（有机化学专业论文）色氨酸、酪氨酸枝状衍生物的研究.pdf

摘要 c a t i o n - n 作用是一种新发现的弱作用力，它普遍存在于生命体中，目前对它 的研究已成为化学领域里的一个热点。属于芳香族氨基酸的色氨酸和酪氨酸，其 侧链基团是优良的n 电子给予体。基于此，本工作设计了功能性的色氨酸和酪氨 酸衍生物，对c a t i o n - 作用的研究可能具有重要意义。工作中设计了两个系列 的枝状分子，其中分别以均苯三甲酸和均环己烷为连接单元。利用光谱手段，进 行了与金属离子的识别实验。旨在加深对c a t i o n - n 作用本质的认识，并为c a t i o n n 作用的存在提供实验证据。本论文内容包括以下几个方面： 介绍了树枝状分子、色氨酸、酪氨酸和超分子化学。 分别以均苯三甲酸和环己烷三甲酸为连接单元，设计与合成了7 个带色 氨酸、酪氨酸的枝状衍生物。并且利用1 hn m r 、i r 、m s 、元素分析进行了表 征。 利用荧光光谱、c d 光谱初步研究了主体分子和金属离子的识别作用情 况。 研究结果表明，此类枝状主体分子对铜离子和铁离子( i i ) 具有较强的选择性识别 能力。 关键词色氨酸，酪氨酸，c a t i o n - n 作用，离子识别 a b s t r a c t c a t i o n - i n t e r a c t i o n sa r ean e wt y p eo fw e a kn o n c o v a l c n ti n t e r a c t i v ef o r c e s w h i c hh a v eb e e nr e c e n t l yi d e n t i f i e dt ob ec r u c i a li naw i d ev a r i e t yo f b i o m o l e c u l e s t h e i r i m p o r t a n c e i nb i o m o l c c u l a r p r o c e s s e s h a ss i n c eb e c o m e i n c r e a s m 【g l y a p p r e c i a t e d i np a r t i c u l a r , t h en a t u r a l l ya v m l a b l ea r o m a t i c 羽n i n oa c i d s ，t r y p t o p h a n a n dt y r o s i n ei np r o t e i n s ，c a r r yt h ei n d o l ea n dp h e n o lm o i e t i e sr e s p e c t i v e l y , w h i c ha r e p a r t i c u l a r l yg o o d 了【e l e c t r o nd o n o rf o r c a t i o n - 了【i n t e r a c t i o n s t h e r e f o r e i ti s o f i n t e r e s tt od e s i g nd e r i v a t i v e so ft r y p t o p h a na n dt y r o s i n ef o rf u r t h e re l u c i d a t i n gt h e f u n d a m e n t a ln a t u r eo f c a t i o n - 丌i n t e r a c t i o n si n v o l v i n gi n d o l ea n dp h e n o lm o i e t i e s t w os e r i e so fb r a n c h e dm o l e c u l e sb a s e do i l 缸 y p t o p h a n a n dt y r o s i n ew 骶 d e s i g n e d i nt h i sw o r k , i nw h i c hw eu s e db e n z e n et r i c a r b o x y l i c a c i da n d 1 , 3 5 e y d o h e x a n e t r i c a r b o x y l i c a c i da sb r a n c h e d t e z n p l a t e s i n c o n n e c t i n g t h e t r y p t o p h a na n dt y m s i n eu n i t s m e t a li o nr e c o g n i t i o ns t u d yw a sc a r r i e d o u tb ya n u m b e ro fs p e c t r o s c o p i cm e t h o d st o e v a l u a t et h er e l a t i v es 黯e n g t ho fc a t i o n - 嚣 i n t e