盧奕江,杜育芝,段亞欣,徐潤(rùn)平,姚鑫,葉鵬
(浙江理工大學(xué)化學(xué)系,浙江杭州310018)
膽甾類(lèi)分子鉗人工受體的研究進(jìn)展
盧奕江,杜育芝,段亞欣,徐潤(rùn)平,姚鑫,葉鵬
(浙江理工大學(xué)化學(xué)系,浙江杭州310018)
人工受體的識(shí)別性能研究是生物有機(jī)化學(xué)和超分子化學(xué)富有挑戰(zhàn)的前沿課題之一,分子鉗作為一類(lèi)重要的新型人工受體受到了廣泛的關(guān)注。該文重點(diǎn)綜述了膽甾類(lèi)分子鉗對(duì)陰離子、陽(yáng)離子、中性離子和手性分子的識(shí)別作用,以及識(shí)別性能的檢測(cè)方法,并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
分子鉗;甾體;分子識(shí)別;人工受體;手性分子
分子識(shí)別(molecular recognition)是客體分子與受體之間的選擇性結(jié)合,其在生命活動(dòng)中起著十分重要的作用。一些早期的人工受體,如冠醚、環(huán)糊精和環(huán)蕃等大環(huán)化合物,它們的活性官能團(tuán)有限,即使對(duì)其進(jìn)行化學(xué)修飾,也難以滿(mǎn)足對(duì)更多類(lèi)型底物進(jìn)行識(shí)別的要求[1]。分子鉗(molecular tweezer)又稱(chēng)分子裂縫,是一種新型的人工受體,其結(jié)構(gòu)上有著相當(dāng)于天然受體的空腔,可以根據(jù)實(shí)際需要,設(shè)計(jì)相應(yīng)形狀、大小以及官能團(tuán),并通過(guò)對(duì)其分子鉗手臂的進(jìn)一步化學(xué)修飾,提供一個(gè)與客體分子恰好互補(bǔ)的微環(huán)境[2]。識(shí)別的推動(dòng)力主要包括氫鍵、靜電引力、范德華力、疏水作用和π-π堆積作用等非共價(jià)鍵作用力。
分子鉗的種類(lèi)根據(jù)分子骨架的不同大致可分為胍鹽類(lèi)分子鉗[3-7]、芳雜環(huán)類(lèi)分子鉗[8-12]、杯芳烴類(lèi)分子鉗[13-17]以及膽甾類(lèi)分子鉗等。文章對(duì)膽甾類(lèi)分子鉗人工受體的手性識(shí)別性能研究作了著重闡述。
膽甾因其剛性的甾體骨架具有不對(duì)稱(chēng)性,是構(gòu)建新型分子鉗的理想結(jié)構(gòu)單元。膽甾骨架中指向凹面中心的羥基以及側(cè)鏈的羧基可以通過(guò)不同的化學(xué)修飾構(gòu)建多種類(lèi)型的分子鉗人工受體。膽甾的結(jié)構(gòu)通式可表示為圖1。
圖1 膽甾的結(jié)構(gòu)通式
1.1對(duì)陰離子的識(shí)別
陰離子在生命活動(dòng)中起著重要的作用,如攜帶基因信息和參與酶促反應(yīng)[18-19]。工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢液也常常含有大量陰離子,會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。設(shè)計(jì)合成人工受體用于陰離子結(jié)合、傳感、運(yùn)輸和提取是超分子化學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)[20-23]。
趙志剛等構(gòu)建了一類(lèi)手性不對(duì)稱(chēng)脲石膽酸分子鉗(如圖2),通過(guò)紫外滴定實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著鹵素陰離子的不斷加入,主體溶液的吸光度呈現(xiàn)規(guī)律性的下降(或上升),表明分子鉗對(duì)鹵素陰離子產(chǎn)生了識(shí)別配合作用;并且分子鉗與所有鹵素陰離子均能形成1∶1型超分子化合物,識(shí)別選擇性為I->Cl->Br-,結(jié)合常數(shù)Ka為102~103 L/mol[24]。該識(shí)別作用的主要推動(dòng)力是不對(duì)稱(chēng)脲上的酰胺氮?dú)滟|(zhì)子與鹵素陰離子之間形成的氫鍵作用。相比于I-,Cl-和Br-的離子半徑較小,而分子裂穴較大,導(dǎo)致主客體分子之間的形狀匹配較差,所形成氫鍵的距離較遠(yuǎn),作用力較弱,因此I-的結(jié)合常數(shù)最大;并且在電荷密度上Cl-大于Br-,故Cl-形成氫鍵的能力較大,其結(jié)合常數(shù)大于Br-。
