田亞萍 陳龍 楊木易 甘文靜 劉燦 劉海燕 吳曉 營口理工學(xué)院
酶是一類有催化活性的蛋白質(zhì),它具有催化效率高、專一性強、反應(yīng)條件溫和等特點,但是酶容易受到多種物理、化學(xué)因素的影響而失活。人們試圖承接酶的某些優(yōu)點,改變它容易變性、失活等缺點,并期待可用有機合成方法簡單、易得地制備酶,從而開始進行酶功能的模擬研究。[1]1987年諾獎授予美國化學(xué)家Charles J. Pedersen、Donald James Cram 教授和法國化學(xué)家Jean-Marie Lehn 教授幾人,表彰他們先后發(fā)現(xiàn)一類具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的環(huán)狀化合物,為達成人類一直長期尋找的合成與天然蛋白質(zhì)功能雷同的有機物這一目標(biāo)方面取得了“擴充性的成就”,他們提出的主-客體化學(xué)(host-guest chemistry)和超分子化學(xué)(supramolecular chemistry)奠定了模擬酶的重要理論基礎(chǔ)。
在超分子化學(xué)的研究中,大環(huán)和多面體結(jié)構(gòu)一直是化學(xué)工作者研究的熱點,是一類人工合成的目的在于模擬和研習(xí)酶催化過程和某些生物分子判別的不可或缺的模型。設(shè)計合成具有特定尺度和結(jié)構(gòu)信息的大環(huán)化合物(環(huán)狀、穴狀和籠狀化合物),在其空穴或空腔內(nèi)抉擇性地結(jié)合客體分子、客體離子,進行主、客體的化學(xué)研究,突出是對生物活性小分子、生物活性離子進行的鑒別研究,是超分子、生物化學(xué)領(lǐng)域中的基本課題。由金屬與結(jié)構(gòu)匹配的多齒配體組裝的多面體金屬大環(huán)體系不僅具有傳統(tǒng)大環(huán)體系良好的主客體化學(xué)性能,而且可以方便的引入特定物理化學(xué)功能,實現(xiàn)對給定客體的識別和傳感。同時,配位健特殊的方向性和配位組裝的可逆性使這類超分子體系的大小、幾何形狀成為可能,從而在主-客體化學(xué)(模擬酶與底物的相互作用)、模擬酶催化過程等方面展現(xiàn)出較佳的前景。
天然酶的催化具有高度的立體專一性、區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性。要使金屬-有機限域體系成為精良的人工模擬酶,不單需要引入官能團顯現(xiàn)其化學(xué)選擇性,還需使它展現(xiàn)出手性以達成較高的立體選擇性。因此,學(xué)者們突破傳統(tǒng)思路,運用分子鑒別、組裝及模擬酶的催化的原理,概括起來考慮催化過程當(dāng)中的繁多中心活化、多手性因素控制以及微環(huán)境效應(yīng),來策畫新型手性催化劑。目前,構(gòu)筑具有單一手性的金屬-有機限域體系,最為有效的方法是選擇手性配體作為構(gòu)筑單元。
Yong Cui 課題組設(shè)計合成了基于聯(lián)二苯衍生物的手性配體,分別與Fe(Ⅲ)、Gd(Ⅲ)進行自組裝得到單一手性的、中性金屬-有機M4L6 型四面體籠狀化合物3 和4。并通過電噴霧質(zhì)譜、IR、1H NMR、CD 和紫外波譜驗證了化合物的形成。經(jīng)X-射線單晶衍射分析,化合物3 和4 以手性三方晶系P3空間群結(jié)晶。其中,金屬離子占據(jù)四面體的四個頂點,配體占據(jù)四面體的六條棱,內(nèi)部空穴體積大約為1800 ?3,利于包裹客體分子。室溫下,單一手性的籠狀主體與外消旋2-丁醇在氯仿中通過共結(jié)晶形成主-客體絡(luò)合物,手性GC 色譜法分析對映體過量ee值高達98.8%。微量分析和熱重分析進一步驗證每個主體包合3 個客體分子。[2]
Fujita 課題組在組裝M4L6 型八面體籠狀化合物1 時,用手性環(huán)己二胺衍生物來保護Pd(Ⅱ)離子,形成手性八面體籠狀化合物1b-1d。手性環(huán)己二胺衍生物的取代基越大,對應(yīng)的籠狀化合物中配體三嗪單元與吡啶單元之間的傾斜角度越大,籠狀化合物的CD 信號越強。作者研究了熒蒽衍生物與N-環(huán)己基馬來酰亞胺的光加成反應(yīng)。熒蒽是惰性芳香化合物,其熱或光化學(xué)周環(huán)反應(yīng)目前為止還沒有報道。在D2O 中,熒蒽衍生物與N-環(huán)己基馬來酰亞胺被包裹進化合物1 中,形成三元包合物。用高壓汞燈進行光照,經(jīng)核磁和質(zhì)譜分析,形成[2+2]加成反應(yīng)。經(jīng)HPLC 分析證實,手性籠狀化合物對底物具有對映選擇性。[3]
Wenbin Lin 課題組采用光學(xué)純的聯(lián)萘酚配體與cis-[Pt(PEt3)2Cl2]自組裝,形成[2+2]型手性金屬環(huán)蕃化合物。在Ti(OiPr)4作為共催化劑存在情況下,不對稱催化二乙基鋅與芳香醛之間的加成成醇反應(yīng)。1-萘醛作為底物時,ee 值高達94%;選擇分子大小較小的芳香醛作為底物時,對映選擇性降低。[4]
觀察前人的研究工作,我們可以發(fā)現(xiàn)金屬-有機多面體的構(gòu)筑主要局限于兩種方式,一種是邊導(dǎo)向;一種是面導(dǎo)向。在進行主-客體化學(xué)及催化研究時,主要依賴于空間的立體選擇性,并且輸出信號單一。金屬-有機大環(huán)化合物具有開放式結(jié)構(gòu),構(gòu)筑種類多樣化,易于修飾。如何構(gòu)筑功能化的金屬-有機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在進行生物分子識別與模擬酶催化研究中實現(xiàn)多功能信號響應(yīng),仍是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。