（无机化学专业论文）环糊精包合物的组装、性质及其在金属酶模拟中的应用.pdf

目录 摘要 为了构筑具有第一和第二配位环境的金属酶生物模型，本文设计合成了多种疏水基修饰 的多胺金属配合物，以及其组装的超分子体系作为金属水解酶和铜，锌超氧化物歧化酶的模 型研究，研究了超分子体系中金属配合物的结构，以及功能基团对催化反应的协同效应，内 容如下： 本文分别对二乙烯三胺( d i e n ) 和二吡啶甲基胺( d p a ) 进行了疏水基修饰，合成和表 征了4 ( 4 ，异丙基苄基) _ 二乙烯三胺( i p r b d i e u , l 0 ) 、和( 4 一叔丁基苄基) - 二乙烯三胺 ( t b u b d i e n , l 1 ) 和4 ( 4 ，叔丁基苄基h 叽n 二吡啶甲基胺( t b u b d p a ，一) 等几种配体， 并合成了其金属铜、锌的配合物( c u 2 l 0 2 ) c l ( c l o + b ( h z o ) z ，( c u l o c i ) z ( c 1 0 4 ) 2 ( h z o ) 、 ( z n l o c p 尼( o o + ) z ( h 2 0 ) ，、( c u l ) z ( o l o ( c l o + ) 3 0 1 2 0 ) 、( c u l l c n h ( c i o ) 2 ，( z n l l c i ) z ( c 1 0 4 h 、 ( c u l z ) ( h z o ) i ( c 1 0 4 h 、| ( z u l 、z ( o h ) z i ( c 1 0 4 ) 2 ( h z o ) 。在得到这些配台物的基础上，又合成 得到了一系列的超分子环糊精包合物 z n l o ( h z o h ( p c d ) ( c l o + ) z o t z o ) 4 ， 【c u l l ( 1 1 2 0 h f p c d ) l ( c 1 0 4 ) z ( h 2 0 ) 、 z n l l o t z o h ( o c d ) l ( c 1 0 4 h ( h z o ) + ( z n l o i i ( h 2 0 ) ( p c d ) i ( c 1 0 4 h c u l 2 ( h z o h ( p c d ) i ( c i o h ( h z o ) 4 ， c u l l ( h z o h ( a - p c d ) i ( h c l 0 4 x c i o + h ( h z o ) s ， c u l l ( 1 1 2 0 h ( g - p c d ) i ( h c i o + x c l 0 4 b ( t 1 2 0 k 。其中【( c u l 2 ) ( 1 1 2 0 ) l ( c i o 也、( z n l l c i ) 2 ( c 1 0 4 h ， n i l ( 1 1 2 0 h ( p c d ) l ( c l o + h ( h z o h 的结构已经被表征。环糊精存在的情况下，羟基桥连的双 核配合物很容易被拆分为单核的包合物，但氯离子桥连的双核配合物比较稳定。氯桥不容易 中山大学硕士学位论文 赵维熹 被拆断，而形成魄空闻位阻较大不能形成桥连包合物，只能以双核配合物形式存在。 用黄嘌呤黄嘌呤氧化酶法( n b t 还原抑制法) 测定了铜配合物的超氧化物歧化酶 ( s o d ) 活性，结果显示与单核铜配合物c u l z 相i ：1 ：；，c u l 2 p c d 、c u l z a - i 屺d 、c u l 2 g - p c d 三个铜包合物的s o d 活性均有不同程度的提高。表明了加入p c d 后体系中包合物浓度增加 有利于提高铜配合物的s o d 活性，因此可见包合物中p c d 带的羟基、a - p c d 带正电荷的 氨基和g - p c d 带正电荷的胍基作为铜配合物的第二配位环境对提高其s o d 活性有帮助， 显示了在此超分子体系中，第二配位环境基团和铜配位中心协同作用催化超氧离子歧化。因 此此超分子体系可以作为一个很好的铜。锌超氧化物歧化酶( c u z n - s o d ) 的模型。 关键词：b 环糊精铜、锌、镍配合物 超分子包合物铜锌一超氧化物歧化酶 水解金属酶 l l s y n t h e s i sa n da c t i v i t i e so f i c y c l o d e x t r i n si n c l u s i o n c o m p o u n d s a n dt h e i ra p p l i c a t i o no ns u p r a m o l e c u l a r s y s t e m sa sm e t a l l o e n z y m em o d e l s n a m e ：w e i x iz l m o m 萄o r i n o r g a n i cc h e m i s t r y s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z o n g - w a nm a o a b s t r a