（无机化学专业论文）二茂铁谷胱甘肽的合成及电化学应用.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 生物分子识别及相互作用是生命的基础，研究金属离子与多肽， 小分子与蛋白质的相互作用在生命活动的研究中具有重要意义。本论 文的研究目的是设计、合成系列二茂铁多肽衍生物作为电化学探针， 用于电化学检测重金属离子及测试小分子肽与蛋白质的相互作用。围 绕该研究目标，展开了以下研究工作： 首先，由二茂铁为原料，用苯并三氮唑，四甲基脲六氟 磷酸酯( h b t u ) 及水溶性碳化三亚胺( e d c ) n 烃基琥珀酰亚胺f n h s ) 为偶合剂，最终合成了1 半胱胺1 甲酸甲酯二茂铁( 产率为3 0 o ) 、 1 半胱胺1 二茂铁甲酸( 9 0 o ) 、氨基二茂铁( 9 8 2 ) 、谷胱甘肽 二茂铁( 9 0 7 ) 等这些目前在国内外尚未见报道的二茂铁衍生物， 并对它们进行红外光谱和核磁共振表征，确认了它们的结构。 根据巯基化合物易与金反应生成稳定的金硫键，本文用上述含巯 基的分子在金电极上直接或间接的自组装成膜，修饰电极。通过电化 学方法检测发现：这些物质成功的组装在电极表面，表面电化学反应 为单电子准可逆氧化还原反应，可观察到的氧化还原反应为二茂铁基 的氧化还原，并根据外围基团的不同表现出不同的氧化还原峰电位。 其中，1 半胱胺1 二茂铁甲酸修饰电极的氧化还原峰电位分别为 e a = 0 6 4 2v 、e 。= o 7 4 0v ；1 半胱胺1 谷胱甘肽二茂铁修饰电极为 e o a 0 6 4 5v 、尾。= o 7 4 8v ；巯基十一酸氨基二茂铁修饰电极为 b a 一- - 0 0 0 9v 、e o 。一0 1 4 5v ；巯基十一酸谷胱甘肽二茂铁修饰电极为 e - - 0 2 5 7v 、e p c = 0 1 3 2v 。 由于谷胱甘肽含多个活性基团，能与重金属离子发生配位反应， 本文用1 半胱胺1 谷胱甘肽二茂铁修饰电极检测镉离子。通过循环 伏安法研究发现，1 半胱胺1 谷胱甘肽二茂铁修饰电极与2 0n m o l l 镉离子配位后，氧化还原峰电位为e o = 0 8 2 0v 和鼠。= o 6 8 0v ，与配 位前的氧化还原峰电位相比，正移8 0m v 。从镉离子浓度与阳极峰电 位及峰电位差的关系图发现，随着镉离子浓度的增加，阳极峰电位及 峰电位差值成线性增大，因此可根据峰电位及峰电位差值的变化来定 量分析镉离子的浓度。得其最低检测限为o 1n m o l l 。 此外，采用电化学方法研究了谷胱甘肽一二茂铁与牛血清蛋白 ( b s a ) 的相互作用。发现谷胱甘肽二茂铁与固定在电极表面的牛血清 蛋白作用后，其氧化还原峰发生正移，由原来的e p a = 0 2 5 7v 、e o 。= o 1 3 2 硕士学位论文摘要 v 移到了毛f0 2 6 2v 、e p 。= o 1 5 9v 。另外，紫外光谱也发现二者 的结合会导致吸收峰发生红移及吸收增强现象。因此证明二者之间存 在特异性相互作用。根据他们之间的结构推测，二者之间的作用可能 是由于形成了分子间氢键或静电力。 关键字：二茂铁，谷胱甘肽，自组装单分子膜，电化学，镉，牛 血清蛋白 硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t t h ei n t e r a c t i o n sa n dm o l e c u l er e c o g n i t i o n sb e t w e e nh e a v ym e t a l sa n d p e p t i d e s ，s m a l lm o l e c u l e sa n dp r o t e i n sa r eo fg r e a ti m p o r t a n c eb e c a u s eo f t h e i rp h y s i o l o g i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as e r i e so fn o v e l f e r r o c e n e - p e p t i d ed e r i v a t i v e sw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e df o rd e t e c t i o n o fh e a v ym e t a li o n sa n dt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e ns m a l lm o l e c u l a ra n d p r o t e i nb ye l e c t r o c h e m i c a lm e t h o dw e r ei n v e s t i g a t e da sw e l l s e v e r a l f e r r o c e n y ld e r i v a t e s ，s u c h a s 1 一c y s t e a m i n e c a r b o n y l 一1 一 m