（有机化学专业论文）金属配合物及金属胶束模拟水解酶催化酯水解剪切的研究.pdf

蒋维东中文摘要四川大学博士学位论文 金属配合物及金属胶束模拟水解酶 催化酯水解剪切的研究 专业：有机化学 博士研究生：蒋维东指导教师：陈华教授 摘要 金属配合物特别是由金属配合物与表面活性剂形成的金属胶束作为一类模 拟水解酶被广泛地应用在酯的催化水解领域。本论文系统地研究了冠醚化的单 ( 双) s c h i f f 碱配合物与双子表面活性剂和双长链表面活性剂形成的金属胶束 对n - 吡啶甲酸对硝基苯基酯( p n p p ) 和二( 对硝基苯酚基) 磷酸酯( b n p p ) 水解 的促迸作用。同时，也考察了冠醚化的单( 双) s c h i f f 碱配合物结构对羧酸酯 和磷酸酯水解速率的影响。并首次将胶束概念引入到h p n p ( r n a 的模型底物) 的水解剪切反应中，并获得了一些有趣的信息。 本文合成了一系列对称的、非对称的单( 或双) s c h i f f 碱金属配合物，并 分别考察了它们与双子表面活性剂和传统的表面活性剂形成的金属胶束对羧酸 酯p n p p 和磷酸二酯b n p p 水解的催化性能。研究结果表明，被s c h i f f 碱金属 配合物与双子表面活性剂形成的新型金属胶束催化的p n p p 和b n p p 的水解速 度均比传统的表面活性剂胶束中更快；这可能与双子表面活性剂本身独特的结 构有关。另外，两种非对称s a l c n - m n ( i n ) 和s a l e n - c o ( i i ) 配合物与双长链表面活 性剂d h a b 形成的金属胶束催化b n p p 的水解也达到7 个数量级的速率增加。 实验表明，双予和双长链表面活性剂胶束都是比较理想的反应介质，这为人工 模拟水解酶的开发和利用提供了有用的信息。 蒋维东中文摘要四川大学博士学位论文 本论文对配合物本身的结构与其催化性能之间的关系进行了深入的讨论。 研究发现，配体中取代基的吸( 或排) 电子性对中心金属l e 丽s 酸性的影响除 与其吸( 或排) 电子性本身的强弱有关之外，与取代基所键连位点离中心金属 的距离远近也有着密切关系，这与经典的诱导效应规律是一致的。另外，催化 剂的活性也受到催化剂活性中心的开放程度的制约。同时也观察到，即使为相 同的挂接取代基团( 冠醚或吗啉) ，在不同骨架的配合物中其对催化剂活性的影 响可能相差甚远，甚至涉及到影响因素的主次转换。考察了不同的中心金属对 催化剂活性的影响，发现金属离子的荷径比是影响催化剂性能的重要因素之一。 首次将胶束概念引入到r n a 模型底物h p n p 的水解剪切反应体系中。本 文初步研究了一种咪唑衍生物为配体的锌( i i ) 配合物分别在双子表面活性剂 1 6 _ 2 一1 6 胶束和c t a b 胶束中催化h p n p 水解的反应性。结果表明，双子表面 活性剂1 6 - 2 - 1 6 胶束中h p n p 水解速率比在c t a b 胶束中高出1 5 倍。同时还 发现，在催化剂和底物h p n p 的水溶性都十分优良的均相水体系中加入阳离子 表面活性剂，可大大提高i - i p n p 水解的速率。并尝试提出了“胶柬一h p n p 一催 化剂”的“三明治吸附模式”，并运用此“三明治吸附模式”合理地解释了本实 验中有趣的实验结果。突破了表面活性剂通常作为添加剂提高两相反应传质速 度以加快催化反应速度的经典理论，拓展了表面活性剂的应用范围。 关键词：金属配合物；金属胶柬；人工水解酶 酯水解；双子表面活性剂 蒋维东英文摘要四川大学博士学位论文 i n v e s t i g a t i o no f t h e h y d r o l y t i cc l e a v a g e o fe s t e r s p r o m o t e db ym i m i c h y d r o l y t i ce n z y m e su s i n g m e t a lc o m p l e x e sa n dm e t a l l o m i c e l l e s p e c i a l t y ：o r g a n i cc h e m i s t r y g r a d u a t es t u d e n t ：j i a n gw e i d o n g s u p e r v i s o r ：p r o f c h e nh u a a b s t r a c t m e t a lc o m p l e x e s ，e s p e c i a l l ym e t a l l o m i e e l l e sf o r m e db ym e t a lc o m p l e xa n d m i c e h e sa r ew i d e l ye m p l o y e da sa r t i f i c i a lh y d r o l a s e st oc a t a l y z et h eh y d r o l y t i c c l e a v a g e o f c a r b o x y l i c a c i de s t e r