α-氨基酸-N-羧酸酐(NCAs)是一类重要的氨基酸衍生物, 可由引发剂引发NCAs开环聚合, 生成相应的多肽结构[1]. NCAs开环聚合(ROP)是以一种动态的方式进行, 可以精确控制多肽的分子量、序列和拓扑结构[2], 并通过肽链空间结构的调控形成不同的蛋白质[3].蛋白质是所有生物体中必不可少的化学物质, 它主导着人体的生长、发育、繁衍、代谢和行为等生命过程[4].特别是通过NCAs开环聚合能构建多种以多肽为基础的功能性材料, 多肽可应用于药物制备、药物缓释、组织工程和表面改性等领域[5].因此, NCAs合成备受关注.
Leuchs等[6]使用光气作为羰基来源, 可将α-氨基酸直接转化为NCAs, 光气具有高的反应活性, 光气法制备NCAs产率高, 但光气剧毒还有高度腐蚀性的HCl气体, 因此该方法仅限于小规模操作.随后, 使用卤化剂(PBr3, PCl3)作为环化剂, 也能实现NCAs的合成, 但环合试剂具有腐蚀性高[7], 又提出了NO/O2亚硝化反应两步法合成NCAs, NO有毒且O2存在会导致NCAs开环[8], 这些方法对环境污染大.因此迫切需要开发一种环境友好的NCAs合成路径, 这将有利于生物工程技术发展.
碳酸二甲酯(DMC)是一种无毒的绿色化工产品, 是氨基酰化和酯交换的良好试剂[9], 可以代替光气合成NCAs.最近, 李振环等[10]开发了由γ-苄基-L-谷氨酸(BLG)和DMC两步法合成NCAs技术, 但该方法需要对中间体提纯, 工艺复杂.因此有必要制备一种具有高催化效率的新型催化剂进行NCAs“一锅法”合成, 以减少合成步骤, 降低中间体分离中的能耗和物耗.本文寻找或合成一种具有酸碱双活性中心催化剂, 该催化剂既能捕获氨基酸中氨基酸的质子, 以促进氨基酸与DMC发生甲氧基碳酰基化反应, 还能转移质子并促进中间体的关环, 实现“一锅法”合成NCAs.
通过传统的固相法合成NaZnPO4, 用NaZnPO4催化“一锅法”合成NCAs.研究反应温度、溶剂及时间对目标产物收率的影响, 探究NCAs精准关环过程, 提出NaZnPO4催化合成NCAs的可能反应机理.
将合成的催化剂进行XRD表征, XRD谱图如图 1所示.通过检索数据库可知, 固相法合成样品的XRD衍射峰与NaZnPO4·H2O标准卡JCPDS No.86-0667标记的衍射峰的位置基本吻合, 证实了NaZnPO4·H2O已经成功合成(图 1A).在JCPDS No. 49-1185中, 前四个最强衍射线的晶面间距为0.4360, 0.4008, 0.2959和0.2552 nm, 煅烧(500 ℃)的样品分别为0.4305, 0.39784, 0.29481和0.25185 nm, 500 ℃煅烧的样品与标准NaZnPO4的晶面间距值基本相同, 可以确定高温煅烧的样品为NaZnPO4 (图 1B).
从图 2可以看出, 在未加催化剂的反应体系中没有检测到产物Ala-NCA. NaZnPO4·H2O作为催化剂, 目标产物收率不高, 且随着时间增加, Ala-NCA收率下降.在400和500 ℃煅烧的NaZnPO4为催化剂, Ala-NCA收率在反应8 h达到最大值46.84%, 而8 h后, 随反应时间的增加Ala-NCA收率逐渐降低.以600 ℃煅烧NaZnPO4为催化剂, Ala-NCA收率仅为25.8%. 600 ℃煅烧的样品NaZnPO4, 高温导致结构发生变化[11], 其结构变化不利催化Ala-NCA合成.然而300 ℃煅烧的催化剂, 其催化效率也不高, 对此现象做出如下解释: NaZn-PO4·H2O中含有结晶水(图 3), 随着温度的升高会失去自由水和结晶水, 由于NCAs对水极为敏感, 容易分解或开环聚合, 且DMC易分解, 因此含有结晶水的催化剂难以催化合成目标产物.氨基酸通常以两性离子存在, 单独的氨基酸不易与DMC发生甲氧基碳酰基化反应, 需将氨基酸去质子化. NaZnPO4中的O—Na与Zn2+在反应过程中起到酸碱协同催化作用, O—Na可以先使氨基酸去质子化, Zn2+再催化氨基酸与DMC发生甲氧基碳酰基化反应, 并进一步催化中间体关环反应.
