苯胺催化在生物大分子修飾和材料合成中的應(yīng)用①

信雅楠

(盤錦市產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)基地建設(shè)工程中心 遼寧盤錦 124000)

針對(duì)縮氨脲進(jìn)行合成的過程中發(fā)現(xiàn)，與普通的酸催化劑相比，苯胺以及取代衍生物的催化活性居然達(dá)到了10～1000倍。將其當(dāng)做親核催化劑，苯胺針對(duì)成肟反應(yīng)也產(chǎn)生了一樣的催化活性。針對(duì)中性條件基礎(chǔ)之上的成肪反應(yīng)，一般要至少1個(gè)反應(yīng)底物過量，以便將反應(yīng)速率提升。借助苯胺催化，在低濃度下，實(shí)現(xiàn)了未保護(hù)膚鏈的成肪偶聯(lián)，當(dāng)pH處于4.5時(shí)，反應(yīng)速率的提升已經(jīng)接近400倍。但是肽鏈的成腙反應(yīng)，當(dāng)pH處于5.7時(shí)，反應(yīng)速率提升了70倍。在研究過程中，研究人員還第一次發(fā)現(xiàn)，在生物體系當(dāng)中，借助芳胺催化劑，可使大分子的偶聯(lián)得以實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)反應(yīng)速率大幅度提升。

1 芳胺催化構(gòu)效關(guān)系

1.1 催化劑產(chǎn)生的鄰位質(zhì)子效應(yīng)

伯胺與醛酮產(chǎn)生的縮合反應(yīng)，一般最明顯的表現(xiàn)便是酸添加劑效應(yīng)。在相關(guān)研究的過程中，發(fā)現(xiàn)可N，N-二甲基乙二胺一質(zhì)子酸二元體系與醛酮反應(yīng)形成亞胺的速率，要高于普通伯胺。質(zhì)子化叔胺利用分子內(nèi)酸催化，使半縮醛胺的轉(zhuǎn)化得到了促進(jìn)，成為了亞胺。在此前提下，對(duì)雙功能的芳香伯胺催化體系實(shí)施了設(shè)計(jì)，模板底物為4-肼基-7-硝基-2,1,3-苯并氧雜二唑（50）與4-硝基苯甲醛（51），將氨茴酸中竣基與氨基存在的相對(duì)位置進(jìn)行改變。在研究中，僅處于鄰位的芳胺催化劑，產(chǎn)生的催化活性非常強(qiáng)，且含取代基的苯甲酸的催化活性，與氨茴酸相比，要小很多。所以，當(dāng)氨茴酸中羧酸被當(dāng)做分子內(nèi)的催化劑時(shí)，可聯(lián)合半縮醛胺構(gòu)成八元環(huán)狀過渡態(tài)，在催化決速步中，形成亞胺。同時(shí)，在羧酸的鄰位，如果有甲基存在，會(huì)極大的減少芳胺催化劑的活性，這便從另一個(gè)角度，對(duì)羧酸參與過渡態(tài)的形成進(jìn)行了印證。

1.2 芳環(huán)的取代基效應(yīng)

在一系列的研究中發(fā)現(xiàn)，給電子基團(tuán)，可以提升氨茴酸的催化活性；吸電子基團(tuán)，可降低催化活動(dòng)。此外，2-氨基苯磺酸盡管存在鄰位質(zhì)子效應(yīng)，但因?yàn)橄鄳?yīng)的磺酸基團(tuán)，吸電子能力非常強(qiáng)，減弱了氨基的親核型，所以基本失去了催化活性。此外，在研究中還發(fā)現(xiàn)，對(duì)位取代的芳胺，有著更好的催化劑活性，其中存在的氨基、經(jīng)基以及甲氧基取代的苯胺活性，產(chǎn)生了逐步遞減的情況。對(duì)于這一現(xiàn)象，從對(duì)應(yīng)的苯胺中氨基親核性有所下降獲得了解答。在降氨茴酸催化活性進(jìn)行提升時(shí)，氨基或羧基的鄰位，降低了存在甲基取代基時(shí)催化劑的活性。加之對(duì)位取代的芳胺催化劑活性，通常來說會(huì)大于鄰位取代。針對(duì)產(chǎn)生的催化劑穩(wěn)定性，因?yàn)榻o電子基團(tuán)，所以增大了苯環(huán)存在的電子密度，使其在空氣中非常容易被氧化。

2 芳胺催化成肪和成腙反應(yīng)的應(yīng)用

2.1 生物大分子修飾

在2008年，便已經(jīng)完成了未保護(hù)肽鏈的熒光標(biāo)記。借助苯胺催化biotin-羥胺的成肟反應(yīng)，利用存在熒光基團(tuán)的streptavidin以及biotin特異性進(jìn)行了結(jié)合，成功在細(xì)胞表面糖蛋白的特異性進(jìn)行了標(biāo)記。針對(duì)底物濃度較低，溫度不高的情況下，苯胺催化可以對(duì)細(xì)胞表面進(jìn)行專一性的熒光標(biāo)記。

