Tartib bilan boshqariladigan polimer - Sequence-controlled polymer

Shakl 1. Ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarning sintetik asoslanishi. Bu erda ko'rsatilgan A va B ikkita o'z-o'zidan reaksiyaga kirishadigan monomerlar bo'lib, ulardan biri oldindan himoyalangan va keyingi qo'shimchani ishga tushirish uchun keyinchalik himoya qilinmaydi. Selektiv AB reaktsiyasi asosida monomerlarni tartibli ravishda polimer zanjiriga qo'shish mumkin.

A ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimer a makromolekula, unda ketma-ketligi monomerlar ma'lum darajada boshqariladi.[1][2] Ushbu boshqaruv mutlaq bo'lishi mumkin, lekin shart emas. Boshqacha qilib aytganda, ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimer bir xil bo'lishi mumkin (uning tarqoqlik 1 1 ga teng) yoki bir xil bo'lmagan (Ð> 1). Masalan, o'zgaruvchan kopolimer tomonidan sintez qilingan radikal polimerizatsiya ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimer, hattoki bir hil bo'lmagan polimer bo'lsa ham, unda zanjirlar turli zanjir uzunliklariga va bir oz farqli tarkibga ega.[2] A biopolimer (masalan, a oqsil ) mukammal aniqlangan asosiy tuzilish shuningdek ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerdir. Biroq, bir xil makromolekulalarda, atama ketma-ketlik bilan belgilangan polimer ham ishlatilishi mumkin.

An'anaviy bilan taqqoslaganda polimerlar, ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarning tarkibi kimyoviy sintetik usullar bilan aniq belgilanishi mumkin, masalan, ko'pkomponentli reaktsiyalar, reaktsiyalarni bosing Bunday sozlanishi polimerizatsiya usuli ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarni o'ziga xos xususiyatlarga ega va shu bilan ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarga asoslangan dasturlarni beradi (masalan, axborotni saqlash,[3] biomateriallar,[3] nanomateriallar[4] va boshqalar) ishlab chiqilgan.

Tabiatda, DNK, RNK, oqsillar va boshqa makromolekulalar yaxshi tartiblangan struktura skeletlari uchun ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlar sifatida ham tan olinishi mumkin. A-T, C-G asos juftlariga asoslangan DNK yaxshi tekislangan ketma-ketlikda hosil bo'ladi. DNKning aniq ketma-ketliklari orqali, 20 aminokislotalar tufayli uch o'lchovli tuzilishga ega bo'lgan ketma-ket peptid zanjirlarini yaratishga qodir transkripsiya va tarjima jarayon. Turli xil tarkibiy qismlarning ushbu tartiblangan ketma-ketliklari organizmlarga murakkab va xilma-xil funktsiyalarni beradi.

Sintetik usullar

An'anaviy polimerlar odatda tasodifiy ketma-ketlikda joylashtirilgan bitta takroriy birlikdan yoki bir nechta takrorlanadigan birliklardan iborat. Tartib bilan boshqariladigan polimerlar tartibli ravishda joylashtirilgan har xil takrorlanadigan birliklardan iborat. Ketma-ketlikni boshqarish uchun turli xil sintetik metodikalar ishlab chiqilgan.

Tartib bilan boshqariladigan biologik polimerizatsiya

Shakl 2. Ribosomadagi transkripsiya-tarjima jarayonining sxematik diagrammasi. MRNKdagi kodon va uning tRNK bilan o'ziga xos tan olinishi peptidning tartiblangan ketma-ketligini ta'minlaydi. Peptidli bog'lanishlar amino guruh va esterlar guruhi o'rtasida qo'shni ikkita tRNKda amidatsiya bilan, oldingi tRNKni olib tashlash va izchil tRNK qo'shish bilan hosil bo'ladi. Ushbu reduplikativ tsikl ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimer (peptidlar) beradi.[5]