e t h o x y c a r b o n y l - f e r r o c e n e ( y i e l d3 0 o ) ，1 一c y s t e a m i n e c a r b o n y l l f e r r o c e n l y c a r b o x y l i ca c i d ( 9 0 o ) ，f e r r o c e n o y l - a m i n o ( 9 8 2 ) a n d g l u t a t h i o n e f e r r o c e n o y l ( 9 0 7 ) w e r es y n t h e s i z e da n d c h a r a c t e r i z e df r o m f e r r o c e n e ，w h i l eh b t ua n de d c n h sa sc o u p l i n ga g e n t s t h es t r u c t u r e s o ft h e s ec o m p o u n d sw e r et a k e nt oc h a r a c t e r i z ew i t hi rs p e c t r u m ，u v - v i s s p e c t r u ma n d1 hn m r r e a s o n a b l es y n t h e t i cr o u t ew a ss u g g e s t e da n d s o m er e a c t i o n sw e r ei m p r o v e d i nt h i s p a p e r , t h eg o l d e l e c t r o d e sw e r em o d i f i e d b y f e r r o c e n o y l - d e r i v a t i v e sa n d11 一m e r c a p t o u n d e c a n o i ca c i d ( m u a ) i nd i r e c t o ri n d i r e c ts e l f - a s s e m b l ym e t h o d sa n dc h a r a c t e r i z e db ye l e c t r o c h e m i c a l m e t h o d t h ee l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i z eo ft h e s ef e r r o c e n o y l p e p t i d e s w e r ec a r r e do u t b yc y c l i cv o l t a m m o g r a m t h e e l e c t r o c h e m i c a l e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a t ra l lf e r r o c e n e c o m p o u n d sw e r e e x h i b i t e do n ee l e c t r o no x i d a t i v er e a c t i o nt h a ta t t r i b u t e dt of e r r o c e n e s o x i d a t i v er e a c t i o n a n dd i f f e r e n tf e r r o c e n o y l p e p t i d e sh a v ed i s t i n c tr e d o x p e a k s t h e r e d o x p e a kp o t e n t i a l o f 1 一c y s t e a m i n e c a r b o n y l - 1 - f e r r o c e n l y c a r b o x y l i c a c i d ，1 - c y s t e a m i n e c a r b o n y l 一1 - g l u t a t h i o n e c a r b o n y lf e r r o c e n e ，m u a - f e r r o c e n o y l - a m i n e a n dm u a g l u t a t h i o n e - f e r r o c e n o y lm o d i f i e de l e c t r o d e sa sf o l l o w ：e p a o 6 4 2v 、e p c = o 7 4 0v e p a = o 6 4 5v 、e p c = o 7 4 8v 屏a - - 0 0 0 9v 、e p c = - - - 0 1 4 5v 耳a _ o 2 5 7 v 、 耳c = o 13 2v r e s p e c t i v e l y g l u t a t h i o n e ( g s h ) ，w h i c hh a se i g h tp o t e n t i a lb