多肽前体的安全可持续按需合成

在自然界中，有些动物会制造出坚固而有弹性的纤维——例如，蜘蛛用来结网的线。这些纤维具有多肽结构，为研究功能材料的开发提供了灵感。

α(α)-氨基酸N-羧酸酐(NCAs)是人工多肽的前体。然而，该化合物容易分解，因此难以在商业上获得。因此，有必要在需要的位置和时间合成适量的α-氨基酸NCA。

NCAs通常由植物来源的氨基酸和光气合成。然而，光气具有剧毒和使用危险，导致对可以替代它的新化合物和反应的需求不断增长。神户大学理学研究科研究生院津田明彦副教授的研究小组使用他们之前开发的按需光气化方法，成功地从氯仿(一种常见的有机溶剂)和氨基中以安全、廉价和简单的方式合成了NCA酸。

学术论文于2022年10月19日在线发表于ACSOmega。

光气(COCl2)用作聚合物的前体和医药中间体。全球光气市场继续以每年几个百分点的速度增长，年产量约为8至900万吨。然而，光气是剧毒的。出于安全原因，正在进行研究和开发以寻找替代品。

津田副教授的研究小组在世界上首次发现，用紫外线照射氯仿，使其与氧气反应并产生高产率的光气(专利号5900920)。为了以更安全、更容易的方式进行此操作，研究小组找到了一种可以立即进行光气生成反应的方法。他们首先将反应物和催化剂溶解在氯仿中，并通过用光照射溶液产生光气(专利号6057449)。这样，可以像不使用光气一样进行基于光气的有机合成。

该研究小组将他们的发现命名为“按需照片有机合成方法”，并已成功地将其用于合成许多有用的有机化学品和聚合物。例如，他们仅通过用光照射氯仿和酒精的混合溶液(根据需要添加碱)，就以安全、廉价和简单的方式成功地合成了大量的氯甲酸盐和碳酸盐。

这些在神户大学开发的极具原创性的反应，通过与国内化学公司的合作得到了改进，这项研究的最终目的是实际实施。正在进行进一步的应用研究，以及使用这种合成方法开发功能性聚氨酯。

光按需有机合成方法除了对环境影响小外，还具有高度的安全性和经济性。因此，它作为一种可持续的化学合成方法受到了工业界和学术界的关注。

图2：本研究结果示意图：A.新开发的按需照片NCA合成方法。B.使用这种方法合成的NCA。学分：神户大学

研究方法论

本研究以氯仿和α-氨基酸为原料，采用按需拍照法成功合成了α-氨基酸N-羧酸酐(NCAs)(图2)。NCA是多肽前体。α-氨基酸虽然易溶于水，但不溶于氯仿。这意味着研究小组无法使用之前的按需照片方法合成NCA。然而，他们发现，通过添加乙腈(CH3CN)，可以与水和氯仿混合作为溶剂，可以产生高产率(约91%)的NCA。预计反应不会正行，因为乙腈会吸收光，阻碍氯仿的光氧化。

令人惊讶的是，研究人员发现尽管有这种障碍，反应还是发生了，从而导致了这项研究的成功结果。除了被光降解的原料(氨基酸)外，这种光反应还可用于生产通常使用光气法合成的NCA。迄今为止，课题组利用该光反应成功合成了11种NCA。

合成方法的详细分解如下。首先，将α-氨基酸悬浮在氯仿和乙腈的混合溶液中。然后在70°C下对其进行光照射两到三个小时。关闭灯后，通过加热和搅拌溶液约一小时产生NCA。本品可提取精制得到高纯度的NCA。氯仿的光氧化由自由基链式反应促进，该自由基链式反应由光裂解C-Cl键引发。因此，仅通过增加反应容器的尺寸并保持光源不变，就可以在高达10克的规模上实现合成。希望通过进一步扩大这种方法，它可以用于从学术界到化学工业的广泛领域。

进一步发展

通过这项研究开发的新的按需照片NCA合成方法能够以安全、廉价和简单的方式合成大量的NCA(多肽前体)。这种容易获得的NCA将刺激人工多肽的研究和开发，这将有望导致新材料的创造，例如新的功能性多肽纤维，其性能将优于动物产生的天然纤维(图3)。此外，预计以植物来源的氨基酸为起始剂合成这些新型多肽纤维，将有助于开发符合时代需求的下一代生物材料。

津田集团的目标是将按需照片的NCA合成方法工业化。为此，除了继续他们的研究和开发工作外，他们还向感兴趣的公司提供专利许可和有关如何利用这些技术的指导。他们希望通过与行业合作进一步发展这项研究。