DNK, RNK va oqsillar tirik mavjudotlarda ketma-ketlik bilan boshqariladigan eng keng tarqalgan polimerlardir. Ulardan ilhomlanib, polimer ketma-ketligini boshqarish uchun shablon sifatida DNK yoki RNKdan foydalangan holda polimerizatsiya usullari ishlab chiqilgan. Dastlab, DNK yoki RNKni shablon sifatida olib, olimlar bir qator ishlab chiqdilar peptid nuklein kislotasi (PNA) asosidagi polimerlar, DNK ishlatmasdan polimerazlar.[6][7] Ammo bu usul polimerizatsiya ko'lami va rentabellik bilan cheklangan.[1] Undan keyin, polimeraza zanjiri reaktsiyasi (PCR) ishlab chiqilgan bo'lib, u hozirda ham eng ko'p qo'llaniladigan ketma-ketlikni tartibga soluvchi usul hisoblanadi.[8] Fermentlardan foydalangan holda hosil va tarozi juda ko'payadi, ammo o'ziga xosligi fermentlar tabiiy peptidlarga nisbatan ushbu texnikani ma'lum darajada cheklaydi. Hozirgi kunda transkripsiya va tarjima jarayonini bevosita taqlid qilish uchun ribosomalardan foydalanishga ko'proq e'tibor qaratilmoqda.[9] Ushbu texnologiya deb nomlangan oqsil muhandisligi ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarni sintez qilish uchun eng istiqbolli biologik polimerizatsiya usuli sifatida qaraladi.

Tartib bilan boshqariladigan kimyoviy polimerizatsiya

Biologik polimerizatsiya usullaridan tashqari olimlar ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlar uchun ko'plab kimyoviy sintetik usullarni ishlab chiqdilar. Biologik polimerizatsiya bilan taqqoslaganda kimyoviy polimerizatsiya yaxshi xilma-xillikni ta'minlashi mumkin, ammo kimyoviy usullarning aksariyati biologik usullarning samaradorligi va o'ziga xosligini ta'minlay olmaydi.[1]

Qattiq fazali sintez

Tabiiy va tabiiy bo'lmagan aminokislotalardan iborat peptidlarni sintez qilish uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan qattiq fazali sintez kimyoviy polimerizatsiya usullaridan biridir. Ushbu usulda monomerlar polimer zanjiriga karbonil guruhi va amino guruh orasidagi amidatsiya orqali biriktiriladi. Ketma-ketlikni nazorat qilish uchun amino guruhlar odatda 9-florenilmetiloksikarbonil guruhi bilan himoyalangan (Fmoc ) va t-butiloksikarbonil (Boc),[10] Keyingi bosqichda zanjirning cho'zilishida ishtirok etish uchun mos ravishda asos va kislota muhiti ostida olib tashlanishi mumkin.

Tartib bilan boshqariladigan radikal polimerizatsiya

Radikal polimerizatsiya eng ko'p ishlatiladigan polimerizatsiya usullaridan biridir. Savdoda mavjud bo'lgan polimerlarning taxminan 50% radikal polimerizatsiya orqali sintezlanadi.[11] Biroq, ushbu usulning kamchiliklari ko'rinib turibdiki, ketma-ketliklar va polimer xususiyatlarini yaxshi modulyatsiya qilish mumkin emas. Ushbu cheklovlarni bartaraf etish uchun olimlar qo'llanilgan protokollarni optimallashtirishdi. Birinchi xabar qilingan misol, yuqori reaktiv N-o'rnini bosuvchi vaqt bilan boshqariladigan ketma-ket qo'shilishi maleimidlar ichida atom uzatish radikal polimerizatsiyasi ning stirol, bu funktsional monomerlarning dasturlashtirilgan ketma-ketliklariga olib keldi.[12] Ichiga bitta molekula qo'shilishining rivojlanishi atom o'tkazuvchan radikal polimerizatsiya Radikal polimerlanishning ketma-ket nazoratini kuchaytiradigan (ATRP) haqida ham xabar berilgan.[13] Boshqa echimlar orasida keyingi oligomer ketma-ketligini ajratish uchun oraliq tozalash bosqichlaridan foydalanish kiradi qaytariladigan qo'shilish − parchalanish zanjiri o'tkazuvchi polimerizatsiya (RAFT-polimerizatsiya). Ikkala fleshli ustunli kromatografiya[14] va qayta ishlash hajmini istisno qilish xromatografiyasi[15] bu borada muvaffaqiyatli ekanligi isbotlangan. RAFT monomer qo'shilishi (SUMI) yaqinda monomerlar ketma-ketligini aniq boshqarish uchun rivojlanayotgan texnologiya sifatida ishlab chiqilgan.[16]

