一种热缩聚制备高含量线性ε-聚赖氨酸的聚赖氨酸的方法

摘要

本发明提供一种热缩聚制备高含量线性ε‑聚赖氨酸的聚赖氨酸的方法，属于聚合物合成及抗菌材料领域。解决现有技术中由热缩聚合成的支化聚赖氨酸中线性ε‑聚赖氨酸含量较低的问题。该方法是先使用动态保护基团对赖氨酸的α氨基进行保护，制得动态保护基团保护的赖氨酸单体；所述的动态保护基团为能够与赖氨酸的α氨基形成不稳定的酰胺键、亚胺键的保护基团；然后将动态保护基团保护的赖氨酸单体与碱研磨混匀，加入催化剂反应，得到高含量线性ε‑聚赖氨酸的聚赖氨酸。本发明提供的制备方法使用廉价可再生的赖氨酸为起始原料，成本低，操作简单易行，获得的支化聚赖氨酸中，线性ε‑聚赖氨酸的含量可超过80％。

说明书

技术领域

本发明属于聚合物合成及抗菌材料领域，具体涉及一种热缩聚制备高含量线性ε-聚赖氨酸的聚赖氨酸的方法。

背景技术

ε-聚赖氨酸是由赖氨酸单体的ε-氨基与α-羧基连接而成的阳离子型聚氨基酸，安全无毒、可生物降解并具有优异的抗菌性能，已被广泛的应用于食品防腐剂及化妆品添加剂等领域。目前商品化的ε-聚赖氨酸主要来源于微生物发酵法，其生产过程复杂、成本较高且分子量较低(不到4000)，限制了其应用。

另一方面，近年来，氨基酸的生产出现蓬勃发展的新局面。以赖氨酸为例，仅在中国，年产赖氨酸就超过200万吨。因此，探索新的聚合方法，将可再生的赖氨酸资源转化为高附加值的聚氨基酸具有重要的意义。

目前，用化学法合成ε-聚赖氨酸的相关研究仍然较少。在文献[ChemicalScience,2015,6,6385-6391]、[Macromolecules,2017,50,9128-9134]及中国专利ZL201510047405.5中提供了基于内酰胺的开环聚合以及特殊保护基团，制备高分子量ε-聚赖氨酸的方法。但其聚合条件苛刻，并且需要经过复杂的保护及脱保护等过程。

热缩聚能够直接以氨基酸为起始原料，通过氨基与羧基之间的缩聚制备聚氨基酸，而不需要复杂的单体制备及脱保护等步骤，具有操作简单、成本低廉、适于工业化生产等特点，是将廉价、可再生的氨基酸资源转化为高附加值的聚氨基酸的有效途径。赖氨酸具有一个羧基、两个氨基，属于AB₂型单体，如果不对其保护，直接进行热缩聚，只能得到支化聚赖氨酸，包括末端单体单元(T)、支化单体单元(D)以及线性单体单元(L)三部分，其中，线性单体单元又包括线性α-聚赖氨酸(L_α)和线性ε-聚赖氨酸(L_ε)两部分。如Klok等人利用赖氨酸盐酸盐直接进行热缩聚，得到超支化聚赖氨酸[Journal>

