本研究由Ting-ting Shi、Zheng Fang、Wen-bo Zeng、Zhao Yang、Wei He和Kai Guo等人完成，主要作者分别来自南京工业大学生物与制药工程学院、蚌埠医学院化学系、中国药科大学工学院以及南京工业大学材料化学工程国家重点实验室。该论文发表于*RSC Advances*期刊，于2019年1月10日收稿，2019年2月27日接受，并于2019年3月6日在线发表。
从学术背景来看，该研究属于生物基表面活性剂与自组装材料领域。传统表面活性剂大多来源于石油化工产品，具有不可再生、生物降解性差以及对环境和生物体毒性较高等问题。相比之下，基于氨基酸的生物基表面活性剂因其天然来源、良好的生物降解性、生物相容性和低生态毒性而备受关注。赖氨酸作为一种碱性氨基酸，具有两个氨基和一个羧基，便于在其不同位点引入疏水基团，从而构建阴离子型、阳离子型或两性表面活性剂。然而，既往关于赖氨酸衍生物表面活性剂的研究多集中在NαN3位或N3位修饰的衍生物上，此类化合物的合成通常需要繁琐的氨基保护与脱保护步骤，工业化前景有限。由于电子效应和溶剂化效应的影响，Nα位具有比N3位更高的反应活性，直接从赖氨酸出发获得Nα位修饰衍生物较为困难，因此关于Nα-酰化赖氨酸衍生物的表面活性和自组装行为研究较少。该研究旨在开发一种简便的合成策略，无需氨基保护与脱保护过程，选择性地在Nα位引入长链酰基，并系统探讨不同疏水链长度对其表面活性与聚集行为的影响。
在具体研究流程方面，作者首先设计并合成了一系列Nα-酰化赖氨酸钠盐衍生物，疏水碳链长度从6到18，分别标记为C6、C8、C10、C12、C14、C16和C18。合成路线包括三步：首先将L-赖氨酸在正己醇中加热得到α-氨基-ε-己内酰胺；随后将酰氯与α-氨基-ε-己内酰胺反应得到α-酰胺-ε-己内酰胺中间体；最后在碱性水溶液中进行水解，得到Nα-酰化赖氨酸钠盐衍生物。对于疏水碳数大于12的化合物，在反应体系中加入了丁醇以提高溶解度。与以往文献中通过制备铜配合物、保护ε-氨基、酰化α-氨基、再脱保护等多步策略相比，该方法步骤更少、产率更高，所有衍生物的产率均在75%至93%之间。在表面活性研究中，作者测定了C8、C10和C12的表面张力随浓度的变化曲线。C8和C10的测定在25 °C下进行，C12由于室温下溶解度较低，在45 °C下进行。由于碳链过短时疏水性质不明显，C6的相关数据未报告。根据表面张力-浓度对数曲线，作者确定了临界胶束浓度、临界胶束浓度下的表面张力值以及其他表面活性参数，包括吸附效率pC20、表面张力降低效能pCMC、最大表面过剩浓度Γmax和最小分子截面积Amin。其中，pC20是指将水的表面张力降低20个单位所需的表面活性剂浓度的负对数；pCMC是纯水与溶液在临界胶束浓度时表面张力的差值；Γmax依据吉布斯吸附方程计算；Amin则通过阿伏伽德罗常数与Γmax的关系求得。在自组装行为研究中，作者分别配制了C8、C10和C12在其临界胶束浓度3倍和5倍浓度的水溶液，利用透射电子显微镜和动态光散射对不同衍生物形成的聚集体形貌和粒径进行了表征。透射电镜样品采用2%磷钨酸负染色法制备，动态光散射在60 °C下测定。在较高浓度条件下，作者利用光学显微镜、偏光显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、小角X射线散射和红外光谱等手段研究了C8、C10和C12的晶体行为、凝胶化现象和液晶相结构。小角X射线散射数据根据布拉格方程进行分析，以确定干态下化合物的层状结构特征。冷冻干燥后的干态样品被包裹在铝箔中测定，测量强度扣除了铝箔背景散射。红外光谱一方面用于研究C12在重水溶液中自组装囊泡中氢键相互作用的存在，另一方面用于分析干燥凝胶态下分子的去质子化状态和烷基链排列差异。