Ketma-ketlik bilan boshqariladigan radikal bo'lmagan polimerizatsiya

Shakl 3. Ketma-ket boshqariladigan polimerlarni sintez qilishda chertish kimyosiga misol. (R har xil funktsional qismlarga ishora qiladi) [17]

Ketma-ket boshqariladigan polimerlar uchun radikal polimerlanishning ichki etishmovchiligi uchun boshqa radikal bo'lmagan polimerizatsiya ham ishlab chiqilgan. Ushbu radikal bo'lmagan usullar tarkibida azid-alkin siklotrium (klik reaktsiyasi deb ham ataladi),[18] olefin metatezi[19] boshqalar qatorida ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarni qurish uchun foydalaniladi. Ushbu o'ziga xos kimyoviy reaktsiyalarga qarab, monomerlar polimer zanjiriga aniq qo'shiladi va tartibli zanjir bosqichma-bosqich bajariladi. Ayni paytda, ko'plab kimyoviy reaktsiyalarni qo'llash orqali kimyogarlar ham ko'p komponentli reaktsiyalarni ishlab chiqdilar[20] polimer skeletlari qurilishini tezlashtirish va xilma-xilligini oshirish. Yuqorida aytib o'tilganlardan tashqari, ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerizatsiyani muvaffaqiyatli amalga oshiradigan molekula mashinasini ishlab chiqadigan tadqiqot guruhi mavjud edi. oligopeptidlar.[21]

Ketma-ketlikni nazorat qilishni takomillashtirish bo'yicha metodologiya

Ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarning eng muhim xususiyati uning boshqariladigan polimer magistrali ketma-ketligidir. Shunga qaramay, ketma-ketlikni aniq boshqarishni amalga oshirish va kattaroq polimer omurgalaridagi ketma-ketlikni tartibga solish, shuningdek, ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlar sohasida hal qilinishi kerak bo'lgan eng dolzarb masala. Hozirgi vaqtda mavjud bo'lgan sintetik usullarning ketma-ketligini boshqarish xususiyatlarini takomillashtirish va shuningdek, sintetik samaradorlik va ketma-ketlikni boshqarishni yaxshilaydigan yangi usullarni ishlab chiqish va optimallashtirish bo'yicha katta sa'y-harakatlar qilingan.

Shablonlardan foydalanish

Boshqa kimyoviy sintetik usullarga qarshi ketma-ketlik bilan boshqariladigan biosintezning eng muhim xususiyatlaridan biri shundaki, biomolekulalar (shu jumladan DNK va RNK) yuqori darajada dasturlashtirilgan shablonlar yordamida ularning polimerlanishini boshlashi mumkin. Demak, biosintez usullari PCR, hali ham ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarni yaratish uchun eng qat'iy usullardan biri hisoblanadi.

Monomerning reaktivligini tartibga solish

Monomer va o'sayotgan polimer zanjir o'rtasidagi reaktivlikni modulyatsiya qilish ketma-ketlikni boshqarishni kuchaytirishning yana bir yondashuvidir.[22] Ushbu usulning asosi shundaki, avval monomerni faollashtirish kerak katalizator boshida u ikkinchi darajali katalizator sifatida polimerizatsiyaga kirishishi mumkin bo'lgan harakatsiz tur sifatida. Haqiqiy misol - foydalanish Salom birinchi katalizator sifatida va ZnI2 ning ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlanishiga erishish uchun ikkinchi katalizator sifatida vinil efirlari va stirol hosilalar.[23]