Mamra Chahar等將膽甾雙咪唑衍生物進(jìn)行了閉環(huán)修飾,合成了a、b、c和d 4種受體(如圖3),并使用核磁滴定實(shí)驗(yàn)考察了其對(duì)鹵素陰離子的識(shí)別能力[25]。研究發(fā)現(xiàn)所有受體與鹵素陰離子均能形成1∶1型超分子化合物。其中受體a和c對(duì)Cl-具有選擇性,受體b和d對(duì)F-具有良好的選擇識(shí)別性能,并且受體d與F-的親和力是受體b的2倍。
圖2 手性不對(duì)稱(chēng)脲石膽酸分子鉗
圖3 膽甾雙咪唑受體
1.2對(duì)陽(yáng)離子的識(shí)別
金屬陽(yáng)離子廣泛存在于生命體活動(dòng)中,如它們參與酶及DNA的代謝過(guò)程并且維持著生物體內(nèi)的水和電解質(zhì)平衡,是人體細(xì)胞不可缺少的[26]。在工業(yè)生產(chǎn)中使用的鉛、汞及鎘等劇毒重金屬,如果被過(guò)度排放到自然界,會(huì)對(duì)人和環(huán)境造成巨大的危害[27-28]。因此,設(shè)計(jì)能高效識(shí)別有毒重金屬離子的新型人工受體是十分有意義的。
趙志剛等通過(guò)點(diǎn)擊化學(xué)方法合成了一系列鵝去氧膽酸類(lèi)分子鉗(如圖4),紫外滴定實(shí)驗(yàn)表明:隨著金屬陽(yáng)離子不斷加入,主體的吸光度呈規(guī)律性的下降,故主客體之間產(chǎn)生了識(shí)別配合作用[29]。此外,主體與客體之間形成了1∶1型超分子化合物,其對(duì)Hg2+的識(shí)別能力明顯高于Cu2+、Mg2+和Pb2+。對(duì)汞離子的識(shí)別作用較好可能是由于汞離子在形狀大小上與分子裂穴更為匹配。
1.3對(duì)中性離子的識(shí)別
圖4 鵝去氧膽酸類(lèi)分子鉗
膽甾在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn):(1)剛性的凹面結(jié)構(gòu);(2)具有多個(gè)手性中心;(3)α面親水,β面疏水;(4)膽甾骨架中多個(gè)指向凹面中心的羥基和側(cè)鏈羥基可以進(jìn)行不同的化學(xué)修飾。
楊學(xué)軍等采用微波技術(shù)設(shè)計(jì)合成了一系列脫氧膽酸分子鉗(如圖5)[30]。各分子鉗對(duì)客體苯胺、鄰甲氧基苯胺、間甲氧基苯胺和對(duì)甲氧基苯胺分別進(jìn)行了識(shí)別。經(jīng)紫外滴定實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):往主體溶液中不斷加入客體溶液,主體的吸光度會(huì)呈規(guī)律性下降,表明主客體分子之間產(chǎn)生了識(shí)別配合作用;且在同一溶劑(CHCl3)中,對(duì)不同客體溶液的識(shí)別性能存在差異,表現(xiàn)為苯胺>對(duì)甲氧基苯胺>間甲氧基苯胺>鄰甲氧基苯胺。
分子鉗的手性識(shí)別推動(dòng)力主要來(lái)自于主客體之間的氫鍵、π-π堆積和范德華力等非共價(jià)鍵作用力的共同作用。同時(shí)主客體在形狀大小以及空間幾何上的匹配度,分子鉗的剛?cè)嵝?,手臂結(jié)構(gòu)不同所造成的微環(huán)境效應(yīng)等,在手性識(shí)別過(guò)程中也起著十分重要的作用。
Davis等合成了親脂性膽甾胍鹽受體1、2 (如圖6),并研究了這些受體對(duì)N-乙?;?氨基羧酸的手性識(shí)別能力,其中受體2對(duì)N-乙?;?氨基羧酸的手性拆分能力較好,其對(duì)映選擇性結(jié)合常數(shù)KL/KD高達(dá)10[33-35]。
圖5 脫氧膽酸分子鉗
1.4手性識(shí)別
