功能化聚合物的 MALDI-TOF 表征

Molly E. Payne, Scott M. Grayson

Department of Chemistry, Tulane University, New Orleans, Louisiana

隨著對高性能和專用聚合物材料需求的增加，選擇性末端基團官能化和改性的工具一直是合成發展的重點。由於聚合物具有可調整的物理和化學特性，因此是各種  materials¹, bioconjugations², macromonomers³, and biomedical materials⁴ 的重要組成部分。

由於其複雜性和功能性分子，許多目標複合物（例如、生物活性材料）與聚合條件不相容。為了減緩這些問題，我們開發了各種合成方法來進行有效的聚合後結合。例如，末端基團經常被添加到聚合物中，以用於高效率的偶合反應，例如偶氮-炔偶合⁵ 和硫醇-烯偶合⁶。

用於聚合物表徵的 MALDI-TOF MS

聚合物端基官能化發展的一個關鍵限制在於難以確認修飾前後端基的純度。現代的表徵技術，尤其是基質輔助雷射解吸離子化飛行時間質譜法 (MALDI-TOF MS)，已證明在確認末端基團的保真度方面非常有價值。MALDI-TOF 是一種軟性離子化技術，能夠解析質譜分佈中聚合物的個別 n-聚合物。這種解析度不僅能闡明質量分佈和重複單元的質量，還能闡明末端基團的特性和保真度。

分子量特性分析

對於分散度相對較低的聚合物 (Đ≤1.3)，MALDI-TOF MS 可用於精確判定質量分佈資料。數均分子量 (M_n) 是相對於各質量分數的摩爾數的質量平均值，可使用下列公式計算：

Mn =	ΣNiMi
	ΣNi

其中 N_{i Mi = 這些分子的特定分子量}

平均分子量 (M_w) 是相對於各質量分數重量的質量平均值，可用公式計算：

Mw =	ΣNiMi2
	ΣNiMi

其中 N_i Mi 

分子量分佈的寬度或分散性 (Đ)， 可以使用 M_w/M_n 的比率來量化。

端基表征

除了能夠量化聚合物分子量分佈之外，MALDI-TOF MS 還可用於解析均聚物端基。將質譜中觀察到的 n-mer 的質量 (M_n-mer) 重排以下公式，即可達成此目的：

M_n-mer =n(M_RU)+M_EG1 + M_EG2 + M_ion 其中 n =聚合度，

M_EG1 = α-末端基團的質量，

M_EG1 = α-末端基團的質量。-端基的質量，

M_EG2 

M_RU =聚合物重複單元的質量

和 M_ion =與聚合物複合的離子的質量。

市售材料的 MALDI-TOF 表征

市面上有多種即用型、功能化聚合物可供生物醫學應用，例如 PEG 化、水凝膠合成、標靶給藥和生物接合。我們使用 MALDI-TOF 來驗證目前市面上精選的高度定義功能化材料的分散性與功能性。以下提供的所有 MALDI-TOF 光譜均顯示完整光譜，並附有個別 n-mer 的插圖。我們的結果驗證了這些材料的窄分散性，以及這些精選材料的特性和官能化程度。

產品 689696： Poly(ethylene glycol) bis-azide (M_n=2000)

圖 1. 對光譜的目視觀察證實該聚合物具有狹窄的單模分佈。 經計算，此聚合物的分子量分佈為 Mn：1940 和 Mw：1950，由此得出Đ = 1.01 的窄分布。 光譜中的峰值對應於單一分佈，每個峰值之間相隔 44.026 個質量單位，這表明此樣本中只存在一組端基。 末端基團可以透過觀察個別的 n-聚合物來驗證，例如 41-聚合物 [圖 1b]。具有兩個疊氮末端基團的 42-mer 的理論質量值為 1984.13978，其計算方式為重複單位質量 (44.02621) 乘以重複單位數 (42)，再加上疊氮末端基團的質量 (42.00922)，再加上疊氮乙基末端基團的質量 (70.04052)，最後再加上鈉陽離子的質量 (22.98922)。42-mer 的觀察值為 1983.95，與理論值相差 0.19 Da。

產品 747386： 硫醇端聚乳酸 (M_n=2,500)

圖 2. 對光譜的目視觀察證實該聚合物具有狹窄的單模分佈。經計算，此聚合物的分子量分佈為 Mn：2300，Mw：2350，Đ =1.02。光譜中的主要峰值對應於單一分佈，每個峰值之間相隔 72.021 個質量單位，這表明此樣本中只存在一組端基。透過觀察個別的 26-mer [圖 2b]，可以驗證末端基團。具有 - 羥基和ω-硫醇末端基團的 26-聚合物的理論質量值為 1973.55254，與觀測到的 1973.62 Da 相差 0.07 Da。在此材料的每個主要峰值之間都存在非常小的峰值。具體來看插圖中觀察到的次要峰值，2045.74 點的峰值對應於聚合物的 27-mer，2057.73 點的峰值對應於羧酸端聚合物（而非硫醇官能度）。這些輕微雜質很可能是由於乳酸單體開環聚合過程中的水啟動或酯化作用所致。

