（物理化学专业论文）胶束与金属胶束模拟水解酶催化羧酸酯水解的研究.pdf

臧蓉蓉 四川大学硕士学位论文 胶束与金属胶束模拟水解酶催化羧酸j 骆( p n p p ) 水解 的研究 专业：物理化学 硕士研究生：臧蓉蓉指导教师：孟祥光副教授 摘要 水解金属酶的化学模拟是当前化学与仿生学研究的前沿之一。用胶柬尤其 是金属胶束模拟水解酶的研究已成为近年来十分活跃的研究领域。本论文围绕 胶束、金属配合物及其金属胶束催化对硝基苯基吡啶甲酸酯( p n p p ) 水解反应 的动力学等进行了较深入系统的研究。研究结果对了解酶的催化作用的机理以 及设计商效的人工酶模型提供了一定的理论依据和有用的信息。 为研究配合物立体构型对酯水解过程的影响，本论文以开环的二氧环胺二 价过渡金属n i ( i i ) 配合物作为羧酸酯水解酶的模拟酶模型，研究其与不同表面活 性剂形成的金属胶束催化p n p p 水解的动力学，探讨金属配合物空间结构以及 表面活性剂胶束对反应的影响。动力学结果表明，配合物几何构型对p n p p 水 解有较大的影响，配体空间位阻越小越有利于p n p p 的水解；配合物在阳离子表 面活性剂形成的胶束溶液中对p n p p 水解催化作用不如在两性离子表面活性剂 l s s 和非离予表面活性剂b 墒3 5 胶束溶液中对p n p p 水解的催化作用，这可能 是由于底物和c t a b 的阳离子极性头之间产生静电吸弓 作用造成的。 为探索不同金属离子在酯水解过程中的作用，本论文合成了两种s c h i f f 碱 类的的铜( i i ) 和镍( i i ) 配合物，并系统研究了两种配合物与阳离子表面活性剂 c t a b 形成的金属胶束催化羧酸酯p n p p 的催化水解动力学和机理。实验结果表 臧蓉蓉 四川大学硕士学位论文 明铜( i i ) 配合物是催化羧酸酯水解的较好的催化剂，配合物在c t a b 胶柬中的 高催化活性可能源自于催化过程中底物与配合物的适度配位能力以及胶束与反 应物之间强静电相互作用。金属离子的性质对羧酸酯水解过程的影响是全方位 的。在人工水解金属酶的设计中，金属离子种类的选择尤为重要。 为探讨双子表面活性剂形成的胶束对化学反应的影响，本论文合成了季铵 类和双子阳离予表面活性n 0 2 2 - 1 2 ，2 b r ) ，与双子阳离子表面活性剂( 1 6 - 2 1 6 ， 2 b f l 形成的胶束作对比，研究了对羧酸酯p n p p 催化水解的影响，考察了不同 疏水链的双子胶束对反应的影响。研究结果表明，双子表面活性剂胶束疏水链 越长越有利于羧酸酯的水解反应，为以后选择模拟酶的微环境提供了一些有价 值的信息。 关键词：表面活性剂；胶束；金属配合物；金属胶柬；酯水解；p n p p ；双予 表面活性剂；催化：反应动力学 i i 臧蓉蓉 四j j 大学硬士学位论支 s t u d i e so i lt h eh y d r o l y s i so fc a r b o x y l i ca c i de s t e r ( p n p p ) c a t a l y z e db ym i c e l l ea n dm e t a l l o m i c e l l e s p e c i a l t y ：p h y s i c a lc h e m i s t r y p o s t g r a d u a t e ：z a n gr o n g r o n gs u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f m e n g x i a n g g u a n g a b s t r a c t t h ec h e m i c a lf u n c t i o n a lm i m i c r yo f h y d r o l y t i cm e t a l l o e n z y m ei so n eo ff r o n t i e r r e s e a r c hf i e l d si nc h e m i s t r ya n db i o n i c s r e e e u t l y ，m i e e l l e ，m e t a lc o m p l e x ，e s p e c i a l l y m e t a l l o m i c e l l em a d eo fm e t a lc o m p l e xa n dm i c e u ea sm o d e ls y s t e m sf o ra r t i f i c i a l h y d r o l y t i ce n z y m ea r et h ev e r ya c t i v er e s e a r c hf i e l d s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h e f o l l o w i n ga s p e c t ：t h eh y d r o l y s i so fp - n i t r o p h e n y lp i c o l i n a t e ( p n p p ) c a t a l y z e db y m e