（有机化学专业论文）酪氨酸酶的模拟及酚的选择性邻羟化反应研究.pdf

四川大学硕士学位论文 2 0 0 5 年 酪氨酸酶的模拟及酚的选择性邻羟化反应研究 研究生：柳津指导教师：谢如刚教授 ( 有机化学专业) 酪氨酸酶在温和条件下能高效、高选择性实现单酚的邻位羟化( 单酚酶活性) 以及氧化邻二酚为邻二醌( 儿茶酚酶活性) 化学和波谱研究已经显示这种酶属 于一类三铜蛋白，包含一个双核铜活性中心，每个铜分别与三个组氨酸的咪唑 残基配位。众所周知，仿酶催化是生物有机化学领域的挑战性课题，近年来研 究进展十分迅速。本文对最近十五年以来酪氨酸酶的结构、功能、催化机理和 化学模拟工作的研究进展作了简要评述 虽然咪唑是很好的生物配体，但是它们实际应用在模拟酪氨酸酶的研究一 直受到限制，多数研究使用吡啶、吡唑、亚胺、胺和苯并咪唑作为配位基。据 我们所知，全以眯唑配位基构筑的酪氨酸酶模型体系在温和条件下催化酚类化 合物的邻羟化反应还未见报道。本文在科研组已有工作基础上，进一步改善了 配体和配合物的制备方法，以取代酚为原料，经酚的醚化偶联、溴甲基化、咪 唑季铵化和h o f f m a n n 型消去反应合成了一系列含多个咪唑基的酪氨酸酶模型 配体及配合物。选用2 ，4 _ 二叔丁基苯酚( d t b p ) 的邻羟化作为模型反应，气 相色谱进行定量分析，研究了含多咪唑基的模型配合物对酪氨酸酶的单酚酶活 性的模拟，实现了酚的选择性邻羟化反应。发现该系列模型物都显示单酚酶活 性，8 a 作为一个更好而且有效的化学模型物在温和条件下与分子氧反应，高产 率、高选择性的由2 ，4 _ 二叔丁基苯酚制备了3 ，5 - - - 叔丁基邻苯二酚，其产率 和选择性最高可达8 0 和9 4 ，这一结果比近年报道的结果更为优越。此外还 系统考察了桥基的长度、催化剂的种类和用量、碱、溶剂和反应温度等主要因 素对反应的影响并进行了讨论。 关键词：酪氨酸酶，单酚酶活性，仿酶催化，酪氨酸酶模型物，多咪唑配 体，酚的邻羟化 -ri【 ( p h e n o l a s ea c t i v i t y ) a n do x i d a t i o no f c a t e c h o l si n t oo q u i n o n e s ( c a t e c h o l a s ea c t i v i t y ) w i t hh i 曲e f f i c i e n c ya n d s e l e c t i v i t yu n d e r m i l d c o n d i t i o n s c h e m i c a la n d s p e c t r o s c o p i cs r l d i e si n d i c a t et h a tt h e n z y n l eb e l o n g st oaf a m i l yo ft y p e3c o p p e r p r o t e i n sc o n t a i n i n gab i n u c l e a xc o p p e ra c t i v es i t ec o o r d i n a t e db y s i xh i s t i d i n e sw h i c h i n v o l v e si nav a r i e t yo fb i o l o g i c a lf u n c t i o n si ti sw e l lk n o w nt h a tm i m i ce n z y m e c a t a l y s i si san o v e lc h a l l e n g i n gf i e l di nb i o o r g a n i cc h e m i s t r yw i t hr a p i dp r o g r e s s i nt h i sp a p e r , w ep r e s e n tar e v i e wo nt h ea d v a n c e so ft h ec h e m i c a lm o d e l sr e s e a r g l 屯 e s p e c i a l l yt h em i n c eo ft y r o s i n a s em o d e l si n c l u d i n gt h e i rs t r u c t u r e s , f i m c t i o n s ，a n d c a t a l y t i cm e c h a n i s m a l t h o u g hl r n i d a z o l ci sag o o dl l i 仃0 9 e nd o n o r , i th a so n l yl i m i t e du s ei np r a c t i c a l s t u d i e so f m o d e ls y s t e m so f m i m i c k i n g t y r o s i n a s es of a r m a n