苯胺催化在生物大分子修飾和材料合成中的應用①

信雅楠

(盤錦市產業技術創新和研發基地建設工程中心 遼寧盤錦 124000)

針對縮氨脲進行合成的過程中發現，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到了10～1000倍。將其當做親核催化劑，苯胺針對成肟反應也產生了一樣的催化活性。針對中性條件基礎之上的成肪反應，一般要至少1個反應底物過量，以便將反應速率提升。借助苯胺催化，在低濃度下，實現了未保護膚鏈的成肪偶聯，當pH處于4.5時，反應速率的提升已經接近400倍。但是肽鏈的成腙反應，當pH處于5.7時，反應速率提升了70倍。在研究過程中，研究人員還第一次發現，在生物體系當中，借助芳胺催化劑，可使大分子的偶聯得以實現，促進反應速率大幅度提升。

1 芳胺催化構效關系

1.1 催化劑產生的鄰位質子效應

伯胺與醛酮產生的縮合反應，一般最明顯的表現便是酸添加劑效應。在相關研究的過程中，發現可N，N-二甲基乙二胺一質子酸二元體系與醛酮反應形成亞胺的速率，要高于普通伯胺。質子化叔胺利用分子內酸催化，使半縮醛胺的轉化得到了促進，成為了亞胺。在此前提下，對雙功能的芳香伯胺催化體系實施了設計，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位置進行改變。在研究中，僅處于鄰位的芳胺催化劑，產生的催化活性非常強，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，當氨茴酸中羧酸被當做分子內的催化劑時，可聯合半縮醛胺構成八元環狀過渡態，在催化決速步中，形成亞胺。同時，在羧酸的鄰位，如果有甲基存在，會極大的減少芳胺催化劑的活性，這便從另一個角度，對羧酸參與過渡態的形成進行了印證。

1.2 芳環的取代基效應

在一系列的研究中發現，給電子基團，可以提升氨茴酸的催化活性；吸電子基團，可降低催化活動。此外，2-氨基苯磺酸盡管存在鄰位質子效應，但因為相應的磺酸基團，吸電子能力非常強，減弱了氨基的親核型，所以基本失去了催化活性。此外，在研究中還發現，對位取代的芳胺，有著更好的催化劑活性，其中存在的氨基、經基以及甲氧基取代的苯胺活性，產生了逐步遞減的情況。對于這一現象，從對應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行提升時，氨基或羧基的鄰位，降低了存在甲基取代基時催化劑的活性。加之對位取代的芳胺催化劑活性，通常來說會大于鄰位取代。針對產生的催化劑穩定性，因為給電子基團，所以增大了苯環存在的電子密度，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的應用

2.1 生物大分子修飾

在2008年，便已經完成了未保護肽鏈的熒光標記。借助苯胺催化biotin-羥胺的成肟反應，利用存在熒光基團的streptavidin以及biotin特異性進行了結合，成功在細胞表面糖蛋白的特異性進行了標記。針對底物濃度較低，溫度不高的情況下，苯胺催化可以對細胞表面進行專一性的熒光標記。

在相關研究中，第一次成功的將細胞內細菌受體的活細胞進行了標記，并且實現了成像。通過兩步的標記方法，先通過活性的群體感應信號分子類似物異硫氰酸鹽ITC-12，將其結合轉錄激活子LasR，再把有著熒光標記BODIPY的烷氧基氨基，借助共價鍵進行連接。而應用苯胺催化劑，標記時間得到了縮短，首次實現對綠膿桿菌群體感應受體在活細胞內的熒光標記與成像進行了實現。

針對高碘酸鈉與苯胺催化結合之后，產生的偶聯反應也進行了報道，成功針對細胞中存在的糖復合物實施了檢測。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，因為自己便是熒光分子，并且熒光量子產率非常高，所以并不需要添加連有熒光標記的streptavidin實施檢測成像。

2.2 材料合成

通過苯胺催化之后，產生的成腺反應，對超分子凝膠力學性質進行了調控，并且成功調控了結構。依照之前的環己烷-氨基酸鏈接的水凝膠存在的結構，對水溶性的三腙63以及醛64，可以在原位構成的腙65進行了設計。酸以及苯胺催化劑，可以站在動力學的角度上，對反應的調控進行實現，借助反應速率的加快，獲取稠密的均相網狀支纖維結構。同時，機械的強度也有所提升。苯胺催化劑，如果存在于中性條件中，會獲取相似于酸催化結果，這便導致在超分子材料合成中的應用有所擴大。

借助酶活化過程產生的啟發，利用化學信號活化活化劑，可在時間上對軟材料的合成實施控制。對于催化劑前體開展的設計，將其結合H2O2結合產生作用之后，會將苯胺釋放，在一定的時間中，使得聚合物凝膠成功實現，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，活化之后達到的催化效果非常相似于苯胺。

針對超分水凝膠性質的具體探究，發現利用將醛或者酮的結構、以及親水性的改變，可對彈性系數和網狀結構存在的超分子性質加以調控。此外，結構單元當中，可利用不同基團開展對膠體的修飾。例如：將不同的熒光探針在醛上連接，便可完成超分子網狀結構成像的效果。借助苯胺催化的成肟反應，可修飾高分子囊泡的表面，從而產生了全新的動態高分子表面修飾的形式。聚合物分子的一段連接著肼，另一端可以對不同的熒光劑基團66進行修飾。通過苯胺產生的催化作用，肼偶聯的嵌段共聚物可以聯合肼66，或者其他存在的聚物，例如69，針對表面官能團，實施交換，從而對熒光標記實現。

3 結語

對于苯胺的應用，產生的催化活性比較有限，需要使用的催化劑量非常大，才能實現提升效果。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，要對生物體系中存在的兼容性進行改善，借助苯環，把不同取代基引入其中，更改存在的相對位置，或對新的催化骨架實施設計，便可取得理想的高催化活性的芳胺催化劑。但對于應用探究，還有很大的空間，需要不斷的研究和思索。