北大吕华《自然·通讯》：聚肽行业将进入低成本时代？氨基酸N-羰基酯的耐水耐氧合成新策略

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作为一类仿生材料，合成聚肽目前已经被广泛应用于异相催化，双乳液表面活性剂，药物载体，组织工程支架，抗菌剂以及聚乙二醇（PEG）替代物。聚肽通常通过氨基酸N-羰基酯（NCA）单体通过开环聚合（ROP）合成。尽管合成多肽已经具有了较多的应用，但是它的合成却是非常困难的，并且合成成本也很难控制。虽然最近几年ROP方法获得了长足的进步，甚至在一些未经纯化的溶剂以及水-有机界面可以快速合成具有高分子量和低分散度并带有良好反应性官能团的聚肽，但是目前仍然缺乏更简单合成NCA的新方法。传统的“Fuchs-Farthing's"方法可以使用三光气以及氨基酸的关环反应来合成NCA，但是这种方法常常需要在严格无水无氧环境下进行。而且这种方法的后处理也是非常复杂严格的，需要在手套箱中使用昂贵的干燥溶剂进行重结晶。更重要的是，这些传统的方法虽然对一些官能团例如烯烃、炔烃、叠氮基、酯类、卤素、硫醚以及硒醚等具有较好的容忍性，但是对一些亲核官能团以及具有质子的官能团例如胺基、醇、硫醇以及羧酸等缺乏兼容性。开发一种可规模化、耐水耐氧以及多官能团兼容性的NCA合成方法对聚肽的进一步大规模应用来说以一种紧急的但并未被满足的需求。

为此，北京大学吕华研究员团队报道了一种可以在潮湿、氧气存在的环境下制备无保护NCA单体的新方法。该工作以题为“A moisture-tolerant route to unprotected α/β amino acid N-carboxyanhydrides and facile synthesis of hyperbranched polypeptides”发表在《Nature Communications》上。

【水解原因探索及牺牲剂筛选】

作者使用γ-苄基-L-谷氨酸NCA（Bn-GluNCA）单体作为模型，探索了在常规溶剂中制备NCA单体的主要障碍。当化学计量的D₂O（约180000 ppm）加入单体的THF-d₈溶液中后，作者观察到模型单体发生了ROP反应并在4小时后结束。在这种条件下，模型化合物Bn-GluNCA单体的开环聚合反应在开始时速率缓慢，随后加速。在D₂O和DCl存在的条件下，Bn-GluNCA发生了快速的水解而不是发生ROP反应。因此，在NCA单体形成时由三光气产生的盐酸导致的NCA单体的快速水解干扰了其ROP的进行。先前的许多研究表明，在NCA开环聚合过程中加入三乙胺、α-蒎烯等作为酸牺牲剂有利于具有挑战性的NCA的开环聚合的进行。由于三点原因，作者在该工作中排除了使用三乙胺作为酸牺牲剂：i）过量的三乙胺可以提前启动NCA的开环聚合；ii）三乙胺并不能去除亲核性氯离子进攻NCA产生的副反应；iii）三乙胺盐酸盐的去除带来了额外的负担。随后作者发现使用α-蒎烯作为酸牺牲剂效果也很差，原因是其与盐酸的反应速率非常慢而且转化效率很低。为此，作者想要找到一种非碱性的酸牺牲剂。由于可以在较低的温度与盐酸高效率的发生反应，环氧丙烷（PO）以及环氧氯丙烷（ECH）成为了最佳候选者。1.0 M浓度的PO的加入可以在室温下3分钟内快速而完全的吸收HCl，产生1-氯-2-丙醇以及2-氯-1-丙醇的混合物。而HCl与PO的反应产生的热可以使NCA单体在室温下即可发生开环聚合，此观点也得到了DFT计算的验证。作者进一步将γ-苄基-L-谷氨酸，三光气以及PO混合溶解于普通分析纯的四氢呋喃溶液中，在密封的厚壁封管中室温下反应。大约1.5小时后反应即可完毕。Bn-GluNCA的收率为84%。这种方法对各种其他类型的氨基酸也都适用。对于甘氨酸NCA的合成，适用ECH效果比PO更好。使用该方法获得的氨基酸NCA，产率均可达到70%以上。PO吸收盐酸产生的产物由于具有较高的溶解性，在NCA重结晶的时候也会很容易的被除去。

图1. 酸牺牲剂的筛选

【N取代氨基酸NCA单体的合成】

在制备N取代的肌氨酸NCA时，使用这种方法遇到了障碍。在分析了反应的粗产物后，作者尝试使用N-Boc取代的氨基酸进行反应，证明了使用N-Boc取代的氨基酸，使用该方法可以取得非常好的反应效果。其中肌氨酸NCA可以以79%的收率通过N-Boc取代的肌氨酸合成。值得注意的是，在使用N-Boc取代的氨基酸进行反应时，需要在0度条件下进行，以防止Boc保护基分解产生的二氧化碳气流带走体系中的PO。

图2. 底物适用性

【官能团兼容性及非经典NCA的合成】

该方法显示出了十分优秀的官能团兼容性。出了对传统的烷基，烯烃等取代基的NCA具有较好的容忍性，对于一些带有质子的以及具有强亲核能力的官能团的NCA，使用该方法也能以较高产率获得。例如，巯基是一种具有很强亲核性的官能团，在以往报道的很多方法中，带有巯基的NCA都不被很好的合成及表征。在该方法中，作者成功合成了丝氨酸NCA及苏氨酸NCA，并且产率可以高达68-95%，并可以在一锅中以10克量级进行制备。

除了传统的α氨基酸NCA的合成，该方法还显示出了对于α-羟基酸以及β氨基酸NCA合成的有效性。同样使用PO或者ECH作为牺牲试剂，在三光气以及普通分析纯的四氢呋喃中，可以以50%-60%的收率合成α-羟基酸的NCA类似物。以80%以上的收率合成β氨基酸NCA。

图3. 官能团兼容性

图4. 氨基酸NCA类似物的合成

【NCA单体聚合】

通过以上介绍的方法可以高效合成未保护的NCA单体。而未保护的单体由于避免了频繁的保护和脱保护的步骤，因此可以大大提高聚肽的合成效率。高度的原子经济性及省时的操作流程，可以大大降低聚肽的合成成本。例如对于含有羧基等官能团的NCA单体，可以不将羧基保护而直接制备侧链带有羧基的聚肽。除了单独一种NCA单体的聚合，多种NCA单体的共聚也可以取得较好的效果。

图5. 无需保护基团的NCA聚合

总结，通过使用环氧丙烷及环氧氯丙烷作为酸牺牲试剂，大大简化了氨基酸NCA单体的合成。同时使传统的需要无水无氧的NCA合成可以在传统的环境下进行。另外，该方法也显示了对多种高反应性官能团的兼容性，大大降低了NCA单体的合成效率以及聚肽的制备成本。

来源：高分子科学前沿

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