（分析化学专业论文）含氮芳香化合物的合成、表征及与dna作用机理的电化学研究.pdf

含氮芳香化合物的合成、表征及与d n a 作用机理的 电化学研究 摘要 本论文合成了7 种含氮化合物，用元素分析、红外光谱以及x 射线衍射分析 测定了其晶体结构。选择三个具有电化学活性的金属配合物c u ( c 1 6 h 1 4 n 2 0 2 ) 、 【c o ( b t h ) 2 ( h 2 0 ) 4 c 1 0 4 及 c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 ( n 0 3 ) 2 ，利用电化学方法研究了它们与d n a 的作用机理，确定了最佳反应条件。运用核酸杂交技术，用 c o ( b t h ) 2 ( h 2 0 ) 4 c 1 0 4 及 c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 ( n 0 3 ) 2 作为指示剂制备了d n a 电化学传感器。 本论文共分为六章： 第一章概述了杂环化合物的分类、应用及研究进展，尤其苯并含氮杂环化合 物、噻唑类化合物和咪唑类化合物的研究和应用。综述了杂环化合物与d n a 作 用的机理、d n a 电化学传感器的设计原理及杂交指示剂的研究，重点介绍了d n a 电化学传感器研究的现状及发展趋势。 第二章以邻苯二胺为原料合成了酰胺、苯并噻二唑、苯并咪唑等7 种含氮化 合物及配合物，并采用元素分析、红外、核磁和单晶x 射线衍射分析确定了它们 的结构。 第三章运用循环伏安法及微分脉冲伏安法研究了c u ( c 1 6 h 1 4 n 2 0 2 ) 与鲑鱼精 d n a 的相互作用。c u ( c 1 6 h 1 4 n 2 0 2 ) 在玻碳电极上的循环伏安图出现一氧化峰，当 其与d n a 作用后，氧化峰电流减小，氧化峰电位几乎不发生变化。结果表明， c u ( c 1 6 h 1 4 n 2 0 2 ) 与d n a 结合比为2 ：1 ，结合常数为6 6 3 x 1 0 5l 2 m 0 1 2 。 第四章运用循环伏安法及微分脉冲伏安法研究了【c o ( b t h ) 2 ( h 2 0 ) 4 + 在0 2 t o o l l 。1 的a c o h a c o n a 缓冲溶液中与鲑鱼精d n a 的相互作用，结果表明 【c o ( b t h ) 2 ( h 2 0 ) 4 + 通过嵌插作用与d n a 结合。 c o ( b t h ) 2 ( h 2 0 ) 4 + 为杂交指示剂， 通过共价键合法进一步制备成d n a 生物传感器。测定了d n a 电化学传感器检测 人免疫缺陷病毒( h i v ) 的检测线性范围为3 2 1 0 。- - 2 9 x 1 0 西t o o l l ，在此浓度 范围内的d n a 可定量检测；检测限为1 1 x 1 0 t o o l l 一( s 肘= 3 ) 。 第五章运用循环伏安法及微分脉冲伏安法研究了在0 2m o l l q 的 a c o h a c o n a 缓冲溶液中， c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 】2 + 与鲑鱼精d n a 的相互作用，结果表 明 c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 2 + 通过嵌插作用与d n a 结合。以 c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 】2 十为杂交指示剂， 通过共价键合法进一步制备成d n a 生物传感器。测定了d n a 电化学传感器检测 乙肝病毒( h b v ) 的检测线性范围为1 4 9 x 1 0 1 0 6 1 0 6m o l l 一，检测限为 8 4 】0 8 m 0 1 i ，1 ( s n ：3 ) 。 第六章为结论部分，对全文内容进行了总结。 关键词：含氮化合物，合成，d n a ，电化学传感器 i i s y n t h e s e sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no f n - c o n t a i n i n ga r o 脚i cc o m p o u n d s a n d e l e c t r o c h e m i c a ls t u d i e so n i n t e r a c t io n 匝c h a n is mw 1 t hd n a a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，s e v e nn - c o n t a i n i n gc o m p o u n d 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 b ve l e m e n t a la n a l y s i s ，i rs p e c t r a , 1hn m ra n dx - r a yc r y s t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s