t a lc o m p l e xa n dm e t a l l o m i c e l l e t h er e s u l t so b t a i n e dm a yp r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i sa n ds i g n i f i c a t i v ei n f o r m a t i o nf o rf i n d i n go u tt h eh y d r o l y t i cm e c h a n i s mo f e n z y m e sa n df o rd e s i g n i n gh i g h l ye f f i c i e n ta r t i f i c i a le n z y m em o d e ls y s t e m s f o rt h ep u r p o s eo fs t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo ft h eg e o m e t r yo fm e t a li o n c o o r d i n a t i o no nt h eh y d r o l y s i so ft h ec a r b o x y l i ce s t e r , t h eh y d r o l y s i so fp n p p c a t a l y z e db ym e t a l l o m i e e l l e sm a d eo fn i ( i i ) c o m p l e x e so fh i s ( d i o x o c y e l a m ) a n d t h r e ek i n d so f s u r f a c t a n t s ( c t a b ，b r i j 3 5a n dl s s ) h a v eb e e ni n v e s t i g a t e dk i n e t i e a l l y , r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a t 、t h eo p e nr i n gn i ( h ) c o m p l e xe x h i b i t e da g r e a t e rc a t a l y t i ca c t i v i t yi nl s sm _ i e e l l a rs o l u t i o n st h a nt h a ti nc t a ba n db r i j 3 5 m i c e l l a rs o l u t i o n s ，w h i c hm a yb ed u et ot h ed i f f e r e n t c o o r d i n a t i n ga b i l i t yo f s u b s t r a t e st o c o m p l e x e sa n dt h e e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nm i c e l l ea n d c o m p l e x e so rs u b s t r a t e s m o r e o v e r , i ti sw o r t hn o t i n gt h a tt h ec a t a l y t i ca c t i v i t yi nt h e n i ( i i ) c o m p l e xo nt h eh y d r o l y s i so fp n p pa l s od e p e n d so nt h es p a c eh i n d r a n c eo f i i i 盛蓉蓉 四川大学硕士学位论文 c o m p l e x s m a l ls p a c eh i n d r a n c eo fc o m p l e xi sf a v o r a b l ef o rt h ec a t a l y t i ch y d r o l y s i s o f t h es u b s t r a t e i no r d e rt oe l u c i d a t et h ee f f e c t so fd i f f e r e n tm e t a li o n so nh y d r o l y s i so fe s t e r s ， t w os c h i f f b a s ec u ( i i ) a n dn i ( i i ) c o m p l e x e sw e r es y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d t h e h y d r o l y s i so fp n p pc a t a l y z e db yt h e s et w oc o m p l e x e sw a si n v e s t i g a t e di nc t a b m i c e l l a rs y s t e