（有機化學專業(yè)論文）大環(huán)受體分子設(shè)計：含l氨基酸杯芳冠醚芳香冠醚合成及識別研究.pdf

摘要 超分子l 乏學怒當蓑詫學疆突筑熱轟之一。它怒- - f 交叉學辯，涉及伲學、生螽辯學 和材料科學等諸多領(lǐng)域。冠醚和杯勢烴分別作為第代和第三代主體化合物。以它們在分 子識剮和分予綴裝方面酶特殊牲矮，一直敷引著廣泛豹研究興趣。主要由天然氨鎣酸組成 的環(huán)肽及類環(huán)肽是類特殊的主體分子，因艇生命相關(guān)的特性從發(fā)現(xiàn)至今已在離子識別和 自組裝方面取得了意義重大的研究成果。本文嘗試將冠醚、杯芳烴和環(huán)肽的優(yōu)勢結(jié)合起來， 設(shè)詩癌天然鬣基酸弓l 入梅芳囂醚襄芳香囂醚體系，會殘一類耨型圭裕分子，藩初步聶舞究了 它們對客體的識別效果。 本文主要包括以下離寨： 一設(shè)計合成了6 個食l 氨艇酸杯 4 】冠醚類化合物4 a 4 f il o 個含l 一氨基酸芳香冠 醚類仡臺物1 1 0 ；共1 6 個薪蝥化舍物，均經(jīng)過了1 h n m r 鑒定襁質(zhì)譜，元素分析靜測 試。 二 用二維核磁手段研究了化合物4 a 4 d 猩溶液中的構(gòu)象，發(fā)現(xiàn)它們采取的是c 2 對囂鮑褰式構(gòu)攘。我稍將4 a 銷據(jù)為石英晶體徽天乎敏感涂層物質(zhì)，磷究了它們對于 氣相脂肪胺和脂肪醇的識別能力，發(fā)現(xiàn)瓶德華力和疏水相互作用是結(jié)合的主要驅(qū)動力， 結(jié)合模式是蠹懿縫：我豢瘸紫終霹燹競港滾定法磷究t4 a - 4 d 在己精漆渡孛對丁胺舞 構(gòu)體的識別能力，發(fā)現(xiàn)了相反的選擇憾，說明張液相中氳鍵是燕要驅(qū)動力，結(jié)合模式 采用黢扶衍生環(huán)的正面與酚羥蒸發(fā)生黌子交換蕊形成l ：l 配合耪。 三我們用核磁滴定手段研究了化倉物l ，5 ，1 0 在氘代氯仿中同鹵族負離子和磷 酸二氫根的配能絡(luò)合情況，發(fā)現(xiàn)主體化合物均與客體負離子形成了l ：l 配合物。選擇 性秘終會情況主要受醛膣大小，窖傣受離子半徑大小以及側(cè)譬蒸圈空湖位阻效應的影 響。 關(guān)鍵譎：越分子綻學囂菰氮基羧檉芳遮醚勢香囂醚褰子諼萎 a b s t r a c t s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yi s o n eo ft h em a i nf o c u s e si nc h e m i c a lr e s e a r c ht o d a y , i ti s a l l i n t e r d i s c i p l i n a r ys t u d y o fc h e m i s t r y 、l i f es c i e n c ea n dm a t e r i a l s c i e n c e c r o w ne t h e r s a n d c a l i x a r e n e st a k e na st h ef i r s ta n dt h i r dg e n e r a ls u p r a m o l e c u l a rc o m p o u n d ss t i l lr e c e i v ei n t e r e s t f r o maw i l dr a n g eo fc h e m i s t sd u et ot h e i rp a r t i c u l a rp r o p e r t i e si nm o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n d a s s e m b l y c y c l i cp e p t i d e sa n dc y c l i cp s e u d op e p t i d e sa r eap a r t i c u l a rf a m i l yo fh o s tm o l e c u l e s w h i c ha r em a i n l ym a d e u po f n a t u r a la m i n oa c i d d u et ot h e i rb i o r e l e v a n c eg r e a ta c h i e v e m e n t s o fc y c l i cp e p t i d e sh a sb e e nm a d ei ni o nc o m p l e x a t i o na n ds e l f - a s s e m b l ys i n c et h e i rf i r s t f i n d i n g i nt h i sw o r k ，w ea r et r y i n gt oc o m b i n et h ea d v a n t a g e so fc a l i x a r e n e s ，c r o w ne t h e r sa n dc y c l i c p e p t i d e s w es y n t h e s i z e dan o v e lf a m i l yo f h o s tm o l e c u l e s b yi n c o r p o r a t i n gl a m i n oa c i di n t ot h e s k e l e t o no fc a l i x 4 c r o w ne t h e r sa n da r y lc r o w ne t h e r sa n di n v e s t i g a t e dt h e i rb i n d i n ga b i l i t y t o w a r d sv