c o n t a i n i n gc o m p o u n d sc o o r d i n a t e dw i t ht r a n s i t i o n a lm e t a lw e r es y n t h e s i z e da n d t h e e l e c t r o c h e m i c a ln a t u r ea n dt h ei n t e r a c t i o nw i t hd n a w e r ei n v e s t i g a t e d i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ec l a s s i f i c a t i o no fh e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s ，a p p l i c a t i o na n d r e s e a r c hp r o g r e s s ，e s p e c i a l l yb e n z o i c n i t r o g e n o u sh e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s ，t h i a z o l e c o m p o u n d sa n dt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f i m i d a z o l ec o m p o u n d sw e r ei n t r o d u c e d i nt h es e c o n dc h a p t e r w i t ho - d i a m i n o b e n z e n ea st h eo r i g i n a lm a t e r i a l ，f i v es e r i e s o fc o m p o u n d s ，s u c ha sa m i d e ，b e n z o t h i o b i a z o l ea n db e n z i m i d a z o l ed e r i v a t i v e s ，w e r e s v n t h e s i z e d t h ec o m p o u n d sw e r ec o o r d i n a t e dw i t hm e t a l st of o r mm e t a lc o m p l e x e s t h ec o m p o u n d sw e r ec h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s ，i rs p e c t r aa n d 1h n m r 。 f i v es i n g l ec r y s t a l so ft h e mw e r eo b t a i n e da n dt h e i rs t r u c t u r e sw e r ed e t e r m i n e db y x r a yc r y s t a l l o g r a p h ym e t h o d 1 1 1m et h i r dc h a p t e r , c y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a n dd i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r y f d p v ) w e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n 【c u ( c 1 6 h i 4 1 q 2 0 2 ) 】a n ds a l m o n s p e r md n a w h e nd n a w a sa d d e d ，t h ep e a kc u r r e n to f c u ( c 1 6 h 1 4 n 2 0 2 ) 】w a s d e c r e a s e da n dt h ep e a kp o t e n t i a lw a sn o tc h a n g e d i n0 2t o o l l 1b rb u f f e rs o l u t i o n ， t h eb i n d i n gr a t i ob e t w e e n 【c u ( c 1 6 h 1 4 n 2 0 2 ) 】a n ds a l m o ns p e r md n a w a sc a l c u l a t e dt o b e2 ：1a n dt h eb i n d i n gc o n s t a n tw a s6 6 3x10 5l 2 m 0 1 2 i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，c y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a n dd