隨着傳統化工生產過程環境問題的逐漸凸顯，以及人們對環境保護和可持續發展意識的日益增強，綠色溶劑的研發與應用已經成為化學與化工領域內的重要課題。為了減少傳統有機溶劑帶來的環境、健康和安全風險，一系列綠色溶劑已經逐漸在實驗室與生產車間中替代那些有毒有害的傳統溶劑。與之相比，這些綠色溶劑通常具有較低的急/慢性毒性、較輕微的環境影響和較少的安全問題。此外，它們通常以可再生資源為基礎生產，因此從可持續性的角度來看更具吸引力。
但是，並非所有溶劑類別都已經找到可行的綠色替代品。雖然綠色醇類或極性酯類的綠色溶劑不斷湧現，但只有少數極性非質子綠色溶劑獲得應用。最新的 GSK 溶劑可持續性指南包含 154 種溶劑，其中 53 種獲得了綠色（推薦）標誌。[1]但評估的 14 種極性非質子溶劑中沒有一種被列入該類別。諸如DMF和NMP這樣的非質子性極性溶劑（ICH二類溶劑），由於其特殊的理化性質，如極性、氫鍵受/供體、穩定性、粘度等綜合參數的影響，至今仍在諸如多肽合成、金屬催化反應、親核芳香取代反應（SNAr）領域發揮着極其重要的關鍵作用。考慮到DMF、DMAc和NMP的生殖毒性，尋找它們替代品的需求已經越來越迫切。目前比較有希望的替代溶劑包括 γ-戊內酯（GVL）、Cyrene（二氫左旋葡糖烯酮）、碳酸丙烯酯（PC）、N-丁基吡咯烷酮（NBP）和5-(二甲基氨基)-2-甲基-5-氧代戊酸甲酯（1）。雖然這些溶劑中的一些僅在克級市售，但5-(二甲基氨基)-2-甲基-5-氧代戊酸甲酯是卻是新興綠色溶劑 Rhodiasolv® PolarClean的主要成分，由索爾維（Solvay）以噸級的量級生產。
圖1. PolarClean 組成成分
真正意義上的PolarClean實際是一種混合物，由5-(二甲基氨基)-2-甲基-5-氧代戊酸甲酯（1）和N,N,N』,N』-2-五甲基戊二酰胺（2）按照20:1的比例混合而成（圖1）。在大規模生產尼龍66的過程中，2-甲基戊二腈（MGN）是一個關鍵的副產品，它可以轉化為酰亞胺對應物（傳統工藝中，MGN副產品通常作廢物焚燒處理），然後轉化為2-甲基戊二酸二甲酯（商業上稱為Rhodiasolv® IRIS，也可以作為綠色有機溶劑使用），它是PolarClean的主要成分5-(二甲基氨基)-2-甲基-5-氧代戊酸甲酯（1）的二酯前體。
PolarClean 可與水混溶，具有高沸點（BP: 278−282 °C）、不易燃（FP: 145 °C）、高度可生物降解等優勢。PolarClean的毒理學研究證實其具有較低的急性毒性（大鼠在 1000 mg kg−1 day−1條件下未觀察到不良反應），並且沒有發現可檢測出的致癌性、遺傳毒性或致突變性的證據。[2] 由於5-(二甲基氨基)-2-甲基-5-氧代戊酸甲酯（1）是PolarClean的主要成分，因此它也單獨被作為綠色溶劑進行研究，並被冠以PolarClean的名號（註：下文的PolarClean都特指化合物1）。
考慮到DMF和NMP在固相多肽合成（SPPS）領域內幾乎不可替代的作用，PolarClean作為一種潛在的SPPS綠色溶劑得到了關注。在一項研究中，PolarClean作為溶劑介導了整個SPPS，根據其表現評估PolarClean替代DMF或NMP作為SPPS溶劑的可行性。[3]
1） 沸點、熔點、粘度
常見非質子極性溶劑的物理性質見表1。PolarClean沸點高（278–282 °C）、熔點低（-60°C）和粘度大（9.78 cP）。前兩項特性有利於通過自動合成或微波合成的方式介導SPPS，但PolarClean的高粘度不利於溶質在固相合成條件下的擴散，可能會影響氨基酸與固相上的多肽之間的縮合反應。
表1. 非質子極性溶劑物理性質 [3]
2） 溶解度
部分常見Fmoc-保護氨基酸在PolarClean中的溶解度見表2。大多數常見Fmoc-氨基酸都可以在PolarClean中獲得0.9 M以上的溶解度。Trt側鏈保護的非極性較強的幾個氨基酸，以及Fmoc-Arg(Pbf)-OH溶解度相對較低，但也都在0.4 M以上，符合SPPS的要求（過高濃度的氨基酸溶液可能無法完全覆蓋樹脂，通常情況下的濃度為0.2-0.5 M）。Oxyma和HOBt也可高度溶於PolarClean（濃度大於0.9 M）。作為縮合試劑，HBTU和HATU在PolarClean中的溶解度過低（分別為0.04 M和0.05 M），但COMU有較高的溶解度（0.25 M）。而工業生產中的常規縮合試劑為液態的DIC。
