（有机化学专业论文）含咪唑基双核大环多胺合成及其与dna作用研究.pdf

四川大学硕士学位论文 含咪唑基双核大环多胺合成及其 与d n a 作用研究 专业：有机化学 研究生：黄俊指导教师：吴江教授 d n a 和r a _ n 是两种最基本的核酸，对d n a 和r n a 识别试剂或人工核酸 酶的研究是近2 0 年化学生物学中发展迅猛、富有挑战性的新领域之一。大环多 胺化合物是一类性质独特的优秀配体，具有良好的金属配位能力，其金属配合 物作为人工酶模型广泛应用于核酸结构及功能研究、基因表达与调控、抗癌药 物的研制等生物、化学和医学领域。1 ，4 ，7 ，1 0 一四氮杂十二烷( c y c l e n ) 是典 型的大环多胺化合物，对过渡金属离子z n ( i i ) ，c u ( i i ) a n dc o ( i i ) 有良好的配位能 力，这些金属配合物特别是多核金属配合物被广泛应用于d n a 识别中。 本文致力于双核大环多胺( c y c l e n ) 用咪唑黠盐基的修饰设计合成、d n a 保护 性能的研究，获得了一系列的具有重要理论意义和应用前景的刨新性结果。 本文研究了所有目标化合物的合成方法和通过i r 、e s i - m s 、h r m s 和1 h n m r 、 ”cn m r 以及元素分析确证各步目标产物的结构，实现了简便高效的选择性合成。 通过电泳试验以及荧光淬灭试验，我们发现由于咪唑嗡盐所带正电荷对带 负电荷的d n a 有静电作用，咪唑嗡盐配体和z n ( i i ) 配合物对d n a 有保护作用， 在有水解酶的存在下，d n a 能够比较有效的被咪唑嗡盐配体以及配合物保护而 没有被水解。同时，z n ( i i ) 配合物对d n a 有更大的结合能力。咪唑嗡赫配体以 及其z n ( i i ) 配合物在基因治疗、d n a 的分离、鉴定等领域存在着潜在的应用价 值。 四川大学硕士学位论文 关键词：1 ，4 ，7 ，1 0 一四氮杂环十二烷( c y c l e n ) ；大环多胺；双核；咪唑鲶盐；离 子液体；设计合成；d n a ；保护 i i 四川大学硕士学位论文 d i n u c l e a rz i n c ( i i ) c o m p l e x e so fm a c r o c y c l i cp o l y a m i n e l i g a n d sw h i c hc o n t a i n i n ga ni m i d a z o l i u mb r i d g e ：s y n t h e s i s ， t h e i ri n t e r a c t i o nw i t hp l a s m i dd n a s p e c i a l i 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 u nh u a n g s u p e r v i s o r ：j i a n gw u d n a ，r n aa r et w ob a s i cn u c l e i ca c i d s ，d n a ，r n ar e c o g n i t i o nr e a g e n t so r a r t i f i c i a ln u c l e a s e sa r ean e w c h a l l e n g i n gf i l e dt h a ti sq u i c k l yd e v e l o p i n gi nc h e m i c a l b i o l o g y t h em a c r o c y c l i cp o l y a m i n e sa r eak i n do fe x c e l l e n tl i g a n d sa n dh a v ea s u b s t a n t i a l l yh i g hb i n d i n ga f f i n i t yw i t ht r a n s i t i o nm e t a li o n s m a c r o c y c l i cp o l y a m i n e m e t a lc o m p l e x e sa se n z y m em o d e l sa r ew i d e l yu s e di nc h e m i c a lb i o l o g y , m e d i c i n e a n dg e n et h e r a p y 1 ，4 ，7 ，1 0 - t e t r a z a c y c l o d o d e c a n e ( c y c l e n ) i sar e p r e s e n t a t i v e m a c r o c y c l i cp o l y a m i n e sc o m p o u n da n ds h o w sh i 曲b i n d i n ga f f i n i t yw i t ht r a n s i t i o n m e t a li o n s ，s u c h 鹬z n ( i i ) ，c u ( i i ) a n dc o ( i i ) t h e i rm e t a lc o m p l e x e se s p e c i a l l y m u l t i n u c l e a rc o m p l e x e sw e r ew i d e l yu s e di nd n a ，r n a r e c o g n i t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , d i n u c l e a rm a c r o c y c l i cp o l y a m i n e sw i t ha ni m i d o z a l i u ms a l t g r o u pa n dt h e i rz n ( i i ) c o m p l e x e sh a v eb e e nd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d ，d n a p r o t e c t i o nh a v eb e e ns t u d i e d as e r i e so fu s e f u la n dc r e a t i v er e s u l t sh a v eb e e n o b t a i n e d a l ln e wc o m p o u n d sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi r ，m s ，1 hn m r1 3 cn m r 。a n d e l e m e n t a la n a l y s i s t h es y n t h e t i cm e t h o d sa n de f f e c tf a c t o r so ft h et i t l ec o m p o u n d s h a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d as e r i e so fc o n v e n i e n ta n de f f i c i e n tr e a c t i o n sh a v e b e e nd e v e l o p e d i m i d a z o l i u mi o n i cl i q u i d sc o n t a i n i n gd i n u c l e a re y c l e nm o i e t ya n dn l e i rz n ( i i ) c o m p l e x e s i n t e r a c t i o n 、i md n aw a sd e t e c t e db yt h em e t h o do fa g a r o s e g e l i i i 四川大学硕士学位论文 e l e e t r o p h o r e s i sa n df l u o r e s c e n c eq u e n c h i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a td n ac o u l db e p r o t e c t e de f f i c i e n t l yb yt h el i g a n d sa n dt h e i rz n ( i i ) c o m p l e x e s m o r e o v e r , z n ( i i ) c o m p l e x e sw e r em u c hm o r ea c t i v et h a nt h e 如el i g a n d s i tw i l lb eu s e f u li nd n a s e p a r a t i o n ，p u r i f i c a t i o n , a n dd e t e e t i o n , a n dp o s s i b l yi ng e n e t i ce n g i n e e r i n ga n dg e n e t h e r a p y k e y w o r d s ：i ，4 ，7 ，1 0 - t e t r a a z a c y c l o d o d e c a n e ( c y c l e n ) ；m a c r o e y c l i cp o l y a m i n e ； d i n u c l e a r ；i m i d o z a l i u ms a l t ；i o n i cl i q u i d s ；d e s i g na n ds y n t h e s i s ；p l a s m i dd n a ； p r o t e c t i o n i v 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交学位论文是本人在导师吴江教授的悉心指导下进行的研究 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，也不包含为获得四川大学 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 所做的任何贡献均己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四川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。 