i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r y ( d p v ) w e r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n c o ( b t h ) 2 ( h 2 0 ) 4 】+ a n d s a l m o ns p e r md n a a ne l e c t r o c h e m i c a ld n ab i o s e n s o rf o rt h ed e t e c t i o no fs h o r t d n a s e q u e n c er e l a t e dt ot h eh u m a ni m m u n o d e f i c i e n c yv i r u s ( h i v ) w a sd e v e l o p e dw i t h c o ( b t h ) 2 ( h 2 0 ) 4 + a sh y b r i d i z a t i o ni n d i c a t o r w i t l lt h i sa p p r o a c h ，as e q u e n c eo ft h e h i vc o u l db eq u a n t i f i e do v e rt h er a n g ef r o m3 2 x10 m o l l 1t o2 9 x10 击m 0 1 l w i t h ad e t e c t i o nl i m i to f1 1xl0 m o l l t h ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o rs h o w e d g o o d s e l e c t i v i t y i nt h ef i f t hc h a p t e r t h ep r o c e s so f c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 2 + o ng l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e m i g h tb eaq u a s i r e v e r s i b l er e a c t i o nc o n t r o l l e dn e i t h e rb ya d s o r p t i o nn o rb yd i f f u s i o n c y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a n dd i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r y ( d p v ) w e r eu s e dt o i n v e s t i g a t et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n c d ( c 7 i - 1 6 n 2 ) 2 2 + a n ds a l m o ns p e r md n a t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em o d eo ft h ei n t e r a c t i o no fd n aw i t h 【c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 】2 + i s i n t e r c a l a t i v e t h en o v e l h y b r i d i z a t i o ni n d i c a t o r , b i s ( b e n z i m i d a z o l e ) c a d m i u m ( i i ) d i n i t r a t e ( c d ( b z i m ) 2 ( n 0 3 ) 2 ) ，w a su t i l i z e d t o d e v e l o p a ne l e c t r o c h e m i c a ld n a b i o s e n s o rf o rt h ed e t e c t i o no fs h o r td n a s e q u e n c er e l a t e dt ot h eh e p a t i t i sbv i r u s ( h b v ) w i t ht h i sa p p r o a c h ，as e q u e n c eo ft h eh b vc o u l db eq u a n t i f i e do v e rt h er a n g e f r o m1 4 9 x 1 0 m o l l 。