r a c t i o n sa n d 血e i rm e t a li o ns e l e c t i v i t i e s t h et h e s i si sd i 啊d e di n t ot h r e ep a c t s ： ab r i e fi n t r o d u c t i o nt od e n d r i m e rm o l e c u l e s ，s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y t r y p t o p h a n a n d t y r o s i n e s e v e nb r a n c h e dd e r i v a t i v e so ft r y p t o p h a na n dt y r o s i n ew e r ed e s i g n e d a n d s y n t h e s i z e du s i n g b e n z e n e t r i c a r b o x y l i c a c i da n d 1 , 3 ，5 - c y c l o h e x a n e 缸- i c a r b o x y l i c a c i da sb r a n c h e dt e m p l a t e s t h e s ec o m p o u n d sw e r e c h a r a c t e r i z e db y1 hn m r ，i r ，m sa n de l 锄e n t a la n a l y s i s a s t u d yo nm e t a li o nr e c o g n i t i o n o ft h ea b o v ed e s i g n e dt r p a n d t y r - c o n t a i n i n g d e r i v a t i v e sw a sp e r f o r m e du s i n g c da n df l u o i s c e n c e m e a s u r 矗l l e n t s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e s ew e l l - d e s i g n c ds y n t h e t i cr e c e p t o r s a r ea b l et o s e l e c t i v e l y b i n dm e t a li o n ss u c ha sc o p p e ri o na n di r o n ( i di o n s k e y w o r d st r y p t o p h a n ，t y r o s i n e ，c a t i o n - i n t e r a c t i o n ，i o n r e c o g n i t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 树枝状分子简介 1 1 1 引言 树枝状分子( d e n d r i m e r ，g r e e k ：d e n d r o n - - - t r e e ，m e r o s = p a r t ) 1 】是一类新型分子，在早期 被称作“层叠分子”( c a s c a d e m o l e c u l e ) 。它们是具有新颖结构的聚合物，与由a b 单 体组成的传统线状聚合物不同【2 】。它们是由a b n ( n 2 ，通常n = 2 或3 ) 单体组成，高 度枝状化的分子，有三种典型的结构单元：中心( c o r e ) ，多周边基团和连接二者的枝状 单元。后两者合在一起也称为树枝石或楔形物。树枝状分子从中心出发，象树一样以代的 方式向外延伸。如图f i g u r e1 1 1 3 所示p 叫 a b f i g u r e 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h e s t r u c t u r eo fad e n d r o na n dad e n d r i m o f , h i g h l i g h t i n gt h ef o c a lp o i n to rc o r e ( b l a c k ) s u r r o u n d e db yr i n g so fb r a n c h i n gu n i t s ( g r a y c i r c l e s ) a n de n d - g r o u p s ( r e c t a n 西e s ) 大多数合成和天然存在的大分子 有简单的线形结构。线形分子( f i g u r e 1 4 ) 由重复的单体建筑块以共价方式 连结成的链组成，每个链的每个末端 有一个末端基团。两末端基团几乎不 影响聚合物的物理和化学性质。树枝 f i 酗n1 3s c , h e m a t i 。r 印r e 8 咖a t i 。n 。