（化学工艺专业论文）水溶性c60—脱氢枞胺衍生物的合成及其生物活性研究.pdfVIP

摘要 富勒烯是碳的第三种周素异形体，富勒烯及其衍生物因其独特的三维结构而 在化学、生物学、材料学、医学等领域显示出广泛的应用前景。其中，最具代表 性的富勒烯【6 0 】在抗h i v 病毒，抗菌，抗肿瘤，酶活性抑制，抗氧化和神经保护 等很多方面显示出独特的功效和生物学活性。脱氢枞胺具有类似甾体结构的三环 二萜结构，是松香酸的衍生物，已被公认为具有杀菌等生物活性。本课题组前期 合成的c 6 0 脱氢枞胺衍生物水溶性差，限制了其生物活性的研究，因此对其进行 水性化改性，并探索新物质的生物活性是具有价值的研究课题。 本文首先研究了富勒烯的羟基化反应。以c 6 0 脱氢枞胺衍生物( c 6 0 脱氢枞 胺吡咯烷衍生物和c 6 0 脱氢枞胺氦烯加成物) 与n a o h 为反应物，以四丁基氢氧 化胺( t b a h ) 和h 2 0 2 为催化剂，在加热至回流的甲苯与水的混合溶液中反应， 生成了水溶性的c 6 0 脱氢枞胺富勒醇衍生物( x y - o h 和g o h ) 。产物经t e m ， f t i r ，e s i m s ，1 hn m r 和h p l c 等分析方法检测确认为目标产物，且为羟基 加成度不同的混合物。 本文还研究了富勒烯与甘氨酸的加成反应。以c 6 0 脱氢枞胺衍生物( c 6 0 脱 氢枞胺吡咯烷衍生物和c 6 0 脱氢枞胺氮烯加成物) 与甘氨酸为反应物，在加热至 回流的甲苯与乙醇水的混合溶液中辅助超声波反应，生成了水溶性的c 6 0 脱氢 枞胺甘氨酸衍生物( x y g l y 和g g l y ) 。产物经t e m ，f t - i r ，e s i m s ，1 hn m r 和h p l c 等分析方法检测确认为目标产物，且为甘氨酸加成度不等的混合物。 本文还探索了水溶性c 6 0 一脱氢枞胺衍生物的生物活性。对合成出的四个水溶 性c 6 0 - 脱氢枞胺衍生物分别做了r t a qd n a 聚合酶活性抑制的测试，体外抗h i v 1 逆转录酶活性测试和抗卵巢癌细胞株( h e y1 bc e l l s ) 活性的测试，初步测试结 果表明，四个水溶性c 6 0 脱氢枞胺衍生物对r t a qd n a 聚合酶和h i v 1 逆转录酶 均表现出不同程度的抑制作用，且抑制作用呈无规律性。其中对r t a qd n a 聚合 酶的最低抑制浓度范围分别为x y - g l y ：o 0 5 o 1p g m l ，g - g l y ：o 0 5 o 1p g m l ， x y - o h ：2 2 2p g m l ，g o h ：1 2 “g m l ；对h i v 1 逆转录酶的半数抑制浓度 ( i c 5 0 ) 分别为x y - 9 1 y ：7 0 6 4p g m l ，g 9 1 y ：2 5 7 0p g m l ，x y - o h ：1 9 8 2 6p g m l ， g o h ：1 6 2 8p g m l ：对卵巢癌细胞株( h e yl bc e l l s ) 几乎不表现出抑制活性。 关键词：脱氢枞胺 富勒烯【6 0 】 水溶性生物活性h i v - 1 逆转录酶 r t a qd n a 聚合酶 a b s t r a c t b u c k y m i n i t e r f u l l e r e n e i st h et h i r d a l l o t r o p eo fc a r b o n ， f u l l e r e n ea n di t s d e r i v a t i v e sh a v ew i d e s p r e a da n dp r o s p e c t i v ea p p l i c a t i o ni nc h e m i s t r y ，b i o l o g y ， m a t e r i a l a n dm e d i c i n ef o rt h e i r p a r t i c u l a r t h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e s f u l l e r e n e 6 0 】， t h em o s tr e p r e s e n t a t i v e c o m p o u n d ， h a sp a r t i c u l a re m c a c ya n d b i o a c t i v i t yi na n t i h i v ，a n t i b a c t e r i a l ，a n t i t u m o r ，i n h i b i t i o no fe n z y m a t i ca c t i v i t y ， a n t i o x i d a t i o n ，n e u r o p r o t e c t i v ea n d s oo n d e h y d r o a b i e t y l a m i n e w h i c hi st h e d e r