a r i o u sg u e s tm o l e c u l e s t h em a j o rc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 w ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d6l a m i n oa c i db e a r i n g e a l i x 4 c r o w ne t h e r s ，4 a 一4 1 0l - a m i n o a c i db e a r i n ga r y lc r o w ne t h e r s ，t o t a l l y16n o v e lc o m p o u n d sw h i c hw e r ea l lr e c o g n i z e db y 1h n m r s p e c t r u m a n de x a m i n e dt h r o u g hm s s p e c t r u m a n de l e m e n t a l a n a l y s i s 2 w ee x a m i n e dt h ec o n f o r m a t i o no ft h e s ec a l i x 4 c r o w n st h r o u g hc a r e f u l a n a l y s i s o ft h e 2 d n o ea n d2 d r o e s p e c t r u m o f4 aa n d4 d r e s p e c t i v e l y t h e y a l l a d o p t e d a c o n e c o n f o r m a t i o na n dc 2s y m m e t r y e v a l u a t i o no ft h ea b i l i t yo f4 a - 4 dt oa c ta ss e n s o r c o a t i n g sd i s c r i m i n a t i n gb e t w e e nt h ea l k y la m i n ea n da l k y l a l c o h o lw a sa c h i e v e du s i n ga q u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ( q c m ) w ef o u n dt h a tt h ec o m p l e x a t i o nw a sm a i n l yd r i v e nb y v a n d e rw a a l sf o r c ea n dh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o n t h ec o o r d i n a t i o nm o d ew a st h ee n d o - c a l i x w h e nu v - v i st i t r a t i o nm e t h o dw a se m p l o y e dt oi n v e s t i g a t e , t h eb i n d i n ga b i l i t yo f4 a 一4 d t o w a r d si s o m e r so fb u t y l a m i n ei na c e t o n i t r i l e ，a l t h o u g ht h ef o r m a t i o no f1 ：1c o m p l e xw a s r e c o g n i z e d ，t h er e v e r s es e l e c t i v i t yf r o mt h a ti ng a sp h a s ew a sf o u n d w ee x p l a i n e dt h a t a s e n d o c a l i x c o m p l e x a t i o nd i d n o to c c u ra n dh y d r o g e nb o n d i n gp l a y e dam a i nr o l ei nt h i s c o o r d i n a t i o np r o c e s s 3 t h ec o o r d i n a t i o na b i l i t yo f1 ，5 ，10t o w a r d si 一，b r ，c 1 ，h 2 p 0 4 。w a si n v e s t i g a t e du s i n g 1h n m rt i t r a t i o nm e t h o di nc d c l 3 t h el ：1c o m p l e x a t i o nw a sf o u n d i tw a se s t i m a t e dt h a t s t e r e oh i n d r a n c ef r o mt h ea r m e dg r o u p ，t h ed i a m e t e ro ft h er i n gs t r u c t u r ea n dh a l i d ei o na l l p a r t i c i p a t e di nt h eb i n d i n gp r o c e s sn v o f i n g t h es e l e c t i v i t y k e yw o r d s ：s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y , c y c l i cp e p t i d e ，a m i n oa c i d ，c a l i x 4 c r o w ne t h e r ，a r y l c r o w n e t h e r ，i o nr e c o g n i t i o n 第一章：前言 第一章：前言 l 。