1t o1 0 6 x 1 0 由m o l l w i t hal i n e a rc o e l a t i o no f r = 0 9 9 7 3a n d ad e t e c t i o nl i m i to f8 4 x1 0 一m o l l 1 1 1 e c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 】2 + s i g n a lo b s e r v e df r o mp r o b e s e q u e n c eb e f o r ea n da f t e rh y b r i d i z a t i o nw i t hf o u rb a s e sm i s m a t c hc o n t a i n i n gs e q u e n c e w a sl o w e rt h a nt h a to b s e r v e da f t e rh y b r i d i z a t i o nw i t hc o m p l e m e n t a r y s e q u e n c e ， s h o w i n gg o o ds e l e c t i v i t y t h e s er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ei n d i c a t o r c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 2 + p r o v i d e sg r e a tp r o m i s ef o rr a p i da n ds p e c i f i cm e a s u r e m e n to ft a r g e td n a i nt h el a s tc h a p t e r ，i tw a ss u m m a r i z e df o r t h ew h o l et h e s i s k e y w o r d s ：n - c o n t a i n i n gc o m p o u n d ss y n t h e s i sd n ae l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r i i 青岛科技人学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：拈翮舞 日期：沙口7 年 l 矿月 占日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密日。 以上方框内打“4 ) 日期：o 功矿7 年，口月2 ，日 日期：矽7 年 少月日 僦磷蝗妻 名名签签人师本导 青岛科技大学研究生学位论文 第一章前言 含氮芳香化合物数目众多，是有机化合物中最庞大的一类化合物。据估计， 已知的数百万种有机化合物中，有一半以上是含氮芳香化合物，有关它们的文献 约占全部化学文献的三分之一。自然界产生的半数以上的化合物均含有杂环体 系，许多具有强烈生理活性和药用价值的化合物大多属于含氮杂环化合物类，如 植物中的生物碱等【i 2 】。含氮芳香化合物一直以来都是化学家感兴趣的一个领域。 近年来随着结构分析和鉴定技术的进步，越来越多的含氮芳香化合物被发现，含 氮芳香化合物的用途和应用范围也不断的拓展。意大利、法国、日本及美国的一 些实验室开展了有关d n a 蒽环抗生素道诺霉素加合物的研究，发现葸环化合物 通过其带正电荷的糖残基与d n a 之间的静电作用及葸环平面与d n a 的嵌入结合 而形成加和物。道诺霉素的抗癌作用，与其能够和d n a 形成加合物也是密切相 关的。分子生物学和分子药理学的发展使人能够从基因水平上理解某些疾病的发 病机理，并通过分子设计来寻找有效的治疗药物。因此，d n a 与其靶向分子相互 作用的研究不论是对阐述抗癌、抗病毒药物的作用机理、药物的体外筛选，还是 对致癌物的致癌机理的研究都是非常有意义的。 1 含氮杂环化合物分类【3 l 在含氮杂环化合物中，各种不同环上的排列组合方式和键合类型是多种多样 的，所以构成的含氮杂环化合物的数目是相当惊人的。通常根据其结构特征进行 分类，大致有以下三种分类方法： 第一，按照杂环分子中所含兀电子的状态和数量多少可以分为四种类型： ( 1 ) 以苯分子为参比标准，凡是环中的兀电子密度比苯中的大，并像苯一样 有一个连续封闭的共轭体系的杂环环系，称为超7 c 电子环系。它们在性质上的主 要特征是亲电取代反应的反应性比苯还大。 ( 2 1 杂环分子中虽然存在一个像苯一样的连续封闭的共轭体系，但环中的冗 电子密度比苯中的小，这类杂环环系称为缺7 c 电子环系。这类杂环的亲电取代反 应性要比苯小。 ( 3 ) 含有孤立的兀键或者不连续的7 c 键的杂环环系，也称为烯型杂环环系。 ( 4 ) 不含有冗键的杂环环系，即饱和杂环环系，也称为烷型杂环环系。 第二，将所有的含氮杂环化合物分为芳香型杂环环系和脂肪型杂环环系，而 且后一类又包含有烯型和烷型两种。 含氮芳香化合物的合成、表征及与d n a 作用机理的电化学研究 第三，按照杂环分子中的环中包含的原子数目( 即环的大小) 可以分为三元环、 四元环、五元环等单环杂环环系及稠环杂环环系等。也可以综合考虑各类杂环的 性质和分子结构，将杂环化合物分成五类，即：单杂环、稠杂环、巨杂环、螺杂 环、桥杂环与杂环多面体等。 2 含氮杂环化合物的应用 2 1 含氮杂环化合物在染料化学中的应用 目前通用的各种染料，几乎全是人工合成的。