c t i b - c y c l o d e x t r i na n di t sd e r i v a t i v e sa n ds o m em e t a lc o m p l e x e sw i t hp o l y a m i n e s ， w h i c hb e a r h y d r o p h o b i cp e n d a n t s , w e r ee m p l o y e d t oa s s e m b l ei n t ot h e s u p r a m o l e c u l a rs y s t e m si no r d e rt ob i o - m i m i ct h ep r i l n a r yc o o r d i n a t i o ns p h e r ea n d t h es e c o n dc o o r d i n a t i o ns p h e r ei nd i f f e r e n tm e t a l l o e n z y m e s w ec o u l du s et h o s e m o d e l st os t u d yw h e t h e rt h es e c o n dc o o r d i n a t i o ns p h e r ei n f l u e n c et h eb e h a v i o r so f t h e p r i m a r yc o o r d i n a t i o ns p h e r e s e v e r a ll i g a n d sw i t hd i f f e r e n th y d r o p h o b i cg r o u p sw e r es y n t h e s i z e d t h e yw e r e 4 - i - p r - b e n z y l - d i e n t h y l e n e t r i a m i n e ( l 0 ) ，4 - t - b u - b e n z y l - d i e n t h y l e n e t r i a m i n e 1 ) a n d 4 - t - b u - b e n z y l 3 ，3 - d i p i c o l y l a m i n e ( l 。) t h e nt h e s el i g a n d sw e r eb o u n dt o 虻p c d s t h r o u g ht h e i rr e s p e c t i v eh y d r o p h o b i cp e n d a n t sa n dt h e nc h e l a t e dw i t hc u 2 + z n 2 + t o a c c o m p l i s has u p r a m o l e c u l a rs y s t e mf o rh y d r o l y t i cm e t a u o e n z y m ea n dc u , z n - s o d ( c u 2 l 0 2 ) c i ( c 1 0 4 b ( h 2 0 ) 2 、( c u l o c i ) 2 ( c 1 0 4 ) 2 ( u z o ) 、( z n l o c t ) 2 ( c 1 0 4 ) 2 ( h 2 0 ) 3 、 ( c u l l ) 2 ( o - d ( c 1 0 4 ) 3 ( h 2 0 ) 、( c u l l c i ) 2 ( c 1 0 4 ) 2 、( z n l l c t ) 2 ( c t 0 4 ) 2 、 ( c u l 2 ) ( h 2 0 ) l ( c 1 0 4 h 、 ( z n l 2 ) z ( o 1 0 2 i ( c l o & 0 1 2 0 ) h a v eb e e ns y n t h e s i z e d b a s e d o nt h e s ec o m p l e x e s ，w e g o t as e r i e so fi n c l u s i o n c o m p l e x e s ，s u c h a s z n l o ( h 2 0 ) 2 ( p c d ) i ( c 1 0 4 ) 2 ( h 2 0 ) 4 ， c u l l o l z o ) 2 ( 1 l c d ) l ( c 1 0 0 2 ( t 1 2 0 b ， z n l l ( h 2 0 ) 2 ( b c d ) ! ( c 1 0 4 ) d h ：o ) 6 ， ( z n l l ) ( o h ) ( h 2 0 ) ( i i c d ) i ( c 1 0 4 h ， n i l l ( h 2 0 h ( 1 3 c d ) i ( c 1 0 4 ) 2 ( h 2 0 ) 2 ， c u l 2 ( 1 1 2 0 ) 2 ( p c d ) i ( c 1 0 4 ) 2 ( 1 1 2 0 ) 4 ， m 中山大学硕士学位论文 赵维熹 i c