吕华课题组在氮羧基内酸酐和聚氨基酸合成研究方面取得新进展

coco2017

聚氨基酸是一种以氨基酸为重复单元的通过肽键连接的高分子材料，可用于异相催化、组织工程、表面活性剂、药物递送和自组装等领域。聚氨基酸具有天然的生物相容性与可降解性，有着广泛的生物医药前景。氨基酸衍生的氮羧基内酸酐（NCA）单体的开环聚合被广泛认为是制备公斤级（以上）及高分子量聚氨基酸的最为有效的方法之一，但NCA制备条件的严苛严重阻碍了聚氨基酸的规模化合成，也让众多学术小组对其敬而远之。具体而言，NCA合成的难点包括：对空气湿度敏感、反应条件剧烈、产生大量废酸、官能团兼容性差；合成和提纯都需无水溶剂，大部分操作都需要在手套箱或氮气保护下进行，这导致造价昂贵并带来操作的极大不便。

       北京大学化学与分子工程学院吕华课题组致力于NCA的开环聚合和基于氨基酸的生物医用功能高分子材料的研究。近期，吕华课题组发现，大部分NCA自身对水具有一定的动力学稳定性；而NCA环化过程中产生的HCl——如果没有及时并彻底地从反应中完全除去——是NCA对水敏感并导致合成失败的最大元凶。而之前所发展的一些缚酸剂比如蒎烯与HCl的反应速度太慢并且不彻底，因此只在部分较为稳定的NCA中取得成功，在一些难度较大的单体合成中则收效甚微。在认识到这一分子机制后，吕华课题组使用廉价易得的环氧化合物作为超快缚酸剂，在反应体系中原位快速产生无水无酸的环境，成功以较高的产率制备了20余种高纯度NCA单体。该方法彻底摆脱了无水溶剂和手套箱，后处理结晶或者柱层析纯化也可全程在普通溶剂和空气环境中进行。密度泛函理论研究还表明环氧化合物具有加速反应的作用，使该方法无需加热。新方法最大的优点在于兼容侧基含羧基、羟基和巯基等活性侧链的NCA，也能用于合成β氨基酸NCA，以及α羟基酸的OCA，大大拓宽了方法的适用范围。作为初步应用探索，吕华课题组使用这些侧基无保护的NCA单体一步即可制备一些重要的聚氨基酸比如聚α-谷氨酸或巯基修饰的超支化聚氨基酸。此外，该方法在实验室可轻松放大至10g量级。
       该工作近期在线发表于《自然.通讯》，北京大学化学与分子工程学院博士后田子由为论文第一作者，吕华研究员为论文通讯作者。此工作得到了国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心、、李革赵宁生命科学青年研究基金和博士后创新人才支持计划的支持。该方法的专利申请获得了北京大学专利转化基金的支持。
       原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25689-y


        文章来源：北京大学
      吕华 研究员，就职于北京大学化学与分子工程学院。国家自然科学基金委优秀青年科学基金获得者，2017年获得中国化学会青年化学奖，2019年获得中国化学会高分子青年学者奖。2006年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，2011年获美国伊利诺伊大学香槟分校材料系博士学位，2011-2014年在Scripps研究所做博士后研究工作。主要研究领域为高分子化学与材料、蛋白质化学与药物和生物医药工程。