sa n d p h o s p h a t e e s t e r s 劝e c l e a v a g e o f p - n i t r o p h y 1p i c o l i n 吐eo n p p ) a n db i s o g - n i t r o p h e n y l ) # o 卿n a t e ( b n p p ) c a t a l y z e d b ym c t a l o m i c ：e l l e s ，w h i c hi sf o r m e db ye r o w n o ds c h i f fb a s em e t a lc o m p l e x e sa n d g e m i n i ( o rd o u b l el o n g - c h a i n ) s u r f a c t a n tm i c e l l e s h a sb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i n t h i sd i s s e r t a t i o n m o r e o v e r , t h ee f f e c t so f s t r u c t u r eo f c o m p l e xo nt h 0h y d r o l y t i c r a t e o fe a r b o x y l i ea c i de s t e r sa n dp h o s p h a t ee s t e r sh a v eb e e ns t u d i e d e s p e c i a l l y , m i c e l l a t a l y z e dh y d r o l y s i so fh p n p ( ar n am o d e l ) h a sf i r s t l yb e e ni n v e s t i g a t e d a n ds o m ei n t e r e s t i n gi n f o r m a t i o nh a sb e e ng a i n e d as e r i e so fs y m m e t r i c a l ( o r 瑚塔y m m 嘶c a l ) s i n 西e ( o rd o u b l e ) s c h i f fb a s em e t a l c o m p l e x e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d a n d ，t h e i rc a t a i 咖ca c t i v i t i e sf o rt h eh y d r o l y s i so f p n p pa n db n p pi ng e m i n is u r f a e t a n tm i c e l l e sa n dc o n v e n t i o n a lc i ：a bm i c e l l e s 1 h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d , r e s p e c t i v e l y r n 璩r e s u l t ss h o wt h a tt h eh y d r o l y t i cr a t e so f p n p pa n db n p pi ng e m i n im i e e l l e sa r eg r e a t e rt h a nt h a ti nc t a bm i e e l l e s , w h i c h m a y b ed u et ot h eu n i q u es t r u c t u r eo fg e m i n is u r f a c t a n t i na d d i t i o n , as 吖a 1 0 r d e r s o fm a g n i t u d er a t ea c c e l e r a t i o nh a sb e e no b s e r v e di nt h eh y d r o l y s i so fb n p p c a t a l y z e db yt h et w om c t a l l o m i c c l l e sf o r m e db yt h ed o u b l el o n g - c h a i ns u r f a e t a n t d h a ba n dt h eu n s y m m e t r i c a ls a l e n - m n ( h i ) ( o rs a l e n - c o ( u ) ) o b s e r v a t i o n si m p l y t h a tb o t hg e m i n ia n dd o u b l el o n g - c h a i ns u l q a e t a n tm i e e l l ea r et h ei d e a lr e a c t i o n 。 