Tanib olishga yo'naltirilgan qo'shimchalar

Shakl 4. Amin pendantni tanib olish joyi sifatida monomerni to'g'ridan-to'g'ri saytga qo'shilishiga yo'naltirishga misol[24]

Ushbu yondashuvda polimer zanjiridagi monomerni kovalent ravishda o'rnatmaslik uchun polimerni tanib olish joyi taklif etiladi, keyinchalik u polimer magistralga kimyoviy qo'shilish orqali o'tishi mumkin. Muvaffaqiyatli bir misol buni tasdiqlaydi metakril kislotasi (monomer) taniqli katyonik maydonga ega bo'lgan magistralga tubdan qo'shilishi mumkin (protonatlash d birlamchi omin marjonlarni).[24] Ushbu saytga xos reaktsiya asosida ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerizatsiya differentsial taniqli marjonlarni bilan bezatilgan shablon yordamida amalga oshiriladi.

Xususiyatlari va ilovalari

Ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarning eng ajralib turadigan xususiyati bu turli xil takroriy birliklardan tashkil topgan tartibli zanjirlardir. Takrorlanadigan birliklarni kodlash orqali tegishli ravishda sintezlangan ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimer ma'lumotni saqlash uchun ishlatilishi mumkin. Monomerni ba'zi bioaktiv qismlar bilan o'zgartirish uchun olingan ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimer kasalliklarni davolashga qodir. Ketma-ketlikni boshqarish xususiyati ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarni har xil marjonlarni o'rnatish uchun ideal maydonga aylantiradi (masalan) giyohvand moddalar, katalizator ), bu orqali turli xil funktsiyalar va dasturlarni amalga oshirish mumkin.