m s t h er e s u l t so b t a i n e di n d i c a t et h a tc u i i ) c o m p l e xw i mo p e nr i n g l i g a n de x h i b i t e dh i g h l yc a t a l y t i ca c t i v i t yo nt h eh y d r o l y s i so fp n p p w h i c hm a yb e d u et ot h ed i f f e r e n tc o o r d i n a t i n ga b i l i t yo ft h es u b s t r a t e st oc o m p l e x e sa n dt h e e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nm i c e l l ea n dc o m p l e x e so rs u b s t r a t e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs u r f a e t a n tc h e m i s t r y , r e s e a r c h e r sh a v ep a i dm u c hm o r e a t t e n t i o nt og e m i n is u r f a c t a n to w i n gt oi t su n i q u ep r o p e r t i e s t h eh y d r o l y s i so f p n p pm e d i a t e d b yd i m e t h y l e n e 一1 2 - b i s ( d o d e c y l t r i m e t h y l a m m o n i u m b r o m i d e ) ( 1 2 - 2 1 2 ，2 b r 3 ， c o m p a r e d w i t h c a t i o n i cg e m i n i d i m e t h y l e n e - 1 ，2 - b i s ( c e t y l t r i m e t h y l a m m o n i u mb r o m i d e ) ( 1 6 - 2 1 6 ，2 b n w e r e i n v e s t i g a t e dk i n e t i c a i l y i tw a sn o t e w o r t h yt h a tl o n gh y d r o p h o b i cc h a i ng e m i n i s u r f a c t a n tm i e e l l a rs y s t e me n h a n c e dt h eh y d r o l y s i so fc a r b o x y l i ca c i de s t e r sm o r e n o t a b l yt h a nl h es h o r to n ed i d ，w h i c hp r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o nt ou n d e r s t a n dt h e e f f e c to f m i c r o e n v i r o n m e n to f m i m i c k i n ge s t e r a s e k e y w o r d s ：s u r f a c t a n t ；m i c e u e ；m e t a lc o m p l e x ；m e t a l l o m i c e l l e ；h y d r o l y s i so f e s t e r s ；n 师p ：g e m i n is u r f a c t a n t ；c a t a l y s i s ；r e a c t i o nk i n e t i c s 第一章睹论 第一章绪论 酶是生物体内存在的一类具有催化功能的特殊蛋白质，具有蛋白质的一切 物理、化学性质如两性、变形、变构及相对分子量高等。酶作为生化反应的催 化剂，以其反应条件温和、催化效率高和高度的专一性而倍受人们的关注川。 在自然界众多的天然酶中，根据其催化反应的类型，通常分为六类，即水解酶 ( h y d r o l a s e s ) 、氧化还原酶( o x i d o r e d u c t a s e s ) 、裂解酶( 1 y a s e s ) 、转移酶( t r a n s f e r a s e s ) 、 异构酶( i s o n l e r a s e s ) 和连接酶( 1 i g a s e s ) 。酶需要有辅助因子才表现出高催化活性， 金属离子是其中的一类辅助因子。以金属离子为辅助因子的酶，即金属酶，已 受到研究人员的广泛关注。在天然金属酶中，水解金属酶是一大类，如羧肽酶、 碱性磷酸酯酶、d f p a s e 、对氧磷酶、对硫磷酶等，这些酶对人类的许多生理过 程( 如：蛋白质、肽、d n a 、磷酸酯裂解) 起着重要作用，研究其模拟酶对深 入认识天然酶催化机制与设计新的高效催化剂具有重要意义。 