m 蒋维东英文赫要四川大学博士学位论文 = j j e = ! ! = = = = 一l e 日= j 目e ! 目_ m e d i a , w h i c hp r o v i d 嚣u s e f u li n f o r m a t i o nf o rt h ed 部i g no fe f f e c t i v ea r t i f i c i a l h y d r o l a 淄 t h er e l a f i o m m pb e t w e e nt h ec a t a l y t i ca c t i v i t ya n ds t r u c t u r eo fc o m p l e x e sh a s b e e nd e e p l yd i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n n 帕e x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a lt h a tt h e k e ye f f e c to ft h es u b s t i t u t e so fl i g a n d0 1 1t h el e w i sa c i d i t yo f c e n t r a lm e t a li sn o t o n l yd e p e n do 虹t h ei n t r i n s i ce l e c t r o n - w i t h d r a w i n g ( o r - d o n a t i n g ) p r o p e r t yo f s u b s t i t u t eb u ta l s oo i lt h el i n k e ds i t eo fs u b s t i t u t e s w h i c hi sa c c o r d a n c ew i t ht h e c l a s s i ci n d u c t i v ee f f e c tt h e o r y i na d d i t i o n , t h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo fc a t a l y s ti sa l s o c o r r e l a t i v et ot h ec o o r d i n a t i n gs p h e r eo ft h ea c t i v es i t e i n t e r e s t i n g l y , t h ee f f e c t so f t h eg a m ep e n d a n tg r o u pi n s i d ed i f f e r e n tc o m p l e x e sw i l hd i f f e r e n tb a c k b o n e so i lt h e e a t a l y t i ca c t i v i t yo fc a t a l y s t sm a y b ea p p a r e n t l yd i f f e r e n t , s of a ra st oi n v o l v et h e t r a n s f o r m a t i o no ft h em a j o ra n dm i n o ri n f l u e n c i n g - f a c t o r s m o r e o v e r , t h ee f f e c to f t h ec e n t e rm e t a l0 t lt h er e a c t i v i t yo fc a t a l y s th a sb e e ne v a l u a t e d ，a n di ti sf o u n dt h a t t h er a t i oo f c h a r g ea n dr a d i u so f t h em e t a li so n co f t h ei m p o r t a n tf a v o r s 1 1 m i c d l a rs y s t e mh a sf i r s t l yb e e ni n t r o d u c e dt 0t h eh y d r o l y t i cc l e a v a g eo f h p n pa sar n a m o d e ls u b s t r a t e i n i t i a l l y , t h el i y d r o l y t i cc l e a v a g eo f h p n pi n d u c e d b ya l li m i d a z o l ed e r i v a t i v ez n ( i dc o m p l e x h a sb e e ni n v e s t i g a t e di ng e m i n i1 6 - 2 - 1 6 m i c c l l 盯s o l u t i o na n dt r a d