f 8d e l l d r i m 盯 状分子和超枝状聚合物的物理和化学 第一章绪论 性质不同与通常的线形聚合物。相对于传统的线形聚合物，树枝状分子能更加精确的控制 结构，并具有球状的结构。 h y p e r b r a n c h e d f i g u r e 1 4 e x a m p l e so fm a c r o m o l e c u l a ra r c l l i t c ：c t i l r e s ： m a x b n a t yb r a n c h e ds 缸1 1 d c l 】r e 、a n dh y p e r b r a n c h e d 1 1 2 树枝状分子的研究进展 有关树枝状分子第一篇的论文发表于1 9 7 8 年【5 】，论述了这种基本新型分子结构的发展 和实现，但被落后的分析方法所限制。开始阶段，对该领域的研究进展较慢，二十世纪九 十年代前期开始发展变得迅速起来( f i g u r e1 5 ) 6 1 。 f i g u r e1 5n u m b e ro f p u b l i c a t i o n sd e a l i n gw i t hd e n d r i m e r sa c c o r d i n gt oac a s o m m es e a r c h 2 第一章绪论 自从二十世纪八十年代中期，树枝状分子的提出，这种新型的聚合物因为其独特结构 和性质受到人们广泛的注意。在这种模式发现期间，树枝状化学的早期研究主要集中在合 成方法的发展和物理化学性质的调查。因此，合出了大量具有不同中心，枝状单元和末端 基团的树枝状分子并建立了理解它们物理性质的基础。( f i g u r e1 6 1 8 ) 今天，大量有机，有机金属或无机化学的建筑块被用于树枝状分子的构建，也包括诸 如肽，糖等重要的生物分子建筑块。成熟的合成方法和树枝状物质的可获得性，促使对树 枝状分子研究开始从基础性研究到实际应用探索的重大转变。树枝状分子的常见中心结构 单元如下： ) _ 一 一 竹( f i g u r e1 6 o v e r v i e wo f d i - t ot e t r a c o v n e n tc o r eu n i t sku s e di ns y n t h e s i s 人 +_广 ，卜 第一章绪论 术术米謦桊凝 辩率 h 2 n ， f i g u r e1 7 o v e r v i e wo f h e x a c o v a l e n ta n d l a r g e rc o r e u n i t sku s e di ns y n t h e s i s 弋- 弋a 。务 乓一一长乓 f i g u r e 1 8o v e r v i e wo f b r a n c hu n i t svu s e di ns y n t h e s i s 1 1 3 树枝状分子的结构和合成方法 一、树枝状分子的结构 因为较高代的树枝状分子是具有通过氢键形成的三维结构和特定的功能，并且是天然 球状生物大分子的模型分子。所以，它t 1 1 弓1 起人们极大的研究兴趣。树枝状分子与以共价 键形式连接、具有三维结构的生物分子( 例如蛋白质) 不同。根据早期对树枝状分子理想 结构的研究，假设较低代的树枝状分子是稍扁平，椭圆形状的分子。假定由分散法合成的 树枝状分子直接以辐射的方式指向外方，端基位于椭圆体的表面。大分子从较高的某代转 化为球形分子( 依靠中心分子，枝状多样度，树枝面端的长度) 。简单计算已经表明在这 种椭圆体上的端基领域随着带数的增加而连续地变小，直到一个临界枝状态的到达，即所 谓地“星形辐射密度堆积”的到达而阻止反应的进一步发生。因此，分子具有稠密的外端 和带有渠道和空穴疏松里端的球形结构。例如，客体分子包结实验和粘度实验的结果肯定 4 第一章绪论 了这种假设。因此，树枝状分子化学已变为超分子化学的一部分。 最近更多的结构分析方法揭示了：树枝状分子具有球形的形状。但是电子密度分布显 著地不同与稠密外端和疏松内端的模型。电子密度图揭示了靠近中心处，电子密度高：电 子密度向外端逐渐地连续地降低：高密度区域的消失依赖于代的数目。因此，超分子化学 中，客体分子的包结现象可用灵活树枝状手臂地变化来解释；根据近来地更精确地计算， 这些端基不仅在表面而且也在整个树枝状分子中。 二、树枝状分子的合成方法 大多数树枝状分子的合成是一两步反应过程的重复，这些反应需容易进行，产率高并 且没有副反应。文献报道的树枝状分子的主要方法有分散法( d i v e r g e n ts y n t h e s i s ) 与会聚 法( c o n v e r g e n ts y n t h e s i s ) 两种。其合成路线如图( f i g u r e1 9 ) 所示： w o 1 d i t 卜 t k m 日i f i g u r e 1 1 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f t h ec o n v e t g e n ts y n t h e s i so f d c n d r i m e r s 两种方法的显著区别是树枝状分子的增长方向相反。