yr e s e a r c h e r so f t e nu s e p y r i d i n e , p y r a z o l e ，b c n z i m i d a z o l e ，i m i n ea n da m i n ea sn i t r o g e nd o n o r si nc o m p l e x e s i n s t e a do fi m d i z o l e t ot h eb e s to fo u rk n o w l e d g e ，t h et y r o s i n a s em o d e ls y s t e mt h a t a l ed e r i v e df z o mp o l y i m i d a z o l el i g a n d sa n de x h i b i tt y r o s i n a s e - l i k ea c t i v i t yo n o r t h o - h y d m x y l a t i o no fe x o g e n o u sp h e n o l si nt h ep r e s e n c eo fd i o 邳g e nu n d e rm i l d c o n d i t i o n sh a v en o tb e e nr e p o r t c d h e r e i n , b a s e do np r e v i o u sw o r ki n0 1 1 1 g r o u p , w e f n r t h e rd e v e l o pan e wm e t h o do fp r e p a r i n gl i g a n d sa n dc o m p l e x e s u s i n g 2 一s u b s t i t u t e dp h e n o l sa sm a t e r i a l s ，as e r i e so fr e a c t i o n sh a v eb e e nt a k e ni n c l u d i n g p h e n o l e t h e r s c o u p l i n g ，b r o m o m e t h y l a f i o n , q u a t e r i t i z a t i o n , a n dh o f f m a n n - t y p e e l i m i n a t i o nt oo b t a i nt h et y r o s i n a s em o d e ll i g a n d sa n dc o m p l e x e s c o n t a i n i n g p o l y i m i d a z o l e s m o r e o v e r - t h ep h e n o l a s ca c t i v i t yo ft y r o s i n a s em o d e lc o m p l e x e sc o n t a i n i n g 2 r r 3 i-r 四川大学硕士学位论文 2 0 0 5 短 第一章酪氨酸酶模型物的研究进展 c h a p t e r1 a d v a n c e so f r e s e a r c hi nt y r o s i n a s em o d e lc o m p l e x e s 1 引言 酪氨酸酶是一种重要的酶，它广泛存在于自然界中。尽管至今它的晶体结 构还不易得到，但是大量的波谱研究( 包括顺磁共振谱、电子吸收光谱、圆二 色谱及拉曼光谱) 发现它与血蓝蛋白谱图特征类似而且具有极其相似的活性中 心【l 羽。血蓝蛋白活性中心具有两个铜原子，在脱氧血蓝蛋白中，铜为+ l 价； 在氧合血蓝蛋白中，铜为+ 2 价。在脱氧血蓝蛋白中，三个组氨酸的咪唑残基 和一个c u ( z ) 配位。其中两个咪唑基和铜紧密结合( c u - n ， 2 o a ) ，另一个咪唑 基和c u 的络合较为松弛( c u - n ，2 4 - 3 o a ) ，c u - - c u 间距为3 8 a 。x - r a y 分析表 明，脱氧血蓝蛋白的活性中心具有桥基，该桥基不是酚氧负离子和烷氧基而是 氢氧负离子或水分子。血蓝蛋白与氧的络合是通过0 2 与双铜中心本身的氧化一 还原作用，可表示为c u ( i ) c u o ) + o z c l l ( i i ) - ( 0 2 2 ) c l | ( i i ) 园二色谱及拉 曼光谱表明氧是以过氧化物的形式存在的( f i g 1 ) 。关于酪氨酸酶模型的研究 可以追溯到2 0 世纪5 0 年代，之后大量的铜酶模型已经被设计和合成，其中一 部分成功的模拟了酪氨酸酶的活性本章将简要综述最近1 5 年来酪氨酸酶模 型物的类型以及酪氨酸酶催化反应机理的研究进展。 黔h i fr 队c 盎 h i s 卫参q 豢讼拇c 缸s 卫啻铅 2 模拟酪氨酸酶催化机理的研究进展 酪氨酸酶可以催化单酚的邻羟化反应( 单酚酶活性) 和邻苯二酚到邻苯 二醌的氧化反应( 儿茶酚酶活性) ( f i g 2 ) 。