i t i o n a lc r a bm i c e l l e s r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so b t a i n e d s h o wt h a tt h er a t eo f h p n pc a t a l y t i cc l e a v a g ei ng e m i n i1 6 - 2 1 6m i c e l l e se x h i b i t e d a b o u t2 5 f o l dk i n e t i ca d v a n t a g ec o m p a r o dt ot h a ti nc t a bs y s t e m f u r t h e r m o r e , i t i sf o u n dt h a tt h ea d d i t i o no fc a t i o n i cs u r f a c t a n t si nt h eh o m o g e n o u ss y s t e m c o n t a i n i n gc a t a l y s ta n dh p n p 耐t hg o o dw a t e r - s o l u b i l i t yd r a m a t i c a l l ya c c e l e r a t e d t h eh y d r o l y t i cc l e a v a g eo fh p n p a s a n d w i c ha b s o r p t i v em o d e ( m i c c l l c - h p n p - c a t a l y s o i sp r o p o s e dt oe x p l a i nt h ei n t e r e s t i n gr e s u l t s i ng e n e r a l ，t oa c c e l e r a t et h e m a s sw a n s f e rp r o c e s si nah e t e r o g e n e o u sr e a c t i o n , s u r f a c t a n t sa r ea d d e dt ot h e c a t a l y t i cs y s t e m , i nw h i c ht h es u b s t r a t ea n dc a t a l y s td i s t r i b u t e di nd i f f e r e n t p s e u d o - p h a s e s t h u s ，o u rs t u d ye x t e n d st h eu s a g eo f c a t i o n i cs u r f a c t a n t s k e y w o r d s ：m e t a lc o m p l e x e s ；m e t a l l o m i c e l l e ；a r t i f i c i a lh y d r o l a s e ；e s t e r o l y s i s ； g e m i n is u r f a c t a n t 蒋维东四川大学博士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得i 四) i i 大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在i 四) 1 1 大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 嘴雅香j 荔警磊 第一篇绪论 金属配合物及金属胶束模拟水解酶 催化酯水解剪切的研究 第一篇绪论 众所周知，生物的一切代谢过程，都是在温和的生理条件下，经酶催化快速 地实现( 即酶促反应) 。生命运动的基础是生物体内物质分子的化学运动。生物 体的任何生物学功能都可从生物体内物质的结构与功能的关系及其所经历的化 学反应得以阐明【n 。生物体内进行的化学反应最显著的特征是有着极高的效率 和专一性。而这种高效性和高选择性应当归功于生物体内存在的一类具有催化 功能的特殊蛋白质酶。酶是一类由活细胞产生的、具有特异性与高催化效 能的蛋白质，因此酶通常也被称为生物催化剂【2 】。由于酶具有高选择性和识别 能力，精确的生化过程才得以有条不紊地实现【3 1 。但毒蛩天然酶的来源有限、 敏感易变，其结构复杂、寿命不长、制备困难的特点，使天然酶的人工提取很 不经济，这都限制了天然酶的实际应用【4 5 1 。因此，开发具有与天然酶功能相似 的人工模拟酶，可以克服天然酶的缺点，拓展酶的应用范围。对天然酶的人工 模拟，就是从天然酶中抽出那些与酶的高催化性和高选择性密切相关的因素， 如活性中心结构、疏水微环境、与底物的多种非共价相互作用及其协同效应等， 用以设计合成既能再现酶的生物功能，又比酶分子简单得多、稳定性更好的非 蛋白分子或分子集合体，并以此为酶模型，模拟天然酶对底物的识别、结合和 催化作用【6 ，”，以帮助我们理解酶的作用机制，开发集酶催化与化学催化两者优 点于一身的新型催化剂人工酶【8 】。