Adabiyotlar

  1. ^ a b v Lyuts, Jan-Fransua; Ouchi, Makoto; Liu, Devid R.; Savamoto, Mitsuo (2013-08-09). "Tartib bilan boshqariladigan polimerlar". Ilm-fan. 341 (6146): 1238149. doi:10.1126 / science.1238149. ISSN  0036-8075. PMID  23929982.
  2. ^ a b Lyuts, Jan-Fransua (2017-12-01). "Tartib bilan boshqariladigan polimerlar maydonini aniqlash". Makromolekulyar tezkor aloqa. 38 (24): n / a. doi:10.1002 / marc.201700582. ISSN  1521-3927. PMID  29160615.
  3. ^ a b Shnitsler, Tobias; Herrmann, Andreas (2012-09-18). "DNK bloki kopolimerlari: Nanologiya va biotibbiyot uchun funktsional materiallar" (PDF). Kimyoviy tadqiqotlar hisoblari. 45 (9): 1419–1430. doi:10.1021 / ar200211a. ISSN  0001-4842. PMID  22726237.
  4. ^ Alday, Faysal A.; Palmer, Elison L.; Sleiman, Hanadi F. (2008-09-26). "DNK bilan materiallarni qo'llanma sifatida yig'ish". Ilm-fan. 321 (5897): 1795–1799. Bibcode:2008 yil ... 321.1795A. doi:10.1126 / science.1154533. ISSN  0036-8075. PMID  18818351.
  5. ^ Hibi, Yusuke; Ouchi, Makoto; Savamoto, Mitsuo (2016-03-21). "Vinil polimerlarda ketma-ketlikni boshqariladigan radikal siklizatsiya orqali ketma-ketlikni boshqarish strategiyasi". Tabiat aloqalari. 7: 11064. Bibcode:2016 yil NatCo ... 711064H. doi:10.1038 / ncomms11064. ISSN  2041-1723. PMC  4802161. PMID  26996881.
  6. ^ Bohler, Kristof; Nilsen, Piter E.; Orgel, Lesli E. (1995-08-17). "PNK va RNK oligonukleotidlari o'rtasida shablonni almashtirish". Tabiat. 376 (6541): 578–581. Bibcode:1995 yil, 376..578B. doi:10.1038 / 376578a0. PMID  7543656.
  7. ^ Klayner, Ralf E.; Brudno, Yevgeniy; Birnbaum, Maykl E.; Liu, Devid R. (2008-04-01). "Yon zanjir bilan ishlaydigan peptid nuklein kislotasi aldegidlarining DNK-Templated polimerizatsiyasi". Amerika Kimyo Jamiyati jurnali. 130 (14): 4646–4659. doi:10.1021 / ja0753997. ISSN  0002-7863. PMC  2748799. PMID  18341334.
  8. ^ Saiki, R. K .; Gelfand, D. X .; Stoffel, S .; Sharf, S. J .; Higuchi, R .; Xorn, G. T .; Mullis, K. B.; Erlich, H. A. (1988-01-29). "Termostabil DNK polimeraza bilan DNKning primer yo'naltirilgan fermentativ amplifikatsiyasi". Ilm-fan. 239 (4839): 487–491. Bibcode:1988Sci ... 239..487S. doi:10.1126 / science.239.4839.487. ISSN  0036-8075. PMID  2448875.
  9. ^ McGrath, Kevin P.; Fournier, Maurille J.; Meyson, Tomas L.; Tirrel, Devid A. (1992-01-01). "Yangi polimer materiallarning genetik yo'naltirilgan sintezi. Oqsillarni takrorlovchi sun'iy genlarning ekspressioni - (AlaGly) 3ProGluGly- elementlari". Amerika Kimyo Jamiyati jurnali. 114 (2): 727–733. doi:10.1021 / ja00028a048. ISSN  0002-7863.
  10. ^ Palomo, Xose M. (2014-07-25). "Qattiq fazali peptid sintezi: biologik ahamiyatga ega peptidlarni tayyorlashga qaratilgan umumiy nuqtai" (PDF). RSC avanslari. 4 (62): 32658–32672. doi:10.1039 / c4ra02458c. hdl:10261/187255. ISSN  2046-2069.
  11. ^ Matyaszewski, Kshishtof; Spansvik, Jeyms (2005-03-01). "Boshqariladigan / tirik radikal polimerizatsiya". Bugungi materiallar. 8 (3): 26–33. doi:10.1016 / S1369-7021 (05) 00745-5.
  12. ^ Pfeifer, Sebastyan; Lyuts, Jan-Fransua (2007-08-01). "Radikal zanjirli polimerizatsiyalarda Monomer ketma-ketligini taqsimlanishini boshqarish uchun yuzma-yuz tartib". Amerika Kimyo Jamiyati jurnali. 129 (31): 9542–9543. doi:10.1021 / ja0717616. ISSN  0002-7863. PMID  17636902.
  13. ^ Tong, Sinmin; Guo, Bao-xua; Xuang, Yanbin (2011-02-07). "Ketma-ketlik bilan boshqariladigan vinil kopolimerlari sinteziga qarab". Kimyoviy. Kommunal. 47 (5): 1455–1457. doi:10.1039 / c0cc04807k. ISSN  1364-548X. PMID  21125120.
