α-氨基酸NCA-NTA開環(huán)機理的量子化學(xué)計算.pdf

1、聚肽和聚類肽都是由α-氨基酸通過肽鍵（酰胺鍵）連接而形成的聚合物，由于其極佳的生物相容性、生物可降解性，有望能夠廣泛地應(yīng)用在生物醫(yī)藥領(lǐng)域、組織工程領(lǐng)域、生物材料領(lǐng)域等。α-氨基酸-N-羧酸酐（α-amino acidN-carboxyanhydride，NCA）開環(huán)聚合法以及N-硫代羧酸酐(N-thiocarboxyanhydride，NTA)開環(huán)聚合法是目前制備聚肽和聚類肽最具前景的方法。在過去的一個世紀中，科學(xué)家研究了多種機理以制備

2、分子量可控、組分及序列可控、分子量分布窄和具備多樣拓撲結(jié)構(gòu)的聚肽及聚類肽。其中常規(guī)胺引發(fā)機理(normal amine mechanism，NAM)是非常有效且被廣泛接受的機理。然而由于NCA活性高且對濕度敏感，使得其反應(yīng)必須在極為苛刻的條件下進行，聚合過程的中間體和過渡態(tài)很難甚至不可能被分離得到，對其機理的解釋都基于假設(shè)和間接證據(jù)。該機理的決速步是否為脫羧過程也因此一直飽受爭議。NTA由于其穩(wěn)定性非常好，在制備大分子量的聚肽、聚類肽上

3、又有顯著挑戰(zhàn)，對其研究才剛剛起步。因此，根據(jù)目前的技術(shù)條件從實驗上直接研究NAM機理的細節(jié)十分困難。
　　量子化學(xué)計算現(xiàn)已發(fā)展成為揭示化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的強有力工具，先后有兩次諾貝爾獎被授予研究該領(lǐng)域的科學(xué)家。其可靠性和高效性已經(jīng)被廣泛認可。我們采用量子化學(xué)中的B3LYP/6-31G(d，p)、B3LYP/Midix和MP2/6-31G(d，p)方法研究了伯胺、仲胺、帶有吸電基團的仲胺引發(fā)L-丙氨酸-NCA(L-alanine-NCA，

4、Ala-NCA)的開環(huán)聚合，發(fā)現(xiàn)仲胺和伯胺引發(fā)AIa-NCA開環(huán)聚合的能力近乎相同，且決速步均為胺加成過程。帶有吸電基團的仲胺由于其親核性降低，對Ala-NCA的引發(fā)能力顯著降低。我們研究了伯胺、仲胺引發(fā)N-取代甘氨酸-N-羧酸酐(N-substituted glycineN-carboxyanhydride，NNCA)的開環(huán)聚合，發(fā)現(xiàn)伯胺和仲胺引發(fā)能力近乎相同，決速步為胺加成過程，其結(jié)論與前者完全一致。我們用CCSD(T)-6-311

5、G(d，p)方法對上述四條反應(yīng)路徑做高精度能量計算并結(jié)合其他三種方法的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)NCA和NNCA之間可能進行活性無規(guī)共聚。進一步地，我們研究了伯胺和仲胺引發(fā)C4原子上具有不同取代基的NCA，發(fā)現(xiàn)取代基的不同并不會對化學(xué)反應(yīng)路徑產(chǎn)生明顯的改變，決速步依然是胺加成過程。為了更加貼近實驗現(xiàn)象，我們引入溶劑化效應(yīng)研究伯胺、仲胺引發(fā)NCA及NNCA開環(huán)聚合機理，發(fā)現(xiàn)溶劑化效應(yīng)并不會改變決速步?；瘜W(xué)反應(yīng)體系中，胺類并不會只按照一個方向進攻N