用合成染料来做食用色素或化 妆品染料对人体健康显然是有害的。因此近年来开始重视天然色素的研究。这些 天然色素中多是含氮杂环化合物。例如可以作为绿色染料的叶绿素铜钠。人工合 成的染料中，除偶氮染料、三苯甲烷染料和少数其他类型外，多数也是含氮杂环 化合物。例如，二苯并噻唑染料、二葸醌并吡嗪染料、吲哚染料、酞青染料、均 三嗪活性染料等。 2 2 含氮杂环化合物在医药化学中的应用 含氮杂环化合物具有广泛的药理活性，是常用的医药中间体。由于含氮杂环 化合物所具有的独特生化特性，使其特别适用于作前驱化合物，通过修饰和改变 其结构，来提高其各项性能。例如常见的喹诺酮类和先锋霉素的侧链绝大部分都 是含氮杂环化合物【4 j 。目前，用于临床的含氮杂环化合物也是为数众多，例如抗 菌消炎的苯嗯洛芬、抗肿瘤药双喹喔啉酮的衍生物，以及中枢性强效肌肉松弛药 氯唑沙宗【5 】等。其中含氮杂环化合物在治疗当今世界两大疑难病症一癌症和艾滋 病的药物研究开发方面己取得了突破性进展。 生物碱是中草药的主要有效成分，绝大多数生物碱都是含氮杂环化合物。如 颠茄碱含四氢吡咯和六氢吡咯环，马钱子碱、利血平含吲哚环，黄莲素、婴粟碱、 吗啡含异喹啉环，奎宁含喹啉环，阿的平含丫啶环，其他如强心甙的洋地黄毒甙， 蟾蛤毒素等菌体生物碱除含甾环外还含有杂环。抗菌素的研究在我国很受重视。 据报道被研究过的抗生素达七、八千种，但被筛选采用者屈指可数。其中较重要 的有青霉素、土霉素、四环素、金霉素、红霉素等。青霉素含氮杂环丁酮和氢化 噻唑环。此外抗疟药大部分含有喹啉环，软化血管和降血压的芦丁含苯并y 一吡 喃酮环。 2 3 含氮杂环化合物在农药化学中的应用 在化学农药的领域中，含氮杂环化合物类农药是重要的发展方向之一，杂环 2 青岛科技大学研究生学位论文 的引入，不但可以提高生物活性，而且可以改善其选择性。含氮杂环化合物在农 药领域的发展，首先是在杀菌剂方面，这已为大家所熟知。然后则是除草剂，自 从磺酞服类除草剂出现之后，陆续出现了多种类型的超高效除草剂，而且大都是 含氮杂环化合物。近年来，含氮杂环化合物的应用使原有的杀虫剂、杀菌剂、除 草剂和植物生长调节剂增添了新的活力。其中咪唑类杂环化合物具有良好的生物 活性且易生物降解，已成为杀菌剂领域的研究热点【6 】。目前，许多被商品化的超 高效除草剂、杀菌剂、杀虫剂，都是含氮杂环化合物【7 1 。新出现的超高效农药， 也大都是杂环化合物，特别是含氮杂环化合物，含氮杂环化合物因具有高效、低 毒性的特点而倍受科学家的青睐，并逐渐成为当代农药发展的主流【8 】。在近年的 新农药的创制中，含氮杂环化合物占据了主要地位，极大地丰富了农药的武库， 并为使农药向超高效、无公害的方向发展开拓出广阔的途径。 2 4 含氮杂环化合物在分析化学中的应用 杂环化合物中，环本身是一不饱和的官能团，具有与其它原子络合的作用。 由于杂原子的引入，环上的剩余电子作用更明显，这就使络合作用更为突出。有 时为了达到我们所需要的强络合作用，在杂环中还引入双键，或是在杂环化合物 中引入具有共轭n 电子的官能团，或是在环上引入具有强吸电子作用的官能团。 这样，杂环化合物与其它离子的络合作用加强，而且由于长链电子的官能团的 作用，试剂本身就显示出有颜色或是在紫外一可见光谱带内有吸收，或是能够在 电极上得到或失去电子，发生氧化还原反应，与带电离子相互作用后，就会影响 这种吸收或是反应，这就为分析手段提供了可能。含氮杂环类化合物由于其良好 的络( 鳌) 合作用和显色作用，是分析化学中最常用的试剂。使用较早的有1 ，1 0 菲咯琳、8 羟基喹琳、吡啶等。随着科学的发展，试剂的更新也突飞猛进，现在 用于分析的试剂的范围也大大的扩展。用于分析的常用试剂有：杂环偶氮类【9 j 、 荧光酮类【10 1 、三氮烯类【1 1 】、杂环染料类【12 1 ，大环的有：卟啉类、环糊精类、冠醚 类、大环多胺类等等。在分析方法上则几乎包括了现有的所有分析方法，如光度 法，电分析方法、色谱法、分子器件、分子探针、化学传感器掣1 3 j 。 2 5 含氮杂环化合物在分子生物学和生物工程中的应用 分子生物学的主要课题是研究生物体内新陈代谢，细胞的复制和物种遗传 等。新陈代谢起主导作用的是酶，细胞复制和物种遗传中起主要作用的是核酸， 两者都与含氮杂环有密切的关系。 核酸是分子生物学另一个重要研究对象。核酸是生物高分子，分子量可达4 0 亿。它的结构单元是核苷酸，核苷酸由三部分组成，即核糖或去氧核糖、磷酸及 含氮芳香化合物的合成、表征及与d n a 作用机理的电化学研究 杂环。由核苷酸水解得到的杂环化合物是胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶、腺嘌呤。 核酸一方而保证了地球上各种生物存在和进化，而另一方引起动植物的疾病的一 些病毒微生物也正是靠它们细胞内部的遗传信息来感染动植物。所以深入研究含 氮杂环化合物的生物化学性质，不仅能促进深刻理解生命遗传过程中的奥妙，还 对研制新型的病毒蛋白酶抑制剂有所启发。 3 含氮芳香化合物的研究进展 直以来，具有生物活性的含氮杂环化合物始终是化学家感兴趣的领域。在 杂环化合物中由于杂原子的引入，改变了化合物原来的结构，使得物质的物理及 化学特性与原来的环有所改变，而这些改变正是化学家所希望的。