华东理工刘润辉教授课题组《CCS Chem.》：β-NNTA开环聚合实现温和条件下β类肽可控合成

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β类肽是β多肽骨架N-H质子被取代的一类多肽模拟物，具有蛋白酶稳定性、优异的生物相容性和重要的生物学功能。然而，长期以来β类肽合成方法的局限阻碍β类肽的功能和应用。其中，固相合成方法效率极低，且目前所得β类肽重复单元不超过10个。目前的聚合方法中，N-烷基氮丙啶聚合需要金属催化剂、有毒气体CO和高压条件，β-NNCA聚合单体不稳定易分解；另外，聚合方法所制备β类肽的结构十分有限。因此，研究条件温和的聚合新方法对β类肽的合成及相应生物功能研究具有重要意义。

刘润辉教授课题组长期致力于解决多肽模拟物合成研究领域中的核心问题和挑战。前期，课题组建立了对水分不敏感的β-NTA（β-氨基酸N-硫代羧基酸酐）聚合新方法合成β多肽，克服了β-内酰胺聚合这一经典合成方法对水分敏感、聚合条件苛刻、功能基团受限的核心问题（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 7240-7244）。在本研究中，建立了反应条件温和的β-NNTA（N取代β-氨基酸N-硫代羧基酸酐）开环聚合新方法制备β类肽。β-NNTA单体稳定，可以稳定储存6个月，并且侧链结构丰富多样；β-NNTA聚合实现了温和条件下β类肽的可控合成，实现了敞口条件下制备β类肽的突破，拓展了β类肽的结构多样性、功能和应用，在荧光成像、自组装和抗菌等领域展现出良好的应用前景。相关成果以“Controllable Polymerization of N-Substituted β-Alanine N-Thiocarboxyanhydrides for Convenient Synthesis of Functional Poly(β-peptoid)s”为题，以Research Article形式发表在中国化学会旗舰刊CCS Chemistry上（CCS Chem. 2022, DOI:10.31635/ccschem.022.202201840）。

 

图1 合成β类肽的聚合方法

β类肽的侧链结构对其功能和应用研究至关重要。以伯胺为原料，进行3步合成反应可以得到结构丰富多样的β-NNTAs单体，这些单体均展现出良好的聚合活性，β-NNTA聚合可得到相应侧链和链长的β类肽。聚合反应研究结果表明β-NNTA聚合具有良好的可控性和较窄的分布系数。动力学研究表明聚合过程呈现出一级动力学特征(k_p[I] = 0.018 h^-1)。通过pFBn β-NNTA和ThEt β-NNTA的共混和嵌段聚合展示了β-NNTA的活性聚合特征。传统的β-NNCA单体在水分和空气不稳定，不能柱分离提纯和长期储存，而β-NNTA可以经快速柱层析以高产率(81% - 93%)得到提纯产物，并且可以-20 °C中储存超过半年时间。更重要的是，在敞口条件下20mer的β-NNTA克级别的聚合可以以良好的产率得到预期分子量的β-类肽。

 

图2 β-NNTA聚合特性研究和稳定性测试。

末端功能化对多肽及其模拟物的结构多样性和功能具有重要意义，通过β-NNTA敞口聚合，成功将多种功能基团整合到β类肽链的C端，包括烯基、炔基、金刚烷、溴苯基、叠氮、受保护的硫醇、受保护的胺、甲氧基、聚乙二醇、未保护碱性基团、未保护的羟基、聚集诱导发光基团和聚集荧光淬灭基团。无需后功能化涉及到的保护和脱保护过程，更加便捷地合成含功能性基团的β类肽。

图3 不同功能性伯胺引发的β-NNTA的敞口聚合。

通过β-NNTA敞口聚合后脱保护得到两亲性β类肽作为宿主防御肽模拟物。对多重耐药菌展现出高效广谱的抗菌活性，且不同批次获得的β类肽具有良好的可重复性。进一步利用荧光显微镜研究荧光基团功能化β类肽与大肠杆菌的相互作用过程，解析抗菌机理。这些结果表明，β-NNTA聚合提供了一种可控合成的β类肽策略，有望拓展β类肽的生物学功能和应用。

图4 两亲性β类肽聚合物抗菌研究。

华东理工大学材料科学与工程学院博士生肖希勉和博士后周敏是该成果的第一作者，华东理工大学刘润辉教授是通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部等基金的资助。

论文链接: 

https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.022.202201840

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