Studie zur Anwendung tiefer eutektischer Lösungsmittel in der grünen Peptidsynthese und -entschützung

Studie zur Anwendung tiefer eutektischer Lösungsmittel in der grünen Peptidsynthese und -entschützung

Peptide finden aufgrund ihrer hervorragenden Biokompatibilität und strukturellen Vielfalt breite Anwendung in biomedizinischen Bereichen wie der Wirkstofffreisetzung und dem Tissue Engineering. Die NCA-Ringöffnungspolymerisation ist eine gängige Methode zur Synthese von Peptidpolymeren. Allerdings sind NCA-Monomere extrem feuchtigkeitsempfindlich und neigen zu Abbau, Kettenabbruch und anderen Nebenreaktionen, was streng wasserfreie Verfahren erfordert und die Produktion im großen Maßstab einschränkt. Zudem werden tert-Butylgruppen häufig als Schutzgruppen in der Peptidsynthese eingesetzt, und traditionelle Abspaltungsmethoden basieren auf starken Säuren und toxischen Reagenzien, was sie umweltschädlich macht. Um diese Probleme zu lösen, forschte Jia Yao von der Technischen Universität Tianjin an der umweltfreundlichen Peptidsynthese und -abspaltung mittels tiefer eutektischer Lösungsmittel und entwickelte so neue Ansätze für eine effiziente und umweltschonende Peptidherstellung.

Die Studie konzentrierte sich zunächst auf die Lösung des Problems der Feuchtigkeitsempfindlichkeit der NCA-Ringöffnungspolymerisation. Durch das Screening von 18 hydrophoben Kombinationen wurde erfolgreich ein hydrophobes tiefes eutektisches Lösungsmittel [Campher][Decansäure] entwickelt. Dieses Lösungsmittel zeichnet sich durch starke Hydrophobie und hohe thermische Stabilität aus und weist einen Sättigungswassergehalt von nur 0,023 % auf. Dadurch wird effektiv verhindert, dass Wasser mit den NCA-Monomeren interferiert, und eine stabile Polymerisation unter Luftbedingungen ermöglicht. Experimente zeigten, dass die Polymerisationsreaktion selbst unter hoher Luftfeuchtigkeit und bei direkter Wasserzugabe normal verlief, wobei über 99 % der NCA-Monomere erhalten blieben – ein deutlich besseres Ergebnis als bei herkömmlichen DMF-Lösungsmitteln. Darüber hinaus ist das System bis zu einer Temperatur von 85 °C temperaturbeständig, was die Polymerisationsgeschwindigkeit signifikant erhöht. Die scheinbare Aktivierungsenergie beträgt lediglich 27,7 kJ/mol, während das Produkt seine α-helikale Sekundärstruktur beibehält und keine Racemisierung beobachtet wird.

Dieses hydrophobe, tief eutektische Lösungsmittel zeichnet sich durch hohe Universalität und Kompatibilität mit verschiedenen Initiatoren wie Benzylamin, Triethylamin und LiHMDS aus. Es ermöglicht die ringöffnende Polymerisation von sieben gängigen NCA-Monomeren, darunter Alanin, Phenylalanin und Lysin, und führt zu Polymeren mit enger Molekulargewichtsverteilung. Darüber hinaus ermöglichte die mehrstufige Zuführung die Synthese antimikrobieller Peptidpolymere mit acht alternierenden Blöcken. Diese zeigten eine hohe antibakterielle Aktivität gegen Escherichia coli und Staphylococcus aureus bei gleichzeitig guter Biokompatibilität und eröffneten damit einen neuen Weg für das Design und die Synthese funktionaler Peptide. Das System lässt sich zudem auf mehrere zehn Gramm skalieren und erzielt eine Ausbeute von 75 %, was sein Potenzial für die industrielle Produktion unterstreicht.

Im Rahmen der Peptid-Deprotektion wurde ein saures, tief eutektisches Lösungsmittel (Campher[Ameisensäure]) entwickelt, um eine milde, effiziente und selektive Abspaltung der tert-Butyl-Schutzgruppen zu erreichen. Dieses Lösungsmittel ist schwach sauer und benötigt keine korrosiven Reagenzien wie Trifluoressigsäure. Bei 70 °C und 18 Stunden Reaktionszeit wurde eine Deprotektionsrate von 93,8 % für Poly(γ-benzyl-L-glutamat-tert-butylester) erzielt. Bei einer Temperaturerhöhung auf 120 °C verkürzte sich die Reaktionszeit auf 3 Stunden, und die Deprotektionsrate erreichte 100 %. Dabei blieb die Produktstruktur erhalten, und es traten weder Kettenspaltung noch Racemisierung auf.

Selektivitätstests bestätigten, dass das System ausschließlich tert-Butyl-Schutzgruppen entfernt, ohne Benzyl- oder Fmoc-Gruppen zu beeinträchtigen, und demonstrierten damit eine exzellente Selektivität. Darüber hinaus ist die Methode äußerst vielseitig und ermöglicht die tert-Butyl-Entschützung von Polymeren wie Poly(tert-butylacrylat) und Poly(tert-butylmethacrylat) sowie verschiedener niedermolekularer Derivate. Dabei werden hohe Produktreinheit und eine einfache Weiterverarbeitung gewährleistet. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden ist dieses Entschützungssystem umweltfreundlich, ungiftig, einfach anzuwenden und kostengünstig und somit eine ideale Alternative zu konventionellen Entschützungsverfahren mit starken Säuren.

Die beiden in dieser Studie entwickelten tiefen eutektischen Lösungsmittel adressieren die branchenspezifischen Probleme der NCA-Ringöffnungspolymerisation – Wasserempfindlichkeit und starke Kontamination durch tert-Butyl-Deprotektion – und ermöglichen so eine umweltfreundlichere und effizientere Peptidsynthese und -deprotektion. Das [Campher][Decansäure]-Lösungsmittel überwindet die Einschränkungen wasserfreier Verfahren und vereinfacht den Produktionsprozess; das [Campher][Ameisensäure]-Lösungsmittel ermöglicht eine milde und selektive Deprotektion und reduziert somit die Umweltbelastung. Diese Erkenntnisse verbessern nicht nur die Theorie der grünen Peptidsynthese, sondern bieten auch technische Unterstützung für die industrielle Produktion von Peptidpolymeren und sind daher von großer Bedeutung für die Förderung einer nachhaltigen Entwicklung im Bereich biomedizinischer Materialien.

Referenz: Yao, J. Grüne und effiziente Peptidsynthese und -entschützung in tiefen eutektischen Lösungsmitteln[D]. Tianjin Polytechnic University, 2025.

Herunterladen:Studie zur Anwendung von tiefen eutektischen Lösungsmitteln bei der grünen Peptidsynthese und Entschützung.pdf↓

E-Mail: jennifer@dilunbio.com