苯胺催化在生物大分子修饰和材料合成中的应用①

信雅楠

(盘锦市产业技术创新和研发基地建设工程中心 辽宁盘锦 124000)

针对缩氨脲进行合成的过程中发现，与普通的酸催化剂相比，苯胺以及取代衍生物的催化活性居然达到了10～1000倍。将其当做亲核催化剂，苯胺针对成肟反应也产生了一样的催化活性。针对中性条件基础之上的成肪反应，一般要至少1个反应底物过量，以便将反应速率提升。借助苯胺催化，在低浓度下，实现了未保护肤链的成肪偶联，当pH处于4.5时，反应速率的提升已经接近400倍。但是肽链的成腙反应，当pH处于5.7时，反应速率提升了70倍。在研究过程中，研究人员还第一次发现，在生物体系当中，借助芳胺催化剂，可使大分子的偶联得以实现，促进反应速率大幅度提升。

1 芳胺催化构效关系

1.1 催化剂产生的邻位质子效应

伯胺与醛酮产生的缩合反应，一般最明显的表现便是酸添加剂效应。在相关研究的过程中，发现可N，N-二甲基乙二胺一质子酸二元体系与醛酮反应形成亚胺的速率，要高于普通伯胺。质子化叔胺利用分子内酸催化，使半缩醛胺的转化得到了促进，成为了亚胺。在此前提下，对双功能的芳香伯胺催化体系实施了设计，模板底物为4-肼基-7-硝基-2,1,3-苯并氧杂二唑（50）与4-硝基苯甲醛（51），将氨茴酸中竣基与氨基存在的相对位置进行改变。在研究中，仅处于邻位的芳胺催化剂，产生的催化活性非常强，且含取代基的苯甲酸的催化活性，与氨茴酸相比，要小很多。所以，当氨茴酸中羧酸被当做分子内的催化剂时，可联合半缩醛胺构成八元环状过渡态，在催化决速步中，形成亚胺。同时，在羧酸的邻位，如果有甲基存在，会极大的减少芳胺催化剂的活性，这便从另一个角度，对羧酸参与过渡态的形成进行了印证。

1.2 芳环的取代基效应

在一系列的研究中发现，给电子基团，可以提升氨茴酸的催化活性；吸电子基团，可降低催化活动。此外，2-氨基苯磺酸尽管存在邻位质子效应，但因为相应的磺酸基团，吸电子能力非常强，减弱了氨基的亲核型，所以基本失去了催化活性。此外，在研究中还发现，对位取代的芳胺，有着更好的催化剂活性，其中存在的氨基、经基以及甲氧基取代的苯胺活性，产生了逐步递减的情况。对于这一现象，从对应的苯胺中氨基亲核性有所下降获得了解答。在降氨茴酸催化活性进行提升时，氨基或羧基的邻位，降低了存在甲基取代基时催化剂的活性。加之对位取代的芳胺催化剂活性，通常来说会大于邻位取代。针对产生的催化剂稳定性，因为给电子基团，所以增大了苯环存在的电子密度，使其在空气中非常容易被氧化。

2 芳胺催化成肪和成腙反应的应用

2.1 生物大分子修饰

在2008年，便已经完成了未保护肽链的荧光标记。借助苯胺催化biotin-羟胺的成肟反应，利用存在荧光基团的streptavidin以及biotin特异性进行了结合，成功在细胞表面糖蛋白的特异性进行了标记。针对底物浓度较低，温度不高的情况下，苯胺催化可以对细胞表面进行专一性的荧光标记。

在相关研究中，第一次成功的将细胞内细菌受体的活细胞进行了标记，并且实现了成像。通过两步的标记方法，先通过活性的群体感应信号分子类似物异硫氰酸盐ITC-12，将其结合转录激活子LasR，再把有着荧光标记BODIPY的烷氧基氨基，借助共价键进行连接。而应用苯胺催化剂，标记时间得到了缩短，首次实现对绿脓杆菌群体感应受体在活细胞内的荧光标记与成像进行了实现。

针对高碘酸钠与苯胺催化结合之后，产生的偶联反应也进行了报道，成功针对细胞中存在的糖复合物实施了检测。他们与其他研究有所不同，借助4-肼基-7-硝基-2,1,3-苯并氧杂二唑的原位生成苯胺，因为自己便是荧光分子，并且荧光量子产率非常高，所以并不需要添加连有荧光标记的streptavidin实施检测成像。

2.2 材料合成

通过苯胺催化之后，产生的成腺反应，对超分子凝胶力学性质进行了调控，并且成功调控了结构。依照之前的环己烷-氨基酸链接的水凝胶存在的结构，对水溶性的三腙63以及醛64，可以在原位构成的腙65进行了设计。酸以及苯胺催化剂，可以站在动力学的角度上，对反应的调控进行实现，借助反应速率的加快，获取稠密的均相网状支纤维结构。同时，机械的强度也有所提升。苯胺催化剂，如果存在于中性条件中，会获取相似于酸催化结果，这便导致在超分子材料合成中的应用有所扩大。

借助酶活化过程产生的启发，利用化学信号活化活化剂，可在时间上对软材料的合成实施控制。对于催化剂前体开展的设计，将其结合H2O2结合产生作用之后，会将苯胺释放，在一定的时间中，使得聚合物凝胶成功实现，也成功使超分子凝胶合成。这一催化剂前体的合成比较容易，活化之后达到的催化效果非常相似于苯胺。

针对超分水凝胶性质的具体探究，发现利用将醛或者酮的结构、以及亲水性的改变，可对弹性系数和网状结构存在的超分子性质加以调控。此外，结构单元当中，可利用不同基团开展对胶体的修饰。例如：将不同的荧光探针在醛上连接，便可完成超分子网状结构成像的效果。借助苯胺催化的成肟反应，可修饰高分子囊泡的表面，从而产生了全新的动态高分子表面修饰的形式。聚合物分子的一段连接着肼，另一端可以对不同的荧光剂基团66进行修饰。通过苯胺产生的催化作用，肼偶联的嵌段共聚物可以联合肼66，或者其他存在的聚物，例如69，针对表面官能团，实施交换，从而对荧光标记实现。

3 结语

对于苯胺的应用，产生的催化活性比较有限，需要使用的催化剂量非常大，才能实现提升效果。加之苯胺在水溶液中，并没有非常高的溶解度，高浓度中展现出了一定的生物毒性。为了将催化剂的活性和溶解度有效提升，要对生物体系中存在的兼容性进行改善，借助苯环，把不同取代基引入其中，更改存在的相对位置，或对新的催化骨架实施设计，便可取得理想的高催化活性的芳胺催化剂。但对于应用探究，还有很大的空间，需要不断的研究和思索。