发散合成法尤其适用于大规模的 工业生产，会聚合成法适用于实验室中带有特征尾部基团产物的合成。发散合成法，有可 能制备出1 0 代的树枝状分子，其分子量可达7 0 0 ，0 0 0 ，具有3 ，0 0 0 + 末端基团 2 0 】。而会聚 合成法在控制最终树枝状分子结构方面优于发散合成法。 6 1 亏 第一章绪论 1 1 4 肽树枝状分子 广义上，肽树枝状分子是指包括肽键的任何树枝状分子。理论上讲，此定义包括一个 氨基酸中心，树枝状单元和表面官能团或三部分的任意组合。如果我们把所有天然和非天 然氨基酸作为肽树枝状分子的树枝状单元和表面官能团，则可以进一步地扩展此定义。实 际上，文献上和现在使用的大多数肽树枝状分子是基于多抗原肽( m u l t i p l ea n t i g e n p c p f i d e ， m a p ) ，它们仅包括三个结构特征中的两个即树枝状单元和表面宫能团。肽树枝状分子可 以用于蛋白质模拟，抗毒剂，抗癌剂，疫苗，药物和基因传输体系。由于包括肽的固相偶 合技术地使用，从合成上说，氨基酸是具有吸引力的树枝状分子的建筑块。近年来，关于 肽树枝状分子的合成和应用方面的综述已经有许多。在肽树枝状分子中，赖氨酸是最常用 的氨基酸树枝状单元。( f i g u r e1 1 2 ) 肤树枝状分子比它们相应的线状聚合同系物更易溶 于水，对蛋白质水解更稳定，对人体细胞的毒性更小。 雌 略守 s a p 卸i i o o l l f i g u r e1 1 2 肽树枝状分子序列 1 2l 一色氨酸、o 酪氨酸简介 l 一色氨酸( l - t r y p t o p h a n ) 的化学名称为l 一氨基一吲哚丙酸( l - 2 一a m i n o 3 一i n d o l e p r o p i o n i c a c i d ) 。别名l 一胰化蛋白氮基酸；l 目一( 3 一吲哚基) 一q 一丙氨酸( l 一3 一i n d o l y l a l a n i n e ) ，分 子式为c l l h l 2 0 2 n 2 ，相对分子量2 0 4 2 1 ，结构式为： 第一章绪论 l 一酪氨酸( l - t y r o s i n e ) 的化学名称为l 一苯酚一氨基丙酸( l 3 - p h e n o l - 2 一a m i n o p r o p i o n i c a c i d ) 。别名l 干酪氨基酸；l b 一对羟苯基一d 一丙氨酸( l 一3 - p h e n o l y l a l a n i n e ) ，分子式为 c 9 h l l 0 3 n ，相对分子量1 8 1 1 9 ，结构式为： 1 8 2 5 年有人发现生物物质中有一种橙色物质，k u b n e 认为该物质含有吲哚核( 1 8 7 5 年) 。1 8 9 2 年n e u m e i s t e r 定名为色氨酸，1 9 0 2 年被h o k i n s t 首次从酪蛋白中水解分离制得。 e l i a g e r 于1 9 0 7 年提出了它的结构式。最后f l a m a n d 用化学合成法加以确定。色氨酸咀游 离或结合态广泛存在于生物物质中 2 1 。它是人体必须的氨基酸，不能由人体产生，必须从 食物中得到。酪氨酸是于1 8 4 6 年首次由奶酪中的酪蛋白降解制得。1 8 8 3 年，人们在实验 室中合成了酪氨酸，因此它的结构也就被人们获知。它是一种非必需氨基酸，广泛存在于 植物和动物蛋白质。在生物体中，l 一酪氨酸通过l 一苯丙氨酸的羟基化或经由分支酸、对羟 苯丙酮酸合成。 1 2 1l 色氨酸、l 一酪氨酸的性质 l 一色氨酸是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸，非极性氨基酸，疏水性强。呈白色或略 带黄色的叶片状结晶或粉末，无臭或微臭，有甜味，溶于热吡啶，微溶于乙醇，不溶于氯 8 第一章绪论 仿，乙醚。在碱液中较稳定，但存在其它氨基酸或糖类是则易分解。迅速加热时于2 1 0 发黄，2 9 0 ( 2 溶解( 分解) 。有三种光学异构体。水中溶解度为1 1 4 ( 2 5 ) ，2 8 ( 7 5 ) 1 2 2 1 。在乙醇中极微溶解：在稀酸或稀碱中溶解。长时间光照则着色。与水共热产生少 量吲哚，如在n a o h 、c u s 0 4 、存在下加热，则产生多量吲哚。与酸在暗处加热较稳定。 【a 】d p 一3 2 1 5 3 3 7 。p k a ( 2 5 c ) 为2 3 8 及9 3 9 ，等电点5 8 9 。 l 一酪氨酸是含有酚基的中性芳香族氨基酸，极性氨基酸，疏水性弱。白色针状结晶， 能溶于碱溶液，微溶于水，不溶于无水乙醇、乙醚和丙酮。在3 4 2 3 4 4 时分解。比重1 4 5 6 ( 2 0 4 ) ，旋光度一1 0 6 0 ( 2 2 ，4 1 n 盐酸中) ，一1 3 2 0 ( 1 8 ，4 ，3 n 氢氧化 钠液中) 。p k a ( 2 5 ) 为2 2 0 、9 1 i 及1 0 0 7 。 色氨酸、酪氨酸都属于芳香族氨基酸，a 位的碳分别连接有杂环芳香侧链基团( r ) 吲哚基和酚基。