它具有单酚酶和儿茶酚酶的双重 4 -i 四川大学硕士学位论文 2 0 0 5 电 f i g 2酪氨酸酶的催化方型l l 芍+ o ：一苓” 苍h + 锄一缸芍 2 h ：o 活性。关于酪氨酸酶模拟最重要的工作一直瞄准酪氨酸酶的反应机理。它通常 被描述为两个催化循环，当前最广泛接受的如图所示( s c h e m e1 ，2 ) 。这些循 环经常被描述为两个相互连接的过程，即在单酚酶的循环中产生的儿茶酚进一 步被氧化发生儿茶酚酶的催化循环。但是目前并没有证据证明反应实际上按这 种方式进行。在这些催化循环过程中没有明确显示o - o 键是被假设如何断裂 的。它可能是整个机理的关键步骤。关于c u 与0 2 反应的讨论已经很多【l 。1 们。 这里仅从酶模型的角度讨论酪氨酸酶机理的研究进展。 2 +1 2 + 旦叉。! 0 2h ，0 - ，h i s h 矿1 0 钟h 州i s 8 矛匠p c 嘧 h 晦 。 叮 i 。 套i 犷叭 rl i 四川大学硕士学位论文 2 0 0 5 矩 z +12 + 。1 1 。! 曼0 2 h 5 气，o 、 ，h i 8 h 篙“? 吖o q 皆“吉呱”( p ”q 沿 h l 矗 h 协 u i 一u 。 、h j t l 旷附”i 、卜：旷 合成化学很难阻止c u ( i ) 和也反应的最初产物c u 如不再进一步和另一个 c u ( i ) 配体的配合物反应得到c u “一( _ c u “的产物。双核过氧化物双铜配体 首先被k i t a j i m a 表征1 3 l 。他提出了模型与酚反应时可能因为空间位阻仅有一个 酚能够到达活性中心而首先生成酚氧中间体以及过氧化氢中间体，随后该中间 体经历了c u o 键裂解，酚氧自由基与h o o 在双核铜中心的参与下立即偶合生 成过氧化氢醌，最后变为邻苯二醌完成一个催化循环【3 】( s c h e m e3 ) 。 2 0 世纪8 0 年代初期，k a r l i n 小组【1 7 1 s l 报道了一个著名的c u 促进分子氧 活化的例子。尽管单氧化酶在自然界中有一定数量，但是单氧化酶模型系统仍 是一个稀有的化学模型它能使未被活化的底物的c - h 键在非常温和的条件下 6 习弘 辱 删 r i 5 岖 公 四川大学硕士学位论文 2 0 惦年 s c h m3 k i t s ji m 假设的酪氨酸酶催化机理 ( - 8 0 ；ia t m 吩几秒钟内快速羟化【埘双核亚铜配合物 c u l ：( x y l h ) “和 分子氧反应定量的生成 c u “。( x y l ( o h ) ”( s c h e m e4 ) 。两个化合物都经过了 x - r a y 衍射表征同位素标记试验显示产品中酚的氧原子来自分子氧而且是化 学计量的，这些都是单酚酶的性质。详细的低温滞留动力学研究显示这个中间 体是 c u “：( x y l - h ) ( 0 2 ) z 叶2 0 l 。这个过氧化物的形式可以通过r = n o ：的衍生物确 定，因为r = n o ：时，i h v 出。l 比置。减少的更快，增加过氧化物的稳定性为进行 波谱研究提供了可能 2 0 i r a m a n 响应显示 c u “：( ) c 1 l 一哪( o z ) 】”是以u n2 ：l t ：- p e r o x o 的形式为主体的【2 l 】。波谱分析和动力学研究清晰的显示了侧向配位过 氧化合物主体是这个被氧化的物质，观察到o - o 伸展振动频率( u = 7 4 7c m 1 ) 与酚的c _ 0 键( ut 。m = 1 3 2 0c m - ) 在 c u “。( n 如一】【1 l ( o h ) “形式以同样速率消 失。 大量观察和影响因素强烈支持脚- - x y l y l 羟化反应是 c u ”：( r x y l h ) ( 0 2 ) ” 作为一个亲电试剂进攻芳烃底物的n 系统。 因为 c u “：( 】( 1 l h ) ( 仉) 2 配和物与 亲电的 c u i l 2 ( n 4 ) ( “配合物类似，滞流动力学研究显示当r 是供电基时 出删增加，或者相反，当r 是吸电基时矿增加。当氘代2 一h 时，舶删 没有变化，不发生氘同位素效应是与在芳烃底物丌系统亲电进攻相一致的，进 rr 0i 四川大学硕士学位论文 2 0 0 5 色 燃鲨粼 歹 融二辅2 奈 i t o h l 等人也呈现了一个引人注目的例子展示了在合成系统和酪氨酸酶 中侧向配位的过氧化物双核铜配体( s i d e - o np e r o x o d i c o p p e r ( i i ) ) 对于酚类 化合物邻羟化的重要作用 2 3 1 。他们利用一个带有三齿配体的配合物( l p y 2 ) ， 和0 2 反应产生一个低温( 一9 4 ) 稳定的s i d e o n p e r o x o - d i c o p p e r ( i f ) 1 。