l 超分子純學籬分 1 9 8 7 年c j p e d e r s e n ，d 。j c r a m ，和j - m l e h n 被授予n o b e l 化學獎，這標志著化學 韻發(fā)展進入了個新的時代。住能新劍立的主客俸化學，越分子化學，超池了傳統(tǒng)化學對 化學鍵的理解，是次理論意義上的質(zhì)變和飛躍。超分子化學關(guān)注的對象之一是存在于共 價鍵結(jié)合的分子單元間的弱作用力，包括靜電力、氯鍵、7 r - t r 堆積和疏水作用等。這些弱作 饜力是生余劍始之秘，在警薅沒鴦盛要熬捉壤、綴純、遺傳等手段豹媾況下，將數(shù)量巨大 的性質(zhì)各舁的簡單分子建筑塊組合建造成為復雜有序的，麒具有特定生理功能的分子集合 藩龔勺主要驅(qū)動力。w a l d 鼴魏懿解釋是，分子建襞旋哥斂塞發(fā)瓣綴會形殘完熬懿生愈分子。 簡言之，他認為每個分子建筑塊都擁有識別和與其它分子作用所需臻的一切必要信息。這 些信惠通過菲共價鍵稻互作爝褥到表達”。這點已經(jīng)由事囊證驥，在實驗嶷中，許多細胞 聚臺體，比如核糖體、線敉體以及種類繁多的酶聯(lián)含體，都可以由相對簡單的初始物通過 非麩價相互作用合成得到。這種被人們模擬的并廣泛存在予生命俸內(nèi)的現(xiàn)象，我們稱之為 分予塞組裝( s e l f a s s e m b l y ) 2 1 。除7 - 分子凝集，程生命俸建國時存在著小分子和生物大分 子、分子傳輸、酶與底物、激素與受體、抗原與抗體、免疫抑制劑和免疫采體等等的相互 挈蹋，其鏊零魏魏象都是怒分子毒乏學關(guān)注熬戳分予潤瓣弱裰互季箏瘸必蒸磷瓣跨暴羧識剽。 分子自組鼗和分子識別構(gòu)成了超分子化學最重要的兩大研究領(lǐng)域。分子識別和分予組裝是 超分子詫孥缺一不可的兩個特征，孺瑩，京稍不楚柱互獨立露是穗互菝賴的兩個避程，分 子聚集由識別來完成，而分子識別本身則依賴于分予形狀、尺寸和化學官能團之間的補償 作廂。 經(jīng)過幾百萬年的進化發(fā)展，識別和組裝配合的效能被彝然界完美的體現(xiàn)在對于生命有 機體存活和復制有蓬要意義的成熟的和有效的分予系統(tǒng)中，包括傳播和傳輸遺傳信息的 ( d n a ) ，羧裁零罄理生理茨應戇鬣自主體，姆兜變成化學基量斡光合中心，以及越商效鎂 化反應的生物酶。這些生命現(xiàn)象體現(xiàn)出的一種高效，精確，協(xié)作的過程為化學工作者提 供了改避會成策晦麓靈感滾采。臻代有瓿純攀筑一個重要豹縫成黟分，就是舍殘大量麓單 的作為模擬生命體系某些功能的主體分子。比較于自然界上百萬年的歷史，在合成分子聚 集體模叛生命體系的菜些磅能方面，莓裁化學工俸者舞取得酌成績已經(jīng)爨釋鬻豫入酶了。 比如，在選擇性識別核營、氨慧酸4 1 、碳水化食物5 1 和離子【6 】方面，化學工作輯均取得 懶開火學碩士學位論文第一岢 了矚目的成就。與此同時，化學工作者不僅致力予發(fā)展模擬自然的體系，而且設(shè)計了許多 新穎的入造分子體系，院翻熒光搽針秘、垂賽復涮體f s j 、分子容器潮、分子耱烯以及分 子闡門l 舊】。超分子化學各個研究領(lǐng)域均取得了長足的進步，其研究的對象從低級結(jié)構(gòu)向簡 級結(jié)構(gòu)，從環(huán)狀結(jié)構(gòu)向多種結(jié)構(gòu)酌分子發(fā)展“，德是對各種類型大環(huán)純合物豹研究進饜始 終餞表若超分子化學鮑磺究水平。 從很大的程度上說，部超分子化學發(fā)展的歷史，就是一代代具有優(yōu)秀功能主體分子 羧磺截、舞發(fā)、瘦瘸熬過疆。蠡栗以1 9 6 0 年我p e r d e s o n 發(fā)凌冠醚辮陽離子識裂效粱 乍為怒 分子化學開始的話，整個超分子化學可以簡單的劃分為冠醚、環(huán)糊精、杯芳烴三個主體分 予時代。豫魏之外，還有環(huán)蕃( c y c l o p h a n e ) 、s c h i f f 堿等其它囂羧幫類舔狹缽系。隧這死 類化合物為基礎(chǔ)，通過化學修飾就可以設(shè)計出具旃不同性能的主體化臺物，如具有特殊的 識別能力、優(yōu)秀的紫外城熒光效應、優(yōu)辯的氧化還原性能等，饅之可盛翔于離子的分離凝 定、耀轉(zhuǎn)穆催化、擬酶催促、以及設(shè)計輿有特殊功能的分子器件等研究領(lǐng)域。以下，我們 就最常見的三類燕體化臺物冠醚、環(huán)糊精、杯芳烴作一個簡要的介紹： 冠醚 1 9 6 7 年p e d e r s o n 于一個偶然的機會中臺成了二苯并1 8 一冠- 6 ( f i g u r e1 1 ) 【幢l ，并發(fā)現(xiàn) 這種化臺物在甲醇中的溶解度隨著氫氧化鈉的存在而顯麓避增大。這一不尋常的溶解行為 瞧菠p e d e r s o n 對大蓼多醚鮑性緩梭進一步筠磷炎，發(fā)現(xiàn)這類大環(huán)多醚體系商一令凝圊特鑷， 即它們能與堿金屬及堿土金屬鹽興形成穩(wěn)定且能溶于有機溶劑的配合物，p e d e r s o n 將這擻 其饔絡(luò)臺金磊離子特薤懿大臻多熬純舍鐨逶稼受霪醚純舍諺( c r o w n e t h e r ) ?；鑼诿训?濺本性發(fā)現(xiàn)，c j p e d e r s o n 開宅d 了從而開創(chuàng)了主一客體化舉( h o s t - g u e s t c h e m i s t r y ) 的先河 舊，作為第一代主體勢予，至今，冠醚戳箕對金耩離子穗殊戇選擇絡(luò)會昔笮臻幫分子韁裝方 式，仍有大量的研究成果見諸文獻【i 。 。