i v a t i v eo fa b i e t i ca c i d ，w i t has t e r o i d l i k et r i c y c l i cd i t e r p e n es t r u c t u r e ，h a s s t e r i l i z a t i o na n do t h e rb i o l o g i c a la c t i v i t i e s c 6 0 - d e h y d r o a b i e t y l a m i n ed e r i v a t i v e s w h i c hw e r es y n t h e s i z e db yo u re a r l yr e s e a r c hh a v el o ws o l u b i l i t yi nw a t e r ，t h es t u d y o ft h e i rb i o a c t i v i t yi sl i m i t e d i ti s s i g n i f i c a n tt oi n c r e a s e t h e i rw a t e r s o l u b l eb y m o d i f yc 6 0 d e h y d r o a b i e t y l a m i n e d e r i v a t i v e s c h e m i c a l l y a n dt od o b i o a c t i v i t y r e s e a r c h e so nt h e s en o v e lc o m p o u n d s t h eh y d r o x y l a t i o no nf u l l e r e n ew a ss t u d i e d6 r s ti nt h i sp a p e r w a t e r s o l u b l e c 6 0 - d e h y d r o a b i e t y l a m i n ef u l l e r e n o ld e r i v a t i v e s ( x y 二o ha n dg o h ) w e r es y n t h e s i z e d b y r e a c t i o no fc 6 0 d e h y d r o a b i e t y l a m i n ed e r i v a t i v e s ( f u l l e r o p y r r o l i d i n e d e h y d r o a b i e t y l a m i n e d e r i v a t i v ea n dc 6 0 d e h y d r o a b i e t y l a m i n en i t r e n e 5 ，6 】 o p e n c y c l o m o n o a d d i t i o nd e r i v a t i v e ) a n dn a o h ，i nt o l u e n e w a t e rm i x e ds o l u t i o na t r e n u xt e m p e r a t u r e ，w i t ht b a ha n dh 2 0 2a st h ec a t a l y s t s t h et a r g e tc o m p o u n d s ， w h i c hw e r et h em i x t u r eo fd i f f e r e n ta d d i t i o nd e g r e e so fh y d r o x y lg r o u p ，w e r e chara cteriz ed bytem ，ft ir ， esi ms ， 1 hnmrandhp lc t h ea d d i t i o nr e a c t i o no ff u l l e r e n ea n dg l y c i n ew a sa l s os t u d i e di n t h i s p a p e r w a t e r - s o l u b l ec 6 0 d e h y d r o a b i e t y l a m i n eg l y c i n ed e r i v a t i v e s ( x y g l y a n d g g i y ) w e r es y n t h e s i z e db yr e a c t i o no fc 6 0 d e h y d r o a b i e t y l a m i n e d e r i v a t i v e sa n d g l y c i n e ，i nt h em i x e ds o l u t i o no ft o l u e n ea n dw a t e r e t h a n o l a tr e f l u xt e m p e r a t u r e ， w i t hu l t r a s o n i ca s s i s t a n c e