天然酶的催化作用是一个值得深入和广泛研究的、具有重要理论意义和应 用价值的领域。天然酶的催化作用机理和最适催化条件的探索是研究的主要内 容之一。但是由于天然酶结构的复杂性、不稳定性和价格昂贵等因素，使这方 面的研究受到一定的限制【2 l 。而酶的高催化活性以及酶在工业上应用带来的巨 大经济效益，促使人们开展价格低廉、性能良好的酶的模拟模型研究。配合物 模拟水解酶是近年来模拟领域中迅速发展的一个研究方向，具有重要的理论意 义与应用价值。借助化学理论和实验手段，设计合成合理的水解金属酶模拟模型 并对其进行研究，不仅有助于深化对天然酶作用机制的认识，而且对基因工程、 功能材料的设计以及化学武器防护和环境保护等具有十分重要的意义。因此，开 发具有与酶功能相似的人工酶，是长期以来最富挑战性的研究课题之一。 自从b r e s l o w t 3 1 首先用配合物模拟水解酶以来，配合物模拟水解酶已取得一 定进展，并一直是模拟酶领域的热点研究方向【4 】。模拟研究的重点从早期的侧 重对水解金属酶催化中心的模拟转移到对水解金属酶催化中心和结合中心的综 合模拟【5 1 。相继出现了金属配合物 6 1 ，杯芳烃配合物册，复杂的环糊精嘲，改性 聚乙撑亚胺配合物1 9 1 ，含金属配合物辅基的催化抗体【1 0 】，金属胶柬叫等模拟模 型。由于由两亲表面活性剂分子自动缔合形成的胶束囊泡与细胞膜以及胶束催 1 臧蓉蓉日川大学硕士学位论文 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 等的水解方面已取得了令人瞩目的成果。 本章拟就近年来，利用胶束、金属配合物及金属胶束模拟水解金属酶催化 羧酸酯、磷酸酯水解的研究进展作简要总结和讨论。 1 、胶束 1 1 胶束的结构和性质 表面活性剂是在加入很少量时即能大大降低溶剂的表面张力的一大类有机 化合物。表面活性剂分子在溶液中和界面上可以自行结合形成分子有序组合体， 从而在某些过程如润湿、铺展、起泡、乳化、加溶、分散、洗涤中发挥重要作 用。表面活性剂有序组合体是一种超分子结构，且有至少一维的纳米尺度，属 于介于宏观与微观之间的介观世界。随着现代科学技术的发展，介观尺度物质 的神奇特性逐渐被人们认识，并激起极大的科学热情。近期，表面活性荆在生 命科学、能源科学、信息材料以及许多现代高新技术发展中发挥了重要作用， 成为物理、化学、生物三大学科和许多技术部门共同关心的领域“”。 丌h bc d 图1 不同表面活性剂分子结构 表面活性剂分子由两部分组成。一部分是由亲油的非极性基团，即疏水基 或亲油基；另一部分是亲水的极性基团，即亲水基。经典的表面活性剂分子含 有一个亲水基和一个疏水基( a ) ，人们对此类表面活性剂已有较多的研究【1 3 l ；也 有的表面活性剂含有一个亲水基、两个疏水基( b ) ，这类表面活性剂在形成囊泡 2 第一章绪论 等聚集体方面有其特殊的性质【1 4 j 。最近，对于两类新型的表面活性剂- - b o l a 型 表面活性剂( c ) 与g e m i n i 表面活性荆( d ) 的研究活跃起来，成为表面活性剂研究 的新方向。对于图1 中的e 是介于g e m i n i 和b o l a 型之间的分子，一般没有准 确的分界。 新型g e m i n i 表面活性剂是由两个普通的单链单头基表面活性剂在离子头基 处由联接基团通过化学键联接而成的。g e m i n i 型表面活性剂因其特殊的结构而 具有一些特殊的性质n 5 1 ，因而，g e m i n i 表面活性剂正逐渐成为国际胶体科学与 相关领域的研究热点。 1 9 7 1 年，b u n t o n 等首次合成了一类阳离子型g e m i n i 表面活性剂【l “。1 9 9 1 年，m e n g e r 等第一次提出了g e m i n i 表面活性剂的概念 1 7 】，对此新型表面活性 剂研究的热潮由此展开。 随着对g e m i n i 研究的不断深化，由最初的简单的季铵盐类g e m i n i 起，各 种类型的g e m i n i 分子不断出现。1 9 9 0 年，z h u 等合成了磷酸盐类g e m i n i 表面 活性荆“盯，这是最早见于报道的阴离子g e m i n i 。1 9 9 7 年，p o s t m a n 等合成了糖 基类非离子g e m i n i 1 9 1 。2 0 0 1 年，m o n g e r 等第一次合成了两性g e m i n i 。他们合 成的分子一个极性头为季铵盐，另一个极性头为磷酸根1 2 0 1 。 乍地f 瑰 li c 。琏，1 ( c 避) 厂y 一( c 随) ，_ w + 一c 。1 礓一1 2 b r li c 碣c 地 图2季铵盐类g e m i n i 2 a ：m = 啦，y = c h 2 ，工+ ，+ 1 = j ( m 2 s 2 m ) ；2 b ：肼c m7 ，y = c h 2 ，z + ，+ l = j ( m 2 s 2 m7 ) ； 2 c ：m = m ，y = ( o c h 2 c h 2 ) z ，z = 2 ，y = 0 ；2 d ：m = 删，y = c h 2 ，o ，s , n ( c h 3 ) ，z ；y = 2 2 e ：坍= 卅，y = c 羞c ，工= y = l ；2 f ：聃= m ，y - 0 ，x 鼍尹= 1 ，疏水链有酶键， 以c l 为反离子； 2 9 ：口= m ，y = 苯乙烯基，x = y = 1 。 