富电子性的芳香环结构使它们有强还原能力很容易氧化损伤。在金属离子 的催化下，色氨酸可以氧化为1 4 - 羟基一色氨酸，酪氨酸氧化为酪氨酸一酪氨酸二聚体，它 们都属于不稳定的氨基酸，酪氨酸和色氨酸相应的单电子氧化中间体自由基的还原电势分 别为0 9 4 和1 0 5 v 】。它们也是很好的亲核配体能和金属离子配位( 如m 孑+ ，c a 2 + ，a 1 3 + ，f e 2 + ，c o ”，n i 2 + ，c u 2 + ，i v l n 2 + ，z n 2 + 等) ，可以发生电子传递反应。色氨酸和酪氨酸 分子结构中含有共轭双键，决定了它们在近紫外光区( m a x = 2 8 0 n m ) 有光吸收能力，其 中色氨酸的克分子消光系数值大。而且它们还具有优良的荧光性质，2 0 种氨基酸中能荧光 发光的只有色氨酸，酪氨酸，苯丙氨酸。其荧光曲线见下： f i g u r e1 1 3 苯丙、酪、色的荧光光谱曲线，水溶液，2 9 3 k 同时，色氨酸和酪氨酸都有手性和紫外吸收，所以有圆二色性。 9 第一章绪论 1 2 2l - 色氨酸、l 广酪氨酸的用途 l 一色氨酸的主要作用视作营养药剂，人工合成膳食，必需氨基酸片及水解蛋白质的添 加剂。色氨酸是重要的氨基酸饲料之一。卜色氨酸对人和动物的生长发育、新陈代谢起着 重要作用。被称为第二必需氨基酸【2 4 】。在生物体内，从l 一色氨酸出发可合成5 一羟基色胺 ( 是动物的一种血管增强剂和平滑肌组织藕j 激剂) 、吲哚乙酸、烟酸、色素、生物碱和酶 等生物活性物质。如果色氨酸不足，就会引起一些疾病。人体每日最低需要量为0 2 9 在 临床上主要用于医药，色氨基酸输液，抗闷剂，抗臭滤药，调节脑代谢等作用。例如，吲 哚乙酸是一种植物生长激素，它在神经系统中含量与神经的兴奋和抑制状态有关，从而促 进睡眠和精神安定，用作保健食品和安神药。l 一色氨酸也是一些植物蛋白中比较缺乏的 氨基酸，用它强化食品和饲料添加剂对提高植物蛋白的利用率具有重要作用。它是继蛋氨 酸和赖氨酸之后的第三大饲料添加氨基酸。另外，l 一色氨酸还有防霉、消毒以及阻止氧化 的作用，可以作为鱼类保鲜剂 2 5 - 2 8 。t r p 是比较独特的一个，在对蛋白质的折叠、相互 作用、活性、动力学等方面的研究中，常把它作为内源探针来使用 2 9 - 3 3 。 l - 酪氨酸为含酚基的非必需氨基酸之一，是生产甲状腺机能亢进剂二溴酪氨酸、二 碘酪氨酸及l 一多巴的原料，亦是氨基酸类药物，可用于治疗脊髓炎和结核类脑炎等症【”】。其 含量稳定与否会影响人体健康状况，而且其含量是疾病检测的一个指标。如果缺乏则会患 p h e n y l k e t o 叫r i a ，o tp k u 疾病。另外，用于生化研究，测定氨基酸中氮时作为标准，制 备培养基，用米隆反应( 蛋白质呈色反应) 进行比色定量分析。 1 3 超分子化学的简介 1 3 1 引言 超分子化学是化学领域里一门新兴的交叉学科，与材料科学、信息科学、生命科学等 学科紧密相关，处于当代化学前沿。c j p c d c r s o n 、d j c r a m 和j m l c h n 因在主一客体 化学( h o s t - g u e s tc h c m i s 缸- y ) 3 5 1 和超分子化学( s u p m m o l t l a rc h e m i s t r y ) 3 6 1 方面的开 创性工作而分享了1 9 8 7 年的n o b e l 化学奖，标志着超分子化学时代的到来。 相对于以原子间的共价键的断裂和生成为基础的分子化学，超分子化学是研究两个或 两个以上的分子通过非共价键的相互作用而形成具有特定结构和功能的体系的科学。其体 1 0 第一章绪论 系的形成主要是依赖分子间氢键、芳香一、阳离子一n ( c a t i o n - n ) 、c h “等相互作用 和范德华( v a nd e x w a a l s ) 作用( 包括离子一偶极、偶极一偶极、偶极诱导偶极相互作用) 【矧， 而所形成的这种新的大分子体系具有不同于构成原料的结构特征和化学性质。 分子离子识别( m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ) 和自组装( s e l f 二o r g a n i z a 舶n ) 是超分子化学的两 个主要研究方向也是其重要特征，而它们又是彼此相互依赖的两个过程。为了使一组分子 自组装，就必须使它们先聚集起来，这种聚集又是由分子识别来完成的。所谓分子离子 识别是指主体分子( 1 1 0 曲对客体( g u e s t ) 的选择性键合并产生某种特定功能的过程，它们不 是靠传统的共价键力，而是靠非共价键力聚集在一起，是依赖于分子形状、尺寸和化学 官能团之间的补偿作用。这一过程类似于生命过程中的酶与底物、蛋白质与核酸、激素与 受体、抗原与抗体、免疫抑制剂与免疫亲体之间的相互作用，因此人工合成受体分子 ( r e c e p t o r ) 的识别研究有助于我们了解生命过程中的受体与底物之间非共价键相互作用的 本质以及酶催化作用的机理。