该 络合物与酚盐( p - x _ c 乩0 l i ：x 1 ，m e ，c 0 2 m e ) 反应可生成儿茶酚，产率分 别达到( 9 0 ，6 9 ，6 0 ，依据铜氧络合物为标准计算) ，既没有进一步的氧化产 生邻醌也没有c 吒c - o 偶联的二聚物被观察到。标记实验确认得到的儿茶酚的 氧原子来自分子氧。机理研究底物饱和动力学显示，一个酚盐c u ：一0 ：配合物2 的形成优于决定速率的氧化步3 的形成。随着底物对位取代基x o , - x - c e h 4 0 - l i ) 供电能力的增加，反应速率增加，同不发生动力学氘代同位素效应一起说明 s i d e - o np e r o x o - d i c o p p e r ( i i ) 经过一个亲电的芳香取代的机理( s c h e m e5 ) 8 四川大学硕士学位论文2 0 年 作为比较，i t o h 等人使用天然的酪氨酸酶进行了相同的性质研究，得出了同样 的结论渊。 8 t h e m5i t o h 配体的单酚酶催化过程 32 c a s e l l a 小组阢2 习及s a y r e 小组随2 7 】也在大量的文章里讨论了反应的机 理。与以上结论类似，c a s e l l a 小组最近得出p n2 ：1 12 - p e r o x o 在反应中起到 了至关重要的作用阢捌s t a c k 小组【2 卵利用一个二级胺产生s i d e - o n p e r o x o - d i c o p p e r ( i i ) 配合物也显示了一些单酚酶和儿茶酚酶活性，从底物2 ， 4 一二叔丁基苯酚得到了儿茶酚和邻苯醌的混合物。伴随一个中性酚的加入，没 有氧化偶联的聚合物产生 然而，t o l m a n 小组四】已经显示了一个b i s - l l - o x c r d i c o p p e r ( i i i ) 配合物 也能发生模型物的羟化反应( s c h e m e6 ) 。它与k a r l i n 描述的通常反应活性趋 势不同，显示了一个新型的成键主体的沪0 键完全断裂，导致一个高价双铜物 质的过程。配合物b i s - i i - o x o - d i c o p p e r ( i i i ) 详细的机理研究和理论计算说 明适合夺取氢原子( ha b s t r a c t i o n ) 机理1 1 0 , 2 s 3 0 , 3 n 这种配合物首先被t o l m a n 小组【3 2 】及后来的s t a c k 小组p 3 1 表征，这两个互变的物质有独特的波谱特征和显 9 四川大学硕士学位论文 2 0 0 5 燕 著的结构区别，主要是s i d e - o ni i t i2 ：q = - p e r o x od i c o p p e r ( i i ) 的c u c u 间 距较长( 3 6 a ) ，而b i s 一弘一o x o - d i c o p p e r ( i i i ) 的c u c u 间距更短( 约2 8 ) 理论计算预测他们之间自由能区别不大，仅有很小发生相互转化的能阻【3 0 3 l m 】。实验观察这两个物质共存在一个动态平衡中，它们受配体的性质，反应条 件，包括浓度，阴离子，温度，溶剂等因素影响极大【l 们。有两种氧化物共存在 平衡中使得很难决定这个反应活性中真实的氧化剂。 s o h m8 通过b i s _ p - o x o - d i c o p p e r ( 1ii ) 配合物芳羟化 嘏l 一馨+ 警 在大量对称结构的配体报道的基础上，在1 9 9 1 年，c r a n e l 3 5 】等人制备了一 系列不对称双核铜配体4 、5 用于酶模拟，一些性质研究显示了两个铜原子与 不同类型的氮原子配位，为模型配体的设计提供了一条新的思路。后来， l u b b e n 【3 6 i 等人设计合成了一类新的不对称双核铜配体6 ，并得到了其配合物的 晶体结构，进一步证实了两个铜原子采取不同的配位形式，对探讨酪氨酸酶催 至砖啦“驴。 4 5 化的反应机理起到了一定作用 酪氨酸酶催化反应的机理至今尚无定论， 6 还有待于进一步研究。 四川大学硕士学位论文 2 0 0 5 年 3 酪氨酸酶模型物 酪氨酸酶的化学模拟，是极富挑战而困难的课题。设计合成酪氨酸酶模型 配体，要考虑的因素较多，关键在于使双核铜中每个铜的配位不应饱和，配位 数以2 或3 为宜，c u - c u 间距为3 5 a 左右，并选择适当的不易被氧化的桥基。 3 1 双核铜模型配合物 早在1 9 8 4 年，k a r l i n 等人以m - x y l y l 为桥基，合成了一系列的酪氨酸酶模 型配合物n 幻模型配合物7 以吡啶基来模拟酪氨酸酶活性中心的眯唑基，经历 一个配合物8 的中间过程，实现了模型物的羟基化得n t90 6 , 3 7 - 3 9 1 ，较好的模 拟了酪氨酸酶的性质 4 0 i 。随后大量的以m - x y l y l 为桥基的模型配体被设计和合 成，大部分配体同样发生了模型物自身分子内芳羟化反应【l - 3 。 