i n d i n gs i t e st oc o o p e r a t e w i t hh e a v ym e t a l s ，i sam o s tf a v o r a b l eo l i g o p e p t i d eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d i nt h i s p a p e r , 1 - c y s t e a m i n e c a r b o n y l 一1 一g l u t a t h i o n e c a r b o n y l f e r r o c e n o y l w a su s e dt om o d i f yt h eg o l de l e c t r o d ew h i c hu s e da sap r o b et od e t e c t - i i i - 硕士学位论文a b s t r a c t c a d m i u mi o n s t h ee l e c t r o c h e m i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a ta f t e ra c c u m u l a t e c d 2 十( 2 0n m o l l ) o nt h es u r f a c eo f t h ee l e c t r o d t h er e d o xp e a kp o t e n t i a l o f 1 c y s t e a m i n e c a r b o n y l 1 g l u t a t h i o n e c a r b o n y l f e r r o c e n em o d i f i e d e l e c t r o d ew a s 岛a _ 0 8 2 0v 、耳c = o 7 8 0v r e s p e c t i v e l y i tw a sc a u s e d8 0 m va n o d i cs h i rc o m p a r e dw i t ht h em o d i f i e de l e c t r o d ew h i c hn o n ec d 2 十 a c c u m u l a t e f u r t h e r m o r e ，t h es h i f t sa r ep r o p o r t i o nt ot h ec o n c e n t r a t i o no f i o n si nt h es o l u t i o nw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fc 十i sl o w e rt h a n2 0 n m o l l 一s ot h ec s a f c g s hm o d i f i e de l e c t r o d ew a su s e dt od e t e c t e d c a d m i u mi o n sa tl o wc o n c e n t r a t i o na n dg o tt h ed e t e c t i o nl i m i t a t i o no f c d 肘o 1n m o l l i nt h i sw o r k ，t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e ng l u t a t h i o n ea n db o v i n es e r u m a l b u m i n ( bs a ) w e r es t u d i e di nd e t a i lb ye l e c t r o c h e m i c a lm e t h o df o rt h e f i r s tt i m e t h er e s u l t ss h o w st h a tt h er e d o x p e a kp o t e n t i a l o f m u a - b s a - g s h - f cm o d i f i e de l e c t r o d ew a s b a _ o 2 6 2va n d 耳c = o 1 5 9 vw h i c hs h i f tt oa n o d i cc o m p a r e dt o 【u a g s h f cm o d i f i e de l e c t r o d e f u r t h e rm o r e t h eu va d s o r bb a n do ft h ebs i aa n dg s hm i x t u r es h i f tt o r e dp o s i t i o n i tc o n f i r m st h a tt h e r ea r es p e c i a li n t e r a c t i o nb e t w e e nbs a a n dg s h i ti s p o s s i b l e t h a tt h e s et