迄今为止，研究最多、最深入的是季铵盐型阳离子g e m i n i ( 2 a - 2 9 ) 。2 a 类 g e m i n i 一般简写为m 2 s 2 m ，m 为每个疏水链炭原子数，s 为联接基团碳原子个 数。如两条疏本链不等长，则是2 b 分子，简写为m 2 s 2 m ，m 、m7 分别为两个疏 3 盛蓉蓉四川大学硕士学位论文 水链碳原子个数，s 为联接基团碳原子个数。 双子表面活性剂的结构具有以下特征：( 1 ) 所有的双子表面活性齐日至少有 两个疏水链和两个离子( 或极性) 头基；( 2 ) 联结基团的性质各异，可以是剐 性( 1 ，2 二苯乙烯) ，也可以是柔性( 亚甲基链) ，可以是极性的( 聚醚) ，也 可以是非极性的( 脂肪族、芳香族) ：( 3 ) 极性头基有带正电的，带负电的或不 带电性的】；( 4 ) 大多数双子表面活性剂是“对称的”，即其两个极性头基和两 个烷基链分别相同，但已合成出不少非对称的双子表面活性剂【2 2 】；( 5 ) 已合成 出三个( 或更多) 极性头基或烷基链的双子表面活性剂1 2 “。 有关双予表面活性剂胶束聚集数的部分研究结论如下 2 4 1 ：( 1 ) 对于1 2 - s _ 1 2 、 1 0 s - 1 0 和1 6 一s 1 6 型的双子表面活性剂，胶柬聚集数随s 减小而增加：( 2 ) 亲水 联结基团链增长，胶束聚集数减小；( 3 ) 联结基团的构型，如邻位、间位或对 位取代基团，会影响胶束聚集数；( 4 ) 与普通表面活性剂相似，1 2 s _ 1 2 型双子 表面活性剂的反离子溴被氯取代后，聚集数明显减小。同时，对于浓度低于c m c 的g e m i n i 的性质，z a n a 做出了3 点总结：( 1 ) g e m i n i 可以完全离解成一个 g e m i n i 的离子和两个反离子，也可以部分解离。解离平衡服从质量作用定律， 并与g e m i n i 浓度有关；( 2 ) 因联接基团不同，g e m i n i 的两条疏水链可以相互作 用，也可以不相互作用；( 3 ) 预胶柬之类的聚集体可能存在，但其尺寸和聚集 数都较小。 与普通表面活性剂相比，影响双子表面活性剂c m c 值的因素有【2 5 j ：( 1 ) 与 相等疏水链长度的普通表面活性剂相比，双子表面活性剂有相当低的c m c 值； ( 2 ) 体系中离子强度增加，一般使g e m i n i 的c m c 降低；( 3 ) 短联结基团( 2 8 个原子) 的极性对c m c 值影响不大；( 4 ) 与联结基团为3 8 个亚甲基的双子 表面活性剂相比较，联结基团为1 6 个亚甲基的c m c 值比短联结基团的小了约 l o 倍。显然，联结基团越长，双子表面活性剂整体疏水性增强，单体溶解度减 小，自聚能力增强；( 5 ) 相对于普通表面活性剂，双子表面活性剂的c i t i c 受疏 水链( 非联结基团) 长度影响要更大些；( 6 ) 阴离子表面活性剂的c m c 值比相 应的阳离子表面活性荆的c m c 值稍低。 胶束的形状，不仅与表面活性剂的结构有关，还与溶液，如浓度、温度和 离子强度等条件相关。若双子表面活性剂每个头基有两条疏水链( 如磷脂) ，其 4 第一章 培论 头基和链的直径大致相等，则生成双层结构。除球形胶束外，也有扁盘状的和 杆状的胶束形成1 2 6 1 。不管其联结基团是疏水的还是亲水的，离子型和非离子型 的双子表面活性剂的理论模型可用m o n t ec a r l o 2 7 模拟来说明：( 1 ) 短疏水联结 基团的双子表面活性剂大体上形成非球状的胶束( 线型( t h r e a d s ) ) ，而长联结 基团的双于表面活性剂易形成杆状胶束；( 2 ) 亲水联结基团的胶束一般是球状 的；( 3 ) 双子表面活性刹的疏水联结基团刚性增加，其c r l l c 值也增加；而刚性 的亲水联结基团使双予表面活性剂c m e 值降低。 1 2 胶柬的功能 1 2 1 胶束的增溶作用 胶束影响反应的很重要的一个效应是胶束对底物的增溶作用。水溶液中表 面活性剂存在能使不溶或微溶于水的有机化合物的溶解度增加，此即表面活性 剂的增溶作用，这引起了许多化学家的必趣。有关增溶作用方面的性质如下：( 1 ) 胶束中增溶物的增溶位置取决于增溶物的结构。饱和碳氢化合物一般增溶于胶 束的内核。对于较易极化的碳氢化合物，如短链芳香烃类( 苯、乙苯等) ，开始 吸附在胶束与水的界面处，增溶物增多后则可能插入胶束的“栅栏层”，甚至进 入胶束内核。某些小的极性分子，如苯二甲酸二甲酯吸附在胶束表面区域或是 “栅栏层”的靠近胶柬表面的区域。