我生活和学习中的帮助和照顾，在组里努力奋斗的这几年将会成为我一生的宝贵财富。

    此外，作者还感谢在投稿过程中对我们工作提出宝贵意见的审稿人和编辑。