接合反應後聚合物的MALDI-TOF表徵

儘管有許多類型的反應可用來促進聚合物的接合，但單擊反應因其簡便、高效和廣泛的官能基相容性而被廣泛使用。由 Sharpless 等人⁷所推廣的銅催化疊氮化炔烴環加(CuAAC)⁵ 透過形成 1,2,3-三唑環，將炔烴試劑與疊氮化物試劑結合。Bertozzi 研究小組開發了疊氮化物和環辛烯試劑之間的菌株促進炔唑環化反應 (SPAAC)⁸ ，作為活細胞和 體內使用的無銅替代品。烯和硫醇試劑之間的硫醇-烯單擊反應⁶ 形成烷基硫化物也是有用的無金屬替代品，因為它們對一系列應用，特別是生物應用具有相容性。此外，由於胺在自然界和生物界中無所不在，羧酸和胺之間的酰胺化反應⁹ 在合成肽、蛋白質及其結合物時尤其重要。

儘管點擊反應具有高轉換率的特點，但對於聚合物共轭反應而言，確認反應完成可能很困難。  由於與聚合物重複單元相比，新形成的連結的相對濃度較低，因此傳統的表徵方法（例如：   ..、 ¹H NMR）的靈敏度通常不足以驗證。相反地，MALDI-TOF 可用於分辨末端基團並確認反應完成。以下範例展示了兩種不同類型的單擊反應，並驗證了所需化合物的形成。每個反應所提供的 MALDI-TOF 光譜顯示了上方起始物的光譜和下方最終產品的光譜。

透過 CuAAC 用 1- 乙炔基-4-氟苯改性聚乙二醇雙氮ide (Product 689696)

。

圖 3. 顯示聚氧乙烯雙(叠氮)(Mn=2000) (紅色) 與 1-乙炔基-4-氟苯經由叠氮-炔環化反應 (藍色) 改性後的 MALDI-TOF 光譜。肉眼觀察光譜可確認已發生修飾，但也可根據所選 n-mers 之間的質量差異加以確認。如黑色箭頭所示，觀察到起始物與生成物之間有 240.21 Da 的移動。這相當於起始物質的 42 元分子 (1983.95) 與產品的 42 元分子 (2224.16) 之間的差異，與理論上 240.08 的精確質量差異非常吻合。

通過硫醇-烯單擊反應用 2,5-吡咯烷酮修飾硫醇封端的聚(L-內醯胺)(Product 747386)

圖 4. 顯示硫醇端聚乳酸 (紫色) 與 2,5-吡咯烷酮 (綠色) 經由硫醇-烯偶合修飾的 MALDI-TOF 光譜。肉眼觀察整個光譜可以確認起始物經過某種類型的修飾，但硫醇-烯反應的完成可以透過檢視個別 n-mers 的移位來確認。黑色箭頭顯示，從起始物質的 26 個單元 (1973.55) 到 26 個單元的生成物 (2214.56) 觀察到 97.02 Da 的移動，這與硫醇-烯反應後預期的質量移動相符。

結論

市面上有各種分子量、組合和端基官能性的聚合物，聚合物已成為許多應用的重要組成部分。只要有適當的端基，官能化聚合物就能為各種聚合物結合物的合成提供快速有效的途徑。隨著這些材料的複雜性增加以滿足研究人員的需求，MALDI-TOF MS 是確認端基身分和轉換、驗證成功和完整結合的重要工具。

參考資料

1. Brinson HF, Brinson LC. 2008. Polymer Engineering Science and Viscoelasticity. https://doi.org/10.1007/978-0-387-73861-1

2. Lutz J, Börner HG. 2008. Modern trends in polymer bioconjugates design. Progress in Polymer Science. 33(1):1-39. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2007.07.005

3. Plate N, Valuyev L, Chupov V. 1985. Synthesis and polymerization of macromonomers based on physiologically active compounds. Review. Polymer Science U.S.S.R.. 27(10):2265-2282. https://doi.org/10.1016/0032-3950(85)90302-8

4. Green JJ, Elisseeff JH. 2016. Mimicking biological functionality with polymers for biomedical applications. Nature. 540(7633):386-394. https://doi.org/10.1038/nature21005

5. Meldal M, Tornøe CW. 2008. Cu-Catalyzed Azide?Alkyne Cycloaddition. Chem. Rev.. 108(8):2952-3015. https://doi.org/10.1021/cr0783479

6. Hoyle C, Bowman C. 2010. Thiol-Ene Click Chemistry. Angewandte Chemie International Edition. 49(9):1540-1573. https://doi.org/10.1002/anie.200903924

7. Rostovtsev V, Fokin V, Sharpless Angew KB. 2002.(41):2596-2599.

8. Baskin JM, Prescher JA, Laughlin ST, Agard NJ, Chang PV, Miller IA, Lo A, Codelli JA, Bertozzi CR. 2007. Copper-free click chemistry for dynamic in vivo imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104(43):16793-16797. https://doi.org/10.1073/pnas.0707090104

9. Montalbetti CA, Falque V. 2005. Amide bond formation and peptide coupling. Tetrahedron. 61(46):10827-10852. https://doi.org/10.1016/j.tet.2005.08.031