模擬跨膜信號(hào)的偶氮苯化合物的合成及表征*

田甜，趙小菁，張麗影，支云，金黎明，范圣第

（大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)與資源利用國(guó)家民委–教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116600）

模擬跨膜信號(hào)的偶氮苯化合物的合成及表征*

田甜，趙小菁，張麗影，支云，金黎明，范圣第

（大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)與資源利用國(guó)家民委–教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116600）

在一種仿G蛋白耦合型信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的人工超分子系統(tǒng)中引入一類(lèi)偶氮苯結(jié)構(gòu)的化合物，用來(lái)模擬跨膜受體。選用偶氮苯類(lèi)化合物為受體是因?yàn)樵摶衔锞哂泄庵庐悩?gòu)化的特性，能夠引入光信號(hào)。實(shí)驗(yàn)合成了苯丙氨酸甲酯偶氮苯、纈氨酸甲酯偶氮苯、谷氨酸甲酯偶氮苯，并用紅外光譜、紫外可見(jiàn)光譜以及核磁共振方法進(jìn)行表征，結(jié)果顯示，所合成的產(chǎn)物是預(yù)期產(chǎn)物。

超分子系統(tǒng)；偶氮苯；合成；表征

生物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，是細(xì)胞個(gè)體完成新陳代謝的本質(zhì)。通常生物體的信息傳遞由其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)完成，該系統(tǒng)被視為精巧、縝密、分子水平的信息處理器，細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程與細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞分裂、細(xì)胞代謝、細(xì)胞分化及細(xì)胞增殖密切相關(guān)［1］。研究各個(gè)重要環(huán)節(jié)蛋白質(zhì)之間的相互作用及生物體系信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中重要分子事件的過(guò)程和機(jī)理，是生命科學(xué)研究的重要領(lǐng)域?？缒ば盘?hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程需借助受體蛋白的幫助才能順利完成。受體蛋白位于細(xì)胞表面，具有識(shí)別外來(lái)信號(hào)，并與之結(jié)合，從而啟動(dòng)一系列的生化反應(yīng)，產(chǎn)生特定的生化反應(yīng)的功能，通常所說(shuō)的受體是指膜受體。根據(jù)細(xì)胞膜表面受體信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制和受體分子的結(jié)構(gòu)特征把膜表面受體分為激動(dòng)劑控制的離子通道型受體、G蛋白耦合型受體和酶活性受體3種類(lèi)型。一種作為細(xì)胞膜模型的人工雙層膜囊泡上使用能穩(wěn)定插入囊泡雙層膜中的合成固醇類(lèi)化合物為受體，以鄰羥基萘醛為信號(hào)分子的仿G蛋白耦合型信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)超分子已被構(gòu)建［2］，示意圖如圖1所示。

圖1 仿G蛋白耦合型信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)人工超分子體系示意圖

筆者試圖在該系統(tǒng)中引入一種含有偶氮苯結(jié)構(gòu)的化合物，作為一種光化學(xué)開(kāi)關(guān)，連接在人工受體上，作為模擬人體、接收信號(hào)、處理信號(hào)及作出一系列反應(yīng)的體系，可令系統(tǒng)接受光信號(hào)刺激后改變受體構(gòu)象，從而影響信號(hào)分子的傳遞，為此選用了具有光異構(gòu)結(jié)構(gòu)的偶氮苯類(lèi)功能基團(tuán)。偶氮苯是典型的光致變構(gòu)分子，在不同波長(zhǎng)的照射下，其分子內(nèi)的—N=N—基團(tuán)會(huì)發(fā)生可逆的構(gòu)象變化及順?lè)串悩?gòu)體之間的變化［3］。由于偶氮苯分子比較穩(wěn)定，合成條件比較溫和，因此選擇偶氮苯分子作為人工受體。該研究對(duì)建立進(jìn)行人工跨膜信號(hào)傳遞以及放大功能的超分子體系有著重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

紫外–可見(jiàn)分光光度計(jì)：UV2450型，日本島津公司；

核磁共振波譜儀：Mercury Vx 300型，400 MHz，美國(guó)Varian公司；

傅立葉變換紅外光譜儀：TENSOR 27型，德國(guó)布魯克光譜儀器公司；

集熱式恒溫磁力攪拌器：DF–101S 型，河南鞏義市英峪予華儀器廠；

電子天平：HR–200型，美國(guó)OHAUS Adventurer公司；

循環(huán)水式真空泵：SHZ–D(Ⅲ)型，河南鞏義市英峪予華儀器廠；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG–9070型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠；