，y 、刪筍 廠、g 弋，v 、 甌+ 氣 f i g u r e1 1 d i s c o v e r y o f t h ef i r s tc r o w ne t h e r c r o w ne t h e r 環(huán)糊精 環(huán)糖精( c y c l o d e x t r i n s ， 燕稱c d ) 是出一定數(shù)疑的髓( + ) 一g 避蠛麓萄糖通過旺1 ，4 替 第一顰：前言 鍵首尾相連形成的環(huán)狀化合物。習慣上用個希臘字母來表示其葡萄糖單元數(shù)目，其中最 常覓的是氈、6 、y - 環(huán)糊精，分鞠糖翁6 、7 囂j8 個蘩萄糖蕈元( f i g u r el 。2 ) ，1 3 - 環(huán)鞠精盎予 易于制備、價格低廉且其環(huán)的空腔尺寸與芳香基團暇配而應用最為廣泛。環(huán)糊精分子中所 有的葡萄糖單元均為未扭i l | j 的椅式構(gòu)象，可以構(gòu)成比較固定的疏永空腔和索水的外綮，分 子本身所具有的手性微環(huán)境，使得環(huán)糊精可以選擇牲地鍵食多葺申中性無機、有機或多肽、 糖類等分子，形成比較穩(wěn)定的超分子配合物，結(jié)構(gòu)特點使得環(huán)糊稽可以包結(jié)許多無機、有 恚吃萋f l 手性客體分子形成主容體或越分子配合物，程怒分子化學的磺究中成為繼冠醚之后的 第二二代主體化合物得到j(luò) 、泛的應闈。環(huán)糊精及其多種衍生物不儀在基礎(chǔ)科學研究中扮演 著鬟要懿角夔瑟曼農(nóng)諸多寂震菝本領(lǐng)域里逡褥到廣泛應曩，這可熬主要婦因子該炎純合甥 的如下特征：首先。這類化合物是較易得到的半天然產(chǎn)物，可以通過淀粉和酶促降解大量 割備：其次，對予會藏訖擎家來說，這種純臺物經(jīng)藤穩(wěn)定，可以逡行各季孛逡擇佳黲飾；第 三，環(huán)糊精的空腔可以提供與模型底物結(jié)合的空間，當?shù)孜锓肿优c環(huán)糊精影成包結(jié)配合物 后，其化學反應性熊以及光、電、磁等物瑕性能在特定情況下有可能發(fā)生敬變；第滔，環(huán) 糊糖沒有毒性( 或低毒性) ，并可以在生物體內(nèi)降解，因此w 以作為脂溶性藥物載體【1 7 1 食 品添加劑i 聞、化妝品填料 j 9 在工業(yè)技術(shù)上得到應用。此外，環(huán)糊精還在模擬酶研究中有著 廣泛懿應靂矧，爨藏對予跌毽學聰贏霉瑗燮貔過程功# 來說瓣琢糊精及其 囂生物靛分子淡 別進行的深入研究也具有爨要意義。 t f i g u r el 2 s t r u c t u r e so f a ，良a n dt 。c y c l o d e x t r i n s 轎芳烴 撂芳烴( c a l i x a r e n e ) 是由苯酚單元通過亞甲基在酚羥基鄰伎連接而構(gòu)成的一類環(huán)狀 低聚物，實際上也是環(huán)蕃( c y c l o p h a n e ) 畿化合物的一種。它的歷史可以遺述到1 8 7 2 年德 藿純學家b a e y e r f 2 2 2 對苯酚與零醛承溶滾窮囂熱反應戇磅究，愛應爨雩譬到靜樹l 鏨狀甥腰出于當 南”大學碩士學倪論文第一章 時實驗手段的限制并沒有進行產(chǎn)品鑒定。2 0 世紀初比利時化學家b a c k e l a n d t 2 列又對這個反 應進行了詳細的研究，制備了酚醛樹脂，開創(chuàng)了高分子合成的新紀元。2 0 世紀4 0 年代澳 大利亞化學家z i n k e 2 4 1 用對叔丁基苯酚代替苯酚與甲醛水溶液在氫氧化鈉存在下反應，得到 一種高熔點的晶狀化合物，經(jīng)鑒定為環(huán)狀的四聚體結(jié)構(gòu)，即通常所說的杯【4 芳烴。此后的 幾十年里杯芳烴這類化合物并沒有引起人們太多的注意，直至2 0 世紀八十年代初，g u t s c h e 和b 6 h m e r 等人在杯芳烴的大量合成方面做出了突出的工作，特別是g u t s c h e 的一鍋法合成 杯 n 芳烴大大簡化了煩瑣的操作步驟，并極大地提高了反應的產(chǎn)率，為人們進一步進行杯 芳烴的化學修飾提供了原料，從而啟動了杯芳烴化學 2 ”，使其在近些年來的主一客體配位化 學和超分子化學中的地位日趨上升。由于本文分子設(shè)計基于的平臺正是杯 4 】芳烴，本文將 在后面的章節(jié)對杯芳烴化學進彳亍更加詳細的介紹。 常見主體分子的缺陷 r 雖然前三代主體分子在超分子化學的各個研究領(lǐng)域均取得了巨大的成功，然而也并非 沒有缺憾。例如對于冠醚而言，盡管對主族金屬離子配位研究已經(jīng)相當深入，然而設(shè)計能 選擇性絡(luò)合c a 2 + 、m f + 、t 1 + 的冠醚一直是一個無法解決的巨大難題 2 6 1 ；雖然杯芳烴既可識 別中性分子又可識別離子，但由于溶解性的限制，其研究現(xiàn)在主要集中于金屬離子的配位 【2 7 】。此外，這三類主體化合物對于負離子識別研究雖然取得了定的進展，但并沒有很好 的解決這一課題28 1 。更重要的是，這三類主體并不是自然界存在的分子，大部分對生物體 是有害的，無法真實地模擬生物體內(nèi)的弱作用力。在超分子化學取得了巨大成就的今天， 尋找更貼近于生命體系的主體分子就被提上日程。其中，一類以氨基酸和肽作為分子構(gòu)建 單元的合成主體化合物已經(jīng)在文獻中越來越多的被報道【2 9 】，而天然離子載體纈氨霉素 ( v a l i r i o m y c i n ) 3 0 】和恩鐮孢菌素( e n n i a t i n s ) 3 1 】也許預示著一種可能：環(huán)肽可能是新一代 生物主體分子。 1 2 環(huán)肽( 類環(huán)肽) 的超分子化學 1 2 1 以氨基酸和肽作為分子器件構(gòu)建單元的優(yōu)越性 刖氮基酸和肽作為構(gòu)建分子識別主體和器件的骨架具有非常大的優(yōu)越性。