手性分子在生物系統(tǒng)中起著重要的作用,如蛋白質(zhì)、激素、酶和DNA等都是天然的手性分子。人工受體對(duì)手性分子的識(shí)別可以提供關(guān)于生物現(xiàn)象中主客體相互作用的有用信息[31]。氨基酸作為肽、蛋白質(zhì)和DNA的重要組成成分,是生物系統(tǒng)中非常重要的分子,其在結(jié)構(gòu)上是彼此相似的,但有著不同的側(cè)鏈,對(duì)氨基酸手性識(shí)別的研究是十分有意義的課題[32]。
圖6 膽甾胍鹽受體1,2
Liu等合成了一系列水溶性人工受體(如圖7)[36]。其中受體3具有三中心多重氫鍵,可提供更多的氫鍵識(shí)別位點(diǎn),其在甲醇/水(1∶1)的溶液中對(duì)L-谷氨酸有十分優(yōu)異的手性識(shí)別能力,其結(jié)合常數(shù)Ka高達(dá)5.61×105L/mol。而受體4和5對(duì)L-谷氨酸沒(méi)有手性拆分能力,可能是因?yàn)槭荏w4和5的氫鍵識(shí)別位點(diǎn)較少,且分子裂穴較大,無(wú)法對(duì)L-谷氨酸進(jìn)行較好的識(shí)別匹配。
圖7 水溶性人工受體3~5
薛翠花等以脫氧膽酸為骨架,在三光氣作用下將苯胺及其衍生物與膽甾橋連,合成了新型的脫氧膽酸分子鉗6~9(如圖8),并研究了分子鉗手臂上不同基團(tuán)所形成的微環(huán)境效應(yīng)對(duì)識(shí)別性能的影響[37]。這類(lèi)受體對(duì)亮氨酸和苯丙氨酸均顯示出識(shí)別能力,且D-氨基酸甲酯>L-氨基酸甲酯,亮氨酸甲酯>苯丙氨酸甲酯。受體8相對(duì)7在手臂上引入了硝基,意在增加識(shí)別位點(diǎn),增強(qiáng)其對(duì)氨基酸的識(shí)別配合作用,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明受體8對(duì)苯丙氨酸甲酯的識(shí)別性能不如6和7。原因可能是引入的硝基體積較大,在一定程度上阻礙了苯丙氨酸甲酯進(jìn)入分子鉗的裂穴。
Hao Wang等對(duì)膽甾進(jìn)行修飾合成了受體10和11(如圖9),利用核磁滴定法考察了其對(duì)D/L-氨基酸的手性拆分能力[38]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,受體10和11對(duì)所考察客體中的D-氨基酸均顯示出了優(yōu)良的識(shí)別能力,主客體間形成1∶1型超分子配合物,且受體10對(duì)氨基酸的KD/KL均大于受體11,其中受體10對(duì)D/L-蘇氨酸的手性識(shí)別性能最佳。
圖8 新型脫氧膽酸分子鉗6~9
圖9 膽甾受體10,11
分子鉗主體對(duì)客體分子識(shí)別性能的測(cè)試,目前主要有以下3種方法:(1)紫外分光光度滴定法;(2)核磁共振法;(3)分子模擬。
2.1紫外分光光度滴定法
紫外光譜滴定實(shí)驗(yàn)中,以無(wú)水氯仿為溶劑,配制一定濃度的主體分子鉗溶液和客體分子溶液。主體溶液濃度不變,往其中不斷加入濃度不同的客體分子溶液,主體溶液的最大吸光度呈規(guī)律性下降或上升,這表明主客體分子之間產(chǎn)生了識(shí)別配合作用,紫外滴定曲線(xiàn)如圖10。利用主體溶液吸光度的變化,可求得主客體識(shí)別配合的結(jié)合常數(shù)。主客體形成的超分子配合物化學(xué)計(jì)量比為1∶1,可利用方程1來(lái)表達(dá)其配合作用;當(dāng)客體濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主體濃度時(shí),根據(jù)修飾的Hildebrand-Benesi[39]方程2,以1/ΔA對(duì)1/[G]0作圖,可得到線(xiàn)性關(guān)系圖,如圖11所示。由直線(xiàn)的截距和斜率計(jì)算出配合物的穩(wěn)定常數(shù)Ka和自由能變化(-ΔG0),由此可對(duì)識(shí)別性能進(jìn)行比較。
式中:[H]0為主體溶液初始濃度;[G]0為客體溶液總濃度;ΔA為加入客體前后主體溶液的吸光度差;Δε為主客體配合前后的摩爾消光系數(shù)差。