w om o l e c u l a rh a v ef o r m e d i n t e r - m o l e c u l a rh y d r o g e nb o n da n ds a l tl i n k a g e b u ti ti su n c e r t a i nw h i c h o n ei ti sf r o mt h ee l e c t r o c h e m i c a lr e s u l t i tn e e d saf u r t h e rs t u d yt o u n d e r s t a n dt h ed e t a i li n t e r a c t i o na n dt h eb i n d i n gc o n s t a n t k e yw o r d s ： f e r r o c e n e ，g l u t a t h i o n e ，s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s ， e l e c t r o c h e m i c a l ，c a d m i u m ，b o v i n es e r u ma l b u m i n i v 原创性声明 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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南大学或其他单位的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论 文中作了明确的说明。 作者签名：蒸量袅盘 日期：通年五月雌日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定递交学位论文。 储躲擞导师躲施堑吼丑年野当 硕士学位论文第一章文献综述 1 1 二茂铁 第一章文献综述 1 9 5 1 年k e a l y 和p a u s o n 拟由环戊二烯基溴化镁与三氯化铁反应实行合成富 烯( f ul v a l e n c e ) 的计划时，却意外地制得了二茂铁( f e r r o c e n e ，f e ) 【l j 。几乎在 同一时间，m i l e r 等却用环戊二烯和铁在3 0 0 0 k 及常压下反应制得t - - - 茂铁【2 】。 其后，w i l k i n s o n 和w o o d w a r d a 通过红外光谱、磁化率以及偶极矩的测定，确定 二茂铁是一种具有冗键型夹心结构( s a n d w i c h ) 的新型金属有机化合物。其特点 是：茂环上所有的碳原子都与铁原子成键，c f e 键键长均相等。二茂铁奇特的 分子结构引发了科学家们的强烈兴趣，对二茂铁及其衍生物的合成、结构、性质 的研究工作十分活跃，已成为现代化学中的一个热点研究领域。近年来，随着电 化学技术的发展，二茂铁及其衍生物基本的电化学性质在分子间的电子传递、电 催化、电分析、分子识别等方面的应用获得了巨大的进展。 1 1 1 二茂铁的结构及性质 二茂铁是夹心化合物的代表，它的分子结构和成键 方式已经用x 射线衍射法和分子轨道法进行了详细的 研究，发现其结构如图1 - 1 所示它是一种橙色棱柱 状晶体，具有两个平行的环戊二烯负离子，中间镶嵌 着一个f c 2 + ，f e 2 + 对称的夹在两个茂环平面之间，环中 碳一碳( c - c ) 键键长为0 1 4 0 3n l l l ，碳一铁( c f e ) 键的键 长为0 2 0 4 5r i m ，两个茂环平行距离为0 3 3 2n l n 凹。 螽p ， f e 一玉， 了z 图1 - 1 二茂铁的结构 f i g 1 - 1t h es l r u c t u r eo f f e r r o c e n e 它的晶体结构随温度不同而异，室温为单斜晶系，9 8 k 为正交晶系，两个茂环完 全重叠。在二茂铁中，两个茂环旋转能很小，约4k j m o l ，因此在溶液中，二 茂铁两个茂环的旋转是自由的。但由于茂环在配位场中易受到金属离子的影响， 多以重叠式存在，与交叉式比较，重叠式更为稳定；即使有取代基时，两个茂环 也多以重叠构象。 二茂铁是具有高度稳定性和芳香性的富电子体系。在二茂铁的结构中，两个 环戊二烯负离子提供2 x ( ) ：- 1 2 个电子，中心离子f e 2 + 的d 轨道提供6 个电子【， 它的结构符合1 8 e 规则，键合情况可以用l c a o - m o 近似方法处理，在m o 的 图象中，有9 个成键和非成键的轨道，1 0 个反键轨道，1 8 个电子恰好填充在成 键和非成键轨道上，得到一个封闭稳定的结构，使得二茂铁在空气中可以稳定存 在，5 0 0 以下不分解。整个二茂铁基团是一个很好的推电子基团，对于具有电 硕士学位论文 第一章文献综述 子给体受体共轭结构的分子，给体受体强度越大越有利于体系形成电荷转移的 共振态，扩大兀电子的流动范围【5 】，当它通过霄共轭体系与受体( 醛基、酯基、 氯取代基和硝基取代苯基等) 相连时，易于发生分子内电子转移，能有效的诱导 体系的非对称极化，使共轭体系尽可能得到扩展跟延伸，这样分子具有较大非极 性极化率。 