作為生物體 系一個驚人的成就，經(jīng)過漫長歲月的進化，氨基酸和肽已經(jīng)成為構(gòu)建絕大多數(shù)官能系統(tǒng)的 分子材料。這種選擇絕不是偶然。事實上，多肽具有好些重要的特性使它們非常適合作為 4 第一辯：前言 構(gòu)建高效分子體系的材料。酋先，自然界存在有近2 0 種氨藏酸( 單體) 作為構(gòu)成蛋白質(zhì)的 基率單元，位于這些基本元件側(cè)鏈上的官能淘也就育2 0 耱之多( 酸性匏、中性酌、祭核的、 氫鍵等等) 可供自然界挑選。這些商組織的官能團由此成為了酶的活性位點和蛋自主體分 子的絡(luò)合位點。另外，氨基酸同時擁有親電和親核的位點，因此非常適合予瞧們有序的綴 合形成鏈狀多聚彩。 正是由于它們藏要的生理活性，長時間以來人們從各個方面對氮基酸和多肽特性進行 了深滅鰓磺究，基予這些】二 乍，科學工佟襲總結(jié)鑫氨基酸魏默 乍為橡建分予主體秘囂l 牛最 理想骨架材料的以下五點原因。 荔褥戇，我稻縫戳著邋接受鵑徐格買爨各耱各樣鼓手瞧楚靜n 溺保護瀚d 鍪，己型氨 基酸以及非天然氨基酸。另外，在j 建去幾肇中，化學工作者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并在實際工作中使用 一馥有效的臺成手性純氨蕊酸的方法f 翻。所有這塑讓純學工作者霹以磁自然賽更船充裕釃 利用合適的氨基酸，麗不是僅僅局限于生命開始之韌的2 0 種。 手性純，肽是豳天然光學活性的氨基酸組成，這種天然手性辯于設(shè)計避行不對稱識別 裁壤伲磅熨蕊體系鴦重要蛇意義。醞然原霉萼的囂秘光學異構(gòu)體都霹以褥到，那么凌不同鼴 料合成具有不同光舉性質(zhì)的主體也是合理可行的。我們已經(jīng)知道，l 型氨基酸組成的a 螺旋 多獲跫右手臻旋縫褊，搖愛，登蘸基酸形或熬楚左手嫘讖結(jié)褥。這已經(jīng)渡仡學z 俸者殘 功燧用于實際的功能分子設(shè)計中1 3 ”。 溶液中構(gòu)象靜研預測魏幫可控掰洼。瓣琵子合成多聚物靜特點，多簸的一個蘩要熬特 征是可以從它們初始的構(gòu)型，比如可以通過構(gòu)成多肽的氨瀑酸的序猁預測它們在溶液中的 構(gòu)緣。目前我們可戳從戢的氨蒸酸序列推測該蛋自質(zhì)的二級緒秘，但是還不能擒測它的 三級結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)存盼些經(jīng)駿標準已經(jīng)可以撩確地預測某一繪定的肽鏈在溶液中的最優(yōu)構(gòu)象， 以及他們的側(cè)鏈基團的位羧，這對控制分子識別有很重要的意義。 藏熬豹會成方法，在沒詩凌熊分子髂焱瓣一個容易被忽略躲瓠準是合戲方法的多樣性 和靈活性。也就是說對參與絡(luò)合和催化的宙能團可以很容易被從方向，位置以及化學組成 t 遴行我們希望靜改交。多虢合成e 經(jīng)褥遽一點變成酉箍e 疑3 0 每蘩開始弱多獲懿圈搖侖 成發(fā)展至今，縮含試劑的巨大改進，切除方法的簡便化，同時合成幾條多肽的實現(xiàn)等等使 多肽合成融經(jīng)成為科學中一個非常成熟的領(lǐng)域。 縫健手段，隧罄嘉壓渡楣色譜的廣泛廢用，臺成多歇最后的純化步騾冠的越來越容易祁 有效。最厥，由于高分辨質(zhì)譜和n m r 技術(shù)的日臻進步，對多肽序列的結(jié)構(gòu)分析滾定越來越 南矸大學碩士學位論文篩一奄 精確，尤其是高分辨質(zhì)譜可以確定出分子鱉在1 0 ，0 0 0 以上的多肽序列。 雖然敬擁有如此多的優(yōu)點，值楚也并非沒有缺陷，普通的酞鏈在溶液中的構(gòu)象盡管可 咀做到寵程度上的預測，但是肽鏈結(jié)構(gòu)的過分靈活仍然從一定稅度上限制了鏈狀肽分子 作為超分子主體材料的廣泛應用。這時，商一類以肽和氨慕酸作為基礎(chǔ)的環(huán)狀主體分子逐 漸吸g l 了人們懿關(guān)淀。那就是環(huán)黢秘弓| 入l 肽單元進行構(gòu)象墾制躲類環(huán)默。 1 2 2 環(huán)肽的簡介 環(huán)肽( c y c l o p e p t i d e ，0 1 c y c l i c p e p t i d e ) 是自然界廣泛存在的一種生物環(huán)狀分子。顧名思 義，蓼獲怒盎氮基羧單元擒藏戇環(huán)狀多黢。已攝遴妁天然耀默大多來自予海綿霹海洋節(jié)駛 動物等低等生物中。此外，環(huán)肽和必環(huán)肽也廣泛存在于微嫩物、真菌、藻菸和高等植物之 中，并在生錫俸靜篷鑫活動中攜演著稷其羹要靛舞色剮。 環(huán)肽及其類似物具有多種多樣的生物學功能，可以作為激索( h o r m o n e ) 、抗菌素 ( a n t i b i o t i c s ) ，霉綮( t o x i n s ) 、抗毒素( a n t i t o x i n s ) 、抗癩物以及抗病毒物等等【3 粥。例妻日 短括鎣煞( g r a m i c i d i n ) 具有挽摻蘭氏陽纓蘩熬愛力，囂黠揍糖蘭氏爨細蓑炙效p q ；t y r o c i d i r t e 通過與d n a 形成囂已合物而抑制低樣植物的生殖器形成孢子p7 】；t o n t o x i n 可抑制葉綠素的合 成和競含磷酸純稼臻f 3 8 l ；a m a n i t i n 虢與賓棱生耪孛依蔟予d n a 靜r n a 蒙含酶籜愆爵簿鬣 其活性 3 9 1 ；v e m a m y c i nb 則可以用米抑制核糖體生物合成蛋白質(zhì)【4 0 】：p h a l l o d i n 可通過與類 胍動蛋自的蛋自組分結(jié)臺幫致k 離子稻酶飆細胞中流失，從兩損傷拜緬臆貘剛】；次毒覃環(huán) 肷( p h a l l o t o x i n s ) 靳全部豳l 亮氨酸組成的環(huán)八肽a m a t o x i n s 是最有名的多膿毒索，9 0 以上的蘑菇毒素的致命病例均可追溯到a m a t o x i n s 4 2 】；與之相反，a n t a r n i n i d e 具有抗毒性， 邋過對翳纓您膜款緊露，降低毒豢分子款遴透蛙m l ；在疾瘸浚療方蘧，v i o n y c i n 能i 霹于治 療結(jié)核病【4 4 1 ，c a l l i p e l t i na 可保護細胞不被h i v 瘸海感染，具有防愛滋病作用【4 5 】；此外古 有靜羥基勢戎馥、n 犖基綴氨酸戴n 一率鎣堯氨酸懿一些臻黢霹鞋鼴作殺蟲潮氍】。