这就是通常意义上的酶工程。酶工程是 酶学理论在工业生产中的应用，而酶学研究对酶工程的发展起着制约作用。在 酶学研究领域，酶的提取或合成、酶催化条件的筛选、酶结构的修饰以及活性 的保持等都是酶学研究的重要内容，而这些都是以酶催化机理的研究为基础的。 值得注意的是，天然酶作用机理的研究方法比较困难且技术要求较高，所以目 前多采取人工酶技术来模拟天然酶的催化机制。 在天然酶中，水解金属酶( 如羧肽酶、碱性磷酸酯酶、d f p 嬲e 、对氧磷酶、 对硫磷酶等) 作为其中一类重要的生物酶，对人类的许多生理过程( 如：蛋白 l 蒋维东四j i l 大学博士学位论文 质、肽、d n a 、磷酸酯裂解) 起着重要作用。通过对其模拟酶的研究对深入认 识天然酶的催化机制与设计高效的催化剂具有重要的意义，所以一直受到许多 研究小组的广泛关注。水解金属酶的人工模拟研究自上世纪5 0 年代中期以来， 由最初的侧重于对水解金属酶催化中心的模拟到其后的集中于对水解金属酶催 化中心和结合中心的模拟再到目前对催化中心和协同作用的研究，提出了多点 配位与结合以及结合中心的适度刚性有利于催化等重要概念，相继出现了金属 配合物1 9 】，杯芳烃配合物【1 0 1 ，复杂修饰的环糊精【1 1 1 ，改性聚乙撑亚胺配合物【1 2 1 ， 含金属配合物辅基的催化抗体【1 3 】，金属胶束【1 4 】等模拟模型。由于由两亲表面活 性剂分子自动缔合形成的胶束与细胞膜、胶束催化与酶催化在某些方面的相似 性使得胶束催化成为酶模拟化学中比较活跃的领域。金属胶束把金属酶的简单 体系引入到胶束体系中，它利用胶束模拟酶的疏水微环境和金属离子的特殊作 用模拟水解金属酶的疏水微环境和活性中心结构，在催化羧酸酯、磷酸酯、d n a 以及r n a 及其模型分子等的水解方面已取得了显著的成果。 本篇就金属配合物及金属胶束模拟酶催化羧酸酯、磷酸酯水解的相关研究 进展作简要评述，并就双子表面活性剂相关知识及其在酯水解中的应用进行适 当描述。 1 金属配合物模拟水解酶催化酯水解的研究 自然界中有很多具有水解功能的金属酶，它们能水解蛋白质、磷脂、d n a 等重要的生命物质，在生物过程中起着极为重要的作用。由于此类酶结构复杂， 稳定性差，因此，酶的人工模拟对了解酶反应的机理及活性中心的结构与功能 的关系，认识生命过程具有重要的理论意义和广泛的应用前景。 早在上世纪5 0 年代初，就有人利用小分子多胺铜配合物催化氟磷酸酯水解 1 1 5 ，然而第一个金属配合物模拟水解酶在1 9 7 0 年才出现【1 6 1 。之后，对金属配 合物模拟水解酶逐渐成为发展迅速的模拟酶领域中的一个研究方向。模拟酶的 研究工作从最初的侧重于对水解金属酶催化中心的模拟发展到对水解金属酶催 化中心和结合中心的综合模拟，现在的研究主要集中在对催化中心和协同作用 的模拟研究。配合物模拟水解酶中的金属离子除参与催化剂底物三元络合 2 第一篇绪论 物外，还有如下六种作用方式：( 1 ) 活化水分子作为亲核物种；( 2 ) 活性水分 子作为一般酸瞰a ) 】；( 3 ) 活性水分子作为广义碱【l7 】；( 4 ) 极化羧酸酯中的羰基与 磷酸酯中的磷氧键，并参与过渡态的稳定【l 卅；( 5 ) 活化或钝化功能团，使难以 解离的功能团( 如羟基、肟基等) 加速解离成为有效的亲核试剂，使p k a 较低 的功能团( 酚基、羧基) 的活性钝化；( 6 ) 稳定模拟酶的结构 1 9 1 。本节对金属 配合物催化羧酸酯和磷酸酯水解方面的主要研究分类总结如下。 1 1 金属配合物催化羧酸酯水解研究 在化学模拟酶催化中，羧酸酯较腈类、酰胺和磷酸酯等更容易发生水解反 应。在模拟羧酸酯催化水解的众多金属酶模型中，出现了含有味唑基、羟基或 吡啶基的金属配合物、大环多胺类以及环糊精衍生物等与过渡金属离子形成的 配合物，极大地丰富了模拟羧酸酯催化水解的研究成果。 由于大多数水解金属酶( 如碳酸酐酶、羧肽酶a 和磷性磷酸酯酶等) 的活 性中心都含有锌( ) ，因此，在对其结构和功能进行模拟研究 2 0 疆d ) 】时，锌( ) 配合物1 2 1 】就成为研究者们的自然选择。而大环多胺作为一类性质独特的配体， 能与许多金属离子形成稳定的配合物，而且在其环上可导入各种功能团，从而 可合成出许多性质各异的金属配合物。同时，许多大环金属配合物还具有特异 的催化活性阎，所以大环金属配合物引起了酶模拟研究者的广泛关注口3 】： l n 2 9 卜p h v k l k ， 缸舛v k z i s 23 k i l n u r b 研究小组唧首次合成了一个对称的十二元大环三胺的锌( ) 配合 物1 ，用以模拟碳酸酐酶的活性中心2 伫5 1 及其催化功能。研究证明，1 中与z n 0 d 配位的水分子的p k 为7 - 3 ( 2 5 ，i = o 1 ) ，而碳酸酐酶活性中一o _ k 与z n ( i d 配 蒋维东四川大学博士学位论文 位的水分子的p k a 值约为7 5 ，两者十分接近。1 与阴离子的结合力大小顺序几 乎和这些阴离子对酶活性的抑制顺序相同。x 射线衍射测量结果表明，1 的去 质子化形式的结构为四面体，也与锌酶中z n ( 1 1 ) 的结构类似。