1.2 儀器工作條件

（1）核磁共振波譜儀

內(nèi)標(biāo)：四甲基硅烷；工作頻率：400 MHz；溶劑：CDCl3。

（2）紫外–可見(jiàn)分光光度計(jì)

溶劑：三氯甲烷；參比：二氯甲烷；儀器工作溫度：室溫；掃描范圍：290～700 nm。

（3）紅外光譜儀

KBr壓片；掃描范圍：400～4 000 cm–1。

1.3 氨基酸偶氮苯的合成

（1）偶氮苯二羧酸的合成

在250 mL三頸瓶中依次加入間硝基苯甲酸6.50 g，NaOH 25 g和水120 mL，磁力攪拌，溫度控制在50℃。將葡萄糖50 g溶于75 mL水中，在30 min內(nèi)滴入三頸瓶中，維持溫度50～60℃,反應(yīng)8 h后停止，冷卻至室溫，以稀乙酸中和至pH值約為6，過(guò)濾，水洗。所得固體用熱的飽和碳酸鉀溶液溶解，酸化，過(guò)濾，固體水洗至中性，100℃下真空干燥24 h，得到淺黃色固體。

（2）氨基酸甲酯偶氮苯的合成［4］

稱(chēng)取偶氮苯二羧酸0.275 g，移取二氯甲烷40 mL，HoBt（1-羥基-苯并-三氮唑）1 g，EDC–HCl [1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽]1 g于圓底燒瓶中，向燒瓶?jī)?nèi)放入瓷子，用冰水混合物維持溫度于0℃，開(kāi)動(dòng)攪拌器攪拌20～30 min。向圓底燒瓶中加入0.50 g氨基酸甲酯鹽酸鹽及1 g NMM（氮甲基嗎啉），升至室溫，攪拌12 h。除去溶劑，將產(chǎn)品放在室溫下保存。合成路線如圖2所示。

圖2 氨基酸甲酯偶氮苯合成路線

2 結(jié)果與討論

2.1 核磁共振譜圖

稱(chēng)取合成的氨基酸甲酯偶氮苯3～5 mg，加入氘代氯仿溶解，于核磁共振儀上在400 MHz下掃描。圖3為谷氨酸甲酯偶氮苯核磁共振圖。

圖3 谷氨酸甲酯偶氮苯核磁共振圖

由圖3可知，在δ 6.662～6.680處有一個(gè)酰胺的多重峰，這是由于C=O鍵π電子環(huán)流使C=O鍵上下的錐體區(qū)域?yàn)槠帘螀^(qū)，而鄰位NH上質(zhì)子氫處于這個(gè)區(qū)域，所以向高場(chǎng)發(fā)生位移［5］。苯環(huán)上的4個(gè)氫則處于化學(xué)位移δ 7～8之間。表1列出了3種氨基酸偶氮苯核磁共振分析結(jié)果，由表1可知，纈氨酸甲酯偶氮苯和谷氨酸甲酯偶氮苯苯環(huán)上的4個(gè)氫則處于化學(xué)位移δ 8左右，這可能是由于后兩者的氨基酸殘基中沒(méi)有苯環(huán)的π–π作用發(fā)生屏蔽，因此處在低場(chǎng)。

表1 偶氮苯化合物的核磁共振測(cè)試結(jié)果

2.2 紫外可見(jiàn)光譜

將樣品溶于三氯甲烷中，選用1×1 cm的比色皿，以二氯甲烷為參比，在290～700 nm進(jìn)行掃描，圖4為苯丙氨酸偶氮苯的紫外可見(jiàn)光圖譜。

圖4 苯丙氨酸偶氮苯的紫外可見(jiàn)光圖譜

由于偶氮分子在室溫下的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為反式結(jié)構(gòu)，300～400 nm之間的強(qiáng)吸收峰可歸屬于偶氮苯化合物反式結(jié)構(gòu)的π–π*躍遷［6］，所以360 nm左右的吸收峰對(duì)應(yīng)的是反式態(tài)偶氮結(jié)構(gòu)的π–π*躍遷吸收峰。選用中心波長(zhǎng)為365 nm的紫外光激發(fā)可以和偶氮分子的π–π*躍遷吸收相匹配，激發(fā)偶氮分子產(chǎn)生反式→順式的變化。苯丙氨酸偶氮苯在331 nm、谷氨酸偶氮苯在330 nm、纈氨酸偶氮苯在239 nm出現(xiàn)的強(qiáng)吸收峰，歸屬于選擇定則允許的π(NHOMO)→π*(LUMO)躍遷，苯丙氨酸偶氮苯在460 nm處，纈氨酸偶氮苯在525 nm處，谷氨酸偶氮苯在475處出現(xiàn)的弱吸收帶，歸屬于選擇定則禁阻的n(HOMO)→π*(LUMO)躍遷。