t h et a r g e tc o m p o u n d s ， w h i c hw e r et h em i x t u r e o f d i f f e r e n ta d d i t i o nd e g r e e so fg l y c i n eg r o u p ，w e r ec h a r a c t e r i z e db yt e m ，f t - i r ， e s i m s ，1 hn m ra n dh p l c i i t h e n ，t h eb i o a c t i v i t yo ff o u rw a t e r - s o l u b l ec 6 0 d e h y d r o a b i e t y l a m i n ed e r i v a t i v e s w h i c hw e r es y n t h e s i z e di nt h i sp a p e rw a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r w et e s t e dt h e m o ni n h i b i t i o no fr t a qd n ap o l y m e r a s ea c t i v i t y ，i nv i t r oa n t i h i v l r e v e r s e t r a n s c “p t a s ea c t i v i t ya n da n t i o v a r i a nc a n c e r ( h e ylbc e l l s ) a c t i v i t y w ec o m et oa c o n c l u s i o nb yt h ep r e l i m i n a r yt e s tr e s u l t ， t h ef o u rw a t e 卜s o l u b l e c 6 0 d e h y d r o a b i e t y l a m i n ed e r i v a t i v e sd i s p l a y e dd i f 托r e n td e g r e eo fi n h i b i t i o nt or t a q d n a p o l y m e r a s ea n d h i v - 1r e v e r s et r a n s c r i p t a s e ，a n dw i t hn or e g u l a r i t y t h el o w e s t c o n c e n t r a t i o nr a n g eo fi n h i b i t i o nt or t a qd n ap o l y m e r a s ea r e0 0 5 0 1 pg ml ( xy gly ) ，0 05 一o 1pg ml ( g g ly ) ，2 2 2pg ml ( x y oh ) ，l 一2 “g m l ( g - o h ) ，r e s p e c t i v e l y ；t h e m e d i a ni n h i b i t o r yc o n c e n t r a t i o n ( i c 5 0 ) o fh i v 一1 r e v e r s e t r a n s c r i p t a s e a r e7 0 6 4 p g m l ( x y g l y ) ，2 5 7 0g m l ( g - g l y ) ，19 8 2 6 p g m l ( x y - o h ) ，16 2 8 p g m l ( g o h ) ，r e s p e c t i v e l y ； a n d t h e yd i s p l a y e d f e w i n h i b i t i o nt oo v a r i a nc a n c e r ( h e y1bc e l l ) k e y w o r d s ：d e h y d r o a b i e t y l a m i n e ，f h l l e r e n e 【6 0 】， w a t e r s o l u b l e ，b i o a c t i v i t y ， h i v lr e v e r s et r a n s c r i p t a s e ， r t a qd n ap o l y m e r a s e m 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人争集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者( 本人签名) ： 瑚年占月f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构迭交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容 保密口，在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密b ( 请在以上方框内打“ 靠 ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 矽矿年多月尸目 哪年6 月，d 日 致谢 光阴似水流淌，三年时闻转瞬流逝在行将毕业之际，我要深深感谢对我的 成长付出心血的各位师长、朋友 首先感谢我的导师林中祥教授，本论文是在导师的悉心指导下完成的，导师 严谨的科研态度，认真的和谦逊的处事作风是我学习的榜样，在我读研的三年中， 导师对我在学业和科研上严格要求，悉心指导，在生活上关怀照顾，使我能够顺 利毕业，在此向导师交现诚挚的谢意并送上我真诚的祝福! 