较长链的小分子，如长链醇、胺等，则增 溶于胶束“栅栏”层，非极性碳氢链插入胶束内部【2 8 l ，而极性头基则位于表面 活性剂极性头基之间，并通过氢键或偶极子相互作用；( 2 ) 一般胶束的增溶能 力随表面活性剂链长的增加而增强；( 3 ) 表面活性剂碳氢链支链的存在使体系 的增溶能力减弱；( 4 ) 对于同样链长的带不同电荷类型的胶柬其增溶能力遵 循下列顺序：非离子型 阳离子型 阴离子型 2 9 1 ；( 5 ) 有实验表明表面活性剂的 第二离子头基的存在使其形成的胶束对正辛醇的增溶能力增强，而对正辛烷的 增溶能力减弱p o j 。 有关文献报道对于阳离子双子表面活性剂的水溶液增溶实验表明【3 i j ：双子 表面活性剂胶束对碳氢化合物的增溶能力明显高于普通表面活性剂胶束。究其 原因可能是由于离子偶极的相互作用瞰】。双子表面活性剂增溶能力的提高可能 与其聚集体的管状形状有关。双子表面活性剂的增溶能力预示着它将有广阔的 应用前景，如分析分离、杀菌等。 5 臧蓉蓉 日川大学硕士学位论文 1 2 2 胶束的催化作用 胶束的存在使介质的性质发生很大变化，也必然会影响介质中发生的化学 反应。近年来，应用表面活性剂胶束以影响、调节进而控制化学反应过程，特 别是胶柬对有机反应的催化作用，引起了人们强烈的兴趣。 在胶束溶液中，有机反应速率的提高或抑制是源于反应物在胶柬相和体相 溶液中反应速率的不同以及反应物在这两相中的分配比例的不同。从本质上说， 这种作用可以归结为反应物和表面活性剂聚集体之间的静电和疏水相互作用， 而这一作用在某些情况下可能会改变周围水的结构【3 3 1 。 研究1 3 4 j 表明，胶束能够通过局部浓度效应、疏水效应、笼效应、微粘度效 应、静电效应和极性效应来影响化学反应的速率及产物的立体结构。总之，胶 束中的化学反应会受到胶束产生的各种因素的影响，实验中所观察到的速率变 化是各种因素对化学反应影响的综合体现。 2 、水解酶模拟研究 在众多的天然金属酶中，水解金属酶是一大类，如羧肽酶、碱性磷酸酶、 二异丙基氟磷酸酶( 简写为d f p a s e ) 、对氧磷酶、对硫磷酶等，这类水解酶不 仅存在于生物体中，而且参与许多生理过程，如蛋白质、磷脂的水解，遗传物 质d n a 、r n a 的裂解，并在其中起着重要的作用。因此水解金属酶的化学模 拟研究不仅对深入认识天然酶催化机制与设计新的高效催化剂具有重要的理论 意义，而且在有毒磷酸酯裂解、药物和功能材料设计等相关领域有广阔的应用 前景。 2 1 金属配合物水解酶模型 自w a g n e r - j a u r e g g 等人利用小分子多胺配合物催化磷酸酯水解以来，配合 物模拟水解金属酶的研究工作一直处于化学和生物两大学科的前沿。近年来， 配合物模拟水解酶进展显著，已成为模拟酶领域的热点研究方向。模拟酶的研 究工作已从最初的侧重于对水解金属酶催化中心的模拟以及后来的集中于对水 解金属酶催化中心和结合中心的综合模拟，再到现在主要对催化中心和协同作 用的模拟研究。配合物模拟水解酶中金属离子除参与催化剂底物三元络合 6 第一章培论 物外，还有如下几种作用方式：( 1 ) 活化水分子作为亲核物种：( 2 ) 活性水分 子作为一般酸p5 】：( 3 ) 活性水分子作为一般碱口6 】；( 4 ) 极化羰基与磷氧键的亲 电性，稳定过渡态口7 】；( 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 较低的功能团( 酚基、羧基) 的活性钝化；( 6 ) 稳定模拟酶的结构( 如中和磷酸二酯或单酯中的负电荷) f 3 8 】； ( 7 ) 具有使分子间反应过程转化为分子内反应的模板效应；( 8 ) 活化各种离去 基团，以加速离去基团的离去。 2 1 1 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，出现了含有眯唑基、羟基或 毗啶基的金属配合物、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。 大环多胺类是一类在生理p h 条件下在动力学和热力学上都相对稳定的配 体，它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， 从而制得一系列性质各异的金属配合物。因此大环多胺金属配合物作为模拟酶 模型已得到了广泛的研究，同时由于许多大环金属配合物还具有特异的催化活 性d8 1 ，这也引起了酶模拟研究者的浓厚兴趣口9 】。 日本k i m u r a 等合成了一系列的大环多胺锌( i i ) 配合物l 、3 、4 用以模拟 水解金属酶。合成了十二圆大环三胺的锌( i i ) 配合物1 ，用以模拟碳酸酐酶的 活性中心2 4 1 】及其催化功能。研究证明，1 中与z n ( n ) 配位的水分子的p k a 为7 - 3 ( 2 5 。c ，i = 0 1 ) ，而碳酸酐酶活性中心上与z n ( i i ) 配位的水分子的p k a 值约为 7 5 ，两者相当接近。l 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，也与酶中z n ( i i ) 的结构类似。而且，与碳酸酐酶一样，1 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，且机理相似，催化活性很高。当 在1 中导入烷醇基，得3 4 ”，并在碱性条件( p h - = 9 1 - 9 5 ) 研究了3 对p n p a 水 解的作用，具有较高的催化作用。