与碳酸酐酶一样， i 同时也可催化乙酸甲酯、对硝基苯基乙酸酯p n p a 的水解及乙醛水化。并且 其催化机理也相似，催化活性很高( 其中催化对硝基苯基乙酸酯的活性几乎可 与天然酶媲美) 。他们的实验结果表明，1 不仅很好地再现了天然酶活性中心的 结构，而且也表现出了与天然相似的功能，是碳酸酐酶的一个优良模型。 k i m u r a - 2 6 等在1 中导入烷醇基得到3 ，并在碱性条件( p h - - 9 1 9 5 ) 研究了3 对p n p a 水解的催化作用。得到的二级速率常数分别为o 0 7 m o l l s - i ( p h 9 5 1 5 1 2 ) 、o 1 4t o o l 。1 l s 一( p h - - - 9 3 ，2 5 ) 和0 2 8t o o l 1 l s ( p h - - 9 1 ，t = 3 5 ) 。 通过动力学同位素效应、中间产物分离、n m r 证实，在催化底物的水解过程中， 与z n ( i i ) 键合的烷氧负离子直接参予了对底物的亲核进攻，且有瞬态的乙酰化 中间体形成，水解机理与含丝氨酸的碱性磷酸酯酶相似。 b a z z i c a l u p i 【2 7 】等考察了一种含有邻二氮菲的大环多胺4 的z n ( ) 配合物催化 乙酸对硝基苯酚酯( p n p a ) 水解的反应活性。研究发现，只有当体系的p h 8 0 时，乙酸对硝基苯酚酯( 阶婵a ) 催化水解才得以较大程度的加速。实验事 实证实了金属一羟基物种 z n l ( o h ) + 才是真正的反应活性物种。同时，也从溶液 中配合物的不同存在形式及空间构型等方面讨论了其与反应活性间的关系，并 指出，由于配位在中心金属上的水分子酸性电离后形成的羟基比水分子更紧密 地与中心金属结合，而结合较为松散的水分子可被底物取代而形成底物一催化剂 复合物从而有利于反应进行。 4 4 第一篇培论 寇兴明1 等研究了一类新的双环二氧大环四胺6 的双核铜配合物对d 一吡啶 甲酸对硝基苯酚酯( p n p p ) 的催化性能。结果发现，双核铜配合物6 使p n p p 水解 速率提高t 1 7 3 0 倍左右，而配体5 的单核铜配合物几乎对p n l p 无催化作用。这 说明在双核铜配合物催化的p n p p 水解过程中，两个金属中心之间具有明显的 协同作用。 刘绪良嗍等报道了一种三胺类配体7 与硼) 形成的配合物对p n p a 的催 化水解，其表观速率常数随p h 的变化呈现出“s ”形变化曲线，表明催化反应 受酸碱平衡控制，在p h - - 9 0 的结果表明配合物催化水解反应的表观速率常数达 0 7 1 8 5 m 0 1 1 l s 1 ，比所报道的同类研究要快，并认为催化的机制与酶的作用机 制一致。 7 兔( 0 ) 9 h 2 霉 ，陈万东口0 1 等合成了一种用取代苯酚基修饰的大环四胺8 的z n ( ) 配令物， 并用它作水解酶模拟物，探讨了其对p n p a 水解的催化性能。研究显示r 在。 图式l 5 纱p j 砖挪 z，z， 彳彳 纱p 蒋维东四j l i 大学博士学位论文 p h = 7 0 ，t - - 2 5 时，二级速率常数k 产7 5 1 0 弓t o o l 1 l s - l ，催化机理涉及与 z n ( i i ) 配位的酚氧负离子对底物的亲核进攻，类似于碱性磷酸酯酶中丝氨酸 ( 1 0 2 ) 醇羟基的作用( 见图式1 ) 。 解永树等【3 l 】用三吡啶胺7 和四齿链酚胺配体9 的c l l ( i i ) 配合物模拟水解酶， 研究了其催化p n p a 水解的动力学行为，发现7 的c u ( i i ) 配合物对p n p a 水解 有较好的催化作用，最大二级速率常数值为2 5 3x 1 0 2l m o l q s - 1 。与c u ( i i ) 配 位中的水分子去质子化( p k f 7 5 4 ) 后形成的产物为催化活性物种，这一点与 碳酸酐酶相似。而配体9 的c u ( i i ) 配合物由于酚羟基配位能力很强，生成的与 c u 0 i ) l e 位的酚氧负离子基亲核能力很差( 配位后酚羟基的去质子化常数的p 蜀 值为4 4 4 ) ，不能作为有效的亲核试剂进攻底物，因而催化能力差。这与很多配 位能力较强的阴离子都是碳酸酐酶的有效抑制剂1 3 2 】的事实相符。 s u b 研究小组【l 刀研究了一系列侧链上带有羟基的咪唑基和吡啶基的简单配 体在金属离子存在下催化a - g e 啶甲酸对硝基苯酚酯( p n p p ) 水解的反应，结果 表明配体1 0 ，l l ，1 2 中同时存在羟基和咪唑基或羟基和毗啶基能更有效地催化 p n p p 的水解，并提出了可能的催化机理：即催化反应是通过三元复合物过渡 态或反应中间体的生成来完成的：金属离子则发挥活化配体羟基、使之成为有 效的亲核物种以及使底物能有效的与催化剂配位的模板作用。 ， r n 扩n c h 2 0 h 1 a ：r = h l b ：r = c h 3 1 c ：r = p i l c h 2 1 0 ，= = p h c h 2 一n 夕n c h 2 _ 叫- - o h l c h a 1 1 在仿酶研究领域，因为环糊精( c y c l o d c xt z i n , 简称c d ) 能与多种底物形成 包结络合物，与酶的特性非常相似 3 3 1 ，所以利用环糊精为基础的模拟酶的模型 研究也一直是比较重要的、富有挑战性的课题，并取得了一些重大的研究成果 唧j 。环糊精空腔除醚键外都是烷基单元，所以呈疏水性，而圆筒边缘的羟基使 得环糊精易溶于水。对生物体内的酶来说，酶的结合部位与底物是通过多种相互 作用而牢牢地结合在一起的，并且酶中的催化基团就在底物的反应中心附近 天然环糊精与模型底物分子的作用一般相对较弱，而边臂上引入功能基的简单 6 第一篇培论 修饰在模拟酶的应用上也受到一定限制。环糊精单元通过一些功能基桥联之后， 两个相邻的环糊精空腔有可能协助参与对形状和尺寸适合的客体分子的包结配 位作用，并形成稳定性更好的超分子配合物，能更好地模拟生物酶。 e n g i n 嘲等用c d 作为母体设计合成的水解酶1 3 可使乙酸对硝基苯酯水解速 度增加9 0 0 倍，磷酸对硝基乙酸苯酯水解 ，一 黧嚣器翟篆篙嗍鞠 是一个高效的人工水解酶，使乙酸对硝寸| ：io ( _ 吧l o _ 吧，廿。 基苯酯在p h 等于7 2 时水解速度增加霉： 如4k 1 1 0 0 倍，大于天然胰凝乳蛋白酶的水解g lr l 一( 0 0 f j 速度。 1 31 4 由金属离子和c d 组成的人工模拟 酶，即所谓的金属环糊精，也是当今研究的热点。b r e s l o w 3 7 等合成的桥联环糊 精1 5 与c u 2 + 的络合物在中性条件下催化一些双疏水部位酯的水解反应速率比无 催化齐j 时提高1 1 9 x 1 0 4 2 1 2 x 1 0 5 倍。谢如刚研究小组口s j 一直致力于仿水解酶 催化研究，并取得了十分显著的成果。他们利用合成的桥联环糊精水解酶模型 1 6 催化一系列羧酸对硝基苯酚酯水解，发现模型物一底物达到适宜匹配时，反 应选择性可增高约7 5 0 倍。 1 7 1 6 誓擎嘭囝。 1 8 7 蒋维东四川大学博士学位论文 金属离子在生物反应中起着重要的作用，它们经常作为一个“超酸”催化剂， 具有定向功能，而且在很多电子转移体系中发挥着重要的作用。第一个被称为 人工酶的化合物1 7 是通过c u 2 + 络合物形成的，它利用金属离子来催化包合于 , b - c d 空腔中的底物的水解。化合物1 8 是一个有效的酯水解催化剂网，由镍肟 盐与1 7 络合而成。1 9 对离去基团活性差的酯的水解也相当有效f m 。 由于在模拟酶催化羧酸酯水解反应中，羟基通常为催化反应必不可少的有 效亲核物种，基于此，合成带有羟基官能团的大环多胺配合物是模拟酶模型发 展的必然趋势。b a z z i c a l u p i l 4 1 】研究了带一个羟乙基侧臂和不带侧臂的双核锌( i i ) 配合物2 0 a 、2 0 b 催化p n p a 水解( i = 0 1 n a n 0 3 ) ，研究结果表明与锌( i i ) 配位的 烷氧基是比与锌配位的羟基更强的亲核物种，这与k i m u m l 4 2 j 等得出的结果是相 一致的。 旷o 、厂o n j nn 呻 斗、，o 、只。& ， ； 越r = h b ：r = c h 2 c h 2 0 h x = h 2 0 ，c i 加 2 1 l i 【4 3 】等合成了带有两个羟乙基侧臂的双核铜( i i ) 配合物2 1 ，其p k a 1 直为7 6 0 和8 0 7 ( 2 5 ) ，并以此为羧酸酯酶模型，研究了其对p n p a 水解反应的催化性 能( i = o i m n a n 0 3 ) ，反应的二级速率常数为0 4 1 m l s - 1 ，比相应的单核铜配合物 催化活性高约l o 倍，研究结果同样也表明烷氧基比羟基具有更强的亲核能力。 1 2 金属配合物催化磷酸酯水解的研究7 由于磷酸二酯键稳定性很高，所以在自然界的生命延续过程中，为了维持 物种本身的基因特征，磷酸二酯键自然地被选作核酸的骨架，而核酸就是遗传 的物质基础。自然界存在大量的酶能够在生理条件下高效地催化核酸的水解m 。 开展对磷酸酯d n a 、r n a 水解酶的研究是有利于人们选择对生物体有用的新 催化剂的有效途径之一，因而在化学模拟生物体系的研究中，对磷酸酯酶的模 拟也一直是比较活跃的领域之一。 s 第一篇绪论 磷酸酯键，尤其是磷酸二酯键在中性条件下很难水解断裂。例如，在2 5 c ， p h7 0 时，d n a 中磷酸二酯键的半衰期约为1 0 1 1 年【4 5 】。然而，在r n a 分子中， 由于r n a 中邻近的2 位上羟基的存在，使得其磷酸二酯键的半衰期大为缩短 ( 约为1 0 0 年阳) 。研究结果表明，一个可以成功剪切酰胺键或磷酸二酯键的人 工酶必须能够使过渡态的能量降至低于反应所需的活化能嗍。酶可以通过四个 途径来达到这个目的：( 1 ) 使反应物相互靠近；( 2 ) 为酸碱反应提供官能团： ( 3 ) 降低键张力( 即，与过渡态结合强于与反应物或产物的结合) ；( 4 ) 提供 进攻基 1 4 7 1 。 为了能够在温和条件下水解这些稳定的磷酯键，人们设计合成了各种各样 的有机或无机的催化剂，并用于天然磷酸酯和磷酸酯模型物的剪切。