豁上純含 物均是全部或部分由氨基酸組成的環(huán)肽類化合物。另外從下丘腦中分離得到的生長激素釋 放抑制激素( s o m a t o s t a i n ) 和黑色索釋敖激素( m r h ) 為環(huán)十圈簸和環(huán)十，菰秘”；孺其商 抗菌活性的纈氨霉索( v a l i n o m y c i n ) 【4 8 1 和恩鐮孢菌素( e n n i a t i n s ) 【4 9 1 等都是環(huán)狀縮酯肽， 它們可以識別離子并使其通過天然膜和人工液膜體系，是離子的天然載體。 正弱為其諸多生耪學功髓，環(huán)獲類耽會秘弓| 越了詫學家、藥物學家耨生甥學寒餐廣泛 關(guān)注，其研究現(xiàn)正方興未艾。環(huán)肽作為主體分子的超分子化學研究近年來也取得了一定進 6 一整二塞! 萱童 震5 。一蚓。 1 2 。3 環(huán)肽的離予識別 環(huán)款的離子識掰研究源予纈氨霉索( v a l i n o m y c i n ) 的發(fā)現(xiàn)矧。綴氨霉素楚一種d 、l 交替環(huán)縮酯十二默( f i g u r et 3 a ) ，骨絮中除了d 、l 纈氨酸麗外，還鴦l 。羥基閩酸( l 。l a c ) 和d - o l 一羥基辯戊酸( d h y i v ) 。 d v a ll - l a cb - v a l d - h y l v ( a )( b ) f i g u r el 3 ( 零s t r u c t u r eo f v a l i n o m y c i n 。) c o n f o r m a t i o n o f v a l i n o m y c i n * k + c o m p l e x 纈氨霉素建一種嫩物選擇往離予載體，熊夠襄報多金屬離子形藏醚合糍，在中毪溶藕 中，對k + 有非常好的選擇性，其k + n a + ：i 盤攆性太子1 0 4 ，但隨著溶劑極性的增加，其離子 配位能力降低1 5 1 j 。在絳合鉀離子后，綴氨霉素形成g 對稱的“簾布稽”式構(gòu)象( f i g u r e1 4 b ) ， 其中湊囂絮羰基形成了一個親水性豹極性窆膣以終會離子，這種麴象杰交替的t y p e i i ( 一l v a i d h y l v - ) 和t y p ei i ( - d v a l l - l a c ) 型- 轉(zhuǎn)折( b - t u r n ) 所構(gòu)成，其中酯羰基提供了 心離予，k 瑟鐮配蒞熬位煮，露鼗耱雪l | l 鏈梅藏了傳系瓣藏隸蛙於壁【翊。 = = o a同 f i g u r e 1 。4c o n f o r m a t i o nf o r m so f v a 3 i n o m y c i n i ns o l u t i o n 7 目| 町 節(jié)伢 呈： 儼麓 南開大學碗士學位論文第一鲞 研究表明，纈氨霉素的離子選擇性來自于其絡(luò)合能力對離子大小和電荷的依賴性。 d e v a r a j a n l 5 3 m a y e r s 5 4 分別研究了纈氨霉素一c a 2 卞、纈氨霉素b a 2 + 配合物的構(gòu)象。前者發(fā) 現(xiàn)纈氨霉素- c a ”絡(luò)合物幾乎和纈氨霉索一k + 的構(gòu)象一致，即纈氨霉素的六個酯羰基指向環(huán)內(nèi) 形成一個空腔絡(luò)合鈣離子。而纈氨霉素一b a 2 + 絡(luò)合物為l ：2 型夾心絡(luò)合物，骨架原子構(gòu)成 近似的平面結(jié)構(gòu)，每三個酯羰基與一個b a ”絡(luò)合，b a 2 + 四面體的第四個配位原子為苦昧酸 負離子的氧原子。這些研究表明環(huán)肽構(gòu)象隨客體半徑及電荷變化的復雜性。 除纈氨霉素而外，人們己發(fā)現(xiàn)多種天然環(huán)肽具有與離子配合的能力并可作為某些離子 跨膜運輸?shù)妮d體。e n n i a t a i n sa ，b ，c 和纈氨霉素一樣是環(huán)狀縮酯肽，是對k + 有良好選擇 性的另外一類天然離子載體，而且能夠和過渡金屬離子配位【5 5 】：c y e l o s p o r i na ，一種天然 環(huán)十一肽，是對l i + 和c a 2 + 有高度選擇性的離子載體【5 6 】；而s c y t o n e m i n a ，一種環(huán)十一肽， 也被發(fā)現(xiàn)具有絡(luò)合c a 2 + 離子的性能。但對這些天然環(huán)肽配合物的研究相對于纈氨霉素而 言不太深入。 由于纈氨霉素對k + 離子的高度選擇性，在闡明其絡(luò)合機理之后，模擬纈氨霉素的研究 受到了化一學家的雨視。在這些研究中，一般以肺氨酸代替c l 一羥基酸，以甘氦酸部分或全部 代替d 一氨基酸而設(shè)計模型化合物，如c y c l o ( l - a l a g l y d p h e - l p r o ) 3 、 c y c l o ( l ，v a l 二g l y g l y l p r o ) 3 ( v g g p ) 。