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 7 威蓉蓉 四川大学硕士学位论文 酯酶相似。 对于带烷醇侧臂，比3 更稳定的大环四胺z n ( i d 配合物4 1 4 3 1 ，用以催化羧酸 酯水解。研究发现，与3 不同，4 催化p n p a 水解时，烷醇基的活化不是通过 z n ( i i ) 的配位，而是通过与z n ( 1 0 键合的氢氧根离子z n ( i d o h 间形成氢键而得 以活化，参与对底物的亲核进攻，形成活泼的酰化中间体。而且，其催化p n p a 水解催化效果也比3 强。 总而言之，1 、3 、4 不仅很好地再现了天然酶活性中心的结构，而且也表 现出了与天然酶相似的功能，是碳酸酐酶的优良模型。 l h ，o n q 赏g 缸一飞山h h i s 9 6 旷o 弋。厂o n 心n卡 n 、n 只只，钭7 6 a ：r - l 6 b ：r = c h 2 c h 2 0 h 6 5 3 x = h 2 0 c i 7 ) 几u ( 弦 h厂_ 第一章 睹论 8 1 0 、 n h 2 h 9 陈万东等 4 4 1 合成了一种用取代苯酚基修饰的大环四胺的z n ( i i ) 配合物5 ，并 用它作水解酶模拟物，探讨了其催化p n p a 水解的动力学。研究表明其催化机 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。 这些结果为我们提供了一个重要的证据，锌配合物能够在生理p h 条件下活 化水分子从而使催化反应进行，这点与碳酸酐酶、羧肽酶和磷酸酪酶催化反应 的机理是相类似的。 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，合成带有羟基宫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 等 4 5 】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6 a 、6 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，这与之前k i n l u r a 等【4 6 】得出的结 果是相一致的。 除了用z n ( i i ) 配合物对水解酶进行模拟外，c u ( i i ) 配合物也被用于水解酶的 成蓉蓉 四川大学硕士学位论文 功能模拟。t a n g 4 7 1 等合成了带有两个羟乙基侧臂的双核铜( i i ) 配合物7 ，其p k 值为7 6 0 和8 0 7 ( 2 5 ) ，并以此为羧酸酯酶模型，研究了其催化p n p a 水解反 应( i = 0 1 ( n a n 0 3 ) ) ，反应的二级速率常数为0 4 l m 1 s ，比相应的单核铜配合 物催化活性高约1 0 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。 解永树等郴】用三毗啶胺8 和四齿链酚胺配体9 的c u ( n ) 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8 的c u ( i i ) 配合物对p n p a 水解有较好的催化作用，与c u ( i i ) 配位中的水分子去质子化( p k a = 7 5 4 ) 厢形成 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 0 d 配合物由于 酚羟基配位能力很强，生成的与c u ( i i ) l e 位的酚氧负离子基亲核力能力很差( 配 位后酚羟基的去质子化常数的p k a 值为4 4 4 ) ，不能作为有效的亲核剂进攻底 物，因而催化能力较差。 曾宪诚等h 刃研究了双核的二氧环胺l o 的c u 配合物在缓冲溶液中催化 p n p p 水解的动力学机制，并与单核的二氧环胺l l 的c u o i ) 配合物对p n p p 的催 化过程进行了对比。实验结果表明双环二氧大环四胺配体的双核铜配合物催化 p n p p 水解时，遵循与天然水解酶类似的“双功能催化机理”。两个金属离子作 为双路易斯酸中心，一个用于结合底物并使之活化，发挥天然酶中活性部位上 结合中心的功效；另一个用于键合水分子，降低水分子的p k , ，使水分子活化， 作为亲核剂进攻底物，担负了天然酶中催化功能团的责任，两者各有分工，相 互协同，使底物的水解过程类似于天然酶参予的分子内亲核催化过程，催化效 率大大高于类似的单核配合物。 2 1 l2 磷酸酯水解研究 d n a 和r n a 中的磷酸二酯键十分稳定。据估计，在2 5 ，中性条件下， d n a 中的磷酸二酯键水解的半衰期约为2 亿年i 蜘，r n a 约为1 0 0 年p ”。d n a 和r n a 中的磷酸二酯键之所以如此稳定，主要是因为其磷酸二酯骨架带负电 荷，对各种潜在的亲核剂有排斥作用m l 。因而以水解作用方式象限制性内切酶 那样有效地断裂核酸中磷酸二酯键是相当困难的。在模拟酶催化磷酸二酯水解 的研究中，通常用二( 对硝基苯酚) 磷酸二酯( b n p p ) 作为d n a 的模型物。 