c a s e l l a 等人 2 s 4 1 弗l 合成了一系列含苯并咪唑的双核或单核铜模型配合 物，反应活性试验表明配体1 0 有较好的催化活性，而其单核络合物则没有单加 1 0” 1 2 氧酶活性，说明了络合物中桥链的柔性对催化活性起着重要的作用。模型物l o 四川大学硕士学位论文 2 0 0 5 焦 可催化氧化底物2 ，4 一二叔丁基苯酚( d t b p ) 和对羟基苯甲酸甲酯生成儿茶酚和 醌，其中以对羟基苯甲酸甲酯为底物在低温条件下发生邻羟化可得到分离产率 为3 7 的几茶酚，升高温度则发生m i c h a e l 加成反应。实验中还发现，如果直 接用酚而不用酚盐作底物或用极性溶剂( 如甲醇) 则仅得到偶联的二聚物而不能 氧化生成儿茶酚。模型物1 0 催化氧化d t b p 时，容易发生底物的氧化偶联，同 时生成的儿茶酚也易进一步氧化生成醌。该三配位模型物实现了对外源性基质 的催化氧化活性，模拟了酪氨酸酶的性质。 后来m u k h e r j e e 等人报道的二配位的模型物配体1 1 与铜的配合物络合氧后 使芳环羟基化嗍，从铜氧络合物中间体的x - r a y 结构分析得出，络合的氧原子 其中一个插入芳基的c h 键，而另一个形成l i 一叫桥。改变中间的桥链部分可 得到另一模型配体1 2 ，x - r a y 分析其铜氧络合物中间体的结构，可知中间体形 成了双( 一o h ) 结构，c u 她二面角为1 2 0 1 31 4 r 6 9 l i e r 等人设计合成的以联苯基为桥基的模型配体1 3 4 a ，其双核铜络合 物中c u - c u 间距为3 6 a ，与如形成口- p e r o x o 过氧化物，该模型物具有单酚酶 和儿茶酚酶活性，可催化氧化2 ，4 - d i - t e r t - b u t y l p h e n o l ( d t b p ) 和 3 ，5 一d i t e r t - b u t y l c a t e c h o l ( d t b c ) ，但催化反应进行1 小时后即停止，可能 因为催化剂本身被氧化生成1 4 而失去活性。研究还发现在n e t 3 存在下d t b p 发生自动氧化生成二聚体，因此可断定n e b 的作用是有利于酚氧自由基的生 成。k a y e 和w e l l i n g t o n 在此基础上改进了合成方法合成了一系列以联苯为桥 基含咪唑，苯并咪唑的配体进一步又合成了以1 ，1 0 邻二氮杂菲作为刚性桥 基的配体，比较了它们的区别并且显示出了一些酪氨酸酶的活性m i ” 四川大学硕士学位论文 2 0 惦年 诬 o o , 1 2 1 51 61 7 1 8 m u k h e r j e e 小组【柚l 还报道了四氮杂环模型配体1 5 与【c um e c n ) ( c 1 0 4 ) ，配 位生成双核铜配合物1 6 ，在有氧条件下配合物1 6 发生部分水解，经光谱和变 温磁性研究发现生成双核铜配合物1 7 中桥基含一个酚氧基和一个o h 。氧化 时发生大环水解，可能是因1 6 中的空腔太小，不利于两个铜离子( ) 的络合。 c a s e l l a 小组又合成了一个含甲硫氨酸的新的s c h i f fb a s e 模型配体l 叫当这 个配体和分子氧反应发生了配体本身的芳羟化得到了一个双核配合物1 8 。配合 物1 8 的亚胺基发生水解作用得到一新配合物，它的晶体结构明确的证明了模型 物具有单酚酶活性，它是目前稀少的含硫酶模型的例子 k a y e 和w e l l i n g t o n 也报道了开链的和环状的s c h i f f 碱配体1 9 ，2 0 的合 成，并且分别用2 ，4 _ 二叔丁基苯酚( d t b p ) 和3 ，5 一二叔丁基儿茶酚( d t b c ) 做 底物展示了单酚酶和儿茶酚酶的活性p o j 。 代姆 1 92 0 2 l 为了弄清1 1 一n2 ：1 1 2 _ c u ：0 2 配合物的结构与可逆键合氧的关系，k o d e r a 等 人制备了一个位阻很大的双核配体2 1 ，并且获得了一个室温稳定的u 1 1 2 ：r i 四川大学硕士学位论文2 0 0 5 色 - c u ：嘎配合物，活性试验表明酪氨酸酶模型能够可逆的键合氧是必要的【5 0 1 鉴于现有模型配体多采用吡啶、苯并咪唑、吡唑、亚胺、胺作为与铜配位 的基团，与天然酪氨酸酶中组氨酸的咪唑配体差异较大，谢如刚小组i s 2 , 3 3 1 在多 年有关咪唑及其衍生物合成的基础上，设计和制备了一系列含多咪唑基的双核 r 小甲ww r 审q rh 爝嘴 d 口不入入人 2 2 蚰峭孥：，$ 2 4 2 3 a , bn = - 4i b c l ，c h t 铜模型配合物2 2 ，2 3 。它们能在温和条件下可逆络和分子氧。