u l l ( h 2 0 ) 2 ( a - p c d ) i ( h c l 0 4 ) ( c 1 0 4 h ( h z o ) s , 【c u l ( h 2 0 h ( g - p c d ) i ( h c l 0 4 ) ( c 1 0 4 h ( h 2 0 ) 6 t h e r e i n t o ( c u l 2 ) ( h z o ) ( c 1 0 4 ) 2 ， ( z n l l c d 2 ( c 1 0 4 ) 2 ，l m l l ( h z o h ( p c d ) i ( c 1 0 4 h ( h 2 0 ) 2h a v eb e e nx - r a ys t r u c t u r a l a n a l y s e d a n dt h e i rt h e r m o d y n a m i c si nw a t e rs o l u t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t os t u d yt h es u p r a m o l e c u l a re n z y m em o d e lf o rc u , z n - s o d , w ce x a m i n e dt h e s o d a c t i v i t yo f t h ec u ( i dc o m p l e x e so f 皿 a n dt h e i ri n c l u s i o nc o m p o u n d so f 阵d s r e s p e c t i v e l y , u s i n gt h ei n d i r e c ta s s a yo fx a n t h i n e - x a n t h i n eo x i d a s e - n b t ( n i t r ob l u e t e t r a z o l i u m ) m e t h o d t h er e s u l ts h o w st h a tw i t ht h ea d d i t i o no fi b c d s , t h es o d a c t i v i t yw a si n c r e a s e d i ts e e 嬲t h a tt h ep o s i t i v ec h a r g ei nt h ep a m a r yr i mo ft h e o - 3 c dh a st h es i m i l a rm l ca st h a ta r g - 1 4 1i nt h en a t i v es o d k e y w o r 血：1 3 - c y c l o d e x t r i n m e t a lc o m p l e x e s s u p r a m o | e c u h ri n c l u s i o n s c u , z n s u p e r o x i d ed i s m u t a s eh y d r o l y t i cm e m l l o c n z y m e i v 第1 章前 言 第1 章前言 1 1 引言 生命体内时刻都进行着复杂的生化反应，这些反应主要包括糖类、脂类、蛋 白质、核酸、维生素以及无机盐的合成与代谢，它们能在温和的条件下快速进行， 都得益于各种不同类型的酶的参与。因此，研究生命体内各种酶的结构和功能一 直为生物学家和化学家所关注，而其中的金属酶类则成为生物无机化学和配位化 学研究的热点之一。酶是一种复杂的蛋白质，有时还要要求特殊的辅因子或辅酶 提高它的活性。如果仅仅从物理化学的观点考虑，具有催化活性的氨基酸残基以 及辅酶因子都隐藏在由蛋白质构成的疏水和缺水区域内，以使自己与大体积水相 隔离并在热力学上处于稳定状态。绝大多数辅酶甚至在没有脱辅酶蛋白的情况下 也能催化反应，但作用很弱。如果有结构相对简单的“人工脱辅酶蛋白”来增强反 应和立体选择性，将是有价值的酶模型。 近年来酶蛋白质工程的发展，使人们日益认识到金属酶的活性除了与活性位 点( 金属离子及其配位的氨基酸残基) 相关，还与其周围的环境有关。因此金属酶 活性中心可以分成两部分：一部分是金属离子及与之直接配位氨基酸和水分子， 称为第一配位环境( t h ep r i m a r yc o o r d i n a t i o ne n v i r o n m e n to rs p h e r e ) ；另一部分是 不与金属直接配位但影响酶活性的邻近氨基酸残基，称为第二配位环境( t h e s e c o n dc o o r d i n a t i o ne n v i r o r l m e n to rs p h e r e ) ，或称为酶的微环境。例如在羧肽酶a ( c p a ) 中，锌离子及与锌离子配位的三个氨基酸和水分子为c p a 的第一配位 环境，g l u 2 7 0 、a s n l 4 4 、a r 9 1 4 5 、t y r 2 4 8 和a r 9 1 2 7 等构成c p a 的第二配位环 境。