在四氢呋喃(THF)、DMF和二甲基亚砜(DMSO) 3种溶剂中, Ala-NCA的产率随温度的变化关系如图 4所示.从图中可以明显地看出, 当温度在120 ℃时, THF溶剂得到的产率为0, 增加温度产率升高, 温度达到150 ℃时产率最高为7.3%, 再增加温度产率下降; 用DMF和DMSO溶剂时150 ℃产率分别为46.84%和40.85%, 而且随着温度的升高产率有明显下降的趋势.
DMF和DMSO的极性大于THF, 氨基酸的溶解效果好.在亲核试剂(Y－)存在下, DMC既可以作为羰基化试剂, 也可以作为甲基化试剂(温度160 ℃以上)[12], 因此增加反应温度导致Ala-NCA收率降低.从图 5也可以看出, 随着反应温度的升高, 甲基化产物产率不断增长, 温度超过150 ℃时甲基化产物(N-甲基丙氨酸)急剧上升.
从图 6可以看出, 催化剂第一次使用时, Ala-NCA收率达到46.84%, 第二次催化时收率仍为46.09%, 与第一次相比目标产物收率略有减少.循环5次催化后, 目标产物收率仍达到38.62%, 说明NaZnPO4的催化剂具有较好的循环催化效果, 可重复使用.随着循环次数的增加, Ala-NCA收率下降, 其原因是由于NaZnPO4的结构发生了变化, Na+和Zn2+部分流失, 同时催化剂表面积减少和孔径变小.通过对反应后的催化剂进行氮气物理吸附和XPS测试, 间接证明随着循环次数的增加, 催化剂结构变化是导致目标产物收率下降的主要原因.
图 7和图 8的氮气吸附等温线和孔径分布可以发现, 催化剂NaZnPO4孔径主要分布于2~15 nm.说明合成的NaZnPO4催化剂含有介孔, 且具有窄的孔径分布.然而从表 1发现, 制备的NaZnPO4比面积较小和孔隙率低, 其比表面积仅为7.285 m2·g－1, 可能是没加致孔剂的缘故.从图 7可以看出, 反应前催化剂孔径主要分布于2~15 nm, 而催化剂使用后出现了低于2 nm的孔道, 孔道的变小不利于物质的传质, 导致催化效率下降.随着催化反应循环次数的增加, 催化剂比表面积也减小, 从7.285下降到3.650 m2·g－1, 孔隙率由反应前的0.0124 cm3·g－1, 减少为0.0071 cm3·g－1, 导致催化剂表面的活性位点减少, 因此催化效果明显下降.
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| Sample (NaZnPO4) | Total pore volume/ (cm3·g－1) |
BET surface area/ (m2·g－1) |
| 反应前 | 0.0124 | 7.285 |
| 循环2次 | 0.0074 | 3.731 |
| 循环4次 | 0.0070 | 3.650 |
对反应前后的催化剂进行XPS表征(图 9), 发现反应前的催化剂没有检测到N元素的存在, 而反应后的催化剂可以检测到N元素.说明在反应过程中, 丙氨酸反应物吸附在催化剂上.反应前催化剂的氮含量为0, 循环二次的催化剂氮含量为2.46%, 循环四次的催化剂氮含量达到4.73%, 说明随着反应进行, 催化剂上吸附的含N物质增多[图 9(B)], 从图 9(A)也看出C的含量在反应前后也有增加, 进一步说明氨基酸吸附在催化剂上. 图 8(C)中Zn和Na含量随着循环次数的增加, 其含量也逐渐减少, Zn和Na逐渐的流失导致Ala-NCA收率降低.
循环次数的增加导致目标产物收率减少, 第一个原因是氨基酸和中间体在NaZnPO4表面和孔道内沉积, 导致比表面减少, 孔隙率减少.第二个原因是钠离子和锌离子的减少, O—Na在反应过程中需先将氨基酸去质子化, 然后锌离子再活化DMC, 最后与去质子化的氨基酸发生甲氧基碳酰基化反应.生成的中间体在催化剂表面发生原位反应, 即中间体精准关环.两种离子的减少导致活性位点减少, 催化效果降低, 因此目标产物收率下降.