而在分子( 离子) 识别基础上进行的分子自组装则是更加深入 地描述从小的建筑块自发构建成具有明确结构的更大的非共价键排列方式。自组装的效能 最初是从研究烟草花叶病毒和核酸酶等生物体系而发现的 3 8 】，三十年前的工作就已经表 明：自组装可能是一种高效、精确的协作过程，这个发现，在很大程度上促使化学家们开 发新的合成策略。 对超分子化学的研究日新月异，是化学研究的热点课题，每年发表的有关此领域的论 文数以千计。i z a t t 对此领域有系列性的评论文章【3 9 - 4 0 ，美国化学评论( c h e m i c a l r e v i e w s ) 曾就超分子化学出版过专刊【4 ”，而有较大影响的书籍也屡见不鲜4 2 1 。 超分子化学的一个重要研究方向是寻找最有效的主体化合物( h o s tm o l e c u l a r ) ，其它 所有的研究均以此作为前提。这方面的研究工作直接导致了所谓的三代主体分子冠醚 ( c r o w n e t h e x ) 、环糊精( c y e l o d e x t r i n ) 、杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 的产生和发展。除此之外， 还有环蕃( c y c l o p h a n e ) 、s c k i f f 碱等其它环状和类环状体系。以这几类化合物为基础，通 过化学修饰就可以设计出具有不同性能的主体化合物，如具有特殊的识别能力，优秀的紫 外或荧光效应、优秀的氧化还原性能等，使之可应用于离子的分离鉴定，相转移催化，拟 酶催化，以及设计具有特殊功能的分子器件等研究领域。 冠醚( c r o w ne h h e r ) 具有疏水外臂和亲水空腔，能在其极性腔中识别客体分子或离子 【4 3 1 ，一直以来是超分子化学的一个重要研究方向，有人称之为第一代超分子。经过四十年 的发展，冠醚已经超出了环状醚类这一概念，其不但包含了传统的环状醚类化合物，也包 1 1 第一章绪论 含了氮杂、硫杂、磷以至于砷、硒杂冠醚。另外，臂式冠醚、双冠醚嗍以及具有三维拓 扑结构的穴醚i 删( c r y p t a n d ) 也被合成并研究。除了识别方面的研究，冠醚的自组装也受 到广泛重视嘲。环糊精( c y c l o d e x t r i n ) 按照环大小的不同，可以分为c 【、8 、y - 环糊精等类 型，它们分别是由6 、7 或8 个毗喃葡萄糖分子经1 ，4 糖昔键形成的大环化合物，其中应 用最广泛的是b 一环糊精。环糊精分子中所有的葡萄糖单元均为椅式构象，从而构成比较固 定的疏水空腔和亲水的外壁。环糊精能够包合各种中性无机、有机或多肽、糖类等生物分 子，形成比较稳定的配合物，是一类性能优良的主体化合物，并且在模拟酶研究中有着广 泛的应用【4 8 】。环糊精固有的疏水性空腔可以容纳和识别更多的有机分子和离子，所以很快 成为第二代超分子f 4 9 】。环糊精对客体的识别主要有两种方式：一种是“内识别” ( e n d o - r e c o g n i t i o n ) ，作用力主要是范德华力、疏水作用等；另一种是“外识别” ( e x o - r e c o g n i t i o n ) ，作用力主要为氢键。相应于这两种识别模式，环糊精与客体形成两种 超分子体系，即包容化合物和表面作用产物；其结构类型也有两种：笼型 剐和管道型垮”。 目前，单体环糊精的识别研究主要集中于富勒烯、糖类大分子、聚合物的识别以及三元包 合物等领域【5 2 1 。另外，修饰环糊精5 3 1 以及环糊精的自组装删研究也取得了巨大的成就。杯 芳烃【5 5 】( c a l i x a r e n e ) 是芳环单元经过一定的化学键连接而成的环状大分子，实际上也是环 番类化合物的一种。在2 0 世纪八十年代初，g u t s c h e 首先报道了杯芳烃的大量合成，从而 启动了杯芳烃化掣”。由于杯芳烃具有很好的包合性质，既可识别离子也可以包合中性分 子，此特性是冠醚和环糊精无法比拟的。其超分子化学研究受到化学家的极大重视，并被 视为新一代主体分子。最近几年，这方面的工作主要集中在修饰杯芳烃的性能研究和开发 利用。 1 3 2 非共价相互作用简介 在生物最初进化过程中，在没有机械、催化、遗传等必要的条件下，原始细胞是如何 通过相对简单的分子建筑块( m o l e c u l a rb u i l d i n gb l o c k s ) 而形成的呢? w a l d 首先提出由这 些分子建筑块通过“非共价相互作用”组装成细胞紧密结构的可能性，即每一个建筑块分 子都包含着必要的信息来识别并与其它分子相互作用【5 ”。已被认为是驱动生命发展的分子 活动的重要方式和现代生物合成重要的方式和手段的“分子识别( m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ) ” 和“自组装( s e l f - o r g a n i z a t i o n ) ”都是通过“非共价相互作用”而实现的”3 。 超分子已在药物化学【5 ”、主客体化学删、化学开关6 1 1 、分子马达 6 2 1 、分子导线和催 第章绪论 化等领域实现了广泛的应用旧 。