支化聚赖氨酸在生物医学及工业生产等领域均具有潜在的应用价值。文献[Macromolecular Bioscience 2012,12,794-804]中，报道了利用支化聚赖氨酸作为基因转染试剂的研究。文献[Journal of the Chemical Society,Chemical Communications1990,8-9]中，报道了利用支化聚赖氨酸作为多抗原肽的研究。文献[PharmaceuticalResearch 1998,15,776-782]中，合成了一种支化聚赖氨酸并研究了其在药物传递方面的应用。专利CN 107349434 A中，报道了利用支化聚赖氨酸作为造影剂载体平台用于磁共振成像方面的研究。专利CN103917623A中，报道了利用支化聚赖氨酸作为页岩抑制剂的研究。但是，由热缩聚所制备的支化聚赖氨酸，容易因过度交联而导致其溶解性及生物相容性较差，一定程度上限制了其应用。另一方面，线性的ε-聚赖氨酸安全无毒、具有优异的抗菌性能，提高线性ε-聚赖氨酸在支化聚赖氨酸中的含量，将有助于提高支化聚赖氨酸的溶解性及生物相容性，并将拓展其在日化及食品领域的应用，具有重要的工业价值。但是，据我们所知，迄今为止，除了中国专利ZL201510047405.5及文献[Chemical Science,2015,6,6385-6391]和文献[Macromolecules,2017,50,9128-9134]中所报道的通过开环聚合制备线性ε-聚赖氨酸外，尚无热缩聚制备高线性ε-聚赖氨酸含量聚赖氨酸的报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中由热缩聚合成的支化聚赖氨酸中线性ε-聚赖氨酸含量较低的问题，提供了一种热缩聚制备高含量线性ε-聚赖氨酸的聚赖氨酸的方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种热缩聚制备高含量线性ε-聚赖氨酸的聚赖氨酸的方法，该方法包括：

步骤一：使用动态保护基团对赖氨酸的α氨基进行保护，即制得动态保护基团保护的赖氨酸单体；

所述的动态保护基团为能够与赖氨酸的α氨基形成不稳定的酰胺键、亚胺键的保护基团；

步骤二：将步骤一得到的动态保护基团保护的赖氨酸单体与碱研磨混匀，在100℃-250℃条件下，加入催化剂，搅拌反应1-72h，冷却至室温终止反应，洗涤，抽干，得到高含量线性ε-聚赖氨酸的聚赖氨酸。

优选的是，所述的动态保护基团选自苄氧羰基、叔丁氧羰基、芴甲氧羰基、烯丙氧羰基、甲氧羰基、乙氧羰基、三甲基硅乙氧羰基、邻苯二甲酰基、对甲苯磺酰基、三氟乙酰基、邻(对)硝基苯磺酰基、特戊酰基、苯甲酰基、苯甲醛或异丁醛中的一种或几种。

优选的是，所述的步骤一具体为：在反应容器中加入L-赖氨酸单盐酸盐和碱，然后再加入动态保护基团或含有动态保护基团的化合物进行反应，得到动态保护基团保护的赖氨酸单体；

优选的是，所述的步骤一的反应温度为0℃-150℃，反应时间为1h-24h。

优选的是，所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、三乙胺、碳酸钾、碳酸钠、浓氨水或吡啶中的一种或多种。

优选的是，所述的步骤二中的碱为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯、碳酸钾、碳酸钠、叔丁醇钾或叔丁醇钠中的一种或多种。

优选的是，所述的步骤二中动态保护基团保护的赖氨酸单体与所述的碱的摩尔比为1:(0.5-5)。

优选的是，所述的步骤二中的催化剂具有如下通式：

ML_x

其中，M为钛、锆、铪、钪、钇、钴、镍、钯、锑、钒、铌、钽、铬、钼、钨、锰、铼、铁、钌、锇、铑、铱、金、铂、银、铜、锌、镉、硼、铝、镧、钐、铈、钕或镱中的一种或几种；

L为氟、氯、溴、碘、甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、叔丁基、甲氧基、乙氧基、丙氧基、异丙氧基、丁氧基、叔丁氧基、乙酸基、丙酸基、异丙酸基或丁酸基中的一种或几种；x为1-6的整数。

