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樹脂:固相載體全解析——
在固相多肽合成中,樹脂不僅是物理載體,更是整個(gè)合成的化學(xué)錨點(diǎn)與程序終點(diǎn)控制器。它通過一個(gè)精心設(shè)計(jì)的連接鍵,共價(jià)結(jié)合第一個(gè)氨基酸,并最終決定目標(biāo)多肽C端的化學(xué)形式(游離酸、酰胺、醇等)。本文旨在深入解析主流樹脂(Wang, Rink Amide, PAL, 2-氯三苯甲基氯)的連接化學(xué)機(jī)理、酸敏感性差異、載量影響及其選擇邏輯,從而為您在合成設(shè)計(jì)的第一步就奠定成功的基礎(chǔ)。
一個(gè)典型的SPPS樹脂包含三個(gè)部分:
固相基質(zhì):通常是聚苯乙烯-二乙烯基苯交聯(lián)的微球,提供不溶的物理支撐和溶劑溶脹空間。
連接臂:一段靈活的化學(xué)鏈(如烷基鏈),將反應(yīng)位點(diǎn)從樹脂骨架延伸出來,減少空間位阻。
連接鍵:這是最核心的化學(xué)部分,是與第一個(gè)氨基酸羧基形成共價(jià)鍵,并在合成結(jié)束時(shí)被特定條件斷裂的官能團(tuán)。連接鍵的性質(zhì)直接決定了:
裝載方法:如何將第一個(gè)氨基酸連接到樹脂上。
合成中的穩(wěn)定性:必須耐受所有循環(huán)中的化學(xué)條件(哌啶、偶聯(lián)試劑等)。
最終切割機(jī)制:決定了多肽以何種形式(酸、酰胺等)被釋放。
1. Wang樹脂(用于合成C端游離羧酸)
連接鍵:對(duì)烷氧基芐醇。其結(jié)構(gòu)特征是對(duì)位有一個(gè)給電子的烷氧基(通常是羥基,故稱Wang樹脂),這使得芐位碳-O鍵在酸中的穩(wěn)定性弱于普通的芐醇酯。
裝載:第一個(gè)氨基酸的羧基在DIC等偶聯(lián)試劑作用下,與樹脂的羥基形成酯鍵。
切割機(jī)制:使用TFA。TFA進(jìn)攻酯鍵的羰基氧,質(zhì)子化后,由于對(duì)位羥基的給電子共軛效應(yīng),極大穩(wěn)定了形成的芐基碳正離子中間體,從而在中等酸度(通常95% TFA)下即可高效斷裂,釋放出C端為游離羧酸的多肽。
特點(diǎn):經(jīng)濟(jì)、通用,是合成C端酸的首選。但其酸敏感性意味著在合成中需避免接觸強(qiáng)酸試劑。
2. Rink Amide樹脂(用于合成C端伯酰胺)
連接鍵:4-[(2,4-二甲氧基苯基)(Fmoc-氨基)甲基]苯氧基連接臂。這是一個(gè)精妙的設(shè)計(jì),樹脂本身帶有一個(gè)被Fmoc保護(hù)的連接點(diǎn)氨基。
裝載:
第一步:用哌啶脫除樹脂上的Fmoc保護(hù)基,暴露出連接臂末端的伯氨基。
第二步:將第一個(gè)Fmoc-氨基酸的羧基活化,與該伯氨基偶聯(lián),形成酰胺鍵。因此,多肽鏈?zhǔn)峭ㄟ^一個(gè)穩(wěn)定的酰胺鍵連接到樹脂上。
切割機(jī)制:同樣使用TFA。TFA進(jìn)攻并斷裂2,4-二甲氧基芐基與酰胺氮之間的鍵,生成穩(wěn)定的二甲氧基芐基碳正離子,從而將多肽以C端伯酰胺的形式釋放出來。Fmoc保護(hù)的Rink樹脂非常穩(wěn)定,易于儲(chǔ)存和稱量。
特點(diǎn):是合成C端酰胺的黃金標(biāo)準(zhǔn)。許多生物活性肽(如神經(jīng)肽、激素)的C端以酰胺形式存在,以增強(qiáng)穩(wěn)定性和活性,Rink樹脂為此提供了完美解決方案。
3. PAL樹脂(用于合成C端酰胺,對(duì)強(qiáng)酸更穩(wěn)定)
連接鍵:5-(4-氨基甲基-3,5-二甲氧基苯氧基)戊酸骨架??梢暈镽ink樹脂的升級(jí)版,其連接鍵的酸敏感性略低于Rink樹脂。