对这种由弱相互作用构成的超分子体系系统地研究和深入 地了对理解生命科学中的许多重要问题如生物膜的分子识别与分子运输、酶催化、d n a 与 蛋白质等大分子的生物合成等过程都有很大的帮助。系统地研究分子问的各种作用力及其 重要特征，可以指导化学家有目的地设计各种组装体系，并且对药物化学和分子生物学领 域内的药物分子设计、酶模拟以及推测生物大分子的二级、三级甚至四级空间结构具有重 要的指导意义。随着超分子化学研究的逐步深入和仪器检测手段的发展，通过晶体结构、 核磁共振、计算机模拟计算和高分辨质谱技术等一些分析手段来研究各种形成超分子体系 之间的弱相互作用引起了很多领域科学家的兴趣。 超分子体系主要依赖的非共价相互作用包括：分子间的氢键( 如o _ h 0 ，n _ h o ) 、芳 香一、阳离子一( c a t i o n - ) 、c h 相互作用、范德华( v a n d e r w a a l s ) 作用( 包括 离子一偶极、偶极一偶极、偶极诱导偶极相互作用) 【删，另外还有许多较弱的分子间非共 价相互作用( 如c - h 0 【6 5 1 ，c - h n ，c h 耳，i i ，n c 1 ，甚至c h ，c c 等) 。原子 间化学键的键能约为1 0 0 8 0 0 k j m o l 而弱作用只有几到几十k j m o l ，不及共价键的5 - 1 0 ，但在形成超分子体系是具有非线性的累加作用。广泛地存在于各种生物体系中的分子 间弱作用力有： 氢键：氢键x - h y 是由于与电负性大的原子形成共价键的h 原子有剩余作用力，可与另 一电负性大的y 原子发生以静电作用为主的有方向性和饱和性的较强作用力。其键能介于 一般共价键与范德华力之间。氢键x - h y 的x 和y 通常都是电负性较大，半径较小的原 子，如：f 、o 、n 等，后来发现c 、c l 、b r 、i 、p 、s 等在某些特殊的化学环境中液参与 氢键形成氢键蛔。氢键在分子识别，组装和分子晶体工程中占有重要的基础地位6 7 1 。由于 氢键的“方向性”( d i r e c t i o n a l i t y ) 和“选择性”( s e l e c t i v i t y ) ，近年来普遍用来构筑超分子 体系。氢键的“方向性”是指它可能预知分子亚单元之间的间隔，甚至可以预知亚单元之 间的排列方式而“选择性”是指在具有多重氢键相互作用系统中，可以通过挑选精确互补 的分子亚单元来对氢键驱动的识别过程进行控制，得到期望结构的聚集体。单一氢键的作 用力相对较弱( - i 0 k j m 0 1 ) ，但多氢键强度可达到一5 0 k j m o l 或更高。 c h - 作用：c h - 作用是一种发生在c h 基团( 软酸) 和体系( 软碱) 之间弱的氢键作用。 具有通常氢键的一般特征。它是一种弱的分子间相互作用，影响有机化合物的构象，不对 称光学性质，立体选择反应，手性识别及超分子体系的固态结构且在控制固态有机分之的 晶体堆积，生物体体系中蛋白质，d n a 的结构和性质等方面起着重要的作用。 1 3 第章绪论 丌一靠作用：“一n 作用是一种发生在n 体系和n 体系之间的由于电荷分布不均匀引起的静 电引力及诱导偶极作用。由于它在生物学、化学、物理学和材料学在中的广泛存在并扮演 着重要的角色，从而得到广泛的研究。a r 瞄。一6 龃根据由电荷分布的互补性决定的芳环 与芳环平面的相对取向和芳核中心距离的量化计算，提出了丌一n 作用的h u n t e r 规则，优 化出了三种作用方式：t 一型( t - s h a p e d ) ，p d 型( p a r a l l d - d i s p l a c 1 ) ，s - 型( s a n w i c h ) 。芳 环与芳环平面有强的静电作用是相应平面倾向于s 一型或p d 型取向，即面一面n 堆积；当不 存在平面问强的静电作用时，着倾向与卜型取向，即边一面n 堆积。 阳离子一n 作用：阳离子n 作用是一种发生在简单阳离子或复杂阳离子与芳香性j i 体系之 间的强烈吸引作用。其本质归属于氢键作用【嗍。随着超分子化学、分子生物学核结构生物 学的发展，阳离子一“作用越来越引起人们的重视。 豌水作用：在水溶液或极性溶剂中，疏水作用会导致非极性分子趋向聚集在一起。疏水作 用是一种方向性较差的弱相互作用力，当两个疏水分子糨互接近时，可造成体系熵增岛q ， 促进了疏水区的稳定性。 1 4 论文选题m l 近几年来，c a t i o n - 7 c 作用是备受人们关注的研究热点。它作为一种新发现的非共价键 弱作用力，是生物分子识剐和酶催化中的主要驱动力之。9 0 年代，美国规州理工的 d o u g h e r t y 研究组首先报道了存在于生物分子中的芳香环“电子供体与阳离子间的弱相互 作用，指出t r p ，t y r 的芳香侧链都是c a t i o n - n 作用的优秀供体。对于c a f i o n - u 作用的 研究，人们一方面使用理论计算方法，另方面利用超分子手段，成功地设计了些主体 分子，通过实验获得一些定性和定量结果。