优选的是，所述的步骤二中催化剂占所述的动态保护基团保护的赖氨酸单体的摩尔分数的0.05％-8％。

优选的是，所述步骤二中的洗涤为先用甲醇洗涤，抽滤，除去不溶物，再用水洗涤，抽滤除去不溶物。

本发明的有益效果

本发明提供一种热缩聚制备高含量线性ε-聚赖氨酸的聚赖氨酸的方法，该方法是通过将赖氨酸的α氨基进行保护，制得动态保护基团保护的赖氨酸单体，再通过热缩聚，制备出高线性ε-聚赖氨酸含量的聚赖氨酸。和现有技术相对比，本发明提供的制备方法使用廉价可再生的赖氨酸为起始原料，成本低，操作简单易行，获得的支化聚赖氨酸中，线性ε-聚赖氨酸的含量可超过80％，在日化及食品领域有很好的应用价值。

具体实施方式

一种热缩聚制备高含量线性ε-聚赖氨酸的聚赖氨酸的方法，该方法包括：

步骤一：使用动态保护基团对赖氨酸的α氨基进行保护，即制得动态保护基团保护的赖氨酸单体；

所述的动态保护基团为能够与赖氨酸的α氨基形成不稳定的酰胺键、亚胺键的保护基团；

步骤二：将步骤一得到的动态保护基团保护的赖氨酸单体与碱研磨混匀，在100℃-250℃条件下，加入催化剂，搅拌反应1-72h，冷却至室温终止反应，洗涤，抽干，得到高含量线性ε-聚赖氨酸的聚赖氨酸。

按照本发明，本发明使用动态保护基团对赖氨酸的α氨基进行保护，减少α氨基参与热缩聚反应的概率，以达到提高线性ε-聚赖氨酸含量的目的。所述的动态保护基团应具有在热缩聚的过程中能够逐步脱保护的特点，而不需要额外的脱保护操作，所述的动态保护基团为能够与赖氨酸的α氨基形成不稳定的酰胺键、亚胺键且该动态保护基团为对高温(100℃以上)、水、强碱不稳定的保护基团，所述的动态保护基团优选为羰基类化合物、酰基类化合物或醛基类化合物，更优选为苄氧羰基、叔丁氧羰基、芴甲氧羰基、烯丙氧羰基、甲氧羰基、乙氧羰基、三甲基硅乙氧羰基、邻苯二甲酰基、对甲苯磺酰基、三氟乙酰基、邻(对)硝基苯磺酰基、特戊酰基、苯甲酰基、苯甲醛或异丁醛中的一种或几种。

按照本发明，先在反应容器中加入L-赖氨酸单盐酸盐和碱，然后再加入动态保护基团或含有动态保护基团的化合物进行反应，得到动态保护基团保护的赖氨酸单体；所述的含有动态保护基团的化合物是根据动态保护基团的类型和物质不同，根据本领域技术人员的公知进行常规选择，没有特殊限制；所述的含有动态保护基团的化合物优选为二碳酸二叔丁酯、氯甲酸苄酯或三氟乙酸乙硫醇酯；当动态保护基团为醛类时，可直接加入进行反应，当动态保护基团为羰基类或酰基类时，需要加入含有动态保护基团的化合物进行反应，所述的反应条件根据加入的动态保护基团的类型而不同，当动态保护基团为羰基类，反应温度优选为0℃-100℃，更优选为25℃，反应时间优选为1h-24h；当动态保护基团为酰基类，反应温度优选为25℃-150℃，更优选为25℃，反应时间优选为3h-24h；当动态保护基团为醛类，反应温度优选为0℃-50℃，更优选为0℃，反应时间优选为1h-12h；

按照本发明，所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、三乙胺、碳酸钾、碳酸钠、浓氨水或吡啶中的一种或多种。

按照本发明，所述的L-赖氨酸单盐酸盐、碱和动态保护基团的摩尔比优选为1:(0.5-2.5):(1-3)。

按照本发明，将上述得到的动态保护基团保护的赖氨酸单体与碱置于研钵中，研磨混匀，在100℃-250℃条件下，加入催化剂，搅拌反应1-72h，冷却至室温终止反应，洗涤，抽干，得到高含量线性ε-聚赖氨酸的聚赖氨酸。所述的步骤二的反应温度为100-250℃，优选为150-200℃，时间为1-72h，优选为20-48h；如果低于100℃，影响溶解性，如果高于250℃，产物易交联，因此应该合理控制反应温度。