在论文完成过程中，受到了本校精细化工系的各位老师，本校生物化工系的 勇强老师，丁少军老师，本校林化系的各位老师，美国克兰弗林州立大学周爱民 教授，本校理化中心袁翠美老师，本校电镜分析室徐柏生老师、杨婧老师，中山 大学分析中心邓惠敏老师，南京药科大学沈文彬老师，湖南大学分析测试中心宋 老师，丁老师，中国科学院化学研究所北京质谱中心熊少祥教授，以及其他老师 不同程度的指导和帮助，在此一并致以衷心的感谢! 感谢连之娜，万海玲，郑斐及其课题组同学给予我实验条件上的帮助感谢 熊盎，高健，何滨，丁霞，王宇，刘劫，齐沛沛，付云涛，从赫雷，张曙光，周 波，陈文婷以及本课题组的其他同学在我实验过程中提出的宝贵意见，以及在日 常学习与生活中给予我的帮助，在与他们共同生活和思想交流的过程中，我受益 良多，我将永远怀念与他们共渡的时光。 还要感谢我最最亲爱的家人，好朋友们以及舍友们，他们对我求学的支持和 无私的关怀与爱，是我不断努力向前的动力源泉 最后，向百忙之中审阅本论文及参加论文答辩的各位专家表示衷心的感谢。 谨以此文献给我所深爱的家人、导师和在学业上一直支持我的朋友们 作者：范旭 2 0 0 8 年4 月 1 1c 6 0 的研究概况 1 1 1 【6 0 】富勒烯简介 第一章绪论 富勒烯c 6 0 ( 如图1 ) 是继金刚石和石墨后，英国科学家h a r o dw k r o t o 及美国 科学家r o b e r tf c u r l 、r i c h a r de - s m a i l e y 等f 1 1 子1 9 8 5 年在模拟星际间及恒星附近 碳原子族的形成过程中发现的一种由6 0 个碳原子组成的原子族物质，结构类似英 式足球的碳的第三种同素异形体【1 1 。 囝 图1 1 富勒烯分子结构 三种单质碳的结构参数见表1 。富勒烯是包括c 6 0 在内的所有含偶数个碳所形 成的分子的通称。c 6 0 是一种封闭而中空的稠环芳香碳素体，直径约为0 7n m ， 是最稳定的，实验测得c 6 0 晶体在室温下晶体中分子取向无序呈球形。进行立方 最密堆积( c c p ) 和六方最密堆积( h c p ) 依赖于升温温度和底衬物。高分辨率同步辐 射射线衍射和c 6 0 单晶射线衍射研究证明：高温时，c 6 0 为立方面心点阵结构。 表1 1 三种单质碳的结构参数 参数金磁石石墨 c ” 碳_ 0 复子构形 一弋键角 杂亿轨道 密姒翻。 四面诈平面三角形 l o 5 i 2 0 + s 矿鼹， 35 1 4 22 5 6 球面形 1 1 6 + 妒篁 王6 7 s 卜c 键长函( t - 鳆对) l 钳t 1 4 l81 66 ) 1 3 垒1 ；辑5 ) 1 4 5s 堡尘g 占燕亟磐：兰! q ：垒2 z2 竺! 2 19 9 0 年w k r a t s c h m e r 等1 2 】采用电阻加热石墨棒或用电弧使石墨蒸发法获得 常量水平的c 6 0 和c 7 0 的混合物，使得科学界对c 6 0 的研究成为可能。从2 0 世纪9 0 年代开始，c 6 0 以其独特的三维结构，新奇的反应性能逐渐成为科学界研究的热 点，在世界范围内掀起了研究c 6 0 的热潮，涉及的学科包括物理、化学、生物、 天文和材料科学等。由于c 6 0 分子的巨大科学意义，被美国s c i e n c e 杂志评为 “明星分子打。c 6 0 是由6 0 个碳原子组成的球形3 2 面体，即由1 2 个五边形和2 0 个六 边形组成，其中五边形彼此不相连。每个碳原子以s p 2 杂化轨道与相邻三个碳原 子相连形成g 单键，剩余p 轨道在c 6 0 球壳外围和内腔形成球面离域大冗键。c 6 0 独 特的结构赋予了它特殊的物理、化学性质。已发现c 6 0 具有能量较低的最低空轨 道t i u ，可以接纳六个电子，是一个优良的电子接受体，c 6 0 通过光诱导产生单重 态氧的效率高达1 0 0 ，被喻为“单重态氧的发生器 【3 l ；c 6 0 极易与游离基反应， 被喻为“吸收游离基的海绵”；c 6 0 的体积与h i v 病毒活性中心的孔穴大小相匹配， 有可能堵住洞口，切断病毒的营养供给例；c 6 0 分子中的3 0 个双键可发生d i e l s a l d e r 反应、b i n g e 【反应，可根据需要接上多种基团，还能发生氧化还原反应1 4 _ 、 离子反应【12 1 、周环反应【1 3 ，14 1 、自由基反应【1 5 1 、络合反应【1 6 ，1 7 ，1 8 】等，文献【1 9 】还报 道了很多制备c 6 0 衍生物的化学方法。