通过用2 ，4 - - 叔丁基苯酚做底物进行邻羟化的模型反应证实，这个配合物成功的模拟了单酚 酶的活性，3 ，5 一二叔丁基儿茶酚的产率和选择性分别高达8 2 和9 5 3 2 单核铜模型配合物 k i t a j i m a 小组1 5 4 用模型物2 4 c u ( 腿( 3 ，5 - m e ，z ) 3 ) ( 0 2 ) 对外源性底物的催 化氧化反应，发现该络氧化合物不能氧化p p h 3 和c o ，而仅能与他们进行取代 反应形成单核络合物c u ( l ) ( h b ( 3 ，5 m e 2 p z ) 3 ( l = p p h 3 。c o ) ，该络合物在惰性气 体保护下可催化单酚和儿茶酚发生氧化偶联，在有氧条件下则发生氧化偶联及 氧化生成苯醌，通过动力学实验，提出了反应机理是发生了p p e r o x o 络合物 的沪o 均裂，随后与如发生自由基链反应。 c h i o c c a r a t 5 5 1 报道了单核铜络合物2 5 与外源性取代酚络合后，进行选择性 邻位羟化反应生成了儿茶酚，模拟了酪氨酸酶的单酚酶性质。实验发现含吸电 基的取代酚的反应活性较低，生成儿茶酚的产率偏低 1 4 四川大学硕士学位论文 2 0 0 5 芷 t o l m a n 小纠铜设计合成的模型物2 6 ，在惰性气体和低温条件下形成双( f 一0 h ) 络合物并可催化d t b p 偶联生成双酚，而在有0 ：和低温条件下生成另一氧 合物2 7 ，该络合物在酸( h s b f 6 h 2 0 ) 存在下可氧化p p h 3 生成o p p h 3 ，而无酸 时几乎无氧化反应发生。 2 8 a 2 8 b 2 8 e 2 8 2 8 dx 喇0 2 2 93 0 i t o h 小组【5 。7 】报道了一系列模型配体2 8 ，其铜络合物2 9 c u “( 2 8 a ) ( c 1 ： 与等摩尔量的苯偶姻，在n e t 3 和c h 2 c h 存在下通氧，配体的苄基位发生羟化 生成产物3 0 。1 乜标记实验证实3 0 中的o h 来源于分子氧，u v v i s ，拉曼光谱， e s r 谱研究低温下 c u l ( 2 8 a ) + 与仉的反应，得出2 9 在低温下与q 络合生成一 可7 j ，2 - p e r o x o 双核铜络合物。温度为- 4 0 时，考察不同的取代基模型配体 发现反应的取代基效应并不明显，而溶剂可明显影响反应，配体羟化反应中( 一j 7 7 j 口e r o x o ) 双核铜( ) 络合物中的o - o 键均裂是整个反应的速率决定步 骤。从络氧实验得出空间位阻，络氧空腔的疏水性，以及c u 中心的氧化还原电 位导致了c u ( i ) 络合物的络氧速度的差别。 四j l l 大学硕士学位论文 建冀笼如如如 3 l 3 23 33 4 模型配体3 1 p 陆, 堋与铜( i ) 的配合物催化氧化邻位被封闭的取代酚( 4 - 苯 甲酸乙酯- 2 ，6 - - - 叔丁基苯酚) ，反应过程中存在着叔丁基1 ，2 - 迁移，中间体 c u ( i ) 过氧化物中的o - o 断裂生成环氧化物，随后开环，为叔丁基的1 ，2 - 迁移 提供了驱动力。从反应机理看出配体3 l 所形成的c u ( i ) 单核络合物催化氧化取 代酚没有经过中间的儿茶酚步骤，而直接生成邻醌，并发生了烷基的迁移，这 是有别与通常的催化机理之处。 具有不同取代基的配合物3 2 、3 3 、3 4 【铷，其中在o ：存下 c u ( 3 2 ) ( p r ) 和 c u ( 3 3 ) ( p 瞄可生成配体的苄基位被羟化的产物3 5 、3 6 ，其产率分别达到了9 和1 4 ，同时中间体c u ( i ) 一酚氧自由基还发生二聚生成偶联产物。 c u ( 3 2 ) ( p 哟在同样条件下生成( 1 ，2 - _ - p e r o x o ) 双核铜( ) 络合物很快夺取 酚羟基的h 而生成 c u ( 3 2 一) 。 ”和h 2 0 2 ，这里双核铜络合物是作为碱，k a r l i n 也 曾有过类似的报道 6 0 j 。， 旷 ，少 d bd b 3 5 3 63 7 柳津 四川大学硕士学位论文 2 0 0 5 篮 模型物3 7 在有氧条件下生成( c u 2 - 络合物【6 1 ，从络合物晶体结构看出双 铜( i ) 中心形成扭曲的四面体配位形式，两铜中心构型不对称，从氧合物的 u v v i s 光谱 。= 3 6 0 n m , ( 1 2 5 0 0 ) ，5 1 4 n l ，( c1 2 2 0 ) ，得出其络氧模式为 ( f j 7 7 7j 7 e r o x o ) 双核铜( i i ) 络合物，在o ， c u i 。( 3 2 ) “与0 2 反应发生氧 转移生成n 0 化合物d - 0 ( p a t h1 ) ，1 8 0 2 标记实验表明d - o 中的0 来源于分子氧。 若在室温条件下或是反应时间延长，则按p a t h2 发生n - 脱烷基化反应( s c h e m e 7 ) 。 s c h m7 宫宫 十c h c h p y g 删 3 3 其他模型配合物 f e r r e i r a 小组通过将咪唑作为配位桥基连接一个三齿亚胺化和物得到一 个二价铜配和物 6 2 1 。