碳酸酐酶中的t h r l 9 9 和g l u l 0 6 ，c u ，z n - s o d 酶中，带正电荷的a r g 1 4 1 等都可称为它们各自的第二配位环境。第二配位环境中的氨基酸残基往往通过各 种弱相互作用影响第一配位环境的催化性能，这些弱作用包括疏水作用，氢键， 静电作用等。基于这种对酶进一步的认识，人们在酶模拟中也相应做了一些有关 第二配位环境研究的工作。 由于模拟体相对来说是简单的，可用于研究过渡态的结合问题。目前对第二 配位环境的研究多集中在疏水环境对酶模型的影响上，所以一些带有疏水腔体的 中山大学硕士学位论文 赵维熹 大环分子，如环糊精、杯芳烃、穴醚、环状肽等成为构筑此类酶模型的基础，这 一类既有第一配位环境又具有第二配位环境的酶模拟也称为生物模拟 ( b i o m i m i e ) 。在结构方面，大环化合物和胶柬时首选作为人工酶的骨架。其中环 糊精是研究得最早，也是最受欢迎的。其原因在于：1 ) a ，d ，r e d 系列有良好 的水溶性；分布在空腔两侧的伯、仲羟基，作为质子供体很活跃，而且这些立体 地分布在空腔周边的羟基与底物配合容易达到有利配置状态。2 ) 伯、仲羟基有 不同的反应活性，可以通过化学方法引入催化基，建立电荷和质子传递体系。3 ) 分子内空腔由葡萄糖基的c 3 - h ，c 5 h 和l ，4 营键氧构成，是一个相对刚性 的疏水空穴，有利于对有机分子的选择结合和定位；而疏水环境能促进某些有机 反应的进行。 由于环糊精上述的特点，因此我们的研究主要集中在以环糊精为基础构筑超 分子金属酶模型研究金属酶的第二配位环境的一些工作。 1 2 环糊精结构和性质 环糊精( 简称c d s ) ，是c g t a s e 作用淀粉的产物。了解底物淀粉的结构，对 我们了解环糊精的结构有所帮助。直链淀粉在溶液中的构象既不是伸展的像拉直 线圈那样的结构，也不是丹性棒状的全螺旋结构，而是一种含有序螺旋段的结构。 组成的每一个a - d 毗哺葡萄糖单元都是4 c l 椅式构象，只有弘l ，4 型一种配糖 键，淀粉螺旋段的每一个重复含6 _ 7 个毗喃葡萄糖单元。当直链淀粉被c g t a s e 降解没有水分子参与反应时，即得到系列由6 ，7 ，8 个毗喃葡萄糖单元以舢l ， 4 键合的环状产物。由于组成的每一个毗哺葡萄糖单元都是4 c i 构象，所有仲羟 基都排在环状分子的一个边缘，而伯羟基都排在另一个边缘( 图1 - l a ) 。 为了更直观的了解c d s 分子结构，通常采用一种形象的表达方法( 图1 - l b ) 。 实际上整个分予成锥柱或截顶圆锥状花环。空腔内部排列着配糖氧桥原子，氧原 子的非键合电子对指向中心，使空腔内具有很高的电子密度，因而表现出某些路 易斯碱盼性质。吡哺葡萄糖环c 3 ，c 5 氢原子位于空腔内并覆盖了配糖氧原子， 使空腔内部成为疏水性空阎。 2 第l 章前言 h o a ) b ) 图i - ip 环糊精结构示意图：a ) 俯视图，b ) 侧视图 下图1 2 为常用的环糊精的表达式。 洳c d n = 6 p - c d ，n = 7 7 - c d n 8 殷卫兰 图i - 2 常用的环糊精表达式 我们把常用的三个环糊精的结构特征及一些重要的物理参数列于下表( 表 1 i ) 。 中山大学硕士学位论文赵维熹 葡萄糖单元数 分子量 室温水中溶解度( 1 0 0 m 1 ) 【a 】2 5 d ( 。) 空腔直径c a ) 高( a ) 外圆周直径( a ) 空腔大概体积( 印) l m o l c d 空腔大致体积( m 1 ) 水中结晶形状 1 3 环糊精的包合作用 环糊精在水溶液中选择性地结合有机小分子或者离子，形成具有不同程度稳 定性的包合物( i n c l u s i o nc o m p o u n d ) 或称复合体( c o m p l e x ) 。在研究这些包合物 的生成规律和环糊榜与这些被结合物间的相互作用时，分别称它们为主体( h o s t ， h ) 和客体( g u e s t ，g ) ，并归于c r a m 的主客体化学研究范畴。在水溶液中包合 物的形成是一个平衡过程，它符合质量作用定律。当形成l ：l 包合物时可以用 以下通式表征这一过程： k c d + o ；= = = c d g ( 1 1 ) 【c d g 】 k = 【c d j 【g 】 4 ( 1 - 2 ) 瞄加。4 摊 。聊撇眦瑚衍蚴嘲。聊撇一衍蚴嗍 邱。4 吾奶7懈一一一撒一 6 平 5 4 状6：；呈m撇 第1 章前言 上式中，k 是结合常数，是解离常数，【c d g 】为平衡时生成包合物的浓 度，一般以摩尔浓度表示。f c d 】， g i 则分别表示平衡时游离的c d 与g 的浓度。 只有当温度、p h 、溶液一定时才有确切的k 值。温度增加值迅速下降，当溶 液p h 1 2 时，环糊精度羟基解离，包合物极不稳定。介质。特别是有机溶剂影 响包合物的形成和稳定性。这些有机溶剂小分子相当于共存组分，将影响包合平 衡的方向，而且在某些溶剂中基本上不形成包合物。所以绝大多数情况，特别是 当需要分离出纯包合物的时候，都是在水中制备。 环糊精分子内空腔无论是在固相还是在水溶液中实质上并非是空着的，而是 结合有水分子。