研究结果显示，C8、C10和C12水溶液均表现出传统胶束形成行为。随着疏水碳链从8增加到12，临界胶束浓度从15.07 mmol/L降至7.64 mmol/L，再降至1.79 mmol/L；临界胶束浓度下的表面张力值从56.288 mN/m降至37.724 mN/m和36.417 mN/m。pCMC值显示C10和C12在降低表面张力方面比C8更有效。Γmax从C8的1.05 mmol/m²增加到C10的1.84 mmol/m²和C12的2.14 mmol/m²，而Amin则从1.58 nm²减小到0.90 nm²和0.78 nm²，表明疏水链越长，分子在气液界面堆积越紧密，吸附能力越强。pC20和临界胶束浓度与C20的比值均表明C12比C10更倾向于在气液界面吸附而非在溶液中形成胶束。透射电镜和动态光散射结果证明，C8、C10和C12在水溶液中均能自发形成球形囊泡结构，内部直径在30至80 nm范围内。动态光散射测得的囊泡平均水合直径分别为105.8 nm、82.7 nm和74.5 nm，随着碳链增长而减小。红外光谱显示C12在重水中于3405 cm⁻¹处出现宽峰，对应O–H伸缩振动，说明氢键相互作用在其自组装过程中发挥了作用。高浓度条件下，三种化合物均可形成凝胶。C12在0.1 wt%浓度时于25 °C下分散，加热至45 °C后形成各向同性溶液，冷却至室温后可形成缠结网络，浓度超过0.8 wt%时形成白色凝胶状样品。偏光显微镜观察显示，25 wt% C12样品在交叉偏振片下呈现马赛克织构，可能为六方相。小角X射线散射结果表明，只有C12在干态下表现出明显的层状液晶行为，其布拉格峰对应的q值比例为1:2，符合层状结构特征；层间距为2.25 nm，双层厚度为2.14 nm，表明分子在层状排列中形成交错穿插的疏水链结构。扫描电镜显示C10在干燥后形成立方体状晶体，C12则形成层状堆积的片晶，反映出烷基链空间位阻和分子排列方式的差异。红外光谱中N–H伸缩振动、酰胺I带、酰胺II带和羧酸根的特征峰表明分子以去质子化形式存在；仅在1042 cm⁻¹处出现差异，提示不同衍生物中烷基链排列有序度不同。
综合以上结果，该研究成功通过简便的三步法合成了从C6到C18的七种Nα-酰化赖氨酸钠盐衍生物，避免了传统方法中繁琐的保护与脱保护步骤。C8、C10和C12均可在极低浓度下无需外加超声等外力而自发形成囊泡，显示出作为药物递送载体和生物膜模型系统的潜力，同时也有望拓展多金属氧酸盐基材料在生物分子探针领域的应用。C12的层状液晶相通过偏光显微镜和扫描电镜得到证实，可能作为功能粉体应用于化妆品中。C10和C12在聚集行为和表面活性方面表现优异，值得进一步深入研究。该研究的主要亮点在于：第一，提出了新的Nα位选择性酰化合成策略，减少了合成步骤并提高了产率，为赖氨酸基表面活性剂的工业化制备提供了可行性；第二，系统揭示了不同疏水链长度对Nα-酰化赖氨酸钠盐衍生物表面活性和自组装行为的影响规律，包括临界胶束浓度、表面张力参数、囊泡粒径以及液晶相结构的变化；第三，首次报道了钠Nα-月桂酰赖氨酸在干燥态下呈现层状液晶结构，并结合小角X射线散射、偏光显微镜和扫描电镜等手段对其结构进行了表征，丰富了赖氨酸衍生物自组装行为的研究内容。此外，该研究还发现碳链长度超过12的衍生物在水中溶解度较差，即使在60 °C下也无法充分溶解，这为后续结构优化和应用条件选择提供了参考。整体而言，该工作不仅为生物基表面活性剂的分子设计提供了新思路，也为拓展赖氨酸基化合物在药物载体、化妆品和材料科学等领域的应用奠定了基础。