且由于它的球状分子结构，所受空间位阻 的影响比平面型的苯要小，是药物设计的理想基体，被誉为“分子针插 ( m o l e c u l a r p i n c u s h i o n ) 2 0 】。c 6 0 的这些的特性引起了生物学家、药物学家的浓厚兴趣。在过 去几年中已有不少研究小组开始研究富勒烯及其衍生物的生物活性，并已取得了 一些令人鼓舞的结果。在今后的几年中，人们对富勒烯研究的脚步不会放慢，主 要的原因是它还有太多的潜能有待于人们去开发和利用。 近年来，富勒烯类化合物的生物活性逐渐引起人们的注意，初步研究表明在 h i v 病毒、抗肿瘤、酶活性抑制、切割d n a 、光动力学治疗等方面具有独特的功 效。此类化合物在超导【2 、电学、磁学、光学【7 ，2 孔、催化、高分子、材料学、生 化、医学、药物学等领域均展示出诱人的应用前景。预计c 6 0 在新型材料、计算 机和全光通讯等高技术领域也将有广泛应用。 1 1 2c 6 0 及其衍生物的生物活性 1 1 2 1 抗h i v 病毒活性和抑制酶活性 尽管针对a i d s 的治疗措施不断地改进，可是由于h i v 的不断地变异，加上现 有的治疗措施毒性较大，迫使我们需要探索新的治疗措施。人类免疫缺陷病毒蛋 白酶( h u n m a ni m m u n o d e f i c i e n c yv i r u sp r o t e a s e ，h i v p ) 对h i v 的存活至关重，它是 一种天冬氨酸蛋白酶。h i v 感染后，h i v p 裂解一种多聚蛋白质，从而激活病毒逆 转录，促使病毒增生。抑制h i v p 可以中止h i v 1 的生命周期，这对防止h i v 感染 新的c d 4 细胞非常重要。目前认为h i v p 是抗病毒的主要靶点，h i v p 抑制剂在临 床上得到广泛应用。但是，由于h i v 的高突变性，而不断产生药物抗性，同时目 前的抑制剂不同程度的对人蛋白酶产生抑制作用，使得科研工作者不得不继续寻 找新型的针对h i v 的特异性蛋白酶抑制剂。 据s i m o n 等【2 3 】报道，c 6 0 的2 氨基乙基二苯基琥珀酰亚胺衍生物( p ，p - b i s ( 2 锄i n o e t h y l ) d i d h e n y l c 6 0 m o n o s u c c i n i m i d e ) 对h i v p 有抑制作用。d a v i d 等1 2 4j 报道 了类似的发现。h i v 是艾滋病的病原体，主要感染人类c d 4 t 淋巴细胞，h i v p 对 2 r n a 逆转录核病毒蛋白质的合成有很重要的催化功能，是抗病毒药物的主要抑制 对象。h i v p 的活性位点是一个半开环的疏水椭圆体孔穴，两边线性排列着疏水 氨基酸和两个亲水的催化底物，两边线性排列着疏水氨基酸( a s p 2 5 ，a s p l2 5 ) ， 孔穴直径约1n m 。s i j b e s m a 和r a j a g o p a l a n 等【2 5 ，2 6 】发现，某些c 6 0 衍生物的分子直 径与h i v p 的活性中心接近，并且由于两者共有的疏水性而可以紧密结合。除疏 水静电作用外，还发现一些二价的金属富勒烯可以通过金属原子与天冬氨酸形成 盐桥而增加结合力。f r i e d m a n 等用d o c k 3 程序做了模型计算1 2 ，得到两者的缔 合常数k d = 1 0 1 0 毋m o l l ，对水溶性的c 6 0 衍生物1 ( 图1 2 ) 做了类似的计算【z ， 再一次得出衍生物1 的c 6 0 单元正好处在病毒活性位置的憎水腔中心。结果表明如 果在h i v p 活性中心引入富勒烯衍生物，其表面和酶之间理论上可形成范德华力， 使二者结合为复合体，就可以抑制h i v p 活性。s c h i n a z i 等1 2 8 j 对衍生物2 ( 图1 2 ) 的抗病毒活性进行了实验研究，发现该化合物对被h i v 急、慢性感染的细胞具有 抗病毒活性。图1 2 的两种中空衍生物对急、慢性感染h i v 的h 9 细胞和球形单核 血细胞均有抗病毒作用，且无毒性；而特异的抗h i v 药物3 叠氮脱氧胸苷仅对急 性感染有效，并具有毒性。近年来又不断有新型化合物合成，其中有部分表现出 较好的抗艾滋病病毒的活性【2 9 ，3 们。m a s h i n o 和m a r c h e s a n 等【3 1 ，3 2 】报道了多种富勒烯 衍生物对h i v 逆转录酶( h i v - l 盯) 有抑制作用。v a n n a j a n 和z h o n g w e iz h u 等【 ，z 列 从分子动力学角度研究了富勒烯衍生物的抗h i v 1 的活性。除h i v p 外，c 6 0 对半 胱氨酸蛋白酶、丝氨酸蛋白酶、谷氨酸蛋白酶、谷胱甘肽转移酶、谷胱甘肽还原 酶和一氧化氮合酶等在内的其他酶也有抑制作用。 