按照本发明，所述的步骤二中的碱优选为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯、碳酸钾、碳酸钠、叔丁醇钾、叔丁醇钠中的一种或多种。

按照本发明，所述的步骤二中动态保护基团保护的赖氨酸单体与所述的碱的摩尔比优选为1:0.5-5。

按照本发明，所述的步骤二中的催化剂具有如下通式：

ML_x

其中，M为钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钪(Sc)、钇(Y)、钴(Co)、镍(Ni)、钯(Pd)、锑(Sb)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、锰(Mn)、铼(Re)、铁(Fe)、钌(Ru)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)、铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、硼(B)、铝(Al)、镧(La)、钐(Sm)、铈(Ce)、钕(Nd)、镱(Yb)中的一种或几种；

L为氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、甲基(CH₃-)、乙基(CH₃CH₂-)、丙基(CH₃CH₂CH₂-)、异丙基((CH₃)₂CH-)、丁基(CH₃CH₂CH₂CH₂-)、叔丁基((CH₃)₃C-)、甲氧基(CH₃O-)、乙氧基(CH₃CH₂O-)、丙氧基(CH₃CH₂CH₂O-)、异丙氧基((CH₃)₂CHO-)、丁氧基(CH₃CH₂CH₂CH₂O-)、叔丁氧基((CH₃)₃CO-)、乙酸基(CH₃CH₂OO-)、丙酸基(CH₃CH₂CH₂OO-)、异丙酸基((CH₃)₂CHOO-)、丁酸基(CH₃CH₂CH₂CH₂OO-)中的一种或几种；x为1-6的整数。更优选为正丁醇锆(Zr(OC₄H₉)₄)、正丁醇钛(Ti(OC₄H₉)₄)、乙氧基锑(Sb(OC₂H₅)₃)异丙醇铝(Al(OCH(CH₃)₂)₃)中的一种或几种。

按照本发明，所述的步骤二中催化剂占所述的动态保护基团保护的赖氨酸单体的摩尔分数的0.05％-8％。

按照本发明，所述的步骤二中洗涤为先用大量的甲醇洗涤，抽滤，除去不溶物，再用大量的水洗涤，抽滤除去不溶物。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，实施例中涉及到原料均为商购获得。

实施例1

(1)、α-苯甲醛保护-赖氨酸单体的制备

100mL单口圆底烧瓶中，加入5g赖氨酸单盐酸盐，加入35mL水溶解，再加入1.08g氢氧化钠，冰水浴条件下，滴入2.9mL苯甲醛，滴加完毕后，剧烈搅拌反应2小时，产物沉淀析出，抽滤，除去滤液，产物用冷的乙醇洗涤，真空条件下干燥12小时，得白色目标产物α-苯甲醛保护-赖氨酸单体(4.78g，75％)。¹H>6,300MHz)δ1.19-1.31(m,2H),1.38(s,2H),1.53-1.65(m,2H),1.81-2.00(m,2H),2.66-2.72(t,2H),4.19-4.25(t,2H),7.51-7.59(m,3H),7.74-7.79(m,2H),8.67(s,1H).

(2)、高线性ε-聚赖氨酸含量聚赖氨酸的制备

将4.68gα-苯甲醛保护-赖氨酸单体与0.8g氢氧化钠在研钵中研磨，随后将混合物置于Schlenk管中，加热至150℃，再加入0.3mL丁醇锆(Zr(OBu)₄),保持150℃条件下搅拌反应24小时，冷却至室温，产物溶于甲醇，抽滤，除去不溶物，滤液旋干，再用水洗，50℃真空干燥12小时，得目标产物聚赖氨酸，通过核磁分析，得到其中线性ε-聚赖氨酸含量为83％。