导师签名： 学生签 四川大学硬士学位论文 1 1 引言 第一章大环多胺及金属配合物研究进展 自从2 0 世纪6 0 年代末p e d e r s e n s 合成并发现冠醚以来，人们对分子识别 现象的兴趣与日俱增。p e d c r s e n , l e h n 和c r a m 三人提出的主- 客体化学 ( h o s t - g u e s tc h e m i s t r y ) ，包合物化学( i n c l u s i o nc h e m i s t r y ) 和超分子化学 ( s u p r a m o l e e u l ec h e m i s t r y ) 等越来越为人们所熟悉和重视。超分子化学是两个或多 个化学物种借分子间的弱相互作用力形成的实体或聚集体的化学，现已成为化 学中发展迅速、极富挑战性的新领域之一。超分子的结合都是建立在分子识别 基础之上的，所谓分子识别就是主体( 或受体) 对客体( 或底物) 选择性结合并产生 某种特定功能的过程是组装及组装功能的基础，是酶对底物选择性的根基【i “。 大环多胺是一类类似于冠醚的环状聚胺，通常分为氮丙烷环状齐聚物和环 状聚胺。常见的大环多胺有吖丙啶衍生物的环状齐聚物，环楞胺2 、c y c l e n , 环 拉胺3 ( c y c l a m ) ，含吡啶环的环状聚胺4 。由于c y c l e n 和c y c l a m 相对易得，其 衍生物得到了实际应用，因此大环多胺的研究主要集中于c y c l e n ，c y c l a m 。 圆gr 肆r f i g 1 1 4 大环多胺与一般冠醚化合物相比具有两个重要的特征：大环多胺与过渡金 l 四川大学磺士学位论文 属离子、镧系金属离子等能形成稳定的金属配合物，成环氮原子具有强碱性， 故能与h + 形成铵离子形式：环上较易导入羧基、羟基、磷酸基以及其他的亲水 基团或功能基团，可得到一系列水溶性的配体。它既可以与金属离子配合，也 可与带正电荷的有机铵离子或带负电荷的有机阴离子发生配合作用，以主一客 体配合形式形成超分子。由于其特殊的结构及其同过渡金属离子以及镧系金属 离子等的络合作用，大环多胺能用于医药”。、酶模仿物”。、分离和运载气体”。、 金属阳离子提取等不同方面。如果加以修饰，大环多胺配位能力和所形成配 合物的功能还可大为拓展，如在生物医药中用作过渡金属，重金属，镧系和锕 系金属的选择性配位剂等。若多环多胺n 上带有酯，酰胺，吡啶等侧链基，则 可作为碱金属阳离子的配位剂，高选择性的提取n a + 。大环多胺还可以在生理条 件下实现自组装。特别是形成的络合物在生物酶模拟、d n a 切割等方面的应用， 为研究生命活动过程提供了一种良好的手段，引起了人们对其广泛的关注，并 开发出各种不同结构和作用的大环多胺及其衍生物”。 大环多胺的催化功效主要依靠于初始阶段对底物分子的选择性识别”。大 环多胺配合物的合成、稳定性及催化性能的研究，对于了解金属酶的结构、催 化作用机理以及设计合成人工酶有重要意义，成为生物化学领域研究的重要课 题。而如何合成具有特定结构的新型大环配体是需要解决的问题“。在过去 的二十年间，已经先后合成了含桥联羟基，咪唑基，叠氮基，硫腈基等多种基 团的大环配体，相关的酶模型配合物也有许多报道“。 由于大环多胺的金属配合物特异的催化活性“。，因此对大环多胺及金属 配合物开展研究，不仅对酶催化反应的识别、选择性及生物介质等有更好的模 拟，而且由于它与生物体系里的基本过程，如光合作用、氧化、磷酰化、水解、 肌肉运动等相似，进而对深入阐明酶催化作用机制等具有重要意义。近几年来， 对大环多胺类配体及配合物的研究，发展较快，尤其是在模拟磷酸酯及核酸等 水解金属酶方面引起了科学家的浓厚兴趣”。本章我们将对大环多胺及其金 属配合物对核酸的识别和仿酶催化作用研究进展进行概述和讨论。 1 2 大环多胺及其金属配合物对磷酸脂的识别作用 d n a 或r n a 核苷之间均由磷酸酯键键联。常把磷酸酯看成d n a 或r n a 的模型物来进行研究。k i m m 等发现三核配合物5 对c t p 3 有识别作用，通 四川大学顼士学位论文 过核磁判断5 可以c t p 3 形成1 ：1 的化合物。 。峄r肿- 毒器掣五噼伽西：毛， o n 。1 i n m i t o ll 。孓舡i p h 葛p h 啦 c 缸d 卜i 3 5 i c y c b h e x 枷c l r i o lf f i p h o 印i l 盎t e (1p3)(ctp3) 5 f i g u r e 1 2 后来，他们继续把主体分子改变成一种具有共轭环的结构，目的是把主体 分子设计成一种荧光传感器。结果发现带英光的主体分子6 同样能和客体分子i p 3 或者c t p 3 形成稳定的化合物。