其中单核3 8 和双核配合物3 9 在水溶液中共存，根据p h 的变化发生相互转换。进一步单核配体从极碱性的溶液中可以发生自组装获得 四核的配合物4 0 。双核和四核配合物在甲醇溶液中可以催化2 ，6 一二叔丁基苯 酚的氧化以及在水溶液中催化3 ，4 一二羟基苯基丙氨酸( l - d o p a ) 的氧化，对酪 氨酸酶进行了很好的功能化模拟。其中四核配合物比双核配合物显示了更好的 结果，可能是由于四核配合物的环状结构形成的空腔有利于与酚类底物的相互 作用而且反应产物更容易被释放。 r 珂 配 了 是 4 l 墙 四川大学硕士学位论文 2 0 年 4 展望与选题 酶是活细胞产生的具有特异性与高度催化效能的蛋白质，人体新陈代谢过 程就是许许多多种酶反应酶的催化反应以高效性、专一性及条件温和而引人 瞩目离开蛋白质骨架构建简化的仿酶模型，研究酶的结构一功能一作用机制之 间的规律性仍然是当今生物有机化学研究的热点m ”j 模拟酶的研究是当今化学发展的重大课题之一迄今为止，已经获得的许 多重要的成果激发了人们进一步探索的兴趣，仿酶研究中水解酶的模拟取得了 好的结果，但在研究氧气的键合与活化，底物的选择性配合与催化氧化等方面， 仍然非常困难，尽管己获得了对双核铜酶等的活性中心的结构与络氧模式的突 破性认识，在酪氨酸酶的单酚酶和儿茶酚酶结构的模拟方面的工作进展较好，但 在模拟其单酚酶活性或同时模拟单、双酚酶活性方面的工作开展甚少 我们注意到众多功能、结构各异的天然酶的活性中心，都含有一个或多个组 氨酸将组氨酸与其它氨基酸比较，不难看出组氨酸特有的侧链眯唑残基，具有 特异的质子授一受性能，共轭酸碱性能，亲核性能及选择配合性能。并且组氨酸 是唯一的p k a 值接近生理p h 值( 7 3 5 ) 的氨基酸，这或许是组氨酸广泛存在于天 然酶的活性中心并扮演重要角色的原因之一。大量研究工作也表明：咪唑无论 在天然酶还是在人工酶中，都起着异乎寻常的作用。它是双核铜蛋白活性中心 的配位基团，以生物配体咪唑基为配位基团的模型物应能更好地模拟双核铜蛋 白。但是，由于咪唑基较难引入配体中，所以已有的模型物多以苯并咪唑、吡 唑、吡啶和s c h i f f 碱等代替咪唑作为配位基团。 本课题组长期致力于咪唑及其衍生物的研究，成功的克服了引入多个眯唑 基这一难题，曾经合成的含多个咪唑基的双核铜酶模型，在模拟水解酶，酪氨酸 酶的活性方面显示了良好的结果1 5 2 , 5 3 j 。而且多咪唑基的引入，对金属酶的仿酶 催化具有同样重大的意义。本文拟在本课题组前期工作的基础上，进一步研究含 多咪唑基的模型配体和配合物对酪氨酸酶单酚酶活性的模拟，实现了外加酚类 基质的选择性邻羟化反应，希冀获得具有更高选择性和催化效率的仿酶模型体 系。 1 9 塑堡坚型查兰堡主竺堡笙苎! 竺! ! 参考文献 1 s o l o m o ne i 。s u n d a r a m 吼，h a c h o n k i nt e , c h e m r e v ，1 9 9 6 ，9 6 ，2 5 6 3 2 s o l o m a ne i t u c z e kf ，r o o td e ，b r o w nc a , c h e lr e v ，1 9 9 4 ，9 4 ，8 2 7 3 k i t a j i m an 。m o r o - o k ay ，c h e m r e v ，1 9 9 4 ，9 4 ，7 3 7 4 s o r r e lt n , t e t r a h e d r o 喝1 9 8 9 。4 5 。3 5 酃家明，谢如刚，赵华明。纪学谚窟与砬：飘1 9 9 2 ，4 ，3 6 h a t c h e rl q , k a r l i nk d ；j b i 0 1 1 n o r g c h e m 。2 0 0 4 9 6 6 9 7 m i r i c a 眦o t t e n w a e l d e rx 。s t a c kt d p ，凸e r a , r e v ，2 0 0 4 ，1 0 4 ，1 0 1 3 8 l e w i s 队，t o i m a n 船。c h e m r e v ，2 0 0 4 ，1 0 4 ，1 0 4 7 9 s i e g b a i mp 跚，b i o i n o r g c h ，2 0 0 3 ，8 ，5 6 7 1 0 j r 魄t o l m a n 鸭。a 日z e w 凸扫t e d ，2 0 0 2 ，4 1 ，i i i t 1 1 s o l o m o ne l ，c h e np ，m e t zm ，l e es - k ，p a m l m e ra e , a n g e c h 醌i n t 尉，2 0 0 1 ， 如4 5 7 0 1 2 s c h i n d l e rs ，f u r j i n o r 蓼凸e m ，2 0 0 0 ，2 3 1 1 1 3 h o l l a n dp l , t 0 1 m a n 耶，c o o z 矗c h e m r e v ，l 9 ，1 9 0 1 9 2 。