环糊精包合非极性小分子的过程，本质上是非极性小分子客体取 代空腔内水分子的过程。 包合作用的动力有以下几个方面： 1 ) 被结合的极性水分子与非极性空腔间的相互作用，以及在大体积水中， 极性水分子与非极性客体分子问的相互作用从能量上讲都是不适宜的。因此自发 地被非极性客体分子与疏水空腔的非极性相互作用与由空腔内释放的水分子与 溶液中大体积水之间的极性相互作用所取代。当然，前提条件是要求客体分子几 何形状、尺寸、极性以及环糊精度空腔的尺寸和性质匹配； 2 ) 环糊精空腔结合水分子具有的张力，在客体进入时可以释放； 3 ) 客体分子或其结合位脱去水壳，水结构沿客体分子的暴露部分重新形成 并与环糊精的水壳一体化： 4 ) 客体分子进入空腔，借范德华力、氢键、偶极相互作用稳定。但自身仍 保留移动和旋转自由度，其速度与分子大小有关。进入的客体分子，其体积与几 何形状子空腔内填充的紧密程度将影响环糊精环的旋转； 5 ) 被客体取代释放出的水分子由“气态”凝结为液态，引起熵、焓的变化， 释放的水分子部分地补偿了由于环糊精于客体分子结合而引起的熵失。 1 9 7 5 年c o s t c s 选择冠醚作为受体分子，过渡金属与配合物作为给体分子， 首次从分子识别角度阐述了第二配位层概念，从那以后类似的报道日渐增多。最 早发现环糊精作为主体能对过渡金属配合物产生识别作用形成第二配位层化合 物的是b r e s l o w 。1 9 7 5 年，他报道了二茂铁及其衍生物与b c d 可形成l ：l 型包 合物，二茂铁分子插入了c d 分子内腔。不久，h a r a d a 通过园二色谱进一步考察 中山大学硕士学位论文赵维熹 了二茂铁在a ，b 和t c d 内腔中的取向，并制备了二茂铁及其衍生物的c d 包合 物，发现a c d 可与客体形成2 ：l 型包合物茂基平面凡近与a c t ) 的c 6 轴垂直： p 和忙d 与客体形成l ：l 型包合物，前者茂基平面差不多与阵d 的c 7 轴垂直， 而后者的茂基平面则几乎与1 r c d 的c 8 轴平行。这表明三种环糊精的二茂铁包合 物具有不同的空间构型。穆斯堡尔谱，固体n m r 与循环伏安研究，进一步证实 了上述结论。 利用1 h n m r ，我们研究了水溶液中b 环糊精与一茂基三羰基合锰配合物的 相互作用，由此获得了包合平衡常数及自由能，熵和焓的变化规律，认识到9 c d 与过渡金属配合物的包合驱动力主要是范德华弓 力，其次才是疏水相互作用。对 环糊精与一苯基三羰基合铬、b c d 与毗咯及其衍生物的三羰基合锰配合物的包 合反应研究显示苯环或吡咯环上取代基数目的多寡直接影响包合反应的产率， 甚至决定包合反应能否进行，由此说明进入c d 空腔中的基团正是客体疏水性的 芳环，配合物中芳香性成份与c d 空腔结构的匹配是决定第二配位圈化合物能否 稳定存在的重要因素。 碱性溶液中环糊精可直接与二价过渡金属离子作用，例如环糊精分子内部两 个葡萄糖单元的四个二级羟基与铜离子或者锰离子通过羟桥而形成双核配合物。 1 9 8 1 年o g i n o 报道了一个非常有趣的实验，他们实现了环颧精、二氯二乙二胺 合钴与长链脂肪胺在二甲亚矾中的自组装，长链胺在穿过c d 内腔后再分别各与 一个c 0 2 + 配位，由于c d 开口端有大体积配合物的存在，保护了长链不致于脱 离空腔。1 9 8 6 年，a l s t o n 等利用x 射线首次解析了过渡金属配合物的环糊精包 合物的晶体结构，结果显示配合物中的疏水性配体进入了环糊精空腔，暴露于 c d 腔外的某些配体，若含有电负性较大的基团或原子如果距离合适，还能进一 步与环糊精的端羟基形成分子问氢键。1 9 8 7 年，k a m i - t o r 发现怔d 、l 一2 冠- 4 与 k + 可以形成2 ：2 ：l 型包合物，其晶体结构中二个y c d 各自包合一个冠醚，k + 被两个冠醚上下夹住，c d 与c d 之间通过二级羟基彼此形成氢键使整个分子趋 于稳定。 1 9 9 3 年，s h i m a d a 等材备了以a ，b 和r c d 为主体，f e ( c o ) 5 、m n 2 ( c o ) 1 0 和c o n o ( c o ) ，为客体的第二配位层化合物，指出配合物m n 2 ( c o ) 1 0 能与丫c d 以 较高产率形成包合物。最近的研究表明，象c 加这样的分子也能部分地嵌入丫c d 6 第l 章前言 空腔中。随着第二甚至第三配位层研究的进一步展开将使配位化学有着更为广阔 的发展前景。 通过修饰在环糊精端口接上配体，再与金属离子作用便将过渡金属配合物连 结到环糊精一端，形成c d 衍生物的过渡金属配合物。包含过渡金属配合物的环 糊精衍生物、环糊精聚合物等主体分子对有机客体或有机金属配合物的识别作 用，作为超分子化学的一个重要生长点，在不久的将来，伴随着更大腔径c d 研 究的开展。预计将有新的发现和突破。 1 4s o d 酶简介 超氧化物歧化酶( s u p e r o x i d ed i s m u t a s e ，s o d ) ，是生物体内普遍存在的一种 金属蛋白酶，按国际标准命名为e c i 1 5 1 1 。