配合物形成的是通过化合物6 和磷酸脂作用前后的 荧光和紫外吸收变化的确定的，并且发现当磷酸脂c t p 3 ( 或者i p 3 ) 加入的量是 化合物6 的量2 倍时其c 一6 的h 位移值从7 8 4 移动到7 5 5 ，继续加入磷酸脂的量， 化学位移值几乎不该变，也就证明了主体分子和客体分子形成了1 ：2 的化合物。 四川大学硬士学位论文 髯掰z 啦i ，h t 0 唧k a r ，嘣吼t 舯f ：”j 8 s c h e m 厶1 1 1 3 大环多胺及其金属配合物对核苷和核苷酸的识别作用 核酸是生命活动最主要的物质基础，d n a 和r n a 中的碱基在生命活动过 程中起着至关重要的作用。 带有二茂铁结构的大环多胺衍生物“对胸腺嘧啶( n y i i l i n e ) 以及其衍生物 有识别作用。试验结果发现，胸腺嘧啶上的c = c ，以及c = o 的红外伸缩振动峰 1 7 3 0 ，1 6 7 5 分别降低到1 6 5 3 ，1 5 6 2 ，说明胸腺嘧啶t 及其衍生物和3 作用后 c = c ，以及c = o 双键性质减弱，同时发现，t 及其衍生物上n 3 上连接的h 在 核磁上消失也说明3 有作用。而大环上的h 核磁位移均向低场位移o 3 ，说明大 环上的h 和t 及其衍生物上的0 连接以后，电子云密度降低。 四川大学硕士学位论文 lc 乏x l o 竹口幛o h 强c 吼 c 囊x 嚣口嗍 c 吼 n 弘豫1 3r e p r e s e u t a t i o u so f t h es t r u e t u r e so f la n dc 1 - c 4 f i g u r e 1 4s t r u c t u r e so f c 4 ，c 5 ，a n dc 6 带有一个或两个芳环基团的大环四胺化合物9 的z n ( i i ) 配合物可以选择性与 天然双螺旋d n a ( 含有1 5 0 个碱基对) 联接，结合发生在a t 富集区域。这种选 择性和结合能力依靠于芳环的7 r 吨s t a c k i n g 强弱与芳环数目。k i m u r a 等的研究也 证明：带侧臂芳环的z n 0 d - c y e l e n 配合物可以通过z n ( i i ) - 亚胺基负离子键的形 成，有选择性地与单螺旋和双螺旋d n a 或r n a 中t 或u 结合，在断裂d n a 的a t 链中扮演分子拉链的功能【2 l 】。化合物1 0 识别d n a 时位点是连续的t 处，然而葸 醌取代的c y c l e n - - z n ( i i ) 配合物1 1 识别的位点是连续的碱基g 处【2 “，可能是葸醌 的氧与鸟嘌呤的胺存在氢键作用。 四川大学磺士学位论文 r j 1 。舡船一 r 、n扛r 一 。了歹 o 娟2 眵黔献2 凹 h h h o = z n 2 + 洲2 ：瀚n 缮对9 电 0 2 o叩匕矿伊卜。dm 6 - h，h 2 0 h，h 2 0 烈箩ni ：i ，、 f i g u r e 1 5 十分有意义的是配合物1 2 ，1 3 对t p t ( - - 聚胸腺嘧啶核苷) ，t p t p t ( - - - 聚胸 腺嘧啶核苷) 的识别【2 3 1 。每一个c y c l e n z n ( i i ) 配合物对应一个嘧啶环，在p h = 7 4 水的溶液中，1 2 、1 3 的识别分别发生在岫和n l r l 浓度。它们是有关多核金属离子 配合物和寡核苷酸可逆相互作用的第一例报道。其结果对于建立为控制基因表 6 四川大学硕士学位论文 达在d n a 或r n a 的特殊位置能联结连续的胸腺嘧啶和鸟嘧啶核苷酸的小分子 原型有重要的指导意义。 1 4 大环多胺及其金属配合物对磷酸二脂的识别作用 磷酸二酯广泛的存在核酸中，因此常以磷酸二酯键作为核酸模型，对其催 化水解的单核或者多核人工酶的研究大量见诸报道，是有关模拟酶及生物有机 化学研究的主要课题之一川。在水解或酯基转移反应中，金属离子有两方面的 作用：1 ) 同时作为酸和碱催化剂，作为l e w i s 酸，金属离子与底物的p - o 结合， 降低其负电荷而活化磷中心，同时它们提供一个金属键合的羟基，以利于发生 亲核进攻，因为m 一0 h 。的l e w i s 酸性随着金属离子的正电荷密度的增加而增加。 2 ) 可以与离去基团结合而帮助离去基团离去。 m o r r o w 等“研究了二价或三价金属离子对磷酸二酯化合物h p n p 的催化酯 基转移作用，结果发现金属离子对h p n p 的酯转移作用能力大小顺序为：t b ” g d ” y b 3 + e u 3 + n d 3 + p b 2 + l u 3 + l a 3 + c u 2 + z n 2 + c 0 2 + 1 v i a 2 + n i 2 + m 矿 c a 2 + o 最近m o s s 等研究发现四价金属离子对h p n p 催化水解比二价 或三价金属离子更好，其顺序大小为：c e 4 + z r 4 + t h 4 + h f 4 “26 | 。金属离子对h p n p 的催化是因为二齿鳌合中间体1 4 的形成。 大环化合物与镧系金属离子有较大的结合常数1 。