如图 10C所示, 在2356和673 cm－1处的吸收峰, 属于CO2的特征吸收峰, 不同加热温度下都有3261 cm－1的吸收峰.由于水存在时, 水的强吸收峰将会覆盖了甲醇的O—H的吸收峰, 因此选取C—O的特征吸收峰(1000~1070 cm－1)解析DMC的反应与转换过程. 150 ℃时, 在1070 cm－1处存在伸缩振动峰, 结合质谱图(图 10B)在150 ℃释放气体的分子量为32, 说明150 ℃处释放的是CH3OH. NaZnPO4吸附反应物后, 在升温过程中有4次失重现象(图 10A), 结合质谱和红外谱图说明150 ℃有甲醇产生. DMC吸附在催化剂表面, 并随着反应温度的升高, DMC与氨基酸的氨基反应释放CH3OH, 生成中间体原位进行关环生成Ala-NCA.由于产物Ala-NCA不稳定, 随着温度升高会开环释放CO2.结果表明, 通过TG-MS-IR测试, 原料和中间体均被吸附在催化剂的表面上, 原料和中间体在NaZnPO4表面发生氨基酸酰基化, 以及氨基酸酰基化中间体原位脱出甲醇实现精准关环.
基于以上表征, 提出了一种可能的反应机理(图 11), NaZnPO4结构中存在亲电性的Zn2+路易斯酸和亲核性的O—Na. Zn2+与C＝O的O原子作用, 提高了羰基碳的亲电性, 促进了氨基酸与DMC的甲氧基碳酰基化反应, 释放了一分子CH3OH.而COOH中的H+容易被催化剂O—Na的O-捕获, 生成的—COO—再与氨基酸酰基化中间体的羰基结合, 并通过催化剂中O—H转移质子, 促进中间体环化生成Ala-NCA, 并释放另一分子的CH3OH.
研制了NaZnPO4酸碱协同催化剂, 在DMF溶剂中, 150 ℃的反应条件反应8 h时, Ala-NCA的产率最高为46.84%.将催化剂循环5次后, NaZnPO4还具有较高的催化效率, 仍可达到38.62%, 由于催化剂表面孔径和表面积降低及Na+和Zn2+的流失, 导致催化效率下降.
由于DMC活性不高, 氨基酸不易与DMC发生甲氧基碳酰基化反应, 需先将氨基酸去除质子化. NaZnPO4中Zn2+和O—Na具有酸碱协同催化作用, O—Na可以使氨基酸去质子化, 然后再与DMC发生甲氧基碳酰基化.通过转移质子, 实现中间体原位环化, 得到一分子Ala-NCA和两分子甲醇. NaZnPO4酸碱协同催化, 实现了绿色“一锅法”合成NCAs.未来将通过提高催化剂比表面积、孔隙率和优化催化活性物种, 实现目标产物收率进一步的提高.
NaZnPO4是通过文献报道方法的基础上进行了一定的修改合成的[13].将Na2HPO4·12H2O (7.16 g, 0.01 mol)放置在研钵中进行仔细研磨10 min后, 再加ZnSO4·6H2O (5.057 g, 0.085 mol)再研磨20 min, 后加碳酸钠继续研磨, 等到没有气泡时停止.进行水洗, 直到滤液pH＝7时, 再用乙醇洗一遍.在120 ℃的烘箱中反应2 h, 然后将所制备的催化剂分别在300, 400, 500和600 ℃的温度下煅烧以10 ℃/min保温4 h, 对合成的催化剂结构用XRD进行表征.
在此反应的最佳条件下进行催化剂重复利用实验, 即最佳反应温度、最佳反应溶剂和最佳反应时间, 验证催化剂重复利用后产率变化.反应后将催化剂溶液进行蒸馏水多次洗涤, 再乙醇洗涤后在120 ℃烘箱中进行干燥, 再进行重复使用.
