文章创新点

     本文报道了咪唑无需保护的组氨酸-NTA(His-NTA)的合成方法，也是首次在水溶液中合成NTA单体，无需卤化磷类关环剂辅助，反应机理由密度泛函理论(DFT)计算结果证明。在两倍单体量的苯甲酸催化下，无保护的His-NTA聚合制备聚组氨酸(PHis)，分子量可控(4.2-7.7 kg/mol)，分子量分布窄(Đ<1.19)。苯甲酸作为咪唑的临时保护基，提高了PHis在溶剂中的溶解性。聚合反应动力学实验及Monte Carlo动力学模拟结果表明His-NTA聚合速率受苯甲酸与引发剂、增长链末端及咪唑氨基的反应平衡共同控制。His-NTA与肌氨酸-NTA(Sar-NTA)的顺序聚合制备了含有PHis嵌段与聚肌氨酸(PSar)嵌段的共聚物，聚合可控性好，证明了His-NTA具有构造功能性共聚氨基酸的能力。三嵌段聚氨基酸PHis-b-PSar-b-PHis能够与过渡金属离子(Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺与Zn²⁺等)结合形成pH响应型水凝胶。

文章背景

     聚组氨酸(PHis)是一类具有良好的生物相容性、pH响应性、金属络合能力的聚(α-氨基酸)，是具备广阔应用前景的生物材料。目前，研究最多的高分子量PHis的合成方法为氨基酸-N-羧酸酐(NCA)开环聚合。然而，NCA对羟基、巯基、咪唑等亲核基团的耐受性较差，因此对合成、提纯及储存的要求较高，合成含咪唑基团的组氨酸-NCA单体时还需要对侧基进行保护，增加了操作的复杂程度。氨基酸-N-硫代羧酸酐(NTA)对亲核基团耐受性较高，有望直接制备亲核基团无保护的单体。

文章概述

     基于上述背景，浙江大学高分子科学与工程学系凌君教授课题组合成了咪唑无保护的组氨酸-N-硫代羧酸酐(His-NTA)并研究其合成机理(图1)。该单体为NTA首次在碱性水溶液中一锅两步反应得到，无需分离提纯中间体N-乙氧基硫代羰基组氨酸，无需使用毒性较大的PBr₃-有机溶剂合成体系。密度泛函理论(DFT)计算结果证明了该合成反应由咪唑侧基辅助催化。

图1 His-NTA合成及机理研究. (A) 传统NTA合成路线; (B) His-NTA合成路线; (C) His-NTA合成机理; (D) His-NTA合成过程的Gibbs自由能变化图

文章筛选聚合条件，用苯甲酸催化体系实现His-NTA可控聚合，表征了聚合产物PHis结构并研究了His-NTA聚合动力学(图2)。苯甲酸与碱性的咪唑侧基结合，临时保护了咪唑侧基并提高产物PHis在有机溶剂中的溶解性，催化了His-NTA聚合得到结构与端基明确的PHis。动力学实验及Monte Carlo模拟证明His-NTA聚合由引发剂胺、聚合链末端胺及咪唑与苯甲酸的平衡共同控制。

图2 His-NTA聚合产物表征及动力学研究. (A) 新戊胺引发His-NTA聚合; (B) PHis的¹H NMR谱图; (C) PHis的SEC曲线; (D) PHis的MALDI-ToF谱图; (E) PHis的MALDI-ToF谱图的局部放大图; (F) PHis的MALDI-ToF谱图对应结构; (G) His-NTA转化率及ln([NPA]₀/[NPA])随时间变化关系的实验值与Monte Carlo模拟结果; (H) 不同聚合时间PHis的SEC曲线

文章用His-NTA与肌氨酸-NTA(Sar-NTA)顺序聚合制备了两嵌段的PHis-b-PSar与三嵌段的PHis-b-PSar-b-PHis，PHis-b-PSar-b-PHis三嵌段聚氨基酸可络合Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺与Zn²⁺等过渡金属离子，形成具有pH响应能力的水凝胶(图3)。

图3 His-NTA共聚合及pH响应性水凝胶制备. (A) 两嵌段共聚物PHis-b-PSar合成路线; (B) 三嵌段共聚物PHis-b-PSar-b-PHis合成路线; (C) 嵌段共聚物¹H-NMR谱图; (D) 嵌段共聚物SEC曲线; (E) 由三嵌段共聚物络合Ni²⁺制备的水凝胶及pH响应行为; (F) 三嵌段共聚物络合Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺与Zn²⁺形成的水凝胶

在水溶液中直接合成NTA，可避免传统卤化磷类关环剂的使用，减少NTA合成过程的危险性。新的关环剂的筛选及关环机理的研究对丰富NTA合成研究具有指导意义。用有机酸催化NTA单体聚合可提高所得聚氨基酸的溶解性，提升聚合可控性。深入研究NTA的聚合机理能阐明其聚合行为，为催化体系的设计优化提供理论依据。酸催化的聚氨基酸可控合成可为复杂拓扑结构聚氨基酸及功能性聚氨基酸提供平台，开拓更广阔的应用前景。

徐嵩毅博士研究生是该论文的第一作者，凌君教授为通信联系人。

原文信息：

Histidine N-thiocarboxyanhydride: direct synthesis and polymerization without protectiontowards well-defined polyhistidine.

Xu, S. Y.; Bai, T. W.; Zheng, B. T.; Li, Z. H.; Ling, J.

Chinese J. Polym. Sci. https://doi.org/10.1007/s10118-025-3348-0