它在血浆中的半衰期仅5 8 m i n ，其 保存的稳定性，与生物膜的亲和性，病灶趋向性及抗原性等问题均是临床应用的 难点。为此用化学手段合成与表征具有相关结构铜、锰、铁甚至钴等金属离子的 配合物来模拟s o d ，将为进一步认识s o d 的结构与功能的相关规律性和开发研制 新型s o d 制剂，提供重要的理论依据。 通过x 射线衍射分析、红外光谱、核磁共振谱、顺磁共振谱、穆斯堡尔谱、 电子光谱以及电镜等近代研究手段，获得了不少有关s o d 活性中心的分子结构和 电子结构信息。如：c u , z n - s o d 中，c u 2 + 处于一扭曲的四方平面中，分别和4 4 位、 4 6 位、6 l 位及1 1 8 位h i s 形成配位键，而c u 2 * 的配位环境为四面体，z n 2 + 亦处于四 面体配位环境中，c u 和z n 离子之间共连1 个h i s - 6 1 的昧唑基而形成含咪唑桥的扩 展结构，其中c u 2 + 对酶的活性起着决定性作用，咪唑桥和z n 2 + 对酶的活性也有贡 献，主要起骨架支撑作用；m n s o d q b 每个m n ( i i i ) 都是处在三角双锥配位环境中， 其中一个轴向配体为h 2 0 ，另一轴向位置被蛋白质辅基的配位基h i s - 2 8 占据，赤 道平面为另3 个配位基h i s 8 3 ，a s p l 6 6 和h i s l 7 0 ，也均来自于蛋自质辅基：f e s o d 的活性中心，是由3 个h i s h i i n 和1 个天冬氨酸羧氧成扭曲四面体配位。近期研究 还发现了n i s o d 酶的存在，处于还原态时活性中心n i 与n 2 s 2 形成平面四边形结 构，处于氧化态时还有一个昧唑氮充当轴向配体，形成四方锥的结构。 7 中山大学硕士学位论文 赵维熹 医为酶模型化合物具有分子量小、稳定性高、在血液中的半衰期长以及脂溶 性好等优点，所以，一些较理想的s o d 模型化合物可以很好的克服s o d 本身的 局限性。初期s o d 的模拟工作主要集中在对c u , z n - s o d 的模拟上，主要是c u 的配合物。近期对m n 配合物的研究逐渐增多，但模拟f e s o d 的工作较少，因 其合成难度较大且较少具有s o d 活性。实验证明，s o d 活性的主要决定因素是 金属辅基，甚至单独的金属离子即可起封s o d 的作用，无机铜离子可催化0 2 发生歧化反应，而一般的c u 0 d 小肽配合物就具有s o d 活性。这为合成小分子 金属配合物来模拟s o d 提供了理论依据。同时s o d 受到潜在的生物物理因素的 限制：不能自由穿越细胞膜，不能到达亚细胞结构及细胞内作用位点，因而刺激 了小分子量、脂溶性s o d 模拟配合物研究的发展。 1 5s o d 酶模拟化合物的研究进展 1 5 1 小分子量、脂溶性c u 配合物对s o d 活性的模拟 s o d 的模拟工作是以合成小分子量铜配合物为起点的。所以，对于 c u , z n - s o d 的研究和模拟最多，如3 ，5 二异丙基水杨酸铜 c u ( 3 ，5 d i p s ) 及氯羟安 定( 1 0 r a z e p a m ) 等抗癫痫剂与铜形成的配合物，其中有不少具有增强的活性，但较 天然s o d 活性低、专一性差，对其s o d 活性及其他物化性质的表征也很不全面， 但为以后的工作奠定了重要的基础。 9 0 年代后，逐渐开展以天然s o d 活性中心为指导并辅以较丰富的表征手段的 模拟工作。 1 5 2 单核金属配合物对s o d 活性中心的模拟 1 5 2 1 双西佛碱配合物对s o d 活性中心的模拟 l i r a s m 等甩l 小二氨基丁烷和2 乙醛嘧啶合成了双s c b j f f 碱c u 2 + 模拟物，其 i c s o 值为1 4 p m o i l ，s o d 活性达到天然酶的3 ，l - b c u ( i d 与氨基酸或水杨酸 形成盼配合物的s o d 活性高6 0 倍。罗勤慧等报道的双s c h i f f 碱铜配合物( 图l - 3 ) ， 三者的活性分别为天然s o d 活性的0 5 ，2 6 和l o 7 。m u e l l e r j 等合成了 c u ( i i ) p u p h e p y ，n ，”b i s ( 2 - p y r i d y l ) ( p h c n y l ) - m e t h y l e n e - l ，4 - b u t a n e d i a m i n e - n ， 8 第1 章前言 ，”，妒”( 图1 4 ) ，并得到了单晶。c u ( i i ) p u p h e p y l 拘催化活性和结构与 c u , z n - s o d 非常接近，且稳定性高，催化活性比水杨酸铜高6 0 倍，是天然 c u , z n - s o d 活性的3 o 。 图1 - 3 铜x x s c h i f f 碱配合物的可能结构图 图1 - 4c u ( 1 1 ) p u p h e p y 的结构图 上述双西佛碱配合物中c u 2 + 均处于四方平面配位环境中，类似于天然 c u , z n - s o d q b c u 2 + 的键合状态，此类化合物可被视为初期较典型的对s o d 活性中 心的模拟物。 