表2. Fmoc-氨基酸在PolarClean中溶解度[3]
3） 樹脂溶脹度
樹脂溶脹度是決定某種溶劑是否可以充當SPPS溶劑的關鍵參數之一。PolarClean過高的粘度影響了它在這一方面的表現，樹脂最大溶脹度分別於室溫下12小時和45 °C下3小時獲得。聚苯乙烯樹脂和ChemMatrix樹脂（聚乙二醇）在PolarClean中的溶脹度分別為4.25 mL/g和4.75 mL/g，這對於SPPS 來說已經足夠。
表3. 聚苯乙烯和聚乙二醇樹脂在PolarClean、DMF和NMP中的溶脹度對比 [3]
4） 多肽合成反應
研究者選擇了三個多肽底物：A) H-Tyr-Gly–Gly-Phe-Leu-NH2（Leu-enkephalinamide 亮氨酸-腦啡肽酰胺），B) H-Ala-Lys-Asp-Gly-Tyr-Ile-NH2，C) H-Lys-Thr-Thr-Lys-Ser-NH2，分別使用DMF與PolarClean作為溶劑在0.1 mmol/g的Fmoc-Rink Amide PS樹脂上進行固相合成。考慮到PolarClean的高粘度，脫Fmoc與氨基酸縮合反應都在45 °C的條件下進行。氨基酸縮合通過3 equiv. Fmoc-Xaa-OH與DIC 和 Oxyma (1:1:1)完成，氨基酸預活化時間為1 min，縮合反應時間為1 h。脫Fmoc反應由20% piperidine的DMF溶液或PolarClean溶液介導。以DMF和PolarClean為溶劑的三個多肽的固相合成都成功完成，得到了純度很高的多肽粗品，兩者的合成結果非常相近。在多肽B和C的粗品中，出現了少量疏水性雜質，其在RP-HPLC上的保留時間比目標產物較長，可能是多肽在脫Fmoc反應中，氨基與PolarClean的甲酯結構之間的胺酯交換反應導致的。這種副反應在其它諸如PC和GVL等含有酯鍵的綠色溶劑介導的多肽合成中也有發現。總體來看，PolarClean在介導這三條多肽的固相合成上，與DMF表現非常接近。
總結
儘管存在粘度較高的缺陷，但在合成難度不高的常規多肽方面，PolarClean有望取代DMF成為介導SPPS的綠色有機溶劑。它對常見的20種Fmoc保護氨基酸具有較高的溶解度，常見的縮合試劑和縮合試劑添加劑在其中也由良好的溶解表現（除了HBTU與HATU）。儘管粘度較高，但PolarClean對於聚苯乙烯和聚乙二醇為骨架的多肽合成樹脂都具有良好的溶脹效果。在實驗的三種多肽底物上，PolarClean表現出了與DMF相似的效果。儘管PolarClean（6歐元/千克）的價格要明顯高於DMF（1.5歐元/千克），但隨着其應用範圍擴增帶來的需求量增加，PolarClean的價格應該會出現明顯的降低。而在粘度方面的限制，除了升高反應溫度之外，篩選合適的二元溶劑也應該能夠提供正交的解決方案。儘管該文只討論了PolarClean在SPPS領域內的應用，它在金屬催化反應和親核芳香取代反應等諸多非質子極性溶劑介導的領域同樣具有巨大的利用潛力。
參考文獻：
[1] C. M. Alder , J. D. Hayler , R. K. Henderson , A. M. Redman , L. Shukla , L. E. Shuster and H. F. Sneddon , Green Chem., 2016, 18 , 3879-3890.
[2] US Environmental Protection Agency Methyl 5-(dimethylamino)-2-methyl-5- oxo pentanoate; Exemption from the Requirement of a Tolerance, Fed. Regist., 2013, 78 , 32157 —32161
[3] Ashish Kumar, Anamika Sharma, Beatriz G. de la Torre & Fernando Albericio, Rhodiasolv PolarClean – a greener alternative in solid-phase peptide synthesis. Green Chem. Lett. Rev. 2021, 14, 545-550.
（本文由北緯55°供稿）
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