N-月桂酰基-L-丙氨酸分子组装结构的固体核磁共振研究

摘要 氨基酸表面活性剂（AAS）具有低毒性、抗菌性、温和性和抗腐蚀性等优良性能，近年来在日化、食品和医药等行业受到了广泛关注。研究表明， AAS 分子级尺度的结构特点与其物理化学性质密切相关。本研究采用多种高分辨固体核磁共振（SSNMR）技术开展了固体状态下N-月桂酰基-L-丙氨酸（NLLA）氢键结构、局部动态学和分子组装结构的研究。通过2D 1H-1H DQ-SQ 和2D 1H-1H DQ sideband pattern 等技术并结合分子模拟，发现两个NLLA 分子的羧基之间存在分子间氢键作用；结合13C-1H FSLG-HETCOR 谱和13C T1的研究发现，相邻NLLA 分子的酰胺基团之间存在氢键作用，继而推断NLLA 分子通过分子间氢键作用形成具有反式和顺式两种构型的组装结构；此外，依据13C{1H} CP/MAS 谱化学位移信息，发现NLLA 烷烃链端呈反式（trans）和旁式（gauche）两种构象，其中， trans 构象表现为两个13C 共振谱峰，分别对应于NLLA 分子通过氢键作用所组装的两种构型结构；最后，依据SSNMR 实验数据，绘制了NLLA 分子在固体状态下的分子组装结构示意图。本研究为NLLA 等AAS 样品或同类型材料的分子间氢键作用、组装结构的表征提供了可选择的SSNMR 实验技术方案，从而为相关材料的构效关系研究提供数据支持。

关键词 固体核磁共振；氨基酸表面活性剂；N-月桂酰基-L-丙氨酸；氢键；组装结构

氨基酸表面活性剂（Amino acid-based surfactant， AAS）是以天然可再生物质为原料制备而成，与传统表面活性剂相比，具有低毒、抗菌、性能温和和抗腐蚀等优良性能，并且制备成本较低、环境友好[1-3]，在日化、食品和医药等行业受到了广泛关注[4-8]。N-月桂酰基-L-丙氨酸（N-Lauroyl-L-alanine， NLLA）是一种典型的氨基酸类表面活性剂，由疏水性的月桂酰分子链和亲水性的丙氨酸头部基团组成（图1A）[9]。NLLA具有优良的抗菌性能和清洁能力[10-11]，作为关键配料已逐渐用于制造清洁品、药物载体和纳米材料等[12-15]。

随着AAS 在多个领域的广泛使用，研究人员越来越关注其分子结构研究，包括分子间相互作用和组装结构等[16-17]。2022年， Borkowski 等[18]通过分子动力学模拟（MDS）及密度泛函理论（DFT）计算等方法对NLLA 等表面活性剂在溶液中的分子结构进行了研究，发现表面活性剂分子酰胺基位点存在分子间氢键作用，该相互作用可以促进二聚体的形成，从而影响其表面活性。Sivaramakrishna 等[19]合成了具有饱和烷烃链CH3（CH2）n（n = 8～20）的一系列N-酰基-L-丙氨酸（NAAs），并对含有不同烷烃链的NAAs 的固态与液态相变过程及超分子结构进行了探究。结果显示，具有长烷烃链（n = 11～20）的NAAs 更利于形成双分子层结构。Bordes 等[20]对比分析了N-月桂酰基甘氨酸钠和N-月桂酰基肌氨酸钠两种AAS 在溶液中的自组装形式以及其在空气-水界面和固体表面的吸附性能，发现通过酰胺基团形成的分子间氢键更有利于分子在空气-水界面和疏水表面紧密堆积，从而提高了两亲性物质的水溶性。Bhattacharya 等[21]通过扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）和差示扫描量热（DSC）等技术对NLLA 在甲苯和正庚烷等溶剂中所形成的凝胶样品进行测试分析，提出了凝胶状态下，通过分子间氢键作用而形成的两种NLLA 分子组装结构模型。上述研究工作通过实验或分子模拟等手段从分子尺度研究了多种AAS 体系，这对AAS 微观结构与物理化学性质的相关性研究具有重要意义，对其在相关应用领域的研发与推广具有指导价值。

在以往的研究中，研究者主要关注AAS 在溶液中或凝胶状态下的结构信息。然而，作为日化、医药、食品和材料等领域的重要原料， AAS 在固体状态下的结构和动态学的研究同样具有重要意义。首先，在实际生产中，固体原料及产品在制造、包装和运输等方面的成本相对较低，并且产品稳定性和防篡改性相对较高[22]。此外，固态AAS 可用于制备介孔材料及固态燃料电池等[23-24]，对固体状态下样品分子尺度结构及动态学的研究，有助于深入理解相关功能材料的结构与性能关系，从而实现对材料性能的优化。近年来，固体核磁共振技术（Solid-state nuclear magnetic resonance， SSNMR）已成为研究固态样品体系分子尺度结构和动力学行为的重要手段。随着仪器硬件水平的不断提升和脉冲序列技术的研发与持续优化， SSNMR 的测量灵敏度和测量精度都有大幅提高。在高速魔角旋转（Magic angle spin， MAS）条件下，联合多脉冲去耦、多量子耦合重聚等技术，研究者可获取丰富的结构和动态学信息[25-26]，包括原子核间距离、分子组装结构、分子间相互作用和分子局部运动性等[27-28]。此外， SSNMR 对样品无破坏性，是研究AAS 在固体状态下结构和动态学的有效技术。然而，目前关于AAS 在固体状态下的氢键相互作用及分子组装结构的SSNMR 研究报道较少。基于此，本研究选取NLLA 作为模型样品，通过使用多种高分辨SSNMR 技术开展固体状态下NLLA 分子尺度结构和动态学研究，探索并总结了适用于表征AAS 固态样品的SSNMR 实验技术方案。