1 5 2 2 大环类配合物对s o d 活性中心的模拟 九十年代中期，对大环类s o d 模型化合物的合成和活性研究成为热点之一。 k i l g o r ek s 等相继研究t m n - s o d 的s c 系列模型化合物，s c 5 2 6 0 8 ，s c 5 5 8 5 8 ( 图1 5 ) 和s c 5 5 4 1 7 ，三者的催化速度常数分别为4 1 3 x 1 0 7 m 0 1 l - 1 s - 1 ， 1 2 0 x 1 0 7 m o l l - i s - 1 和9 0 9x 1 0 7t o o l l o i $ - 1 。其中，s c 5 2 6 0 8 在缺血再灌注引发的 机体损伤中起到保护作用，s c 一5 5 8 5 8 和s c 5 5 4 1 7 在血浆中的半衰期分别为3 5 0 和 8 1 4 m i n 。 9 中山大学硕士学位论文 赵维熹 图1 5s c 5 5 8 5 8 的可能结构图 l a b u d a 等对大环s c h i 御或配合物【c u 仃母) 2 + 】( 图l 石) 的研究，发现其较一般 的s o d 活性模拟物有更高的热力学稳定性，能稳定存在于竞争性生物螫合剂环境 中催化速度常数为：( 2 9 士0 5 ) x 1 0 8t o o l l 1 s - 1 ，i c 5 0 值为0 11 4 4 1 m i n i l 1 ，其活 性为天然s o d 的2 8 ，极具医疗价值。w e i s s r h 等报道了1 5 ，1 6 ，1 7 元大环类 m n - s o d 的5 种模拟化合物，分别是m n p a m ( 1 5 元环) ，m n m a m ( 1 5 元环) ，m n b a m ( 1 5 元环) ，m n h e x ( 1 6 元环) 和m n h e p ( 1 7 元环) ( 图1 7 ) 。其中，m n h e p 的值 为3 3 1 1 0 7t o o l u t s - 1 ，其他几种s o d 活性较低，而天然s o d 的值高达2 1 0 9 t 0 0 1 l - i s - i 。 1 蛩1 - 6 c u ( t a a b ) 2 + l 的可能结构图 第1 章前言 图1 71 7 元环m n 模拟物( m n 眦p ) 的结构图 以卟啉环为配体的大环类s o d 模型化合物是另一类重要的s o d 模型化合物。 m o l d o v a nl 等报道y m n t m p y p ( m n ( i i i ) t e t r a k i s ( 1 - m e t h y l - 4 - p y r i d y l ) p o r p h y r i n ) 在离体状态下的s o d 活性，m n t m p y p 歧化0 2 的速度是天然s o d 的0 2 左右。 p f e i f f e r s 等证明：低浓度的m n t m p y p 主要起内皮g t p 环化酶抑制剂的作用，与锌 和锡与原卟啉形成的配合物的作用类似。b r a i nj d 等合成并表征了m n t b a p 和z n t b a p ( 图l 8 ) 。 两种模拟化合物的催化性能指标和天然s o d 相比见表1 2 。 表1 2 卟啉环为配体的s o d 模拟物与牛红细胞c u , z n - s o d 的活性比较 1 9 9 7 年i n e sb h 等合成并表征了m n o a t m p y # ( 图1 9 ) 和c u o b t m p y 两 种以卟啉为配体i 拘s o d 模型化合物。用抑制c y t c 还原的方法测得他们歧化0 2 的 k c a t 分别为：2 1 2x 1 0 8 和2 1 9x 1 0 6m o l l 1 s ， i c 分别为：1 2n m 0 1 l 和 0 1 8 8 p m o l l 。s o d 活性分别为天然s o d 的1 1 0 和o 1 5 。 中山大学硕士学位论文赵维熹 图l - 8m a t b a p 和z n t b a p 的可能结构图 m l - 9m n l l o b t m p y p 4 的可能结构图 一c 吨 i 眺 第1 章前言 1 5 2 3 其他单核模拟化合物对s o d 活性中心的模拟 a b u h i j l e ha 等合成了c u ( i i ) 与抗痉挛药2 2 丙基戊酸的5 种配合物： c u ( v a l p ) 2 ( 2 , 2 - b p y ) h 2 0 ( i d ；c u ( v a l p ) 2 ( p h e n ) ( i i i ) ；c u ( v a l p ) 2 ( d m p h ) ( i v ) ；多核的 【c u ( r a l p h ( 一, 4 - b p y ) 1 。o r ) 和 c u 2 ( v a l p ) 4 m 4 ，4 - b p y ) h ( v d ，并表征了磁学性 质和光谱学数据。