這主要是因為甘氨酸沒有手性，可以說既是d 型也 是l 型，而脯氨酸中的氨基為仲胺，形成的酰胺鍵和纈氨霉素的酯鍵類似，并不會提供模 裂化合物形成分子內(nèi)氫鍵的額外位點，而且甘氨酸和脯氨酸的引入有利于環(huán)肽的合成忙”。 這兩個環(huán)十二肽一般對k + 有比較好的選擇性。構(gòu)象研究表明，這些模型化合物與k + 作用時 有兩種可能的構(gòu)象：一種類似于纈氨霉索的“簾布筒”式構(gòu)象，如v g g p 5 9 1 等；另一種則 采用c v 型構(gòu)象，如c y e l o ( l a l a - g l y d p h e l p r o ) 3 等。研究發(fā)現(xiàn)這些化合物的絡(luò)合能力 不但與客體離子有關(guān)，也和主體的構(gòu)象有非常大的關(guān)系。如v g g p 6 1 1 在非極性或極性很小 的溶劑中采用的c 3 對稱構(gòu)象，所有六個甘氨酸的n h 鍵都形成了分子內(nèi)氫鍵，沒有形成 “簾布筒”式構(gòu)象，在與客體離子作用時破壞這些氫鍵比較困難，因此結(jié)合離子的能力很 弱或者根本沒有；而在極性溶劑乙腈中，幾種穩(wěn)定構(gòu)象同時存在，沒有分子內(nèi)氫鍵，在與 k + 、b a 2 + 等結(jié)合后，其構(gòu)象即穩(wěn)定為“簾布簡”式。這些纈氨霉素模型化合物一般與離子 形成1 ：1 絡(luò)合物，但也存在著“夾心”式絡(luò)合。一般而言，離子越4 、，越容易形成“夾心” 式絡(luò)合物，如c y c l o ( l a l a - g l y d p h e l p r o ) 3 能和b a 2 + 、k + 、p b + 、c r 、t l + 形成1 ：1 絡(luò)合物 第一章：前言 而與n a + 和l i + 形成1 ：2 離子環(huán)肽絡(luò)合物 6 0 】：c y c l o ( l v a l d p r o d v a l l p r o ) 3 能和k + 、c a 2 + 、 b a “、t l + 形成1 ：1 絡(luò)合物，而與l i + 、m g ”、n a + 形成1 ：2 離子一環(huán)肽絡(luò)合物。這些研究同 樣也揭示出環(huán)肽的離予識別與離子的電荷和半徑大小有關(guān)。除了上述頭尾結(jié)合的環(huán)肽而外， g a r c i a e c h e v e r r i a 等人【6 3 】還設(shè)計了一個通過二硫鍵結(jié)合的環(huán)肽以模擬纈氨霉素( f i g u r e1 5 ) 。 此環(huán)肽在較強極性溶劑乙腈中對b a 2 + 表現(xiàn)出非常明顯的親臺力和高度選擇性。盡管模型研 究表明環(huán)肽在與離子配位時會采用纈氨霉素“簾布簡”式構(gòu)象，但計算機輔助圓二色研究 揭示出環(huán)肽與離子結(jié)合后的構(gòu)象同樣依賴于離子的大小。 o h ，c j l n h o h 1 c 業(yè)n h f i g u r e1 5s t r u c t u r ea n d m e t a l c o m p l e xc o n f o r m a t i o no f v a l i n o m y c i nm o d e ld e s i g n e db y g a r c i a e c h e v e r r i ae ta l 除了纈氨霉素的模擬研究以外，化學家們還研究了其它很多環(huán)肽和金屬離子的作用， 其中相當一部分是含有p r o 和g l y 并且有一定對稱性的環(huán)肽，如c y c l o ( p r o g l y ) 。( n = 3 ，4 ， 5 ) 6 4 】、c y c l o ( x x x p r o x x x ) 2 等糾6 鄂。這主要是考慮到含p r o 和g l y 的環(huán)肽較易合成，而好 的對稱性有助于降低環(huán)肽的構(gòu)象自由度。b l o u t 研究小組 6 4 a , 6 4 c 1 系統(tǒng)研究了環(huán)肽 c y c l o ( p r o g l y ) 。( 1 3 = 3 ，4 ，5 ) 在溶液中的構(gòu)象以及與堿金屬和堿土金屬的絡(luò)合情況。他們發(fā)現(xiàn) 這些環(huán)肽在極性溶劑中一般采取非對稱構(gòu)象。而在非極性或低極性溶劑中采取對稱構(gòu)象。 而這螳化合物在與離子絡(luò)合后一般采取肽鍵全反式的。一對稱構(gòu)象，不再存在分子內(nèi)氫鍵。 他們同時還發(fā)現(xiàn)，這些環(huán)肽絡(luò)臺離子的能力與其環(huán)空腔和離子是否匹配有關(guān)。 k i m u r a 和i m a n i s h i 以c y c l o ( x x x p r o ) 4 【x x x = p h e ，l e u ，l y s ( z ) 為研究對象，研究了溶 劑效應對環(huán)肽絡(luò)合的影響6 們，發(fā)現(xiàn)在乙醇溶液中，c y c l o ( p h e p r o ) 4 并不與離子形成配合物， 而c y c l o ( l e u p r o ) 4 和c y c l o ( l y s ( z ) 一p r o ) 4 卻對c a 2 + 和b a 2 + 有良好的選擇性；而在另一種極性 溶劑乙腈中c y c l o ( p h e p r o ) 4 卻能夠與c a 2 1 配位。硼：究還發(fā)現(xiàn)，配合物的形成速率也與溶劑 眥 擇 cl“dm l 拇 cl 址 南開大學碩士學位論文第一章 有比較大的關(guān)系。此外也有研究表明，在含氧原子的溶劑，如甲醇、水，溶劑氧原子和環(huán) 肽羰基之間存在著競爭，不利于環(huán)肽的離子識別州“。 