骨亍生物l钎生物2 图1 2 富勒烯水溶性衍生物 1 1 2 2 抗氧化和神经保护作用 众所周知，氧化应激是氧自由基引起的一系列瀑布反应，包括脂质过氧化、 蛋白质形变、d n a 损伤以及其他生物大分子的破坏，从而导致细胞凋亡。富勒烯 被认为是“清除自由基的海绵，实验证明其可以有效减少神经元死亡。富勒烯 这种神经保护的活性主要与其清除自由基( 超氧阴离子、羟自由基) 的能力有关。 实验表明，多羟基富勒烯【c 6 0 ( o h ) 。】( 又名富勒醇) 是一种很好的抗氧化剂，清 除自由基效率高，且其水溶性好，可以自由穿过血脑屏障，对其研究比较深入。 3 实验证明其可以降低原代培养的皮质神经元的凋亡水平，保护自由基对神经组织 的损伤。实验还表明其可以阻断谷氨酸受体【3 4 1 ，降低细胞内钙离子浓度。其对 a m p a ( 使君子酸受体) 的影响比对n m d a ( n 甲基d 天冬氨酸) 以及k a ( 红藻氨 酸受体) 的影响要大，而且这种影响呈富勒烯浓度依赖性，5 0 斗m o l l 时，其可以 降低8 0 的神经毒性。体内实验表明，富勒醇可以有效保护神经侧索硬化症患者 的神经元退化，阻止多巴胺黑质纹状体通路中铁诱导的氧化应激。体内试验表 明，富勒烯的另一种水溶性衍生物六磺酸基富勒烯可有效减轻氧化应激。例如， 预先给药可以明显降低沙鼠脑缺血所引起的梗死面积。静脉注射六磺酸基富勒烯 还可以降低血中的乳酸脱氢酶的浓度，提高血浆n o 含量。深入研究证实，六磺 酸基富勒烯清除自由基抑制血浆中脂质过氧化，可以预防动脉粥样硬化并抑制粥 样斑块增生1 3 5j 。d u g a n 等【36 j 研究表明，富勒烯羧酸衍生物能够消除过氧阴离子及 h 2 0 2 ，同时也可有效抑制质脂过氧化。l i n 等【3 7 】报道局部注射羧酸富勒烯衍生物 可保护老鼠大脑避免脑皮层梗塞。 由于富勒烯及其衍生物能够有效抑制与氧自由基和氧化压力有关的神经细 胞凋亡的发生，这为科研工作者的研究提供了系统规律性的理论指导，并可能推 动延缓衰老药物的开发进程及有关方面的研究。 1 1 2 3 抗菌活性 研究发现，富勒烯可插入生物膜，并引起生物膜结构破坏，此活性吸引了许 多研究小组开始探索其潜在的抗菌活性。研究已经发现，富勒烯衍生物可以抑制 白色念珠菌、枯草杆菌、肠球菌和鸟型分枝杆菌等。化合物1 与化合物2 ( 图1 3 ) 相比，化合物l 的抑制效率更高，即使对耐药的人结核分枝杆菌也有很好的抑菌 效剁38 1 。 ( g i y 旬m k g i 州 o cr ：“c h 2 c h 2 0 c h 2 c h 2 0 c h 2 c h 2 0 c h 3 ， 3 r = 七h 2 0 c h 2 c h 2 0 c h ，c h 2 0 c h ， 啊g 睁电m ) r g 秘蝴2 5 图1 3 几种富勒烯衍生物结构图 4 ，厂h 少： 二 ，西 r西一 t s a o 等1 3 9 l 研究了三羧酸富勒烯针对2 0 多种不同细菌，如：葡萄球菌、链球 菌、肠球菌( 革兰氏阳性) 、肺炎克雷白杆菌、大肠杆菌、绿脓杆菌伤寒沙门氏菌 ( 革兰氏阴性) 的效应。研究表明所有的革兰氏阳性菌都可以得到有效抑制，其 m i c 5 0m g l ，特别是对化脓性链球菌a 2 0 ，其抑制浓度仅为5m g l 。但研究 同时发现，革兰氏阴性菌即使在5 0 0m g l 时都没有受到抑制。根据对革兰氏阳性 菌和革兰氏阴性菌的对比研究发现，富勒烯抑制细菌可能与富勒烯插入细菌胞壁 相关。扫描电镜和抗体结合实验也提供了相关证据。 富勒烯缩氨酸衍生物1 40 】是一种具有很强抗菌潜力的富勒烯衍生物，现已应 用固相肽合成法合成。这类化合物主要应用于生物方面( 如抗h i v 活性) ，但是它 的一些新应用正在被考虑。富勒烯第一次被应用在固相缩氨酸( s p p s ) 中以制备缩 氨酸衍生物【4 ，例如化合物3 ( 图1 3 ) ，它由具有亲脂活性的富勒烯和提供水溶性 和静电相互作用的肽段组成，有着很强的抗菌活性。实验发现，富勒烯多肽衍生 物对化脓性金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的m i c 分别为8 “m o l l 和6 4 斗m o l l ，而不 含富勒烯的肽段没有抑菌活性，这就暗示了富勒烯两性分子在抗菌过程中的重要 作用。另一种多肽5 ( 图1 3 ) 对革兰氏阴性菌( 如大肠杆菌) 和酵母( 如白色念珠菌) 有较好的抑制作用，而对革兰氏阳性菌( 金黄色葡萄球菌) 效果较差。将富勒烯核 心的引入后其对革兰氏阳性菌的抗菌活性明显提高了，但对革兰氏阴性菌和酵母 的活性却下降了。还有一种被称为p 19 ( 8 ) 的缩氨酸也具有抗g r a m 阳性和酵母菌作 用，但它在抗g r a m 阳性时表现很低的活性，然而，这种缩氨酸和c 6 0 结合后，表 现出很强的抗菌活性和溶血活性，它能使抗g r a m 阳性的活性增加，使抗g r a m 阴 性和酵母菌的活性降低1 4 引。 除了插入细胞膜对质膜产生破坏作用外，还可以利用富勒烯的其他的特性抑 制病原微生物。m a s h i n o 等利用两种甲基吡咯碘修饰的富勒稀同分异构体，研究 其对大肠杆菌的抑制活性。