二茂铁的性质非常稳定，1 0 0 以上易升华，4 0 的分压为4 0 p a , 熔点 1 7 3 1 7 4 ，沸点2 4 9 ，易溶于苯、乙醚、石油醚、乙醇、二氯甲烷等有机溶剂 中，不溶于水，但会随水蒸汽一起蒸发，因此常用水蒸汽蒸馏法加以纯化。 二茂铁的夹心结构，使其呈现出特殊的化学性质嘲，它不能进行环戊二烯那 样的加成反应，不易发生还原反应：但茂环f c 5 h 5 在c c 键级上同苯环相似， 易发生亲电取代反应，具有突出的芳香性，因此，茂环在性质上与苯环有许多相 似之处【”，且反应活性比苯高。例如：二茂铁与酰氯或酸酐在a i c l 3 的催化作用 下可以发生f r i e d e l c r a f t s 酰化亲电反应，可得到一元酰基化二茂铁，也可得到 二元酰基化二茂铁；二茂铁还能进行f r i e d e l c r a f t s 烷基化反应，可直接制得烷 基二茂铁，由于烷基是推电子基团，能活化茂环，因此，二茂铁发生f r i e d e l c r a f t s 烷基化反应，在得到单烷基物的同时，也生成多烷基物。除此之外，二茂铁的两 个茂环上能引入含有各种基团的取代基，如含有醛、酮、酸和酰氯、胺、醇、卤 素、金属等取代基。如在三氯化铝存在下直接通二氧化碳可生成二茂铁甲酸；可 以与甲醛和有机胺发生缩合反应生成胺基化合物【蚋。上述官能团的化学性质活 泼，是合成二茂铁衍生物的重要原料和中间体。 二茂铁有单取代，单环二取代，双环二取代等多种取代产物，这些取代基可 以相同，也可以不同，目前合成的二茂铁衍生物多达数千种。r o s e n b l u m 【9 】等总 结出二茂铁衍生物的红外光谱规则：( 1 ) 1 1 0 0 1 0 0 0 规则：二茂铁在3 0 1 0 、1 4 2 0 、 1 1 0 0 、1 0 0 0 和8 2 0 c m 1 处有振动吸收，如果有一个茂环未被取代，就会出现1 1 0 0 和1 0 0 0 c m l 特征吸收；若两个茂环均被取代，则两峰消失；( 2 ) 9 1 7 规则：1 ， 2 一二取代二茂铁在9 1 7 c m 4 处有一个中等强度的吸收峰；( 3 ) 9 1 7 9 0 5 规则：l ， 3 二取代二茂铁在9 1 0 c m l 附近有双峰。 1 1 2 二茂铁及其衍生物的电化学性质及应用 二茂铁衍生物种类繁多，具有的特殊的化学结构，在化学性质方面十分独特， 在许多领域有着广泛的应用。本文主要介绍一下二茂铁及其衍生物的电化学性质 及应用。 ( 1 ) 基本的电化学行为 由于二茂铁具有夹心结构和芳香性的高度富电子特性，热稳定性好，有良好 的反应活性，较易进行结构修饰，大多数常见溶剂中可经受可逆的单电子氧化， 硕士学位论文 第一章文献综述 具有易受环境影响的可逆氧化还原特点。近年来，以二茂铁结构单元设计合成的 氧化还原大环化合物的研究异常活跃，该类大环化合物不仅具有大环配体的选择 性配合性能，并且兼有二茂铁的电活性。二茂铁及其衍生物是较常见的分子树配 合物，它们只能进行一个氧化还原过程，转移的电子数目与分子树外围所含的二 茂铁单元的数目相同，而且二茂铁单元在相同的电位下被氧化，在稍微负的电位 处，可观察到一个弱的循环伏安波，这种作用随着所含二茂铁单元数目的减少而 减弱，说明分子树化合物具有较好的阴离子传感和识别能力，它与被氧化的二茂 铁的阴离子和酰胺水解之间相互作用的协同效应有关【1 0 1 。 由于取代基对二茂铁及其衍生物的电化学性质有影响，b a s q u e 等人研究了 二茂铁s c h i f f 碱和金属配合物中取代基f e ( 兀) 电化学行为的影响，揭示了f c ( n ) 被氧化的难易程度取决于取代基的性质【l l 】。b r u r l k e f 【1 2 1 及z n a n e l l o 1 3 1 等人 研究了一系列不同特性取代基的二茂铁衍生物的电化学行为。结果表面，取代基 给电子能力越强，相应的二茂铁阳离子存在时间越长。t h o m a s 等人用电化学方 法研究了新的二茂铁配合物，结果表明噻吩二茂铁衍生物对位给电子基和接受电 子基的相互作用比较容易【1 4 】。b a r a u s k a s 等人研究了有长烷基链的二茂铁衍生物 电化学行为，结果表明单电子氧化还原过程在电化学上是半可逆的且由扩散控制 【15 1 。 ( 2 ) 分子内的电子传递 二茂铁具有良好的可逆的电化学特性，当二茂铁通过有机共轭相连时，在光 诱导下，可发生长距离的分子内电子传递，构成分子导线。这类化合物中的电子 转移速率、平衡常数都可定量测出。给体受体型二茂铁衍生物在7 【共轭体系的两 端分别连有电子给体和受体，这样更易于发生分子内电荷转移，能有效地诱导体 系的非对称极化，因此分子具有较大的非线性极化率。根据此性质可设计具有氧 化还原开关效应的二茂铁衍生物。若二茂铁与光敏基团相连，可构成分子开关， 通过光诱导引发二茂铁进行氧化还原，从而实现开关控制。g u l d i 等人将二茂铁 与c 6 0 组装成d ( 电子受体) 1 c ( 共轭桥) a ( 电子给体) 分子，在光诱 导下，电子从二茂铁经共轭体系传递到c 【1 6 1 。 