化合物1 5 是一类侧链 带有亲核性羟基的大环四胺化合物，它们与镧系中l a ”、e u ”、l u ”形成1 ：1 的 配合物，对h p n p 的水解有较大催化作用捌。同其他e u ”等大环配合物相比较， 配合物e u 3 + _ 1 6 a ，t h ”一1 6 b 3 0 3 是属于比较强的l e w i s 酸，它们对h p n p 的催化水 解结果表明，在相似条件下比其他镧系三价离子大环配合物更为有效，水解速 率有显著提高。 四川大学颈士学位论文 t 4 2 0 ) m ”咎：楚 c h 3 c h 。c h 2 - o p ! n 0 2 9 飞夕一 占h 占- 一 f i g u r e 1 6 c h i n 等合成了以苯环桥连并含有多个吡啶环的配合物1 7 ，水解b p p ( 磷酸 单苯酯) 的速度增加十分惊人，达到了1 0 “倍 3 1 。以刚性的蒽环分子骨架的配 合物1 8 ，水解n p p 的速度也增加了1 0 6 倍嘲，比含柔性连接臂的配合物1 9 的催化活性高2 0 倍，但并未观察到1 9 在水解b n p p 时双金属离子的协同作用。 配合物2 0 以柔性的三碳链桥连，对n p p 的水解速度仍较相应的单核配合物增加 了3 0 0 倍”。，但并未发现在催化b n p p 水解反应时速度有所提高。底物碱性不同 是2 0 选择水解单酯的主要原因，而催化速度的增加则是水解过程中的n p p 与双 金属离子协同作用的结果。 四川大学硕士学位论文 1 7 h 1 9 1 8 f i g u r e 1 7 h 在酶一底物体系中，极化作用，例如底物和酶之间的氢键，偶极作用，静电 作用，都非常有利于过渡态的稳定性。这些极化作用由于因为酶的疏水微环境 得到加强。假如催化中心的微环境得到改进，那么金属配合物的水解活性就会 增加。在水中得到疏水的微环境的最容易的方法是把催化中心连接到一个高分 子上。在此基础上，s u h 把c u c y c l e n 连接到p c d 树脂上，发现其水解活性显著 增加”他后来又设计合成了连在树脂上的含c u - c y c l e n 的不同配合物2 1 - 2 7 ， 其水解活性都很高。 9 璺型查兰堡主竺竺堡苎 ho h 2 1 0 岫h 丫姗矾。辚 。少 。少 啦讯 国h 四川大学硕士学位论文 f i g u r e 1 8 1 5 大环多胺及其金属配合物催化d n a 水解研究 ) + d n a 和r n a 在生命过程中起着极为重要的作用。在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 、r n a 等重要的生命物质。 由于此类酶的结构复杂，稳定性差，因此仿酶研究为研究生命过程提供了广泛 的可行性”。对于d n a 、r n a 进行催化水解或裂解已成为当前最为活跃的领 域之一”“，进入2 0 世纪9 0 年代以来，有关d n a 、r n a 的水解或裂解研究取 得较大成功。 d n a 有较高水解稳定性是由于在磷酸二酯骨架和潜在的亲核试剂之间的 排斥作用造成的，因此对于d n a 的水解或裂解的研究主要集中于对d n a 中的 磷酯键的水解。用金属离子如z n ( u ) ，n i ( i i ) ，c d ( i i ) ，c a ( i i ) 等的配合物对d n a 进行裂解早已被证实了【3 8 。3 9 1 。核苷酸中的磷酸基团、糖部份、碱基残基可以和 金属离子结合，它们和金属离子的反应在很大程度上取决于形成的核苷酸- 金属 离子配合物的稳定性。 哺h h o a yy 煞 四川大学硬士学位论文 高分子负载的大环多胺的c o ( i i ) f f f i 合物与p u c1 8d n a 在3 7 c 充分混和，3h 后7 0 的超螺旋结构变为开链环状结构，比没负载的快t 2 0 0 倍。而且对于难以 水解的线性双螺旋也有很好的催化作用。这可能是由于高分子链上有多个活性 单元，与d n a 有更强的结合力。 r h n o h 2 8 n h ( c h ：) 。n h 人n h ： f i g u r e 1 9 。p o l y s t y r e n e 将大环多胺与肽连接形成的2 9 ，其双核z n ( i i ) 配合物不仅能有效的水解 d n a 的模型物h n p p 4 ”4 “，而且由于两个金属中心与d n a 中相邻的磷酸酯基团之 间的匹配，其水解d n a 的活性比单核配合物3 0 一z n ( i i ) 高2 0 倍h 引。并且多肽的 胺基保护基具有芳环结构时比游离的胺基或者乙酰基都要好，这说明结合能力 越强，水解速度越快。 四川大学硕士学位论文 几 f i g u r e 1 1 0 s c h n e i d e r 等研究了大环多胺3 1 、3 2 的c u ( i i ) 配合物与质粒d n a 及b n p p 水解情况，结果表明：c u ( i i ) 一3 1 在2 h 后，质粒d n a 的f o r mi 有5 2 被裂解， c o ( i i ) 一3 2 有5 6 f o r mi 被裂解。该裂解反应受到c u ( i i ) 与配体l 比例的影响 很大，当c u 2 + ：l = 2 ：1 时，3 2 在水解d n a 或b n p p 的活性提高达8 0 。