很多原来并没 有生物活性的化合物，由于杂原子的引入而具有了生物活性；或是原来并没有达 到化学家所预期要求的化合物，由于杂原子的引入而具有了某种所希望的特性。 长久以来，在杂环化合物领域的研究有以下几个方面： ( 1 ) 新药物的提炼与合成开发 天然的与合成的含氮的药物几乎涉及到各种结构类型的杂环化合物，应用于 各种疾病和医疗领域。在这些合成药物中，大都是从模拟活性天然杂环化合物开 始的，然后根据活性与结构的关系加以改造，从而制造出许多更具实用性的药物。 ( 2 ) 生物模拟材料 在这一领域中，大都是通过模拟生物酶，达到经济实用的目的。 ( 3 ) 有机导体和超导材料 现在已经发现的有机导体中，绝大多数是杂环化合物，第一个有机导体就是 四硫代富瓦烯【14 1 。而将2 0 0 0 年的诺贝尔化学奖授予美国和日本的三位科学家更 是对这一研究领域的肯定【l 引。 ( 4 ) 贮能材料 通过某些杂环分子的扩环和缩环反应，将太阳能贮存起来，这是近代发现的 杂环化合物的一个重要新用途【l 酬。 ( 5 ) i 程高分子材料 从六十年代开始，人们从聚酰亚胺得到启发，相继合成了各种各样的杂环高 分子材料。其中多数都具有优良的耐高温、耐酸碱、耐氟化物和电绝缘性能，可 以广泛用作工程材料。 ( 6 ) 杂环染料含氮杂环染料是杂环化合物中的一大类化合物。是人们生活中必 不可少的常用物质。就如普通红墨水的颜色就是由曙红配制而成的，红药水的颜 色是红汞，这两个化合物都是咕吨环的衍生物1 1 7 1 o 4 青岛科技大学研究生学位论文 4 含氮化合物与d n a 的作用 从用途上，与d n a 作用的含氮化合物大体可以分为以下几种【l8 】：用作检 测核酸的各类探针：荧光探针、电化学探针等，可以检测核酸的含量及探测其结 构，如吖啶、吩噻嗪、喹啉类分子、金属卟啉类分子等。用作治疗各种疾病的 药物，特别是抗肿瘤、抗病毒的药物，如：顺铂、阿霉素等。环境致癌物：多 环芳烃类分子，如苯并芘等。与核酸只有弱的作用力，但对复其制、遗传、代 谢产生定的影响的分子。但目前涉及到这一领域的研究还很少。 从结构特征上，主要有以下几种：金属配合物：铂配合物、金属卟啉配合 物、稀土离子、过渡金属离子及其配合物，能对核酸链上的某些位点进行特异性 剪切i l 州。抗生素类：蒽环类抗生素、烯二炔类抗生素、乙撑亚胺类抗生素，这 些利用微生物获得的天然或半天然抗生素是重要的基因药物【2 0 】。烷化剂：即烃 化剂，具有平面结构的多环芳烃分子主要以嵌插型键合核酸，它作用于核酸分子 碱基对，在碱基对之间相对滑动，对核酸产生作用。含氮原子的平面杂环分子， 由于分子结构和荷电性的差异，对核酸的作用也不同，同分异构体或旋光异构体 的作用也有差异。 4 1 含氮化合物与d n a 的作用方式 含氮小分子化合物与核酸结合的部位是核酸的碱基、磷酸骨架和戊糖环。核 酸由平行堆积的碱基、聚合的阴离子磷酸骨架以及两条由核苷酸链形成的大沟、 小沟组成了小分子识别的位点。含氮化合物与d n a 的作用方式主要有三种：非 共价结合、共价结合和剪切作用【2 l 】。 4 1 1 非共价结合 非共价结合包括静电结合、沟内结合和嵌插结合，如图1 1 所示。另外还有 氢键、离子键、范德华力、疏水键这些弱的相互作用。含氮小分子化合物通过沟 内或嵌插结合在核酸的螺旋沟或碱基中，加上静电力的作用，常会诱发许多生物 效应，阻碍核酸信息的正常表达。同时，这三种力还凭借氢键、范德华力、疏水 作用等使相互作用加强。 含氮芳香化合物的合成、表征及与d n a 作用机理的电化学研究 图1 1d n a 与含氮小分子化合物的非共价结合作用模式 f i g 1 - 1t h eu n c o v a l e n tb i n d i n gm o d e so fd n a a n dn c o n t a i n i n gs m a l lm o l e c u l e s ( 1 静电结合：( 2 ) 沟内结合：( 3 ) 嵌插结合 ( 1 ) 静电结合，即含氮小分子化合物通过非特异性的相互作用结合于带负电的 d n a 双螺旋外部的磷酸酯骨架。通常认为单纯的静电结合模式在作为药物的应用 上价值不大，但有些分子与d n a 的静电作用对其与d n a 间的嵌插作用起着重要 的稳定作用。 ( 2 ) 沟内结合，即含氮小分子化合物与d n a 的大沟或小沟的碱基对边缘直接 作用。大沟区、小沟区在电势能、氢键特征、立体效应、水合作用上都有很大不 同。大分子蛋白质与d n a 在大沟结合。大多数化合物则是在小沟区作用。小沟 区一般结合简单的芳香环结构，如咪唑、吡咯、嘧啶等，它们通过扭转自由键而 连接，从而配合小沟区的螺旋曲线，取代沟区内的水分子并与碱基对边缘通过范 德华力接触，即为其特异性。小沟区内是a t 富集区，含氮小分子化合物通过与胸 腺嘧啶基c 2 上的羰基氧( c = o ) 或腺嘌呤碱基n 3 上的氮形成氢键与a t 碱基结合。 ( 3 ) 嵌插结合，即平面或几乎平面的芳香环嵌入碱基对之间。这是芳环的离域 7 【体系与碱基7 c 体系间的7 c 7 c 相互作用及疏水作用的结果。这种作用是药物分子 与d n a 发生作用的重要形式之一。