他们推测，富勒稀衍生物的抗菌活性主要通过对能量 代谢过程的抑制达到，可能存在两种相反的剂量依赖性机制：低浓度时氧摄取下 降，浓度时氧摄取增加。摄取的氧转化为过氧化氢发挥作用。此外，对呼吸链抑 制也是重要的机制之一。在临床实际应用方面，有研究发现羧酸富勒烯可以明显 降低化脓性链球菌a 2 0 感染的死亡率，抑菌效果呈剂量依赖性，抑制效率可达3 3 1 4 引。其作用机制可能与中性粒细胞抗菌活性增强有关。研究还发现，羧酸富勒 烯可以抑制大肠杆菌所致的脑膜炎，使t n f a 和i l 1 b 的表达量、白细胞炎性浸润 以及血脑屏障的通透性下降。这种保护效应可能不是因为富勒烯对细菌的直接抑 制，很可能与富勒烯抑制中性粒细胞介导的晚期血脑屏障开放相关。多个研究小 组近期也证实了富勒烯及其衍生物具有较强的抗菌和抗病毒活性【4 4 4 。 1 1 2 4 其他 富勒烯的衍生物可以抑制细胞凋亡。h u a n g 等【4 8 1 实验证明，羧酸富勒烯的两 种同分异构体通过中和t g f p 诱导的氧自由基抑制肝肿瘤细胞h e p 3 b 凋亡。羧酸 5 富勒烯可以抑制对表皮细胞生长底物剥夺所致的失巢凋亡。研究表明，富勒烯衍 生物抑制凋亡与其清除自由基显著相关。在紫外光或者可见光照射下，富勒烯衍 生物产生切割d n a 的活性也是个重要生物学效应。通过合成特异性富勒烯寡核 苷酸衍生物，从而序列特异性地切割d n a ，给基因组研究提供了广阔的应用前景 【4 9 1 。富勒烯衍生物还具有抑制半胱氨酸蛋白酶和丝氨酸蛋白酶的活性。富勒烯 的这种活性可能与其特殊的疏水性、亲电性以及高还原电位有关，但是其机制尚 未研究清楚。由于富勒烯复合物具有组织选择性，而且其毒性较小，当其注入血 流中，可以迅速分布到各种组织，而且一周内几乎检测不到毒性的存在垆。利 用富勒烯衍生物作为药物载体为器官靶向性药物的开发提供了崭新的思路。另外 富勒稀衍生物还可以用于造影剂的研究，金属富勒烯的合成使富勒烯作为一种新 的放射示踪剂成为可能。 c 6 0 可与s c y 和大多数镧系元素、碱金属和碱土金属形成c 6 0 m n + 富勒烯包含 物，在超导、铁磁性材料、光学材料等方面应用。c 6 0 分子中3 0 个双键，可被氟 气分步氟化生成c 6 0 f 6 、c 6 0 f 4 2 和c 6 0 f 6 0 。后者为白色粉末，可作高温润滑剂、耐 热和防水材料。c 6 0 可作为吸附自由基的海绵，与偶氮二异丁腈分解产生的游离 基( c h 3 ) 2 c c n 加成。c 6 0 可以通过气相沉积、液相沉积、l b 技术及自组装技术( s a m ) 成膜，用于光保护器、光电池、超分子器件、多层中心叠加非线性薄膜超导膜等 具有实用前景的分子器件的基体膜。另外在新型催化剂方面，c 6 0 催化氧化h 2 s 成s ；以c 6 0 为载体的催化剂在3 0 0 ( h e 气氛) 时仍保持稳定，是噻吩脱s 的良好催 化剂；r h 的c 6 0 衍生物r h ( p p h 3 ) 2 ( c o ) ( 1 1 c 6 0 ) h 是乙烯、丙烯羰基化的高效催化剂。 1 1 3c 6 0 的1 ，3 偶极环加成反应研究概况 由于c 6 0 分子具有缺电子烯烃的化学特性，而其六元环间的6 6 双键为反应的 活性部位，因此可以发生氢化、卤化、氧化还原、环加成、络合和自由基加成等 多种反应。其中，环加成反应主要包括 4 + 2 ， 3 + 2 】， 2 + 2 】和 2 + l 瑶! 。而通过亚 胺叶立德与c 6 0 发生的1 ，3 偶极环加成反应( 【3 + 2 】型) 形成n 一取代的和n 一未取代的 c 6 0 毗咯烷衍生物是用于c 6 0 化学修饰的最重要方法之一，也是c 6 0 化学修饰的热点 专一f 5 l ，5 2 j 【o c h 3 n h c h 2 c o o h + h c h o + c 6 0 t o l u e n e 图1 4m a g g i n i 亚胺叶立德与c 的反应 一c h 3 亚胺叶立德的来源很广泛，一种比较简单和有效的方法是在氮气流保护下， 回流醛和q 氨基酸的甲苯溶液。m a g g i n i 及其同事【5 3 】首先利用这一方法产生的亚 6 胺叶立德与c 6 0 反应，以n 甲基甘氨酸、低聚甲醛和c 6 0 溶于甲苯中搅拌回流生 成c 6 0 吡咯烷衍生物( 图1 4 ) 。这种方法的优点是：能够得到纯的【6 ，6 】闭环异构 体；a 氨基酸和醛( 或酮) 很易得；两个取代基可同时引入到吡咯环中。 后来，又有了相关工作的报道【5 4 ，55 1 。李玉良等【5 6 ，5 7 】不仅较早地开展了这方 面的工作，而且首先利用酮与0 【氨基酸( 产生的亚胺叶立德) 与c 6 0 反应生成c 6 0 吡咯烷衍生物，如图1 5 。 y h + 6 器 n h n h 2 h lc 6 0 j h 氓c 剁y x 删h + 人( c h 2 ) 3 c h 莉l 。k 4 c h 一 一删， 旦一) n 图1 5 酮产生的亚胺叶立德与c 6 0 的反应 三疆h + 也卜崇兰涝执心 a k n 夕 2 ，8 c h 3 图1 6 基于c 6 0 的稳定氮氧自由基的合成 b s o f o u 【5 8 】等向c 6 0 的甲苯溶液中加入n ( ( o 羟乙基) 乙氧基) a 氨基乙酸的乙 醇溶液和聚甲醛，在“o 下回流反应l8h ，经硅胶柱层析分离得到c 6 0 含吡咯 环衍生物，产率4 4 。