在上世纪 9 0 年代的研究中，主要利用镧系金属离子作为催化剂在生理条件下定位剪切 d n a 和r n a 4 5 。在模拟酶催化磷酸二酯水解的研究中，多用- - ( x 寸硝基苯酚) 磷酸二酯( b n p p ) 作为d n a 的模型物，而用2 羟基丙基4 硝基苯酚磷酸二酯 ( 肿n p ) 作为r n a 的模型物。由于二价的铜、锌离子具有较强的l e w i s 酸性， 其配位化学也已被研究得比较透彻，所以有关铜( i i ) 、锌( i d 金属配合物模拟酶 催化b n p p 水解的报道相当多。 大环多胺金属配合物常用来催化磷酸二酯的水解嗍。研究表明，配合物 2 2 - 2 4 均能有效地催化b n p p 的水解，这是因为这类配合物在溶液中存在稳定的 顺式二水配位结构，其催化b n p p 水解的步骤包括底物取代一个水分子与金属 离子的快速配位，随后，与金属配位的由另一水分子解离而成的羟基对底物磷 中心的分子内亲核进攻，反应过程经历一个四元环状过渡态，该四元环的稳定 性直接影响到反应的速率。 2 22 3 2 4 9 蒋维东四川大学博士学位论文 y o u n g s o l 等研究了配体2 5 与铜( ) 生成的配合物催化磷酸二酯( b d n p p ) 2 6 水解反应的情况。结果表明，三种配合物催化底物水解的机理不尽相同：2 5 a 直接水解底物，2 5 b 主要通过直接水解的方式作用，但也能观察到部分酯转移 作用，2 5 e 则主要通过酯转移作用水解底物，其催化活性大小顺序为： 2 5 e 2 5 b 2 5 a ，这归因于其结构的不同。2 5 e 催化底物水解的活性物种为具有水 合烷氧基结构而非热力学上更稳定的醇羟基铜配合物，金属烷氧基对配位的底 物的亲核进攻随o - c u - o 键角的减小而变得容易，2 5 e 中的羟丙基可以增加 n - c u - o 键角，从而使o c u - o 键角减小，催化活性提高。这表明，配体中羟基 的存在可使金属配合物的催化活性大大提高。 2 6 许多天然磷酸酯酶需两个或两个以上的金属离子协同作用来完成磷酸酯的 催化水解，这包括磷酸单酯酶、磷酸二酯酶以及磷酸三酯酶等，因此在模拟酶 催化的研究中，双核或多核的金属配合物受到研究人员越来越多的关注。一般 来说，双核金属配合物比相应的单核金属配合物具有更高的l e i w s 酸性，能有 效地降低反应过程中底物产生的负电荷密度、活化亲核物种、促进离去基团的 离去，同时双金属中心还可以通过协同作用稳定过渡态中间体等，因此双金属 配合物在识别能力以及催化活性方面均高于相应的单核金属配合物1 5 ”。 在磷酸酯水解研究中，b r e s l o w ；研究小组第一个报道了双金属协同效应对磷 酸酯水解的促进作用1 5 2 l 。他们用一个苯基连接两个大环多胺形成的配体合成了 双核锌( i i ) 配合物2 7 ，对比研究了这种双 核配合物和对应的单核配合物2 8 对 d n p p 的催化水解，发现双核锌( i i ) 配合物 催化的d n p p 水解速率是单核配合物催 化的4 4 倍，这主要是双金属协同作用的 结果。 1 0 第一篇绪论 b i a n c h i 掣5 3 1 合成了含氧氮杂环的双核锌( ) 配合物2 9 ，其催化b n p p 水解 比相应的单核配合物活性高1 0 倍，x 射线结构证实反应是通过底物的磷酰基桥 连于两个金属中心，与其中一个锌结合的羟基对底物亲核进攻而使反应进行的。 k r i t t m e r 等【s q 研究了一种带双咪唑基3 0 的配合物在6 5 的乙醇水混合溶剂中能 有效地催化r n a 水解，反应按照双l e w i s 酸和广义碱催化机理进行。 k a d c 目n 5 5 1 等研究了配t , 奉3 1 分别与n i 2 + 、c u 2 + 和z n 2 + 形成的双核配合物催化磷 酸二酯b n p p 和n p p p 水解的反应。研究表明，三种配合物催化活性与配位的羟 基的碱性一致，即：n i 2 + z n ：+ c u 2 + 。此模型物具有金属酶的特征，如酶一底 物复合物、通过配位活化底物、底物与亲核物种的预组装以及产物抑制等，因 此可以用作双金属中心蛋白质的模拟模型。 瘩 天然磷酸酯酶结构中大多含有两个或三个锌( ) 离子，并且通过羧基桥联起 来【蚓( 见图3 2 ) 。这些锌酶经常是通过一个外部的水分子或一个分子内的醇羟基 作为亲核试剂和亲电的底物发生反应1 5 7 1 。c h e r t 等 s s l 合成了种羧基桥联的双核 锌( i i ) 配合物3 3 并用于催化b n p p 水解，获得了不错的催化效果( p h 7 2 0 ，5 0 。c 下，催化速率常数为4 6 0 x 1 0 6s 1 ，比未催化的反应速率提高了1 0 5 倍) 。他们 k , d r l e yb e a np u r p l e a c i dp h o 印h a l m 3 2 l l 胡2 。咒，n 啉 。n 一矿一翟 弋 “ o 岬忒盏 k 甚 p 抛 够， 漕霉 鉴 蒋维东四j - f 大学博士学位论文 通过在无水的