切割機(jī)制:需要稍強(qiáng)的酸條件或更長(zhǎng)的切割時(shí)間,但仍可在標(biāo)準(zhǔn)TFA cocktail中完成。其釋放的多肽同樣為C端伯酰胺。
特點(diǎn):相比Rink樹脂,在合成過程中(特別是處理“困難序列”可能使用的強(qiáng)酸添加劑或苛刻條件時(shí))穩(wěn)定性更佳,能提供更高的最終產(chǎn)物純度,尤其適用于長(zhǎng)肽或復(fù)雜肽的合成。
4. 2-氯三苯甲基氯樹脂(用于合成C端游離羧酸,裝載率極高)
連接鍵:三苯甲基氯。這是一個(gè)高活性的連接基團(tuán)。
裝載:在弱堿(如DIEA)存在下,第一個(gè)氨基酸的羧基負(fù)離子直接親核取代氯原子,形成三苯甲基酯。此反應(yīng)幾乎定量進(jìn)行,且無消旋風(fēng)險(xiǎn)。
切割機(jī)制:三苯甲基酯對(duì)酸極其敏感,可使用非常溫和的酸性條件(如0.5-1% TFA/DCM,甚至稀乙酸)進(jìn)行切割,釋放出C端為游離羧酸的多肽。
特點(diǎn):
超溫和切割:這是其最大優(yōu)勢(shì),允許對(duì)含有對(duì)強(qiáng)酸極端敏感的修飾(如復(fù)雜的糖基化、磷酸化)的多肽進(jìn)行切割。
高且可定制的載量:裝載效率接近理論值。
缺點(diǎn):樹脂本身對(duì)濕氣敏感,需在惰性氣氛下操作和儲(chǔ)存;切割條件過于溫和,有時(shí)無法有效脫除某些側(cè)鏈保護(hù)基(如tBu),需分步切割。
樹脂載量指每克樹脂所能連接氨基酸的最大毫摩爾數(shù)(mmol/g),通常為0.1至1.0 mmol/g。
高載量樹脂:如0.7-1.0 mmol/g。優(yōu)點(diǎn)是在小規(guī)模合成時(shí)能用更少的樹脂獲得更多的產(chǎn)物。但缺點(diǎn)顯著:高密度下,肽鏈間空間擁擠,易導(dǎo)致鏈間聚集、偶聯(lián)效率下降,是“困難序列”的主要成因之一。
低載量樹脂:如0.1-0.3 mmol/g。這是現(xiàn)代合成,尤其是長(zhǎng)肽或困難序列合成的主流甚至強(qiáng)制選擇。它大幅降低了肽鏈間的相互作用,顯著改善溶劑可及性和偶聯(lián)效率,是提高粗肽純度的最有效手段之一。
選擇原則:對(duì)于常規(guī)短肽,可選擇0.4-0.6 mmol/g。對(duì)于超過20個(gè)殘基的長(zhǎng)肽或富含Val, Ile, Tyr等易聚集氨基酸的序列,強(qiáng)烈建議使用0.1-0.25 mmol/g的低載量樹脂。

五、實(shí)踐要點(diǎn)
溶脹:使用前必須
用DCM或DMF充分溶脹樹脂(至少15-30分鐘),以打開內(nèi)部通道。
裝載驗(yàn)證:對(duì)于需預(yù)先裝載的樹脂(如Wang),或使用2-氯三苯甲基氯樹脂后,建議用茚三酮測(cè)試或光譜法定量測(cè)定實(shí)際裝載率,以精確計(jì)算后續(xù)氨基酸投料量。
儲(chǔ)存:樹脂應(yīng)干燥、避光、低溫保存。對(duì)于敏感樹脂(如2-氯三苯甲基氯),需在惰性氣體保護(hù)下儲(chǔ)存。
樹脂的選擇,是多肽合成中一項(xiàng)兼具化學(xué)理性與藝術(shù)直覺的決策。它不僅定義了合成的起點(diǎn)與終點(diǎn),更通過其載量和穩(wěn)定性,深刻影響著整個(gè)鏈延伸過程的順利與否。理解從Wang樹脂的經(jīng)典酸解,到Rink/PAL樹脂的分子內(nèi)親核輔助斷裂,再到2-氯三苯甲基氯樹脂的超溫和切割這一系列化學(xué)圖景,意味著您能夠?yàn)槿魏谓Y(jié)構(gòu)目標(biāo)(從簡(jiǎn)單的線性酸到復(fù)雜的修飾酰胺)匹配最合適的“分子錨樁”,從而在構(gòu)建復(fù)雜多肽大廈時(shí),確保地基的穩(wěn)固與出口的精準(zhǔn)。
南京肽業(yè)YM說多肽|樹脂:固相載體全解析—從Wang、Rink到PAL樹脂的連接化學(xué)與選擇邏輯