2.3 紅外光譜

取少量樣品和溴化鉀（干燥），質(zhì)量比約為1∶10，研磨，壓片。將處理好的樣品放入儀器，在1.2條件下進(jìn)行分析，圖5為谷氨酸甲酯偶氮苯紅外圖譜，表2為3種偶氮苯化合物的紅外光譜特征峰。從圖5可以看出，在3 436.7 cm–1區(qū)域的強(qiáng)振動(dòng)峰為水分子中羥基振動(dòng)峰；1 739.6 cm–1為羰基伸縮振動(dòng)峰；1 639.3 cm–1處的峰為氮氮雙鍵特征峰，說(shuō)明有偶氮化合物的存在；此外，1 533.2 cm–1處為酰胺基團(tuán)特征峰，1 211.1 cm–1處為苯環(huán)的骨架振動(dòng)峰。從表2可知，纈氨酸甲酯偶氮苯的水峰在3 442.5 cm–1處；偶氮特征峰在1 633.5 cm–1處；酰胺特征峰在1 398.2 cm–1處；苯環(huán)的骨架振動(dòng)峰在1 101.0 cm–1處。而苯丙氨酸偶氮苯則在3 422.3 cm–1處有水峰，偶氮特征峰在1 648.4 cm–1處，酰胺特征峰在1424.49 cm–1處。

圖5 谷氨酸偶氮苯紅外圖譜

表2 偶氮苯化合物的紅外光譜特征峰 cm–1

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)核磁、紫外、紅外光譜的綜合分析，確認(rèn)所合成的物質(zhì)即為目標(biāo)產(chǎn)物——氨基酸甲酯偶氮苯化合物，對(duì)其合成路線進(jìn)行了探索，并采取色譜柱的提純方法對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行提純。利用偶氮苯光致異構(gòu)這一特性，將合成的偶氮苯化合物用作生物信號(hào)開(kāi)關(guān)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)受體的人工模擬有著重要的意義。

［1］ Hancock J T. Cell Signaling［M］.UK：Longman，Harlow，1997.

［2］ Fukuda K，Saaski Y，Ariga K，et al. Dynamc behavior of a transmembrane molecular switch as an arti fi cial cell-surface receptor［J］. Mol Catal B: Enymatic，2001(11): 971–976.

［3］ Kumar G S, Neckers D C. Photochemistry of azobenzene-containing polymers［J］. Chem Rev，1989，89: 1 915–1 916.

［4］ 趙小菁，田甜，支云，等.偶氮苯類(lèi)人工受體中間體的合成及1H NMR譜［J］.大連民族學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，13(5): 444–449.

［5］ Willner I，Eichen Y，Rabinovitz M，et al. Reactivity of N-substituted azaaromatics［J］. J Am Chem Soc，1992，114: 637–639.

［6］ 毛華平.光致變色分子開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)、合成及性質(zhì)的研究［D］.吉林：吉林大學(xué)，2006.

Synthesis and Characteristic of Azobenzene Compounds Simulating Transmembrane Ligand

Tian Tian， Zhao Xiaojing， Zhang Liying， Zhi Yun， Jin Liming， Fan Shengdi
(College of Life Science， Key Laboratory of Biological and Chemical Engineering， State Ethnic Affairs Commission and Ministry of Education， Dalian Nationalities University， Dalian 116600, China)

A kind of copy G protein coupling type of signal transduction arti fi cial supramolecular system introduced in a azo-benzene structure of the compound was discussed，which was used to simulate the transmembrane receptors. Azocompounds for receptors of benzene was chosed because the compounds had characteristics of light induced isomerization, which can be introduced into the light signal. Phenylalanine methyl ester of azobenzene, valine methyl azobenzene and methyl glutamate azobenzene were synthesized. IR spectrum，Ultraviolet visible spectroscopy and nuclear magnetic resonance (NMR) were used for characterization of the compounds. The results indicated that the compounds were expected products.

supramolecular system; azobenzene compound; synthesis; characteristic

O625.5

A

1008–6145(2012)03–0017–03

10.3969/j.issn.1008–6145.2012.03.005

*國(guó)家自然科學(xué)基金(21172028，30872004)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(DC110318)

聯(lián)系人：趙小菁；E-mail: chemiely@dlnu.edu.cn

2012–02–11