并以此为基础进一步合成了具有生物活性的c 6 0 衍生物。 7 卜 器 。6 ) 2m 石志强等i 鲫j 依据稳定氮氧自由基的生成条件【6 0 】一一必须是二级胺且a 位上 没有氢原子，设计了合成路线：用a 氨基异丁酸和2 ，11 十二二酮首先产生亚胺 叶立德，再与c 6 0 反应形成受阻胺的c 6 0 毗咯烷衍生物a ，用间一氯过氧苯甲酸 ( m c p b a ) 氧化生成基于c 6 0 的稳定氮氧自由基b 。反应式如图1 6 。 w u l o l j 等报道了亚胺类l ，3 偶极子与c 6 0 发生【3 + 2 环加成反应。脯氨酸酯与 c 6 0 在甲苯中回流反应得到c 6 0 的吡咯烷衍生物( 图1 7 ) 。 0 e p h h c = n c h 2 c 0 0 c h 于；= = = = = = 兰p h c h n h c h c o o c h 3 。 h 3 图1 7 亚胺类1 ，3 一偶极子与c 6 0 发生f 3 + 2j 环加成反应 周德建等【6 2 】选择了对位取代的苯甲醛系列，利用下列反应( 图1 8 ) 合成了一 系列含强推电子取代基及吸电子取代基的c 6 0 衍生物，并用核磁、质谱等手段确 定了它们的分子结构。由于苯环的引入，中间态比不含苯环的1 ，3 偶极更稳定， 产物的产率及反应速率都比文献中不含苯环的有所提高。 c h 3 n h c h 2 c o o h + t o l u e n e - - - - - - - - - - - r e f l u x c h o r - n m e 2 ，o m e ，h ，c h o ，n 0 2 r 图1 8 以对位取代的苯甲醛系列合成c o 衍生物 赵一雷等【6 3 1 曾经利用甘氨酸合成了一系列c 6 0 毗咯环衍生物【“6 6 1 ，在此基 础上利用脯氨酸合成了新的一类c 6 0 衍生物( 图1 9 ) ，发现新合成产物的两个顺 反异构体的偶极距有较大的差别，能够用简单方法将之分离，并用1 hn m r ，1 3 c n m r ，f d m s ，u v v i s 等光谱手段对新合成的化合物进行了表征。 王婷婷等【6 7 】用1 ，3 偶极环加成反应对富勒烯c 6 0 与多芳胺化合物的选择性加 成反应进行了研究( 图1 1 0 ) ，在不同条件下获得到了单加成物和三加成产物，对 其h p l c 分离条件进行了摸索。 g a n 【6 8 】等在适量氧气存在下，c 6 0 与甘氨酸酯经光照进行含氮l ，3 偶极加成， 生成含吡咯环的c 6 0 衍生物( 如图1 1 1 ) 。 8 m e r 人y h h o 絮 h “ 阪h 支i l ar = h ，b 卜c h o ，c 月= a 图1 9 以脯氨酸合成c 6 0 衍生物 c h 3 n h c h 2 c o o h +n 0 c 6 0 ，t o l u e n e r e n u x g h 3 图1 1 0 多芳胺化合物与c 6 0 的反应 h ，n c h 2 c h 图1 1 lc 6 0 与甘氨酸酯经光照进行含氮l ，3 - 偶极加成 m e h h + 图l - 1 2 甲基甘氨酸酯与c 仰反应 9 h n 甘良兵【6 9 1 等在上述条件下，将甲基甘氨酸酯与c 6 0 反应除得到上述产物还得 到c 6 0 单羧酸酯衍生物( 如图1 12 ) ，并解释了反应机理。 h 厂、o 、 o 6 2 ) h oo l o b i ： eo 图1 1 3 一些具有光电活性的c 6 0 衍生物 尚贞锋【7 0 】等还利用半经验p m 3 方法，研究了c 9 2 与甲亚胺叶立德l ，3 偶极环加 成反应的机理与区域选择性，计算结果表明：c 8 2 的l ，3 偶极环加成反应遵循分步 机理，是一个放热反应，反应活化能随着所加成键的键长增大而增加，无论是从 热力学还是从动力学方面考虑，最优先加成的位置是键长最短、张力最大的键。 近年来，以p r o t o 反应为基础合成了一系列的具有光电活性的电荷转移复合 物，其中以含c 6 0 的富勒烯衍生物为受体，给体单元包括t t f 衍生物【7 1 7 引、噻吩【7 3 | 、 冠醚【7 4 ，75 1 、t c n q 【76 1 、二茂铁【7 7 ，7 8 】等( 图1 13 ) 。 1 1 4c 6 0 的氮烯加成反应研究概况 在富勒烯化学中，c 6 0 由于其特殊的立体结构，在化学反应中表现缺电子烯 烃性质，使得它可以与富电子的物质或者基团，如叠氮化合物，氮烯活性中间体 发生反应，生成亚氨基衍生物，显示出其特有的化学性质。 ff a ff 图1 1 4 全氟代苯基叠氮化合物a 与c 6 0 的光化学反应 k e a n a 等【7 9 1 报道了全氟代苯基叠氮化合物与c 6 0 的光化学反应( 图1 1 4 ) l o 器一心中鸯 他们利用3 0 0n m 的紫外光对c 6 0 与1 1 倍的全氟代苯基叠氮化