Biomacromolecules | 极性溶剂中N取代甘氨酸N-硫代羧酸酐的酸促进聚合
大家好，今天为大家分享一篇近期发表在Biomacromolecules上的文章， Understanding Acid-Promoted Polymerization of the N‑Substituted Glycine N‑Thiocarboxyanhydride in Polar
Solvents。这篇文章的通讯作者是浙江大学高分子科学与工程学系的倪旭峰教授和凌君教授。
聚类肽是由N取代α-氨基酸构成的新一代生物材料。类肽相比于聚氨基酸更利于溶解与加工，再加之可设计的侧基结构，使其自组装、防污和药物递送在内等各个领域有了广泛的应用前景。例如，聚肌氨酸（poly sarosine，PSar），因卓越的生物相容性和潜在的应用价值价值而被认为是能替代聚乙二醇（PEG）的水溶性且无致免疫性的生物材料。最近，N取代甘氨酸N-硫代羧酸酐（NNTA）的开环聚合已经被开发为制备类多肽的通用方法。相比于传统的NCA开环聚合，NNTA的开环聚合对包括水、醇、酚和硫醇在内的亲核杂质具有良好的耐受力。然而，NNTA在包括N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）在内的常见酰胺极性溶剂中的可控聚合十分具有挑战性，同时也是发展具有功能性侧基的新型NNTA聚合以及NNTA聚合制备生物分子-类多肽偶联物进一步应用中不可回避的问题。
与一般的α-氨基酸N-硫代羧酸酐（NTA）不同，NNTA的N原子上不具有H原子，从而防止在聚合过程中直接从端基产生H2S而终止反应。然而，作者发现，N-乙基甘氨酸（NEG）NTA在DMAc中完全无法聚合，而N-戊羧基甘氨酸（CPG）NTA却能够发生可控ROP聚合。美国路易斯安那州立大学化学与高分子系Donghui Zhang教授的一项研究表明，乙酸（AA）可以促进NTA在二氯甲烷（DCM）中的聚合，这启发作者研究AA在酰胺极性溶剂NNTA聚合的作用，以实现高效合成类肽聚合物。
由于NEG-NTA在各种不同极性的溶剂中的良好溶解性以及适中的活性，作者使用其作为聚合的模型单体以便于研究溶剂效应、副反应等各种性质。受具有游离羧基的CPG-NTA成功聚合的启发，作者在体系中加入不同当量的AA进行反应。由图2中第3-8组样品可知，只有当AA的当量增加到与NEG-NTA单体相同或以上时，聚合反应的产率才会显著增加至90%左右，同时Mn和DP也相应增大，分散度保持较低。当AA当量为NEG-NTA单体的两倍时，可实现最佳聚合。依照同样方法，将单体换为Sar-NTA，结果如图2中第11-14组样品和图3所示，聚合产生的PSar能达到高达30.0 kg/mol的Mn，而在乙腈中分子量大于10 kg/mol的PSar将形成凝胶状固体，抑制链增长，于是证明了酰胺极性溶剂对NNTA的受控ROP反应的优越性。
图2. AA促进的NNTA在极性溶剂中苄胺引发的聚合反应表征
图3. PSar的SEC轨迹图，内插进料比与分子量和分散度的关系图
作者进一步研究表明，在存在苄胺的情况下，NEG-NTA在DMAc中将快速分解，原因可能是副产物COS水解产生H2S，进而催化了NNTA的降解，并最终产生DEP，如图4所示。
图4. H2S催化的NNTA的降解反应
随后，作者进行NEG-NTA聚合的动力学研究，结果表明AA存在时，单体可以在数小时内达到高转化率（图5 A），同时PNEG的DP与单体转化率呈线性关系，过程中分散度也保持较低（图5 B）。此外，整个过程中NEG-NTA仅产生少量（<10%）的DEP。这表明AA活化的聚合反应具有良好的可控制性和可忽略的副反应。可能的机理如图6所示，在诸如DMAc之类的强极性溶剂，硫代胺基甲酸酯末端的质子可能与DMAc形成氢键，不利于形成链端脱硫羧化的四元环关键中间体；而加入大量AA时，AA与DMAc分子结合，使硫代胺基甲酸酯末端保持质子化，而且该末端与AA之间的相互作用也可能加速质子转移和脱硫羧化。总之，活性胺的快速生成才是AA存在下NNTA快速聚合的原因，同时AA与DMAc结合也说明为什么需要大量AA才能有明显效果。此外，作者经动力学推导和相关H2S浓度测定实验表明，AA存在时将抑制H2S和DMAc之间的氢键，进而显著降低H2S和COS的浓度，使副产物DEP的生成得到抑制。但在通过氩气鼓泡的方式显著降低H2S和COS浓度时，NEG-NTA在不添加AA的情况下无法在DMAc中可控地聚合，这证明由AA引起的链传递加速作用对于NNTA在酰胺极性溶剂中的成功聚合是必不可少的。
图5. 有、无AA时NEG-NTA聚合反应的动力学表征
图6. 有、无AA时NEG-NTA聚合过程中的离子对反应机理
作者还研究了AA能否替换为其他酸，如图7所示。结果表明，具有类似AA酸性以及羧基对于促进酰胺极性溶剂中NNTA的ROP是必不可少的。过强的酸性将导致末端胺基质子化后难以解离，而无羧基存在时不能与硫代胺基甲酸末端形成过渡结构，因而无法进行快速质子转移。
图7. 不同酸存在下NNTA在极性溶剂中苄胺引发的聚合反应表征
最后，作者认为氨基酸介导的聚合反应可能是通过蛋白原引发剂一步合成功能性聚（α-氨基酸）的直接途径。高浓度的酸将使氨基酸中氨基和羧基之间形成的内盐结构解离，从而提高氨基酸在极性有机溶剂中的溶解度。作者通过溶解在DMF和AA混合物中的1-Met、1-Trp和1-Phe成功引发了Sar-NTA的聚合反应，且具有高收率和低分散度的特点（图8），证实酸促进的聚合反应同时克服了末端胺基酸化的惰性和氨基酸在极性溶剂中的不良溶解性，并且所有的氨基酸均显示出良好的引发活性。
总的来说，本工作研究了AA存在下NNTA在酰胺极性溶剂中的可控ROP反应。AA在加速聚合反应的同时能够抑制副反应，使NNTA能够在极性溶剂中聚合，从而增加了用于NNTA聚合的候选溶剂，进一步发展了聚类肽的应用潜力。
作者：QJC 审校：WGQ
DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00061
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c00016