实施例2

(1)、α-叔丁氧羰基保护-赖氨酸单体的制备

100mL单口圆底烧瓶中，加入5g赖氨酸单盐酸盐，加入20mL水溶解，再加入1.2g氢氧化钠，冰水浴条件下，滴入含有3.0g二碳酸二叔丁酯的四氢呋喃溶液20mL，滴加完毕后，室温下搅拌反应24小时，反应结束后，萃取，旋干，柱层析，得目标产物α-叔丁氧羰基保护-赖氨酸单体(5.31g，80％)。¹H>2O,300MHz)δ1.12(s,2H),1.22-1.31(m,2H),1.42(s,9H),1.47-1.60(m,2H),1.73-1.86(m,2H),2.66-2.72(t,2H),4.53-4.57(t,1H),5.49(s,1H).

(2)、高线性ε-聚赖氨酸含量聚赖氨酸的制备

将3.69gα-叔丁氧羰基保护-赖氨酸单体与0.84g氢氧化钾在研钵中研磨，随后将混合物置于Schlenk管中，加热至160℃，再加入0.2mL丁醇钛(Ti(OBu)₄),保持160℃条件下搅拌反应20小时，冷却至室温，产物溶于甲醇，抽滤，除去不溶物，滤液旋干，再用水洗，50℃真空干燥12小时，得目标产物聚赖氨酸，通过核磁分析，得到其中线性ε-聚赖氨酸含量为85％。

实施例3

(1)、α-苄氧羰基保护-赖氨酸单体的制备

100mL单口圆底烧瓶中，加入5g赖氨酸单盐酸盐，加入20mL水溶解，再加入1.5g氢氧化钾，冰水浴条件下，滴入含有5.1g氯甲酸苄酯的四氢呋喃溶液20mL，滴加完毕后，室温下搅拌反应24小时，反应结束后，萃取，旋干，重结晶，得目标产物α-苄氧羰基保护-赖氨酸单体(5.3g，70％)。¹H>2O,300MHz)δ1.10(s,2H),1.18-1.31(m,2H),1.48-1.60(m,2H),1.74-1.84(m,2H),2.66-2.72(t,2H),4.52-4.57(t,1H),5.05(s,2H),5.52(s,1H),7.33(s,5H).

(2)、高线性ε-聚赖氨酸含量聚赖氨酸的制备

将4.2gα-苄氧羰基保护-赖氨酸单体与0.36g氢氧化锂在研钵中研磨，随后将混合物置于Schlenk管中，加热至150℃，再加入2mg氯化钪(ScCl₃),保持150℃条件下搅拌反应30小时，冷却至室温，产物溶于甲醇，抽滤，除去不溶物，滤液旋干，再用水洗，50℃真空干燥12小时，得目标产物聚赖氨酸，通过核磁分析，得到其中线性ε-聚赖氨酸含量为82％。

实施例4

(1)、α-三氟乙酰基保护-赖氨酸单体的制备

100mL单口圆底烧瓶中，加入5g赖氨酸单盐酸盐，加入28mL(1M)氢氧化钠水溶液溶解，再加入5.5mL三氟乙酸乙硫醇酯，室温下搅拌反应10小时，产物沉淀析出，抽滤，除去滤液，重结晶，得目标产物α-三氟乙酰基保护-赖氨酸单体(4.6g，70％)。¹H>6,300MHz)δ1.13(s,2H),1.18-1.31(m,2H),1.49-1.61(m,2H),1.74-1.85(m,2H),2.66-2.72(t,2H),4.53-4.57(t,1H),7.12(s,1H).

