J. Am. Chem. Soc. | 基于分层手性组装的快速无催化剂合成立体选择性聚多肽

分享一篇近期发表在J. Am. Chem. Soc.上的文章，题目为Fast Catalyst-Free Synthesis of Stereoselective Polypeptides via Hierarchical Chiral Assembly。文章的通讯作者是来自吉林大学的孙静教授和中国科学院长春应用化学研究所的陈学思院士。

手性普遍存在于自然界中，在生命起源中起着至关重要的作用，特别是从外消旋单体混合物中产生同手性生物大分子的过程。多种催化剂已被开发用于外消旋单体的立体选择性聚合，但是无催化剂时外消旋单体聚合的立体选择性通常较差。天然蛋白质可以自发组装形成高度有序的分层超结构，因此理解和模仿其中所涉及的复杂过程有利于深入理解生命起源中同手性生物聚合物的出现。

超声可以破坏分子间的非共价相互作用，改变分子的堆积结构。从而促进组装。本文中，作者利用超声辅助，以大分子引发剂mPEG-NH₂进行ε-苯氧羰基-_L/D-赖氨酸N-羧基内酸酐（ZLL-NCA和ZDL-NCA）单体的水相开环聚合诱导自组装（ROPISA），在短时间内获得了分层的手性超螺旋（图1）。此外，他们通过外消旋单体的立体选择性聚合有效地制备了等规聚多肽。

图1. mPEG-NH₂引发的ZLL-NCA、ZDL-NCA和外消旋单体混合物的水相ROPISA

首先作者在超声辅助下，以mPEG-NH₂引发ZLL/ZDL-NCA单体的开环聚合，得到了二嵌段共聚物PEG-b-PZLL/PZDL。随着投料比和转化率的增加，聚合物的分子量M_n呈线性增加，分散度Đ均较窄，证明聚合过程具有可控性（图2a、b）。表观动力学速率常数（k）的测定表明，与常规的NCA开环聚合相比，超声辅助聚合具有更快的动力学和更高的单体转化率（图2c）。此外，他们通过圆二色谱（CD）和衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析发现聚合物具有β-折叠结构，并且随着聚合的进行逐渐转变为扭曲的β-折叠结构（图2d、e）。

图2. mPEG-NH₂介导的ZLL-NCA的水相可控ROP

作者进一步利用透射电镜（TEM）观察了PEG₁₁₃–b-PZLL₄₈在不同聚合时间点的组装形态。TEM图像显示，在聚合初期（约30 s），观察到直径约为20 nm的球形胶束和大部分直径约为4−10 nm、螺距约为4 nm的右手螺旋共存（图3a、b）。随着聚合时间的延长，这些螺旋逐渐增长并相互缠绕，30分钟后形成了直径约为20−30 nm、长度可达350 nm的右手超螺旋结构（图3g、h）。此外，对于手性相反的PEG-b-PZDL，观察到了一致的左手超螺旋结构（图3i−l）。以上结果与CD结果高度一致，表明聚多肽的手性在很大程度上支配着分层超螺旋的手性。

图3. 超螺旋结构随时间的结构演化

接着，作者进行了外消旋单体ZLL-NCA和ZDL-NCA的聚合，得到了共聚物PEG₁₁₃–b-PZDLL_n。TEM图像显示，在聚合初期，观察到左手和右手螺旋的共存，随着聚合的进行，这些螺旋逐渐缠结形成直径约为16−17 nm的超螺旋结构（图4a−d）。CD和ATR-FTIR结果显示，聚合物的二级结构主要为β-折叠，并且与ZLL/ZDL的聚合度无关，表明聚合物中存在同手性嵌段（图4e、f）。此外，在不同的聚合时间得到的PEG₁₁₃–b-PZDLL₃₄均具有较高的等规度P_m，表明水相聚合对合成等规聚多肽的有效性（图4i、j）。

图4. ZLL-NCA和ZDL-NCA外消旋单体合成立构嵌段共聚物的微观结构及合成分析

最后，作者通过TEM研究了聚合过程中模板对手性放大现象的影响。他们首先使用ZLL-NCA进行聚合，发现形成了右手超螺旋结构，随后加入等当量的ZDL-NCA，发现组装体仍呈右手超螺旋结构，改变两种单体的加入顺序则形成左手超螺旋结构（图5a、b）。随着ZLL聚合度的增加，观察到的右手超螺旋结构的比例逐渐增加（图5c−f）。以上结果表明，最初形成的超螺旋结构可以作为模板调节随后的手性放大过程。

图5. 模板对共聚物ROPISA的影响

综上所述，作者开发了一种基于分层手性组装的超声辅助合成对映体富集聚多肽的策略，为理解生命起源中从外消旋单体混合物产生同手性生物聚合物的过程提供了新的思路。

作者：SY 审校：QJC

DOI: 10.1021/jacs.4c03281

Link: https://doi.org/10.1021/jacs.4c03281