他们的室温磁矩和s o d 活性数据见表1 - 3 。其中，配合物和 ( v d 在室温下的磁矩分别为1 3 3 和1 3 0 肛b ，低于自旋值1 7 3 p b ，说明他们的 两个顺磁离子间存在着明显的耦合作用，a b u h i j | e ha 等根据光谱分析的结果推 测了5 种铜配合物( 表1 3 中i i v i ) 的键合情况( 图1 1 0 ) 。表1 3 中配合物i i v l 基 本满足影响体 f s o d 活性的3 个因素：轴向位置能快速进行与中心离子相连的 分子交换，并对超氧负离子的结合具有有限的空间位阻，这是配合物绑定超氧负 离子的必要条件。c l l ( i d 的键合环境具有柔性，从而使其与超氧负离子的反应 易于进行。配体的丌电子有利于稳定c u ( i i ) 与超氧负离子的反应。与b h i r u dr o 等报道的模拟物相比( 表1 - 2 ) ，s o d 活性普遍较高，显示了配位环境对酶活性的重 要影响。 表i 3c u ( v a l p ) 类配合物的磁矩和s o d 活性数据 中山大学硕士学位论文 赵维熹 1 5 3 多核配合物对s o d 活性中心的模拟 多核金属配合物与单核配合物明显不同，前者的耦合中心问存在磁交换作 用，导致其物化性质的变化。这种变化可能与其s o d 活性之间存在着某种程度的 相关规律性。所以，合成表征多核配合物对于s o d 模拟研究将具有重要的理论意 义。当前主要研究工作有： 1 5 3 1 咪唑桥双核配合物 1 9 8 9 年王博义等合成了眯唑桥c u ( 1 1 ) - c o ( i d 双核配合物， ( i d a ) c u i m c o ( n h 3 ) 5 ( c l o t h 4 h 2 0 ( i d a 为亚氨基二乙酸，i n l 为咪唑) ，并对其晶体结 构进行了研究。但没有对模拟化合物的s o d 活性进行定量的测定。1 9 9 7 年s a t o s h i k 等对几种咪唑桥双核配合物的s o d 活性进行了较为详细的定性和定量研究- 并 锖4 备了两种铜双核配合物【c u 2 l i i i l 】3 x 1 ) = 【i c u 2 l ( h 2 0 ) 2 4 + ( 2 ) ( 图l - 11 ) 。 i i i 1 4 v 第l 章前 言 厂 一l l i v l - 一- - q l - 4 , 4 - b l 吖 v i 图l 1 0 配合物( i d ( ) 的配位环境 m l 1 1 c u z l i m ” c u 2 l ( h 2 0 ) 2 4 + 的可能结构图 用n b t 还原抑制法，测定了配合物( 1 ) 和( 2 ) 的s o d 活性，同时测得了在其水 溶液中加入锌后的活性变化( 表1 4 ) 。从表l - 4 可见，配合物( 1 ) 的s o d 活性比配合 中山大学硕士学位论文赵维熹 物( 2 ) 高，加入锌后亦比原配合物的活性高，说明味唑桥和z n 对c i l ，z n - s o d 的催 化活性皆有贡献。 表i - 4c u ( i i ) 双核配合物与天然s o d 的i c 值和活性比较 1 5 3 2 含苯并咪唑配合物 近年刘小兰等对以2 苯并咪唑亚甲基为配体的模型化合物进行了较深入的 研究。报道了l o 余种模型化合物，并用邻苯三酚自氧化法进行了s o d 活性测定。 廖展如等根据天然s o d 的活性部位结构合成了含苯并咪唑的5 种配体及其3 2 种分 别含c u ( n ) ，f “i i i ) ，m n ( i i ) 和c o ( i d 的模拟化合物。并用光谱、电化学手段等对 其s o d 活性进行了表征。综合单核及多核模拟物的结构及s o d 活性信息，得出了 一个很重要的结论；s o d 模拟化合物的活性优劣取决于活性中心金属配位结构与 天然s o d 活性部位微环境的相似程度，与核的多寡无关。结构愈相似。活性愈佳。 1 5 4f e s o d 的模拟 d a v i da p 等对吡氧噻嗪( p i r o x i c a m ) 与m n ( i i ) ，f e ( i i d ，c o ( i i ) ，n i ( i i ) ，c u ( i i ) 和z n ( i i ) 等金属配合物进行了合成和表征。超氧化物试验结果表明，m n ( 1 1 ) 和 c u ( i i ) 配合物的s o d 活性较吡氧噻嗪有显著提高，但f e ( i i i ) 等金属离子吡氧噻嗪 配合物的s o d 活性与毗氧噻嗪相同。 1 6 第1 章前言 t o m o h i s ah 等报道了f i i ) t p e n t p e n ：t e t r a k 豳n , n , n ，n ( 2 一p y r i d y l m e t h y l ) c t i i y l e n e d i 锄i n e 】的s o d 活性，用c y t 2 c 还原法测定的i c 5 0 为0 1 8 岬o l l 1 ，并用脉冲 辐解法对其进行了重新测定，发 觅f e ( i d t f e n 被氧化成f e ( i i d - t p e n ( -