随着传统化工生产过程环境问题的逐渐凸显，以及人们对环境保护和可持续发展意识的日益增强，绿色溶剂的研发与应用已经成为化学与化工领域内的重要课题。为了减少传统有机溶剂带来的环境、健康和安全风险，一系列绿色溶剂已经逐渐在实验室与生产车间中替代那些有毒有害的传统溶剂。与之相比，这些绿色溶剂通常具有较低的急/慢性毒性、较轻微的环境影响和较少的安全问题。此外，它们通常以可再生资源为基础生产，因此从可持续性的角度来看更具吸引力。
但是，并非所有溶剂类别都已经找到可行的绿色替代品。虽然绿色醇类或极性酯类的绿色溶剂不断涌现，但只有少数极性非质子绿色溶剂获得应用。最新的 GSK 溶剂可持续性指南包含 154 种溶剂，其中 53 种获得了绿色（推荐）标志。[1] 但评估的 14 种极性非质子溶剂中没有一种被列入该类别。诸如DMF和NMP这样的非质子性极性溶剂（ICH二类溶剂），由于其特殊的理化性质，如极性、氢键受/供体、稳定性、粘度等综合参数的影响，至今仍在诸如多肽合成、金属催化反应、亲核芳香取代反应（SNAr）领域发挥着极其重要的关键作用。考虑到DMF、DMAc和NMP的生殖毒性，寻找它们替代品的需求已经越来越迫切。目前比较有希望的替代溶剂包括 γ-戊内酯（GVL）、Cyrene（二氢左旋葡糖烯酮）、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）。虽然这些溶剂中的一些仅在克级市售，但5-(二甲基氨基)-2-甲基-5-氧代戊酸甲酯是却是新兴绿色溶剂 Rhodiasolv® PolarClean的主要成分，由索尔维（Solvay）以吨级的量级生产。
图1. PolarClean 组成成分
真正意义上的PolarClean实际是一种混合物，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（图1）。在大规模生产尼龙66的过程中，2-甲基戊二腈（MGN）是一个关键的副产品，它可以转化为酰亚胺对应物（传统工艺中，MGN副产品通常作废物焚烧处理），然后转化为2-甲基戊二酸二甲酯（商业上称为Rhodiasolv® IRIS，也可以作为绿色有机溶剂使用），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）的二酯前体。
PolarClean 可与水混溶，具有高沸点（BP: 278−282 °C）、不易燃（FP: 145 °C）、高度可生物降解等优势。PolarClean的毒理学研究证实其具有较低的急性毒性（大鼠在 1000 mg kg−1 day−1条件下未观察到不良反应），并且没有发现可检测出的致癌性、遗传毒性或致突变性的证据。[2] 由于5-(二甲基氨基)-2-甲基-5-氧代戊酸甲酯（1）是PolarClean的主要成分，因此它也单独被作为绿色溶剂进行研究，并被冠以PolarClean的名号（注：下文的PolarClean都特指化合物1）。
考虑到DMF和NMP在固相多肽合成（SPPS）领域内几乎不可替代的作用，PolarClean作为一种潜在的SPPS绿色溶剂得到了关注。在一项研究中，PolarClean作为溶剂介导了整个SPPS，根据其表现评估PolarClean替代DMF或NMP作为SPPS溶剂的可行性。[3]
1） 沸点、熔点、粘度
常见非质子极性溶剂的物理性质见表1。PolarClean沸点高（278–282 °C）、熔点低（-60°C）和粘度大（9.78 cP）。前两项特性有利于通过自动合成或微波合成的方式介导SPPS，但PolarClean的高粘度不利于溶质在固相合成条件下的扩散，可能会影响氨基酸与固相上的多肽之间的缩合反应。
表1. 非质子极性溶剂物理性质 [3]
2） 溶解度