在相關(guān)研究中，第一次成功的將細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌受體的活細(xì)胞進(jìn)行了標(biāo)記，并且實(shí)現(xiàn)了成像。通過兩步的標(biāo)記方法，先通過活性的群體感應(yīng)信號(hào)分子類似物異硫氰酸鹽ITC-12，將其結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活子LasR，再把有著熒光標(biāo)記BODIPY的烷氧基氨基，借助共價(jià)鍵進(jìn)行連接。而應(yīng)用苯胺催化劑，標(biāo)記時(shí)間得到了縮短，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)綠膿桿菌群體感應(yīng)受體在活細(xì)胞內(nèi)的熒光標(biāo)記與成像進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)高碘酸鈉與苯胺催化結(jié)合之后，產(chǎn)生的偶聯(lián)反應(yīng)也進(jìn)行了報(bào)道，成功針對(duì)細(xì)胞中存在的糖復(fù)合物實(shí)施了檢測(cè)。他們與其他研究有所不同，借助4-肼基-7-硝基-2,1,3-苯并氧雜二唑的原位生成苯胺，因?yàn)樽约罕闶菬晒夥肿?，并且熒光量子產(chǎn)率非常高，所以并不需要添加連有熒光標(biāo)記的streptavidin實(shí)施檢測(cè)成像。

2.2 材料合成

通過苯胺催化之后，產(chǎn)生的成腺反應(yīng)，對(duì)超分子凝膠力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了調(diào)控，并且成功調(diào)控了結(jié)構(gòu)。依照之前的環(huán)己烷-氨基酸鏈接的水凝膠存在的結(jié)構(gòu)，對(duì)水溶性的三腙63以及醛64，可以在原位構(gòu)成的腙65進(jìn)行了設(shè)計(jì)。酸以及苯胺催化劑，可以站在動(dòng)力學(xué)的角度上，對(duì)反應(yīng)的調(diào)控進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，借助反應(yīng)速率的加快，獲取稠密的均相網(wǎng)狀支纖維結(jié)構(gòu)。同時(shí)，機(jī)械的強(qiáng)度也有所提升。苯胺催化劑，如果存在于中性條件中，會(huì)獲取相似于酸催化結(jié)果，這便導(dǎo)致在超分子材料合成中的應(yīng)用有所擴(kuò)大。

借助酶活化過程產(chǎn)生的啟發(fā)，利用化學(xué)信號(hào)活化活化劑，可在時(shí)間上對(duì)軟材料的合成實(shí)施控制。對(duì)于催化劑前體開展的設(shè)計(jì)，將其結(jié)合H2O2結(jié)合產(chǎn)生作用之后，會(huì)將苯胺釋放，在一定的時(shí)間中，使得聚合物凝膠成功實(shí)現(xiàn)，也成功使超分子凝膠合成。這一催化劑前體的合成比較容易，活化之后達(dá)到的催化效果非常相似于苯胺。

針對(duì)超分水凝膠性質(zhì)的具體探究，發(fā)現(xiàn)利用將醛或者酮的結(jié)構(gòu)、以及親水性的改變，可對(duì)彈性系數(shù)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在的超分子性質(zhì)加以調(diào)控。此外，結(jié)構(gòu)單元當(dāng)中，可利用不同基團(tuán)開展對(duì)膠體的修飾。例如：將不同的熒光探針在醛上連接，便可完成超分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)成像的效果。借助苯胺催化的成肟反應(yīng)，可修飾高分子囊泡的表面，從而產(chǎn)生了全新的動(dòng)態(tài)高分子表面修飾的形式。聚合物分子的一段連接著肼，另一端可以對(duì)不同的熒光劑基團(tuán)66進(jìn)行修飾。通過苯胺產(chǎn)生的催化作用，肼偶聯(lián)的嵌段共聚物可以聯(lián)合肼66，或者其他存在的聚物，例如69，針對(duì)表面官能團(tuán)，實(shí)施交換，從而對(duì)熒光標(biāo)記實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語

對(duì)于苯胺的應(yīng)用，產(chǎn)生的催化活性比較有限，需要使用的催化劑量非常大，才能實(shí)現(xiàn)提升效果。加之苯胺在水溶液中，并沒有非常高的溶解度，高濃度中展現(xiàn)出了一定的生物毒性。為了將催化劑的活性和溶解度有效提升，要對(duì)生物體系中存在的兼容性進(jìn)行改善，借助苯環(huán)，把不同取代基引入其中，更改存在的相對(duì)位置，或?qū)π碌拇呋羌軐?shí)施設(shè)計(jì)，便可取得理想的高催化活性的芳胺催化劑。但對(duì)于應(yīng)用探究，還有很大的空間，需要不斷的研究和思索。