近年来，二茂铁甲酸被广泛用于修饰多种氧化还原酶，特别是葡萄糖氧化酶 ( g o d ) ，二茂铁甲酸与g o d 生成f c - g o d ( f c h 表示二茂铁) ，己用于制作安 培葡萄糖生物传感器。二茂铁乙酸以共价键连到葡萄糖酶上，对葡萄糖有很好的 反应活性，且酶电极的储存稳定性好，二茂铁衍生物作为电子转移中间体，在酶 和电极间架起桥梁，能提高g o d 的活性【1 ”。 ( 3 ) 电催化和电分析 二茂铁具有良好的电子效应和独特的刚性骨架，是手性催化剂的理想原料。 硕士学位论文 第一章文献综述 当二茂铁的茂环上连有含s i 、s 、n 等杂原子的取代基时，它们能够与r u 、r h 、 p d 、p t 、a u 、n i 和c o 等过渡金属离子形成具有催化活性的化合物。f c o o h 对 多巴胺( d a ) 有良好的电催化作用，测得催化反应表现速率常数k - - 7 7 1 0 6 c m 3 ( m 0 1 s ) ，催化峰电流与d a 的浓度成良好的线性关系，峰间距下降，电极可逆 性改善，提供了电催化分析d a 的可能性。 基因工程日益受到重视，核酸的结构分析和测试是基因工程中首要解决的问 题之一，传统的标记d n a 的方法存在一些弊端，于是有人用d n a 电化学传感 器对d n a 分子进行识别与测定。方禹之等人采用电化学研究了二茂铁标记d n a 探针的性质，实验表明，二茂铁标记d n a 探针在石墨电极上有良好的电化学响 应，且该探针制备方法快速、简便、标记的效率高、重现好、寿命长，为将来二 茂铁标记d n a 电化学探针应用于特定序列d n a 片段的识别、检测和d n a 的损 伤与保护的研究奠定了坚实的基础【1 8 】。 ( 4 ) 分子识别 某些二茂铁衍生物具有分子识别性也是二茂铁电化学特性的一个重要方面 ”蛇“，在生物传感器方面有广泛的应用。比如采用p - c d p 与1 1 二甲基二茂铁 形成稳定的主客体包络物，能很好地完成对电子媒介体的固定，同时，又利于酶 的固定，使电子媒介体与氧化还原中心能有效地接触，提高了电子传递速率，使 得生物传感器具有良好的响应性能和稳定性能。二茂铁可标记d n a 和蛋白质 1 2 2 - 2 5 作为电化学探针，应用于特定序列d n a 片断的识别、检测和d n a 的损伤 与保护的研究。t h e i i a s 等人制备了z n c r 和z n - a i 双层氢氧化物的二茂铁巯基和 硝基衍生物修饰电极，研究氧化过程中阴离子的作用和电极修饰层的电化学性能 1 冽。另外，穴醚能与非铁金属离子形成主客体( h o s t - g u e s t ) 配合物，两者 间可能存在相互作用，这种作用使穴醚成为潜在的分子传感器。把还原性的铁原 子引入冠醚和穴醚形成新的大环醚，可以高选择性地与某种金属离子配位，这种 结构的特殊性使得它们可能成为离子选择性的光电探测器，在电极、催化方面具 有潜在的应用前景。 综上所述，二茂铁及其衍生物的电化学研究引起了越来越多科学家的兴趣， 是一个很有意义并有待深入研究和开发的课题，比如：( a ) 合成具有不同结构特 点的二茂铁衍生物，研究其结构和电化学性能间的关系；( b ) 自组装具有氧化还 原活性的二茂铁衍生物，开发其在分子器件方面的潜在应用；( c ) 以二茂铁衍生 物作为供电子体，别的取代基作为电子受体，研究两者在共轭体系中的电子传递； ( d ) 通过二茂铁衍生物修饰电极研究修饰层在电催化和电分析中的应用。 除此以外，二茂铁及其衍生物在医药方面 2 q1 2 2 圆、催化及分析化学上 2 9 1 【3 0 】、助燃荆3 “、稳定剂等方面都有广泛应用。 硕士学位论文第一章文献综述 1 i 3 二茂铁氨基酸衍生物及其配合物 近十年来，有机茂环金属化学作为一个崭新的研究领域已引起众多化学家 的浓厚兴趣，2 0 0 1 年，j o u r n a lo fo r g a n o m c t a u i cc h e m i s t r y 出版专刊以纪念二茂 铁发现五十周年( s p e c i a li s s u ef o r5 0 t ha n n i v e r s a r yo ft h ed i s c o v e r yo ft h e c o m p o u n df e r r o c e n e ) 。其中，二茂铁氨基酸是二茂铁衍生物中研究比较热的一个 方面，一方面是由于二茂铁具有电活性，另一方面是由于氨基酸是含有氨基和羧 基的双官能团化合物，它们既具有羧酸的性质，又具有胺类的性质，同时还具有 这两种官能团相互影响而赋予它们的某些特性川，因此使二茂铁氨基酸具有特殊 的性质。 氨基酸、蛋白质是组成生物体的基本单元，是生命的物质基础，是参与体内 各种生物化学变化最重要的组分。由于氨基酸含有氨基和羧基，其中的n 和o 易与金属离子配位，因此具备双齿配体结构。含有n ，o 双齿有机配体结构的化 合物与金属离子的配位研究是近年来热点领域，所以氨基酸与二茂铁缩合得到的 衍生物及其配合物的研究将具有重要的意义【3 3 弓5 】。 在生物化学领域，一些二茂铁的氨基酸衍生物与金属离子形成的配合物具有 一定生物活性和抗菌活性 3 6 1 ，可以作为有效的抑酶剂【3 刀和除草剂等。