这说明 双核配合物中，两个金属离子中心的协同作用对d n a 裂解也是十分重要的。 四川大学硕士学位论文 3 1 矾驴他1 1 1 卟啉环结合金属离子m n ”，f e 3 + ，z n 2 + ，以及c 0 2 + 后能对c i n a 有切割作用， 水溶性卟啉环衍生物( 州p y p ) c o 和b r 8 聊p y p ) c o 在3 和4 5 分钟内对d n a 有效 切割。通过吸收光谱的方法确定，切割的位置是在a t 碱基对区域。试验表明， 吡啶n 季氨正离子对水解速度提高起到很明显的作用。 四川大学硕士学位论文 叱 a s c h e m e 1 2s t r u c t u r eo f t h ew a t e r - s o l u b l ec o b a l tp o r p h y r i n su t i l i z e di nt h ep r e s e n ts m d y 1 6 大环多胺及其金属配合物对其他分子离子的识别作用 大环多胺是一个应用十分广泛的螯合剂，它能依靠其氨基的质子化状态形成 很多配合物，在这些质子化组分中，带正电荷的大环多胺可以通过氢键和静电 作用识别阴离子“”。，大环多胺的金属配合物对磷酸二脂也有识别作用唧- 。 c m e z a w a n 用质子化的大环多胺对阴离子的识别作用，把大环化合物3 3 制 成一种离子传感器。实验表明：通过主体和客体分子的静电吸引作用，主体化 合物2 能够有效地把处于水相中的客体阴离子带入到p v c 的有机相中。通过阴离 子电势的减少来定量的分析，阴离子和大环多胺结合的量，从而定量的分析主 客体之间作用强度。结果表明：e p 0 4 ，5 a m p 2 。，5 一a d p 孓5 - a t p 4 。四种阴离子 中，由于5 a t p 4 所带电荷最多，5 a t p 扣和质子化大环多胺静电作用力最强， 电势降低最大。 四川大学硬士学位论文 h 兰塑r = c 1 羽3 3 3 孙r = h c t g a m c p h a s e s c h e m e 1 , 3 大环多胺对阴离子的识别作用 综上所述，通过对模型物的巧妙设计，某些配体及金属配合物对磷酸酯、 d n a 的催化水解切割加速能力已接近酶分子，可以实现通常化学方法难以完成 的反应。开展对磷酸酯、d n a 等水解酶的研究，不仅对于阐明酶催化作用机制， 揭示生命活动过程中的基本规律具有重要意义，而且也是开发新的催化剂的有 效途径之一。 四川大学硕士学位论文 第二章含咪唑基双核大环多胺及其金属配合物的合成设计 大环多胺及其金属配合物的超分子识别作用是超分子化学中极富挑战性的 热点领域之一。近来的研究工作主要集中于对无机阴离子，有机小分子，氨基 酸，多肽，核苷酸等人工受体的合成和分子识别模型的研究 5 7 。5 8 】大环多胺配体 既可以应用于与过渡金属离子、重金属离子及镧系金属离子形成金属配合物， 用于磷酸酯、d n a 和r n a 等的催化切割；又可以通过氢键、范德华力、疏水相 互作用、纠【s t a c k i n g 作用、阳离子吼作用等多种非共价相互作用与带正电荷的 有机铵离子或带负电荷的有机阴离子等发生配合，形成超分子化合物，这种超 分子化合物可以作为生物受体底物相互作用模型，在研究生命过程中的化学 现象等领域具有重要意义【5 9 】。因而目前在d n a ，r n a 定点断裂、核酸结构功能 探针、新型药物的设计合成、有毒磷酸酯裂解功能材料的开发等领域对大环多 胺及其配合物的合成及性质研究较为广泛。 离子液体具有一些独特的性质，如液态温度范围广、阴阳离子可设计、几乎 没有可检测的蒸汽压、不燃烧、环境友好等，引起了人们极大的研究兴趣，随着 绿色化学概念的提出，取代传统的有毒、有害溶剂而发展高效、安全的绿色工艺 在今后一段时间是我们研究的重点。最近有关离子液体在生物领域的应用也有 报道“j ，例如o h n o 实验室利用咪唑嗡盐正电荷和d n a 负电荷的静电保结作 用，把离子液体和d n a 制备成一种具有良好离子传导率的膜1 6 2 】。 在基本痕量元素中，z n 是与人体和其他有机体有密切关系的第二大离子， 大量含z n 酶均为水解酶，他们可以催化水解脂一节各种类型的肽。水解酶的反 应机理、活性、中心金属离子一直是生物无机化学的热点问题。 2 1 二苄基间隔基的双核大环多胺主体的设计 e i i c h ik i m u r a 等研究了大环多胺( c y c l e n ) 的合成和其金属配合物的性质 【6 3 删。二聚大环多胺锌( d i m e r i cz n i l - c y c l e n ) 配合物对二聚胸腺嘧啶核苷( t p t ) 的识别，和三聚大环锌( t r i m e r i cz n h c y c l e n ) 配合物对三聚胸腺嘧啶核苷 1 7 四川大学硬士学位论文 ( t p t p t ) 的很好的识别作用，其中都包含有1 ，4 ，7 ，1 0 一四氮杂环十二烷( e y c l e n ) 大 环多胺，和对二甲苯间隔基( p - x y l y ls p a c e r ) 忡，每一个z n “一c y c l e n 对应一个嘧啶 环，在p h = 7 4 的水溶液中，分别在l a m o l l 、n m o l l 的浓度发生识别，是有关 多核金属配合物对寡核苷酸可逆相互作用的首例报道。