部分常见Fmoc-保护氨基酸在PolarClean中的溶解度见表2。大多数常见Fmoc-氨基酸都可以在PolarClean中获得0.9 M以上的溶解度。Trt侧链保护的非极性较强的几个氨基酸，以及Fmoc-Arg(Pbf)-OH溶解度相对较低，但也都在0.4 M以上，符合SPPS的要求（过高浓度的氨基酸溶液可能无法完全覆盖树脂，通常情况下的浓度为0.2-0.5 M）。Oxyma和HOBt也可高度溶于PolarClean（浓度大于0.9 M）。作为缩合试剂，HBTU和HATU在PolarClean中的溶解度过低（分别为0.04 M和0.05 M），但COMU有较高的溶解度（0.25 M）。而工业生产中的常规缩合试剂为液态的DIC。
表2. Fmoc-氨基酸在PolarClean中溶解度 [3]
3） 树脂溶胀度
树脂溶胀度是决定某种溶剂是否可以充当SPPS溶剂的关键参数之一。PolarClean过高的粘度影响了它在这一方面的表现，树脂最大溶胀度分别于室温下12小时和45 °C下3小时获得。聚苯乙烯树脂和ChemMatrix树脂（聚乙二醇）在PolarClean中的溶胀度分别为4.25 mL/g和4.75 mL/g，这对于SPPS 来说已经足够。
表3. 聚苯乙烯和聚乙二醇树脂在PolarClean、DMF和NMP中的溶胀度对比 [3]
4） 多肽合成反应
研究者选择了三个多肽底物：A) H-Tyr-Gly–Gly-Phe-Leu-NH2（Leu-enkephalinamide 亮氨酸-脑啡肽酰胺），B) H-Ala-Lys-Asp-Gly-Tyr-Ile-NH2，C) H-Lys-Thr-Thr-Lys-Ser-NH2，分别使用DMF与PolarClean作为溶剂在0.1 mmol/g的Fmoc-Rink Amide PS树脂上进行固相合成。考虑到PolarClean的高粘度，脱Fmoc与氨基酸缩合反应都在45 °C的条件下进行。氨基酸缩合通过3 equiv. Fmoc-Xaa-OH与DIC 和 Oxyma (1:1:1)完成，氨基酸预活化时间为1 min，缩合反应时间为1 h。脱Fmoc反应由20% piperidine的DMF溶液或PolarClean溶液介导。以DMF和PolarClean为溶剂的三个多肽的固相合成都成功完成，得到了纯度很高的多肽粗品，两者的合成结果非常相近。在多肽B和C的粗品中，出现了少量疏水性杂质，其在RP-HPLC上的保留时间比目标产物较长，可能是多肽在脱Fmoc反应中，氨基与PolarClean的甲酯结构之间的胺酯交换反应导致的。这种副反应在其它诸如PC和GVL等含有酯键的绿色溶剂介导的多肽合成中也有发现。总体来看，PolarClean在介导这三条多肽的固相合成上，与DMF表现非常接近。
总结
尽管存在粘度较高的缺陷，但在合成难度不高的常规多肽方面，PolarClean有望取代DMF成为介导SPPS的绿色有机溶剂。它对常见的20种Fmoc保护氨基酸具有较高的溶解度，常见的缩合试剂和缩合试剂添加剂在其中也由良好的溶解表现（除了HBTU与HATU）。尽管粘度较高，但PolarClean对于聚苯乙烯和聚乙二醇为骨架的多肽合成树脂都具有良好的溶胀效果。在实验的三种多肽底物上，PolarClean表现出了与DMF相似的效果。尽管PolarClean（6欧元/千克）的价格要明显高于DMF（1.5欧元/千克），但随着其应用范围扩增带来的需求量增加，PolarClean的价格应该会出现明显的降低。而在粘度方面的限制，除了升高反应温度之外，筛选合适的二元溶剂也应该能够提供正交的解决方案。尽管该文只讨论了PolarClean在SPPS领域内的应用，它在金属催化反应和亲核芳香取代反应等诸多非质子极性溶剂介导的领域同样具有巨大的利用潜力。
参考文献：
[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.
（本文由北纬55°供稿）
