N-月桂酰基-L-丙氨酸分子組裝結構的固體核磁共振研究

摘要 氨基酸表面活性劑（AAS）具有低毒性、抗菌性、溫和性和抗腐蝕性等優良性能，近年來在日化、食品和醫藥等行業受到了廣泛關注。研究表明， AAS 分子級尺度的結構特點與其物理化學性質密切相關。本研究采用多種高分辨固體核磁共振（SSNMR）技術開展了固體狀態下N-月桂酰基-L-丙氨酸（NLLA）氫鍵結構、局部動態學和分子組裝結構的研究。通過2D 1H-1H DQ-SQ 和2D 1H-1H DQ sideband pattern 等技術并結合分子模擬，發現兩個NLLA 分子的羧基之間存在分子間氫鍵作用；結合13C-1H FSLG-HETCOR 譜和13C T1的研究發現，相鄰NLLA 分子的酰胺基團之間存在氫鍵作用，繼而推斷NLLA 分子通過分子間氫鍵作用形成具有反式和順式兩種構型的組裝結構；此外，依據13C{1H} CP/MAS 譜化學位移信息，發現NLLA 烷烴鏈端呈反式（trans）和旁式（gauche）兩種構象，其中， trans 構象表現為兩個13C 共振譜峰，分別對應于NLLA 分子通過氫鍵作用所組裝的兩種構型結構；最后，依據SSNMR 實驗數據，繪制了NLLA 分子在固體狀態下的分子組裝結構示意圖。本研究為NLLA 等AAS 樣品或同類型材料的分子間氫鍵作用、組裝結構的表征提供了可選擇的SSNMR 實驗技術方案，從而為相關材料的構效關系研究提供數據支持。

關鍵詞 固體核磁共振；氨基酸表面活性劑；N-月桂酰基-L-丙氨酸；氫鍵；組裝結構

氨基酸表面活性劑（Amino acid-based surfactant， AAS）是以天然可再生物質為原料制備而成，與傳統表面活性劑相比，具有低毒、抗菌、性能溫和和抗腐蝕等優良性能，并且制備成本較低、環境友好[1-3]，在日化、食品和醫藥等行業受到了廣泛關注[4-8]。N-月桂酰基-L-丙氨酸（N-Lauroyl-L-alanine， NLLA）是一種典型的氨基酸類表面活性劑，由疏水性的月桂酰分子鏈和親水性的丙氨酸頭部基團組成（圖1A）[9]。NLLA具有優良的抗菌性能和清潔能力[10-11]，作為關鍵配料已逐漸用于制造清潔品、藥物載體和納米材料等[12-15]。

隨著AAS 在多個領域的廣泛使用，研究人員越來越關注其分子結構研究，包括分子間相互作用和組裝結構等[16-17]。2022年， Borkowski 等[18]通過分子動力學模擬（MDS）及密度泛函理論（DFT）計算等方法對NLLA 等表面活性劑在溶液中的分子結構進行了研究，發現表面活性劑分子酰胺基位點存在分子間氫鍵作用，該相互作用可以促進二聚體的形成，從而影響其表面活性。Sivaramakrishna 等[19]合成了具有飽和烷烴鏈CH3（CH2）n（n = 8～20）的一系列N-酰基-L-丙氨酸（NAAs），并對含有不同烷烴鏈的NAAs 的固態與液態相變過程及超分子結構進行了探究。結果顯示，具有長烷烴鏈（n = 11～20）的NAAs 更利于形成雙分子層結構。Bordes 等[20]對比分析了N-月桂酰基甘氨酸鈉和N-月桂酰基肌氨酸鈉兩種AAS 在溶液中的自組裝形式以及其在空氣-水界面和固體表面的吸附性能，發現通過酰胺基團形成的分子間氫鍵更有利于分子在空氣-水界面和疏水表面緊密堆積，從而提高了兩親性物質的水溶性。Bhattacharya 等[21]通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X 射線衍射（XRD）和差示掃描量熱（DSC）等技術對NLLA 在甲苯和正庚烷等溶劑中所形成的凝膠樣品進行測試分析，提出了凝膠狀態下，通過分子間氫鍵作用而形成的兩種NLLA 分子組裝結構模型。上述研究工作通過實驗或分子模擬等手段從分子尺度研究了多種AAS 體系，這對AAS 微觀結構與物理化學性質的相關性研究具有重要意義，對其在相關應用領域的研發與推廣具有指導價值。

在以往的研究中，研究者主要關注AAS 在溶液中或凝膠狀態下的結構信息。然而，作為日化、醫藥、食品和材料等領域的重要原料， AAS 在固體狀態下的結構和動態學的研究同樣具有重要意義。首先，在實際生產中，固體原料及產品在制造、包裝和運輸等方面的成本相對較低，并且產品穩定性和防篡改性相對較高[22]。此外，固態AAS 可用于制備介孔材料及固態燃料電池等[23-24]，對固體狀態下樣品分子尺度結構及動態學的研究，有助于深入理解相關功能材料的結構與性能關系，從而實現對材料性能的優化。近年來，固體核磁共振技術（Solid-state nuclear magnetic resonance， SSNMR）已成為研究固態樣品體系分子尺度結構和動力學行為的重要手段。隨著儀器硬件水平的不斷提升和脈沖序列技術的研發與持續優化， SSNMR 的測量靈敏度和測量精度都有大幅提高。在高速魔角旋轉（Magic angle spin， MAS）條件下，聯合多脈沖去耦、多量子耦合重聚等技術，研究者可獲取豐富的結構和動態學信息[25-26]，包括原子核間距離、分子組裝結構、分子間相互作用和分子局部運動性等[27-28]。此外， SSNMR 對樣品無破壞性，是研究AAS 在固體狀態下結構和動態學的有效技術。然而，目前關于AAS 在固體狀態下的氫鍵相互作用及分子組裝結構的SSNMR 研究報道較少。基于此，本研究選取NLLA 作為模型樣品，通過使用多種高分辨SSNMR 技術開展固體狀態下NLLA 分子尺度結構和動態學研究，探索并總結了適用于表征AAS 固態樣品的SSNMR 實驗技術方案。