其结果对于建立为控制 基因表达在d n a 或r n a 的特殊位置能联结连续的胸腺嘧啶和鸟嘧啶核苷酸的 小分子圆形具有重要指导意义。因此我们选择了带有对二苄基间隔基的1 ，4 ，7 ，1 0 四氮杂环十二烷主体。 l 蒋沪堍? o v h jb i s - z n - c y c l e n o ：j “ o 。：秸hp 萨铤h 鼢q 斟h ：。9 嘲：+ o l o l ：i o l ：l j h h t r i s - z n l l c y c l e n h 2 2 咪唑嗡盐基团的设计 f i g u r e 2 1 近年来，作为绿色替代溶剂，离子液体正受到化学界各个方面的关注，随 着对离子液体研究的不断深入，越来越多的离子液体已见报道，它们的应用也 逐渐渗透到化学的各个领域之中，并已经成为绿色化学的重要组成部分。正是 离子液体不挥发，不易燃，对无机物和有机物有广泛的溶解性，以及可调变的 物理化学性质等特点，离子液体的应用研究方兴未艾 6 7 , 6 s ，首例离子液体的工 业应用也于2 0 0 3 年3 月问世【6 。 四川大学硬士学位论文 核酸是生命活动最主要的物质基础，d n a 和r n a 中的碱基在生命活动过 程中起着至关重要的作用。对d n a 、r n a 进行水解或裂解反应的研究已成为 当今最活跃的领域之一。 o l m o 等首先制备了一系列简单咪唑嗡盐离子液体，并以磷酸二正丁脂为模 板，考察了咪唑嗡盐和磷酸二丁脂脂结合成膜后对离子液体导电率提高情况。结 果发现，由于空间位阻小以及离子液体粘度低，链短的咪唑嗡盐和磷酸脂成的 膜导电率越比长链咪唑嗡盐离子液体和磷酸脂成膜导电率高。基于这个模型， 他们把电正电荷的咪唑嗡盐离子液体和带负电荷的d n a 制备成一种生物膜，以 提高离子液体- - d n a ( i l - r o b e d - d n a ) 这种膜的导电性能。结果发现，离子液 体包结d n a 后体系的导电率可以从1 旷sc m 1 提高到1 0 - * sc m 叶数量级。同时 短链离子液体c 2 m i 和d n a 形成的离子液体导电率比其他几种离子液体都高， 可以达到5 4 1 0 1 5 sc m - 1 。同时发现。体系里面加入1 l m 0 1 e m i b f 4 这种离子液 体可以大大提高体系的导电率【7 0 】。 泌 奴t a 双上孓风。 n = 24 , 8 ：心- - = | v ，x j o h - n = 1 2 ：m 一= n d 。x - = b r - s c h e m e 2 1p r e p a r a t i o no f i m i d a z o l i u ms a l t sh a v i n gd i f f e n n ga l k y lc h a i n s ( 砷m o d e l c o m p o u n d s ( c n m i - p d e ) a n d ( b ) c n m i - d n a 利用咪唑嗡盐离子液体正电荷与d n a 的磷酸脂负电荷作用的静电作用。可以 用离子液体把d n a 从水相中提取出来。w a n g 等和成了一种简单的离子液体六氟化 蚤v 广 妒k 四川大学硕士学位论文 硼酸一l 一丁基一3 甲基咪唑嗡盐( 1 - b u t y l - 3 - m e t h y l i m i d a z o l i u m h e x a f l u o r o p h o s p h a t e ) ( b m i m p f 6 ) ，利用b m i m + 和d n a 的磷酸根静电作用，直接把 d n a 从水相中提取到离子液体相中。提取的效率可以达到9 9 左右( 水相d n a 量是通过其和溴乙啶结合后荧光强度变化计算出来的) 。 d n a + n b m ；m p f ：f b m i m ) n d q a + np k s c h e m e 2 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h ei n t e r a c t i o n so fb m i m + w i t hp h o s p h a t eg r o u p s i nd n as t r a n d sd u r i n gt h ee x t r a c t i o no fd s d n a b yb m i m p f 6 d n a 和b r l l i m p f 6 作用前后的3 2 pn m r 说明，由于d n a 的磷氧键和咪唑嗡盐作 用，导致p 上的电子云密度降低，p 的化学位移值从一o 7 5 移动到一0 9 4 ，即向高 场移动。作用前d n a 的p = o 在f i - i r ：在1 0 9 0 和1 2 3 8 处有比较明显的峰，但是作用 后这两个位置的吸收峰都消失了。