2.2核磁共振法
核磁共振法是研究主客體間非共價(jià)鍵作用力的重要手段之一,利用核磁共振法可檢測(cè)主客體在形成超分子配合物前后的化學(xué)位移。一般情況下,當(dāng)主客體形成超分子配合物后,其中參與氫鍵作用的相關(guān)質(zhì)子的化學(xué)位移會(huì)向低場(chǎng)移動(dòng),若質(zhì)子的化學(xué)位移向高場(chǎng)移動(dòng)則其參與π-π堆積作用,故利用1H NMR譜可以初步了解主體分子鉗對(duì)客體分子識(shí)別作用的推動(dòng)力以及識(shí)別模式[40]。
圖10 紫外滴定曲線(xiàn)
圖11 1/ΔA與1/[G]0的線(xiàn)性關(guān)系圖
2.3分子模擬分析
分子模擬又稱(chēng)“計(jì)算機(jī)模擬”,是一種在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬分析的實(shí)驗(yàn)。許多通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式較難得到或無(wú)法得到的數(shù)據(jù),利用分子模擬卻可以輕松地獲取,這是由于通過(guò)計(jì)算機(jī)可以清晰地觀察到分子的微觀結(jié)構(gòu)和計(jì)算材料的力學(xué)性能等[41]。因此分子模擬技術(shù)可用來(lái)優(yōu)化以往的結(jié)構(gòu)分析、化學(xué)合成和物性檢測(cè)等實(shí)驗(yàn),從而為新型材料與分子的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)[42]。
通過(guò)Chem 3D程序(MM2)可分別對(duì)主客體間所形成的各種配合物進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)象搜尋和結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。應(yīng)用Chem 3D程序(MM2)進(jìn)行分子構(gòu)象模擬,可得到受體的多種構(gòu)象異構(gòu)體,從中找出最低能量構(gòu)象圖。通過(guò)比較可看出客體的大小和形狀是否適合進(jìn)入主體裂穴,誘導(dǎo)其產(chǎn)生配合作用。
分子鉗作為一類(lèi)新型人工受體,其優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)不同種類(lèi)客體分子設(shè)計(jì)具有相應(yīng)識(shí)別結(jié)構(gòu)的受體。通過(guò)多種隔離基的選擇,使其能與客體分子進(jìn)行良好的識(shí)別作用。分子鉗可與客體分子形成1∶1型超分子化合物,對(duì)陰離子、陽(yáng)離子和生物分子等具有良好的識(shí)別配合性能。這些識(shí)別性能上的差異,與主客體分子形狀的匹配程度及其功能基團(tuán)的相互作用等結(jié)構(gòu)因素相關(guān)。
近年來(lái),分子鉗的發(fā)展十分迅速,在新藥設(shè)計(jì)、不對(duì)稱(chēng)催化、拆分手性化合物、生物傳感器以及分子器件等領(lǐng)域展示出了它獨(dú)特的光彩,引起了越來(lái)越多人的重視。但目前分子鉗的合成還較為困難,分子識(shí)別效果也需要進(jìn)一步提高。此外,分子鉗結(jié)構(gòu)對(duì)其識(shí)別性能的影響尚缺乏系統(tǒng)的理論支撐,難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)所合成分子鉗對(duì)客體分子的識(shí)別性能,從而極大地限制了分子鉗的發(fā)展。因此,分子鉗的合成優(yōu)化及識(shí)別機(jī)理的深入研究將是這一領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。
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2016-04-08