丙氨酸(L-alanine, 0.89 g, 0.01 mol)和NaZnPO4 (1.57 g, 0.01 mol)加入到三口烧瓶中, 再向其中加入30 mL溶剂(DMF), 然后在不同的温度(100~180 ℃)下将DMC滴加磁力搅拌4~10 h, 冷凝回流并通过油浴加热进行反应.冷却至室温后进行真空过滤.反应溶剂冷却后, 用GC-MS进行定性检测, 使用HPLC-ELSD进行定量检测.利用氯仿(乙醚或四氢呋喃)对目标产物进行萃取分离, 并通过蒸馏得到目标产物.分离过程导致部分产物物理和化学丢失, 造成收率比产率低.
采用GC-MS对反应产物进行验证, 仪器为美国安捷伦公司生产的型号为6890N+5973N气相质谱联用仪, 气相可以分析沸点低于350 ℃的稳定有机化合物, 可以将混合物很好的分离, 气相色谱仪和质谱仪集于一身的高级分离、分析设备.测试条件为:色谱柱温度为以10 ℃/min速率从50升至270 ℃保持20 min, 进样口温度为280 ℃; 质谱:离子化能量70 eV.标准样品Ala-NCA和反应液冷却后进行GC-MS测试, 标准样的气相峰的位置是t＝9.12 min, 质谱图的分子碎片分别为: 100、86、71和58, 分子碎片71的最高; 而反应液中气相峰的位置是t＝9.1 min, 分子碎片含有100、86、71和58, 两者的气相和质谱图基本能完全吻合.采用HPLC-ELSD的测试条件如下:洗脱液为甲醇, 流速为0.6 mL/min, 雾化器气体压力保持在300 kPa, 漂移管温度设置在100 ℃.目标产物的熔点与标样一样, 其NMR和红外光谱均一致说明Ala-NCA成功合成.
(a) Deming, T. J. Nature 1997, 390, 386; (b) Liang, J.; Zhi, X.; Zhou, Q.; Yang, J. Polymer 2019, 165, 830; (c) Nie, Y.; Zhi, X.; Du, H.; Yang, J. Molecules 2018, 23, 760; (d) Lu, H.; Cheng, J. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14114; (e) Aliferis, T.; Iatrou, H.; Hadjichristidis, N. Biomacromolecules 2004, 5, 1653.
(a) Deming, T. J. Adv. Polym. Sci. 2006, 202, 1; (b) Cheng, R. P.; Fisher, S. L.; Imperiali, B. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11349.
Maji, S. K.; Banerjee, R.; Velmurugan, D.; Razak, A.; Fun, H. K.; Banerjee, A. J. Org. Chem. 2002, 67, 633. doi: 10.1021/jo010314k
Frank, A. O.; Vangamudi, B.; Feldkamp, M. D. J. Med. Chem. 2014, 57, 2455. doi: 10.1021/jm401730y
(a) Cha, J. N.; Stucky, G. D.; Morse, D. E.; Deming, T. J. Nature 2000, 403, 289; (b) Deming, T. J. Adv. Drug. Delive. Rev. 2002, 54, 1145; (c) Dos Santos, S.; Chandravarkar, A.; Mandal, B.; Mimna, R.; Murat, K.; Saucede, L.; Tella, P.; Tuchscherer, G.; Mutter, M. S. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11888; (d) Deng, C.; Wu, J.; Cheng, R.; Meng, F.; Klok, H.; Zhong, Z. Prog. Polym. Sci. 2014, 39, 330; (e) Lu, H.; Wang, J.; Song, Z.; Yin, L.; Zhang, Y.; Tang, H.; Tu, C.; Lin, Y.; Cheng, J. Chem. Commun. 2014, 50, 139.
Leuchs, H. J. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1906, 39, 857. doi: 10.1002/cber.190603901133
(a) Kricheldorf, H. R.; Lossow, C. V.; Schwarz, G. Macromol. Chem. Phys. 2005, 206, 282; (b) Ohkawa, K.; Nagai, T.; Nishida, A.; Yamomoto, H. J. Adhes. 2009, 85, 770.
(a) Vayaboury, W.; Giani, O.; Collet, H.; Commeyras, A.; Schué, F. Amino Acids 2004, 27, 161; (b) Collet, H.; Bied, C.; Mion, L.; Taillades, J.; Commeyras, A. Tetrahedron Lett. 1996, 37, 9043.