这说明，磷酸脂带负电荷的o 和咪唑嗡盐正离 子结合后，p = o 的双键性质减弱，也说明了d n a 和咪唑嗡盐有静电作用【7 l 】。 1 1 1 0 01 4 0 0q z l o0强删 v 妇州m 嘲r f i g u r e 2 2 f i - i rs p e c t r a ( i o i rf i l m ) ：( a ) 5 0 0n g l 1s a l m o nd n a s o d i u ms a l t , ( b ) b m i n p f 6 四川大学硕士学位论文 ( c ) d n a - b m i ma d d u c ti nt h ei o n i cl i q u i dp h a s e ，一，。7 j 一3 。p 。删 ； 托 a 、一三， p 、。上 j 心 啪1 5 心帖t 暑- l 量- u2 0 f i g u r e 2 3 3 i pn 腿s p e c t r a ( i nd m s o ) r e c o r d e dw i t hab r u k e r a v a n c e6 0 0n m r s p e c t r o m e t e ra t2 4 2 9 6m h z , 3 2 d a t ap o i n t s s w2 0 0 p p m t h ec h e m i c a ls h i f t sa r ei np p m r e l a t i v et o8 5 o r t h o p h o s p h o r i ca c i d ：( a ) b m i m p f 6 ，( ”s a l m o nd n as o d i u ms a l t ，a n d ( e ) d n a b m i ma d d u c ti nt h ei o n i cl i q u i dp h a s e 如前文所述，咪唑嗡盐离子液体应用于d n a 的研究主要集中在生物材料 方面，关于咪唑嗡盐对d n a 活性的研究的文献较少，特别是咪唑嗡盐对d n a 超分子识别相关的研究很少有报道。 因此，我们设计了含咪唑基双核大环多胺配体，及其z n ( i i ) 配合物。希 望其能对d n a 有识别作用。 2 l 四川大学硕士学位论文 h ( | ：i ) x 一巷一x ) h h i l ! i h 每蔷x 每h z a x 呲c c h ： 2 = 邺r 叱 2ch2ta x = hc c h 2 z 飞沪 仉：c 气h ：参z n 2 + 2 3 含咪唑基双核大环多胺的合成路线设计 2 3 1 1 4 7 1 0 一四氦杂环十二烷( c y c i e n ) 的合成路线设计 七十年代以来，多氮杂环烷烃已成为冠醚化学中最活跃的研究领域之。 以多氮杂大环烷烃为母体合成的n 取代衍生物，可以将大环多胺的空腔对金属 离子的选择性和多氨基螯合剂的配位普适性恰当的结合，从而形成一类新型螯 合剂。由此形成的金属配合物可以作为临床诊断的核磁共振，x - 射线和超声照 相法等成像技术的造影剂。多氮杂大环烷烃的主要合成方法是多胺磺酰化物与 醇胺磺酰化物的缩合环化法。 以二乙烯三胺3 4 和二乙醇胺3 5 为原料，通过保护合成3 6 、3 7 ，然后3 6 、 3 7 缩合环化得3 8 ，在浓硫酸作用下去保护得中间体1 , 4 ，7 ，1 0 四氮杂环十二烷 3 9 ( c y c l e n ) 。合成路线： 四川大学硬士学位论文 + i s t s h n 7 、n 、。7 n h t s 3 6 。0 ；j 吣警h 0 队。b 3 5 。 3 7 3 8 1 1 浓h 2 s 0 4 2 ) h c i 酸化 3 1n a o h 几几 毗n h n ( c h 3 ) 2 n c h ( o m e ) 2 一( ) 4 0 几 ，n hh n 、 n hh n u 3 9 4 太 鲁 四川大学预士学位论文 2 3 2 中间体的合成 化合物3 9 经( b o c ) 2 0 保护，通过控制反应物3 9 与( b o c ) 2 0 的摩尔比( 1 ：3 ) 及( b o c ) 2 0 的滴加速度，可以高收率的得到关键中间体4 ，7 ，1 0 一- - ( 叔丁氧羰 基) 1 ，4 ，7 ，1 0 四氮杂环十二烷4 3 ( 3 b o c c y c l e n ) 。然后通过过量的苄溴和2 5 反应 高产率地生成中间体“。 r 1 h n n h 0 爿j 幽。- r n 趟眈- r n 1 黼， n e h c 3 l i ! j l n 6 0 c o c 4 3 4 4 乱炉h 2 c 圹洲2 b x ：h 2 c 幽 c h 。 2 3 3 配合物的合成 咪唑在n a h 作用下去质子以后，先后在咪唑的l ，3 氮上分两步烷基化生 成b o c 保护的咪唑嗡盐4 6 。滴加t f a 到4 6 中形成三氟醋酸盐，用氢氧化钠溶 液调至碱性得到配体2 ，最后分别在无水乙醇溶液中加入z n ( c 1 0 4 ) 2 6 h 2 0 即可 得到目标配合物1 。 b i 厂n 、 b o c nn - x - b r l n b o c 4 4 四川大学硕士学位论文 b o c r n “、n - x - n a n