但是目前对包含天然的t r p ，t y r 作为n 供体 的主体分子的研究还很少，而t r p ，t y r 作为天然化合物，对研究天然生物分子作用机理和 模拟复杂的生命过程有着重大意义。所以，我们选择“含色氨酸、酪氨酸小分子的性质研 究”为课题，利用色氮酸、酪氨酸的荧光性质、圆二色性、紫外等性质对c a t i o n - 托作用的 进行研究。具体工作包括：设计与合成了含有苯环、环己烷环刚性结构基元的色氨酸、酪 氨酸主体分子，幂j 用上述光谱手段等进行研究。以箭勰深对c a 6 0 n - n 作用韵了解释认识， 并且为分子离子识别提供新型的主体分子模型。 1 4 一 苎二童堕望 参考文献 1 2 3 n e w k o m e ，gi 乙；m o o r e f i e l d , c n ：v o 。g t l e , f d e n d r i t i c m o l e c u l e s ? c o n c e p t s , s y n t h e s e sp e r s p e c t _ v e s , v c h ，w e i n h e i m , 1 9 9 6 k i m y o o n k y t m g s t e v e ncz i m m e r m a n c u r r e n to p i n i o ni nc h e m i c a lb i o l o g y 1 9 9 8 ，2 ，7 3 3 v i n c e n z o b a l z a n i ；p a o l ac e r o n i ；a l b e r t oj u r i s ；m a r g h e r i t av e n t u r ie ta 1 c o o r d i n a t i o nc h e m i s t r yr e v i e w s 2 0 0 1 ，5 4 5 a l e xa d r o n o vd i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd o c t e ro f p h i l o s o p h yi nm c m a s t e r u n i v e r s i t y , 1 9 9 6 b u h l e i e r , e ；w e h n e r ，w ：；v o “g t t e f s y n t h e s i s1 9 7 8 , 1 5 5 v o 舀1 e ，f ；g e s t e r m a n n , s ；h e s s e , r ；s c h w i e r z ，h ；w i n d i s c h ，b ； p r o g p o & m s c i2 0 0 0 ，2 5 ，9 8 7 n e w k o m e ，g r ；b a k e r , g r ；s a u n d e r s ，m j ；r u s s o ，p s ；g u p t a , v k ；y a o ， z ；m i l l e r , j e ；b o u i l l i o n , k j = c h e m s o c ，c h e m c o m m u n 1 9 8 6 ，7 5 2 n e w k o m e ，g i l ；y a o ，z ；b a k e r , g r ；g u p t a , v k ；r u s s o ，p s ；s a u n d e r s ， m j z 4 胍c h e m s o c 1 9 8 6 ，1 0 8 ，8 4 9 n e w k o m e ，g r ；y a o ，z q ；b a k e r , g r ；g u p t a , v k ，o r g c h e m 1 9 8 5 ， 5 0 t o m a l i a , d a ；b a k e r , h ；d e w a l d , j ；h a l l ，m ；k a l l o s ，g ；m a r t i n ，s ； r o e c k , j ；r y d e r , j ；s m i t h , p p o l y m ，1 9 8 5 ，1 7 , 1 1 7 t o m a l i a , d a ；b a k e r , h ；d e w a l d , j ；h a l l ，m ；k a l l o s ，g ；m a r t i n ，s ； r o e c k , j ；r y d e r , j ；s m i t h , p m a c r o m o l e c u l e s1 9 8 6 ，1 9 ，2 4 6 6 t o m a l i a , d a ；h a l l ，m ；h c d s t r a n d ，d a m ( 7 h e m s o c 1 9 8 7 ，够1 6 0 1 t o m a l i a , d a ；b e r r y , v ；h a l l ，m ；h e d s t r a n d ，d m m a c r o m o l e c u l e s1 9 8 7 ， 2 0 ，1 1 6 4 j f g a j a n s e n , e m