(a) Tundo, P.; Selva, M. J. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 706; (b) Tundo, P.; Musolino, M.; Aricò, F. Green Chem. 2018, 20, 28; (c) Anastas, P. T.; Lankey, R. L. Green Chem. 2000, 2, 289; (d) Li, Z.; Cheng, B.; Su, K.; Gu, Y.; Xi, P.; Guo, M. J. Mol. Catal. A 2008, 289, 100.
Zhang, Z.; Su, K.; Li, Z. Org. Lett. 2019, 21, 749. doi: 10.1021/acs.orglett.8b03984
Nenoff, T. M.; Harrison, W. T. A.; Gier, T. E.; Stucky, G. S. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 378. doi: 10.1021/ja00001a065
Tundo, P.; Arico, P.; Rosamilia, A. E.; Rigo, M.; Maranzana, A.; Tonachini, G. Pure Appl. Chem. 2009, 81, 1971. doi: 10.1351/PAC-CON-08-12-02
王金霞, 硕士论文, 中北大学, 太原, 2005.Wang, J. X. M.S. Thesis, North University of China, Taiyuan, 2005 (in Chinese).
图 1 催化剂的XRD谱图(A:未煅烧的催化剂, B: 500 ℃煅烧的催化剂)
Figure 1 XRD spectra of catalysts. (A: uncalcined catalyst, B: the calcined catalyst at 500 ℃)
图 2 不同温度煅烧的催化剂与反应时间的Ala-NCA产率图
Figure 2 Effect of catalysts at different calcination temperatures and reaction time on the yield of Ala-NCA
图 4 不同溶剂下Ala-NCA产率与温度变化的关系(Solvent 1: THF, Solvent 2: DMF, Solvent 3: DMSO)
Figure 4 Relationship between the isolated yield (%) and temperature (℃) of Ala-NCA in different solvents. (Solvent 1: THF, Solvent 2: DMF, Solvent 3: DMSO)
图 5 N-甲基丙氨酸产率随不同反应温度的变化关系图
Figure 5 Relationship between the isolated yield (%) and different temperatures of N-methyl-alanine
图 6 Ala-NCA的产率随催化剂循环次数的变化关系图
Figure 6 Relationship between the yield of Ala-NCA and catalytic recycles
图 7 NaZnPO4的氮气脱吸附等温曲线随循环次数的关系图(a:反应之前的催化剂; b, c:循环2, 4次后的催化剂)
Figure 7 Nitrogen adsorption and desorption isotherms of NaZnPO4 with the reaction cycles (a: before reaction; b, c: number of cycles: 2, 4)
图 8 NaZnPO4的孔径分布随循环次数的关系图(a:反应之前的催化剂; b, c:循环2, 4次后的催化剂)
Figure 8 Curves pore size distribution of NaZnPO4 with the reaction cycles (a: before reaction; b, c: number of cycles: 2, 4)
图 9 (A) NaZnPO4的XPS谱图随循环次数的关系图; (B) N的含量随循环次数的变化关系图; (C) Na和Zn的含量随循环次数的变化关系图(a:反应之前的催化剂; b, c循环2, 4次后的催化剂)
Figure 9 (A) XPS spectra of NaZnPO4 with the reaction cycles; (B) the relationship between N content and reaction cycles; (C) the element content of Zn and Na with the reaction cycles (a: before reaction; b, c: number of cycles: 2, 4)
图 10 催化剂反应后的TG-MS-IR图. (A) TG-DTG; (B)释放气体的电流强度与温度的关系; (C)在不同温度下产生气体的FTIR光谱(a, b, c, d分别为150, 310, 422, 560 ℃)
Figure 10 TG-MS-IR of Catalyst after reaction. (A) TG-DTG; (B) ion current intensity of evolved gases versus temperature; (C) FTIR spectra of gascous products at different temperatures (a, b, c, d at 150, 310, 422, 560 ℃, respectively)
表 1 NaZnPO4的孔结构性质随循环次数的变化
Table 1. Pore structure properties of NaZnPO4 with the reaction cycles
| Sample (NaZnPO4) | Total pore volume/ (cm3·g－1) |
BET surface area/ (m2·g－1) |
| 反应前 | 0.0124 | 7.285 |
| 循环2次 | 0.0074 | 3.731 |
| 循环4次 | 0.0070 | 3.650 |
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