通常稠环芳香体系都倾向于结合在g c 富集 区，而对于一些含有庞大取代基的分子，则使取代基尽量旋转，以保持与母环的 共平面，从而形成良好的堆积形状与d n a 碱基嵌合【22 i 。当小分子化合物嵌入d n a 碱基对后，有的可能抑制d n a 复制与转录的功能，有的则在经过进一步活化后 使d n a 断裂受损而影响其功能。 4 1 2 共价结合 与非共价结合相比，含氮小分子化合物与d n a 共价结合的序列特异性识别 能力要强许多。含氮小分子化合物与d n a 特定碱基作用形成加和物，使d n a 的 6 叉男一叉墓爱叉 青岛科技大学研究生学位论文 双链解旋且发生弯曲。如苯并二吡咯类抗生素及其衍生物只能在d n a 小沟中对 a t 富集区识别，分子中活泼的环丙烷与小沟区内特定碱基序列中a 的n 3 共价结 合后导致在该位点脱去嘌呤【2 引。 4 1 3 剪切作用 具有剪切作用的分子特异选择结合位点，并最终使d n a 链断裂。博莱霉素 ( b l e o m y c i n ) 是一种典型的d n a 切割化合物，分子结构的特殊性使其能够识别 并结合在d n a 中5 - g c 3 序列的鸟嘌呤上，然后经一系列化学反应最终导致d n a 断链，这种双功能性对于设计人工核酸酶及发展有效的抗肿瘤药物具有非常重要 的指导意义。现在已有大量的研究根据这一原理把对d n a 具有剪切功能的分子 与能对d n a 序列进行特异性识别的分子连接起来，以合成序列特异性更高的人 工核酸酶或抗肿瘤药物。 影响含氮小分子化合物与d n a 相互作用的因素很多，化合物的结构，整个 分子的形状、大小和柔性等都很重要。实验时，即使缓冲溶液相同浓度不同，化 合物与d n a 结合的方式也可能不同。并且，很多含氮小分子化合物与d n a 的作 用并不是单一的作用方式，有时是多种作用方式共同作用的结果。 4 2 含氮芳香化合物与d n a 作用的研究方法 含氮芳香化合物与d n a 作用的研究，以其在药物设计与合成及药物作用机 理方面的重要意义，引起许多学者的兴趣。许多方法与技术被用来研究含氮小分 子化合物与d n a 的相互作用，主要有光谱法【2 4 。3 0 1 、电化学法【3 1 3 6 1 、序列凝胶电 泳及足印迹分析技术37 1 、x 射线晶体衍射法【3 8 】等。 采用电化学方法研究化合物与d n a 的作用，虽然在一定程度上受化合物是 否具有电化学活性的限制，但对于一些吸收光谱较弱或吸收谱带与d n a 的谱带 重叠，而无法用紫外可见光谱的方法来研究的化合物，却有可能用直接或间接伏 安法方便的进行研究。有电活性的化合物与核酸相互作用后，化合物的特征氧化 还原电流会明显降低，峰电位也有移动。 4 3d n a 生物传感器的研究 4 3 1d n a 生物传感器的设计原理 d n a 电化学生物传感器是由一个支持d n a 片段( 探针) 的电极和检测用的 电活性杂交指示剂构成。d n a 探针是单链d n a ( s s d n a ) 片段( 或者一整条链) ， 长度从十几到上千个核苷酸不等，它与靶序列( t a r g e ts e q u e n c e ) 是互补的，一般 7 含氮芳香化合物的合成、表征及与d n a 作用机理的电化学研究 多采用人工合成的短的寡聚脱氧核苷酸作为d n a 探针。通常是将s s d n a ( 探针 分子) 修饰到电极表面构成d n a 修饰电极。由于s s d n a 与其互补靶系列杂交具 有高度的序列选择性，使得这种s s d n a 修饰电极呈现极强的分子识别功能。在适 当的温度、p h 、离子强度下，电极表面的d n a 探针分子能与靶序列选择性地杂 交，形成双链d n a ( d s d n a ) ，从而导致电极表面结构的改变。这种杂交前后的 结构差异，可以通过具有电活性的杂交指示剂来识别，这样便达到了检测靶序列 ( 或特定基因) 的目的。 当固定在电极上的s s d n a 与样品中与之互补的s s d n a 链相遇时，两者发生 杂交反应，反应体系的电压、电流或电导等电化学信号会发生改变，通过对此类 电化学信号变化的检测可对样品中的d n a 的序列和含量等信息加以测定。d n a 电化学生物传感器测定d n a 的过程包括以下四步：一是d n a 探针的固定，这是 一个有关表面的问题，即要将s s d n a 固定到一个固体电极表面，形成d n a 探针 电极。二是杂交过程，将d n a 探针电极放入被测溶液，当互补的靶s s d n a 与之 相遇时，它们将在电极表面杂交形成d s d n a ，这一过程必须控制合适的杂交条件。 三是杂交的指示，即如何将杂交信号转化为可以测定的电化学信号。四是电化学 信号的检测，可以将电压、电流或电导作为检测信号。其中d n a 探针的固定、 杂交条件的选择和杂交指示剂是此类传感器的三大关键问题。 4 3 2d n a 电化学生物传感器的应用【3 9 训】 d n a 传感器是近几年发展起来的一类新型传感器，起步较晚，发展也不完善， 但随着基因结构和功能研究的不断深入，特别是人类基因组计划的发展，这种传 感器在基因识别及分析、生物工程研究等方面日益起着重要作用。d n a 传感器不 仅可以用来识别特定碱基序列的d n a ，还可以用来检测d n a 的损伤，以及一些药 物与d n a 的作用机理，进行特定药物的设计合成，在临床诊断，体外药物筛选等 方面都有应用。