  14. ^ Xeyven, Xoris; De Neve, Xeren; Yunkers, Tanja (2017-06-24). "18- va 20-merlikli oligoakrilatlar ketma-ketligi aniqlangan monodispersni sintez qilish uchun ko'p qirrali yondashuv". ACS so'l xatlari. 6 (7): 743–747. doi:10.1021 / acsmacrolett.7b00430. hdl:1942/23949.
  15. ^ Vandenberg, hazil; Reekmans, Gunter; Adriaensens, Piter; Yunkers, Tomas (2013-09-17). "RAFT monomer qo'shimchalari orqali ketma-ketlik bilan boshqariladigan akrilat oligomerlarini sintezi". Kimyoviy aloqa. 49 (88): 10358–10360. doi:10.1039 / c3cc45994b. PMID  24079009.
  16. ^ Xu, Tszyantao (2019-10-21). "Yagona birlik Monomerni kiritish: Radikal qo'shilish reaktsiyalari va polimerizatsiya orqali molekulyar muhandislik uchun ko'p qirrali platforma". Makromolekulalar. 52 (23): 9068–9093. doi:10.1021 / acs.macromol.9b01365. ISSN  0024-9297.
  17. ^ Chen, Yulin; Guan, Zhibin (2010-04-07). "Elastin elastiklik mexanizmini tekshirish uchun elastin-mimik polimerlarning bioinspirlangan modulli sintezi". Amerika Kimyo Jamiyati jurnali. 132 (13): 4577–4579. doi:10.1021 / ja9104446. ISSN  0002-7863. PMID  20235503.
  18. ^ Yu, Ting-Bin; Bai, Jeyn Z.; Guan, Zhibin (2009-01-26). "Cycloaddition-targ'ib qilingan polimerni aniq belgilangan jadvallar va ierarxik nanofibrillalarga yig'ish". Angewandte Chemie International Edition. 48 (6): 1097–1101. doi:10.1002 / anie.200805009. ISSN  1521-3773. PMC  3375212. PMID  19115358.
  19. ^ Norris, Benjamin N.; Pan, Tianqi; Meyer, Tara Y. (2010-12-03). "Olefin kross-metatezi yordamida geterotelekelli oligo (fenilen-vinilen) ning takroriy sintezi". Organik xatlar. 12 (23): 5514–5517. doi:10.1021 / ol102398y. ISSN  1523-7060. PMID  21069981.
  20. ^ Chjan, Ze; Siz, Ye-Zi; Vu, De-Cheng; Xong, Chun-Yan (2015-06-09). "Ketma-ket ko'pkomponentli reaktsiyalar orqali ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlarning sintezi". Makromolekulalar. 48 (11): 3414–3421. Bibcode:2015MaMol..48.3414Z. doi:10.1021 / acs.macromol.5b00463. ISSN  0024-9297.
  21. ^ Levandovski, Bartosz; Bo, Giyom De; Uord, Jon V.; Papmeyer, Markus; Kuschel, Sonja; Aldegunde, Mariya J.; Gramlich, Filipp M. E .; Gekmann, Dominik; Goldup, Stiven M. (2013-01-11). "Sun'iy kichik molekulali mashina tomonidan ketma-ketlikka xos bo'lgan peptid sintezi". Ilm-fan. 339 (6116): 189–193. Bibcode:2013 yil ... 339..189L. doi:10.1126 / science.1229753. ISSN  0036-8075. PMID  23307739.
  22. ^ Lyuts, Jan-Fransua (2010-02-09). "Ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerlanishlar: polimer fanidagi navbatdagi Muqaddas Gra?". Polimerlar kimyosi. 1 (1): 55. doi:10.1039 / b9py00329k. ISSN  1759-9962.
  23. ^ Minoda, Masaxiko; Savamoto, Mitsuo; Higashimura, Toshinobu (1990-11-01). "Tirik katyonik polimerizatsiya orqali ketma-ketlik bilan tartibga solinadigan oligomerlar va polimerlar. 2. Funktsional vinil efirlari va stirol hosilalarining ketma-ketlik bilan tartibga solinadigan oligomerlari ketma-ketligini tartibga solish va sintez qilish printsipi". Makromolekulalar. 23 (23): 4889–4895. Bibcode:1990MaMol..23.4889M. doi:10.1021 / ma00225a001. ISSN  0024-9297.
  24. ^ a b Ida, Shoxey; Terashima, Takaya; Ouchi, Makoto; Savamoto, Mitsuo (2009-08-12). "Heterobifunksiyali galogenid bilan ishlangan tanlab radikal qo'shilish: shablon ta'sirida ketma-ketlik bilan boshqariladigan polimerizatsiya bo'yicha boshlang'ich tadqiqot". Amerika Kimyo Jamiyati jurnali. 131 (31): 10808–10809. doi:10.1021 / ja9031314. ISSN  0002-7863. PMID  19603819.