c a n o 3 8 1 等 合成了2 甲胺二茂铁基5 苯甲酸和2 - 二甲基二茂铁铵5 苯甲酸并对c u 2 + 、n i 2 + 等重金属离子与之形成的配合物进行了讨论；k i d a 等【3 9 】研究了1 ，1 四甲基偶膦 二茂铁同金属离子配位在对称催化方面的性质；y o u 等【舶】对en 配体修饰的二 茂铁在钯催化的不对称烯丙基取代反应中的性质做了报道。 由于二茂铁及其衍生物本身的特点，如疏水性、生物可氧化性、芳香性、稳 定性、低毒性、生物活性等，可以预料，二茂铁衍生物及配合物在生物科学、染 料、医药、分子电子学等领域巨大的潜在作用必将日益受到人们的重视。对于二 茂铁及其衍生物的合成、表征以及性质方面的研究工作，大大丰富了配位化学理 论，极大的推动了化学键和结构化学理论的发展，也进一步扩大了金属有机化学 的研究视野。 1 2 自组装膜 自组装是指由自然界所激发的在自然界中的实体，简单得犹如雨滴，或者复 杂得犹如根据自然界的原理产生的活细胞，或者在它们的组件中的固有指令。在 自组装过程中无需人的介入和干预，它是原子、分子、分子的聚合体与组件自动 组合形成排列有序的功能性实体的过程h ”。人们在自组装现象基础上发展起来 了自组装膜( s e l f - a s s e m b l e d m o n o l a y e r s ，s a m s ) 技术，它有助于我们从本质上 硕士学位论文第章文献综述 研究自然界中自组装现象的机理，考察结构和功能的关系，加深对诸多界面现象 的认识。近十年来，自组装技术是世界研究的热门课题，它已成为制备二维有序 膜体系的基本方法。另外，通过对成膜分子的设计，可以达到人为控制表面状态 及其功能的目的。自组装膜是超分子化学的一个重要的新生分支，已成为凝聚态 物理、材料科学、合成化学、结构化学、微电子学、生物膜等研究领域的交叉性 前沿课题，是近代化学发展的一个更高层次，目前对它的研究正方兴未艾 4 2 , 4 3 。 自组装膜是分子通过化学键相互作用自发吸附在固液或气固界面而形成的 热力学稳定和能量最低的有序膜 4 4 1 。在吸附分子存在情况下，局部已形成的无 序单分子膜可以自我再生成更完善的有序体系。自组装膜主要包括三种不同性质 的相互作用，例如长链有机分子的头基与基底的化学键合作用、成膜分子的链间 范德华力相互作用以及长链内特殊官能团之间的相互作用，它们推动了自组装过 程，也促进了自组装膜分子在电极表面上由无序到有序的重组过程。 1 2 1 自组装膜的特点 ( 1 ) 简便易得 当金或其他金属暴露在硫醇分子的溶液或气氛中，自组装膜便可以自发地形 成，它不要求绝氧、无水或真空等特殊环境，也不需要特殊仪器。在金属上沉淀 形成单分子膜的第一个过程只需几秒到几分钟的时间。 ( 2 ) 要求简单 尽管无有机物的洁净金属是自组装膜的理想的成膜表面，但硫对金属基底的 强亲和力可以取代很多弱吸附的杂质。金属表面的曲率或可及性也不是影响自组 装效率和性质的主要因素，它的尺寸和形状可以从宏观到亚微观、从光滑至多孔 的范围内变化。 ( 3 ) 取向有序 自组装膜是原位白发形成的，它的热力学稳定和能量最低。自组装单分子层 有较高的有序性和取向性，高的密度堆积和低的缺陷浓度等优点。 ( 4 ) 稳定可靠 源于硫原子对金属的亲和力及所成键的强度，自组装膜可以在真空中长时间 暴露而不损坏，几乎可以被所有化学的或物理的表征方法进行结构和性质分析。 ( 5 ) 性质多样 无论在组装分子的有机合成方面，还是自组装过程都有很大的灵活性和方便 性。选择和修饰组装分子中的官能团的范围很广，它不会破坏自组装过程，也不 会使自组装膜不稳定。 ( 6 ) 预期结构 通过自组装膜技术的应用，可以达到人为设计分子结构和表面结构来获得制 硕士学位论文第一章文献综述 备预期物理性质和化学性质的界面的目的。如果自组装膜在组成上一致并且是密 堆积，那么有单一的官能团暴露在外表面h 5 1 。 1 2 2 硫醇自组装膜 硫醇类自组装膜是最有代表性和研究最多的自组装膜体系。硫醇自组装膜主 要包括三部分：分子头基、烷基链和取代端基( 如图1 - 2 ) 。设计成膜分子的头基 和尾基，可以非常大的自由度来控制自组装膜体系所涉及的主要相互作用：成膜 分子与基底、成膜分子之间、特殊官能团之间、成膜分子与溶剂之间的相互作用 等等。对这些相互作用的认识可以加深对与其密切相关的结构、润湿性、粘接、 润滑以及特殊电化学性质、光化学性质等方面的认识和了解，推动自组装技术在 生物传感器 4 6 1 、分子、电子学器件d 7 1 的深入研究和发展。 惹一 返瑙 m o r e t h e n1 8 h 图1 - 2 自组装过程和自组装膜的结构 f i g 1 - 2 t h ep m c e 鲻o f s e l f - a s s e m b l ea n dt h es t r u c t u r eo f s a m s 特殊活性基 烷基长链 分子头基 硫醇分子的巯基与基底的结合是一个放热反应。金硫键的键合强度一般被 推测为1 7 0j t o o l 。用电化学方法求得上述过程的反应热为2 3j r f l o l 4 引，与理论 预测值比较接近( 2 0 j t o o l ，其中，r s h ，h h ，r s a u 的键能分别取为3 6 0 、 4 3 5 和1 7 0j t 0 0 1 ) 。