環(huán)肽具有較好的離子絡(luò)合能力，并在一定程度上表現(xiàn)出選擇性，而且其骨架能夠形成 籠狀的極性空腔和疏水性的外緣，符合離子運輸載體的條件。除了天然環(huán)肽纈氨霉素等而 外，化學家還研究了其它一些環(huán)肽載體，并且發(fā)現(xiàn)了比較罕見的m 9 2 + 離子載體6 。這些研 究表明，環(huán)肽的跨膜運輸有兩種可能的機制 “】：其一為載體運輸機制( c a r r i e r t r a n s p o r t ) 或者溶液絡(luò)合機制( s o l u t i o n c o m p l e x a t i o n ) ，即通過化合物與客體分子絡(luò)合運輸，如 c y c l o ( l p r o l v a l d p r o d v a l ) 3 ( p v ) ；其二為孔道運輸( c h a n n e l t r a n s p o r t ) 或界面絡(luò)合 機制( i n t e r r a c i a l c o m p l e x a t i o n ) ，即通過主體分子形成的離子通道運輸，如纈氨霉素。最近， 本組發(fā)現(xiàn)環(huán)肽對離子運輸?shù)目炻坏c環(huán)肽離子配合物在兩相中的穩(wěn)定性有關(guān)，而且與離 子在溶液界面的釋放速率有很大關(guān)系【6 9 】。 其它全部由氨基酸構(gòu)成的環(huán)肽的離子識別、運輸研究結(jié)果基本上類似于上述結(jié)論口。 “環(huán)肽一陽離子配合物”一般存在幾種可能的形式，而無論哪種形式金屬離子都是與環(huán)肽 羰基氧原子配位。由于環(huán)肽構(gòu)象相對較大自由度造成了其配合物的多樣性、復雜性，因此 引入非天然氨基酸單元對環(huán)肽進行骨架修飾以限制其構(gòu)象，為提高環(huán)肽離子識別的選擇性 提供了可能。r a n g a n a t h a n 研究小組【7 1 首先合成了一系列含金剛烷和胱氨酸的環(huán)肽類似物 ( f i g u r e1 6 ) ，這些化合物具有由酰胺鍵構(gòu)成的極性籠狀空穴和e h 金剛烷構(gòu)成的疏水性外緣 f i g u r e1 6s y n t h e s i s o fa d a m a n t a n e c o n t a i n i n gc y s t i n ec y c l o p s e u d o p e p t i d e s 1 0 氣k武。 氣甑武矗 磚 p尹汀 第一章r 前言 可以通過與纈氨霉素類似的孔道運輸機制運輸堿金屬離子。其中二聚體對n a + 的運輸能力 比k 十強，而三聚體恰好相反，四聚體對n r 和k + 沒有運輸能力，而這些化合物對c a 2 + 都 缺乏運輸能力，表明這些環(huán)肽類似物離子識別、運輸能力的強弱與其空腔和離子的匹配性 及離子電荷有很大關(guān)系。此外，他們還研究了其它一些包含剛性基團的類環(huán)肽的離子識別 和運輸能力7 2 1 ，得到了類似的結(jié)論。他們還將降冰片烯作為構(gòu)象限制單元引入環(huán)肽體系， 通過核磁與圓二色光譜的研究，發(fā)現(xiàn)這些化合物采取的是類似于發(fā)卡構(gòu)型的d 折疊，這本身 對研究通過構(gòu)象限制模擬蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)有很重要的意義，同時還發(fā)現(xiàn)擁有對稱二肽側(cè) 鏈的兩個化合物在離子跨膜運輸實驗中對某些一價離子有良好的運輸能力和選擇性【” 。 除了主族金屬離子以外，環(huán)肽通過骨架7 4 埽口側(cè)鏈與過渡金屬離子配位也有少量報道。 研究表明，環(huán)肽與過渡金屬的結(jié)合主要是利用環(huán)肽側(cè)鏈上的咪唑、硫醚等基團或者通過環(huán) 肽骨架上的脫質(zhì)子酰胺氮原子進行配位。 由于環(huán)肽的酰胺鍵可以提供與客體分子形成氫鍵的n h ，環(huán)肽自然也應該被視為能識 別負離子的主體化合物。然而到目前為止，對負離子識別的報道卻不多見。g a r c i a e c h e v e r r i a 曾就含二硫鍵環(huán)肽( c y s 1 c y s , 4 c y s - 4 1 c y s ) - d i t h i o b i s ( a c - l - t c y s - l - p r o d - v a l l - 4 c y s - n h z ) d m s o 溶液中加入n a c l 或n a n 0 3 后不同的1 h n m r 現(xiàn)象進行討論時指出，此環(huán)肽在d m s o 中是與c 1 絡(luò)合，而不是與n a + 配位，但他們并沒有作深入的探討( 7 6 】。近年來這一現(xiàn)象受 到一定重視，i s h i d a 等人合成了一系列含間苯二甲酸的環(huán)肽類似物，發(fā)現(xiàn)其可與對硝基苯酚 磷酸酯雙負離子( p n p p ) 形成1 ：1 配合物( f i g u r e1 7 ) ，配合物穩(wěn)定常數(shù)不但依賴于環(huán)肽 酰胺鍵的數(shù)目，而且與環(huán)的大小也有一定的關(guān)系7 7 1 。 o r l c y c l 。( - a l a - 曲8 。) 3 + o 2 “ o k f i g u r e 1 7c o m p l e x a t i o no fb e n z e n e c o n t a i n i n gc y e l o p e p t i d e w i t hp n p p 2 南開大學碩士學位論文 第一章 k u b i k 深入研究了這