基于分子识别的电化学d n a 生物传感器的应用已涉及环境、医药、 食品等诸多领域。大致包括d n a 损伤研究、环境污染监控、病原基因检测、基因 疾病诊断、药物机理分析等几个方面。 4 3 3 前景展望 与常规的核酸检测相比，d n a 传感器有以下特点：可以进行液相杂交检 测：常规的核酸捡测方法主要是固相杂交，d n a 传感器可以直接在液相反应，通 过声、光、电等信号的变化，对靶物质的d n a 进行定量测定；可以进行d n a 实时检测：把d n a 传感技术和流动注射技术相结合，对d n a 的动力学反应过程可 以随时进行监测，并可以对d n a 进行定量、定时测定，实现了d n a 的在线和实时 8 青岛科技大学研究生学位论文 检测；可以对活体内核酸动态进行检测：目前尚缺乏有效的方法对活体内核酸 直接进行研究，d n a 传感技术为对活体内核酸代谢转移等动态过程研究提供了可 能；可以进行d n a 的大量智能化捡测：d n a 传感技术和人工神经网络技术相结 合，可以筛选出选择性和活性更高的敏感元件，研制成多功能、智能化的d n a 传 感器。可以对多种d n a 样品同时检测；特异性强：d n a 传感器是根据d n a 碱 基的互补结合原理制作的，因此d n a 传感器特异性非常强；无污染：d n a 传感 器不需要同位素标记，避免了有害物质的污染。 今后的研究开发工作和发展方向将会集中在以下几个方面：寻找新的嵌合剂 及载体材料、换能器的选用、电极表面结构优化、研究和应用范围进一步拓宽以 及向微型化和商品化方向发展。其研究和应用范围将会逐步扩展到临床检验、食 品卫生检验、环境监测、疾病基因诊断、分析、治疗和药物筛选、核酸杂交动力 学、d n a 合成以及突变分析等研究领域中。 5 课题意义及主要内容 含氮化合物与d n a 作用的研究及在d n a 生物传感器中的应用，以其在药物 设计与合成及药物作用机理方面的重要意义，引起诸多学者的兴趣。含氮原子的 平面杂环分子，由于分子结构和荷电性的差异，对核酸的作用也不同，同分异构 体或旋光异构体的作用也有差异，可用于d n a 生物传感器的杂交指示剂。 我们通过选择易溶于水的含氮杂环金属配合物，研究金属配合物与d n a 的 作用特点，对了解配合物的抗肿瘤机理具有很重要的意义，从而实现药物初步筛 选的目的。研究金属配合物与d n a 相互作用后的电化学性质，进一步深入研究 d n a 靶向药物的作用机理，从而指导新药的合成及体外筛选工作，尤其是寻找具 有高序列选择性或能对不同细胞活动周期的d n a 进行识别的d n a 靶向药物的研 究将会受到更多的重视。 本论文合成了7 种含氮化合物及配合物，用元素分析、红外光谱以及x 一射线 衍射分析对其结构进行了表征。选择三个具有电化学活性的金属配合物 c u ( c 1 6 h 1 4 n 2 0 2 ) 、【c o ( b t h ) 2 ( h 2 0 ) 4 】c 1 0 4 及 c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 ( n 0 3 ) 2 ，利用电化学方 法研究了它们与d n a 的作用机理，确定了最佳反应条件。运用核酸杂交技术， 用 c o ( b t h ) 2 ( h 2 0 ) 4 c 1 0 4 及 c d ( c 7 h 6 n 2 ) 2 ( n 0 3 ) 2 作为指示剂制备了d n a 电化学传 感器。为进一步研究这些化合物的化学生物学特性、研究和总结分子结构与活性 之间的关系，开发出具有前景的电化学指示剂提供了理论依据。 9 含氮芳香化合物的合成、表征及与d n a 作用机理的电化学研究 第二章含氮芳香化合物及配合物的合成及表征 酰胺类化合物的应用十分广泛。工业、医药、农药、有机合成以至香料、染 料、塑料、轻纺等行业都有广泛的应用。酰胺的合成在生活和生产中具有重要价 值。由于酰胺型配体与金属离子配位时，表现出特有的选择性配位能力和新颖的 配位结构，是近年来配位化学研究的热点。研究表明，许多疾病的发病过程都与 炎症有关，因此寻找高效低毒的抗炎药物已成为药物化学领域的重要研究课题。 近几年来的研究表明，含1 3 咔啉的酰胺类衍生物具有抗肿瘤活性，而且某些含d 咔啉的酰胺类衍生物对肿瘤细胞具有较高的选择性，这些研究结果更激起了人们 对含d 咔啉的酰胺类抗癌衍生物的兴趣。含有- 甲基吡咯和- 甲基咪唑的寡聚酰 胺是一种人工合成的小分子，它能够在小沟中与d n a 的特定序列进行识别，并具 有穿透细胞膜，调控基因表达的功能，是类重要的生理活性物质。 苯并咪唑类化合物是一种含有两个氮原子的杂环化合物，可作为药物中间 体，人、畜的驱虫药物和柑桔属果类的杀真菌剂，以及果品保鲜剂。它的某些金 属配合物具有杀菌、抗癌等活性【4 引，而且其铜锌等金属配合物具有特殊的催化性 质，在金属酶的模拟方面具有重要意义。由于其结构特性、生理活性、反应活性 及其它优良特性，几十年来对苯并咪唑及其衍生物的合成及应用研究的从未间 断，至今仍十分活跃【4 酬。 苯并咪唑是一类存在于多种药物中的重要结构单元，苯并咪唑衍生物或其配 合物是许多新型药物的有效成分，如一些抗寄生虫药和质子泵抑制剂等。奥咪拉 唑( o m e p r a z