这样可以把部分已经吸附的分子堆在一起，形成紧密堆积的 有序组装。金硫键的性质仍是一个值得讨论的课题。目前常用的有机硫化合物 多为烷基硫醇和二烷基二硫化物，它们在金表面形成自组装膜的机理是完全相似 的，都极有可能形成了金的一价硫醇盐嗍。 对硫醇分子进行设计，合成末端带有功能基团的硫醇分子，在表面设计领 域具有重要的意义。一方面在烷基链末端可导入官能团，另一方面是将特殊活性 基团引入自组装膜中进行考察，比如含电活性官能团的自组装膜己被广泛用于电 子传递的动力学研究 4 5 1 。 1 2 3 硫醇自组装膜的制备 自组装膜修饰电极的制备以自组装为基础，一般通过化学吸附和化学嫁接两 硕士学位论文 第章文献综述 种方式。( 1 ) 化学吸附：首先合成含巯基的超分子化合物，再通过巯基与a u 相 互间发生的连续不可逆化学吸附，自然形成高度有序、紧密排列的分子组装膜； ( 2 ) 化学嫁接：将含有巯基的小分子先自组装得到s a m s ，再在s a m s 表面与 其它物质通过共价键力的作用直接构造分子膜表面。前一种方法比较麻烦，后一 种方法无须分离提纯，相对来说比较简单，特别适合于固定d n a 、酶、蛋白质 等生物大分子。通过在单晶硅、载玻片或云母的基片上真空蒸镀金或打磨金丝制 各基底，或直接以金电极为基底，用p i r a n h a 溶液( 浓1 - 1 2 s 0 4 与3 0 h 2 0 2 以1 ： 3 的混合液) 或铬酸洗液在一定温度处理一定时间，依次用二次水、乙醇或乙腈 洗涤，干燥后，置于硫醇溶液中自组装【5 0 l 。 自组装膜修饰电极的制备受许多因素影响，如底液p h 值、组装液浓度、选 用的溶剂、组装时间、分子结构等。对于硫醇类自组装的研究表明：硫醇、硫化 物或二硫化物可直接用其溶液( 通常无极性的用乙醇，极性的用水溶解) 进行组 装；烷基硫醇的吸附时间与链长无关，但是浓度高可缩短吸附时间【5 l 】；长链硫 醇易于形成高度有序的单分子层，而短链易于提高电子的转移速率【5 2 】。 1 2 4 自组装膜在生物电化学和生物传感器中的应用 自组装膜易于制备和控制，分子膜高度有序、稳定均一，尤其是长链带活性 基团的硫醇分子与短链硫醇分子的混合自组装膜可克服活性基团与生物分子结 合的空间障碍，使其在生物传感器中获得了广泛的应用。在s a m s 膜表面的分子 上嵌入多种基团，控制一定的化学反应可以构造各种特殊结构的表面。固定具有 生物活性的分子( 如酶或抗体等) 可制备生物传感器，如：将葡萄糖氧化酶固定 到s a m s 中制备葡萄糖传感裂5 3 】。将d n a 固定在s a m s 膜中用于d n a 含量的 测定【5 4 1 。 根据识别机理，自组装生物传感器可分成不同的类型，有电化学传感器、光 化学传感器( 如s p r ) 、热传感器和质量传感器( 如q c m ) ，它们是根据分析所 用的累积信号的类型来划分的。 1 2 5 自组装膜在分子识别中的应用 分子识别，即给体与受体分子之间存在特殊的选择性相互作用【5 5 ，5 6 1 。关于 自组装膜的分子识别研究主要可以分为以下几类：( 1 ) 分子大小的识别，即通过 有效地控制自组装膜中缺陷的大小、数目、分布和化学性质，选择性地偶合相似 孔径大小和结构的受体；( 2 ) 静电相互作用【5 6 】；( 3 ) 离子键和氢键的识别；( 4 ) 金属离子的络合识别铷；( 5 ) 生物识别瞪9 , 6 0 l 。 另外，自组装膜在电催化【6 “、微电极【6 2 】及金属防腐6 3 1 方面都有重要的应用。 硕士学位论文 第一章文献综述 1 3 谷胱甘肽 谷胱甘肽( g l u t a t h i o n e ，g s h ) 是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸通过肽键形 成的三肽化合物( 如图1 - 3 ) ，其中谷氨酸是以卜羧基与半胱氨酸形成肽键。1 9 2 1 年h o p k i n s 首次发现了谷胱甘肽嘲，1 9 3 0 年谷胱甘肽的化学结构得以确证，分子 量为3 0 7 3 3 ，熔点1 8 9 1 9 0 0 。它分为还原型( g s h ) 和氧化型( g s s g ) 两类。 o h 2 n h 冒 n p 措o 洲 图1 - 3 谷胱甘肤的分子结构 f i g 1 3t h es m m t u r eo f g l u t a t h i o n o 谷胱甘肽在自然界中主要存在于酵母、动物肝脏、肌肉、血液和植物中，是细胞 内最丰富的分子巯基醇类化合物嘟】。人红细胞中谷胱甘肽含量甚多，而且几乎 全部是还原型。许多植物，如：蔬菜、豆类、谷物、薯类等也含有谷胱甘肽。 近年来，随着对g s h 的生理、生化等方面科学研究的深入，g s h 在医学、 食品、保健、防衰老等方面的作用正引起人们日益广泛的关注 6 6 , 6 7 。 1 3 1 谷胱甘肽的生理功能 g s h 的重要生物学功能与它的分子结构有密切关系。它含有多个活性位点： 一个巯基、两个羧基、一个氨基、两个酰胺键。它特殊的分子结构使它具有特殊 的生理功能。 ( 1 ) 维持细胞的正常氧化还原态 两分子含有巯基的还原型谷胱甘肽参与中和氧自