(2)、高线性ε-聚赖氨酸含量聚赖氨酸的制备

将3.6gα-三氟乙酰基保护-赖氨酸单体与0.36g氢氧化锂在研钵中研磨，随后将混合物置于Schlenk管中，加热至200℃，再加入1mg三乙基铝(Al(CH₃CH₂)₃),保持200℃条件下搅拌反应48小时，冷却至室温，产物溶于甲醇，抽滤，除去不溶物，滤液旋干，再用水洗，50℃真空干燥12小时，得目标产物聚赖氨酸，通过核磁分析，得到其中线性ε-聚赖氨酸含量为85％。

实施例5

(1)、α-异丁醛保护-赖氨酸单体的制备

100mL单口圆底烧瓶中，加入5g赖氨酸单盐酸盐，加入35mL水溶解，再加入1.08g氢氧化钠，冰水浴条件下，滴入2.5mL异丁醛，滴加完毕后，剧烈搅拌反应3小时，产物沉淀析出，抽滤，除去滤液，产物用冷的乙醇洗涤，真空条件下干燥12小时，得白色目标产物α-异丁醛保护-赖氨酸单体(3.5g，65％)。¹H>6,300MHz)δ0.83-0.85(d,6H),1.19-1.30(m,4H),1.41-1.49(m,1H),1.56-1.71(m,3H),2.65-2.78(m,3H),4.24-4.30(t,1H),7.67-7.70(d,1H).

(2)、高线性ε-聚赖氨酸含量聚赖氨酸的制备

将3.0gα-异丁醛保护-赖氨酸单体与0.6g氢氧化钠在研钵中研磨，随后将混合物置于Schlenk管中，加热至150℃，再加入0.2mL丁醇锆(Zr(OBu)₄),保持150℃条件下搅拌反应24小时，冷却至室温，产物溶于甲醇，抽滤，除去不溶物，滤液旋干，再用水洗，50℃真空干燥12小时，得目标产物聚赖氨酸，通过核磁分析，得到其中线性ε-聚赖氨酸含量为83％。

实施例6

(1)、α-叔丁氧羰基保护-赖氨酸单体的制备

100mL单口圆底烧瓶中，加入5g赖氨酸单盐酸盐，加入20mL水溶解，再加入1.2g氢氧化钠，冰水浴条件下，滴入含有3.0g二碳酸二叔丁酯的四氢呋喃溶液20mL，滴加完毕后，室温下搅拌反应24小时，反应结束后，萃取，旋干，柱层析，得目标产物α-叔丁氧羰基保护-赖氨酸单体(5.31g，80％)。¹H>2O,300MHz)δ1.12(s,2H),1.22-1.31(m,2H),1.42(s,9H),1.47-1.60(m,2H),1.73-1.86(m,2H),2.66-2.72(t,2H),4.53-4.57(t,1H),5.49(s,1H).

(2)、高线性ε-聚赖氨酸含量聚赖氨酸的制备

将3.69gα-叔丁氧羰基保护-赖氨酸单体与2.07g碳酸钾在研钵中研磨，随后将混合物置于Schlenk管中，加热至160℃，再加入11mg乙醇锑(Sb(OEt)₃),保持160℃条件下搅拌反应30小时，冷却至室温，产物溶于甲醇，抽滤，除去不溶物，滤液旋干，再用水洗，50℃真空干燥12小时，得目标产物聚赖氨酸，通过核磁分析，得到其中线性ε-聚赖氨酸含量为85％。

上述实施例中所使用的动态保护基团还可以为芴甲氧羰基、烯丙氧羰基、甲氧羰基、乙氧羰基、三甲基硅乙氧羰基、邻苯二甲酰基、对甲苯磺酰基、邻(对)硝基苯磺酰基、特戊酰基、苯甲酰基中的一种或几种。所使用的碱还可以为碳酸钠、叔丁醇钾、叔丁醇钠中的一种或多种。所使用的催化剂还可以为铪(Hf)、钪(Sc)、钇(Y)、钴(Co)、镍(Ni)、钯(Pd)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、锰(Mn)、铼(Re)、铁(Fe)、钌(Ru)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)、铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、硼(B)、铝(Al)、镧(La)、钐(Sm)、铈(Ce)、钕(Nd)、镱(Yb)等金属的卤化物及其有机金属化合物中的一种或几种。这里不再一一列举实例。