以大环多胺结构为配体的金属配合物也常用来催化磷酸二酯的水解【钉1 。实 验表明：配合物1 2 - 1 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 l n 第一章 绪论 溶液中存在稳定的顺式二水结构，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过渡态，该四元 环的稳定性直接影响到反应的速率。 b u r s t y n 等【s 4 1 比较研究了配合物1 5 ，1 6 对b n p p 的催化水解过程。研究发 现，在p h 9 2 和温度为5 0 c 时，o ，2 m m 的1 5 催化b n p p 水解时，反应速率提 高6 0 0 0 倍，比1 6 催化的b n p p 水解至少快6 0 倍。反应对底物皆为一级反应， 但对配合物皆为i 2 级，这是因为配合物在溶液中主要以二聚体形式存在，而 催化活性物种都是其单体形式。由于1 5 形成二聚体的能力低于1 6 ，故其催化性 更高。1 5 ，1 6 催化b n p p 水解机理相同。 1 2 1 5 1 3 鼬 拶、m 1 4 愈：捌 一u 1 6 在许多天然金属酶中，活性中心存在着两个或两个以上相互独立又彼此协 作的金属离子，它们在结合底物水解或转化过程中起到了极其重要的作用。为 了研究金属离子之间的相互协同作用以及天然酶多点结合的催化机制，更为了 得到具有类似于天然酶催化活性的高效人工催化剂，双核及多核金属配合物作 l l 臧蓉蓉四j i i 大学硕士学位论文 为催化抗体、磷酸酯类受体和限制性酶模型被广泛的研究。一般来说，双核或 多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，能有效她降 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， 同时多金属中心还可以通过协同作用稳定过渡态中间体等，因此双核或多核金 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【5 5 1 。 在酯催化水解过程中，对于金属离子间的协同作用，早在1 9 8 8 年【5 6 】， b r e s l o w 等作了较为深入的研究，利用一个间隔基联接两个已知能形成极稳定配 合物的大环配体，制得双核z n ( 【i ) 配合物1 7 ，研究了它对二苯基对硝基苯基磷 酸酯( d p n p ) 及p n p a 水解的催化过程。结果发现，在p h8 时，两种底物的 水解速度比用相应单体z n ( i i ) 配合物催化时分别提高3 4 倍和6 倍。这是首例关 于磷酸酯水解中金属离子协同效应的报道。 1 7 厂_ 弋厂_ 、 矾 n hn h x n h f i nh n xn u _ _ 1 9 1 9 a x 2 1 9 bx = 1 8 为了定量阐释磷酸二酯水解中的双路易斯酸活化作用，c h i n 等 5 7 1 研究了双 核c o ( n d 配合物1 8 催化磷酸二酯水解反应，研究结果表明双l e w i s 酸活化使磷 1 2 第一章培论 酸二酯水解的反应速率提高了4 x1 0 5 倍，与离去基团的碱性完全无关。 s a r g e n s o n i ”j 等研究单核c o ( m ) 配合物单l e w i s 酸活化催化磷酸二酯水解反应速 率提高5 0 倍的结果相比较而言，双金属中心的协同作用为反应提供的双l e w i s 酸活化的惊人结果是不言而喻的， c h a m p a n 等设计的双核锌配合物1 9 ，证明催化效率极端依靠于金属中心和 间隔基团和结构之间的距离【5 9 】。化合物1 9 a 和1 9 b 这类嵌有苯环或吡啶环的大 环多胺化合物可以与镧系中的金属离子形成双核配合物，它们使b n p p 的水解 速率大大提高。 配合物的催化活性主要在于配合物的结构，配体所提供的配位环境不仅可 以决定配位金属离子的特性，而且决定了金属离子在配合物中的位置和不同的 作用方式以及两个独立金属离子之间的相互协作。根据金属离子的协作方式， 双核配合物的催化模式大致可以分为三类：( 1 ) 底物可同时与两个金属离子配 位，底物被活化而与另外的分子发生反应；( 2 ) 底物与一个金属离子配位，反 应物与另一个金属离子配位，金属离子同时活化底物与反应物并促使两者之间 成键：( 3 ) 底物与一个金属离子配位并被活化，另一个金属离子不直接参与反 应，而是起到稳定反应中心的作用，如为反应活性中心提供或减少电子云密度， 或通过立体效应稳定反应体系等。 近年来，以三核金属配合物作为水解酶模型的研究工作进展显著，多种配 合物被设计合成并应用与催化磷酸酯的水解，取得了丰硕的研究成果。 2 1 s c h n e i d e r 等陋0 1 合成了两种三核配体2 0 、2 1 与c u ( i d 生成的三核配合物模拟 天然酶的多金属中心。研究表明，两种配体的三核配合物2 0 c u 3 及2 1 一c u 3 在催 1 3 臧蓉蓉四，f i 大学硕士学位论文 化b n p p 水解时，2 0 一c u 3 的催化效率仅稍高于相应的双核配合物2 0 c u 2 ，而 2 1 c