8 5 5 1 4 f o n t e c a v eu ，p i e r r ej - kc o o r d 凸跚r e n ，1 9 9 8 ，1 7 0 ，1 2 5 1 5 t o i m a nw b 。a c c c h e m r e s 。1 9 9 7 。3 0 ，2 2 7 1 6 k a r l i nk i ) ，k a d e r l is 。z u b e r b u h l e r d ，a c ec h e m 胁：，1 9 9 7 ，3 0 ，1 3 9 1 7 k a r l i nk i ) 。d a h l s t r o mp l ，c o z z e t t e8 n ，s c e n s n yp m , z u b i e t aj ，c h e m s o c ，西 c o e m u 马1 9 8 1 8 8 1 1 8 k a r l i nk d 。g u i t n e hy 。h a y e sj c 。c r u s er w , m c k o w nj 霄。h u t c h i n s o nj p 。z u b i e t a j a m 国e m s o c 。1 9 8 4 ，1 0 6 ，2 1 2 1 1 9 n a s i rm s ，c o h e nb i ，k a r l i nk o ，za m 功眈，1 9 9 2 ，1 1 4 ，2 4 8 2 2 0 k a r l i nk h ，n a s i rm s ，c o h e nb i ，c r u s e 肼，k a d e r l is ，z u b e r b u h l e ra d ，za m c h e m s o c 1 9 9 4 。1 1 6 1 3 2 k 2 1 p i d c o c ke ，o b i a sh v ，z h a n gc x ，k a r l i nk d ，s o l o m o ne l ，za m c h 觚& 职，1 9 9 8 ， 1 2 0 ，7 8 4 1 2 2 i t o hs ，k u m e ih ，t a k ii i n a g a t o m os ，k i t a g a w at ，f u k u z u m is 。za s c h e m s o c ， 2 0 0 1 。1 2 3 ，6 7 0 8 2 3 y a m a z a k is i ，i t o hs ，za s c h e m s o c ，2 0 0 3 , 1 2 5 ，1 3 0 3 4 2 4 h a t t a i n ig ，d ec a r o l i s 也m o n z a n ie ，t u c z e kf ，c a s e l l al ，功c o m u n , ，2 0 0 3 ， 7 2 6 2 5 s a n t a g o s t i n il 。g u l l o t t ii i ，m o n z a n if oc a s e l l al 。d i l l i n g e rr ，t u c z e kf ，c h e m 及以，2 0 0 0 。6 ，5 1 9 塑兰 堕型查兰堡主兰竺丝苎 ! ! 竺兰 2 6 妇n d a ls 。m a c i k e n a sd 。p r o t a s i e w i c zj d ，s a y r eu i ，o r g 凸，2 0 0 0 ，6 5 ，4 8 0 4 2 7 s a y r el m ，n a d k a r n id ，z 觚c h e m s o c ，1 9 9 4 ，1 1 6 ，3 1 5 7 2 8 m i r i c au l ，v a n c el l r u d dd j 。h e a nb ，h o d g s o nk o 。s o l o m a ne i 。s t a c kt d p ，z a m c h e m , s o c ，2 0 0 2 。1 2 4 ，9 3 3 2 2 9 h o l l a n df l , r o d g e r si g r ，t o l m a n 髓，4 n g e w 翻e m i n t e d ，1 9 9 9 ，3 8 ，1 1 3 9 3 0 s p u h l e rp ，h o l t h a u s e nm c ，t j n g e w c h e m i n 僦，2 0 0 3 ，4 2 ，5 9 6 1 3 1 h e n s o n 耵，m u k h e r j e ep ，r o o td e , s t a c kt i ) p ，s o l o m o ne l ，za m 功e m s o a ，1 9 9 9 ， 1 2 1 。1 0 3 3 2 3 2 1 t a l f e nj a m a 慨t r as ，w i l k i n s o ne c , k a d e r l is 。y o u n gv gj r ，q u el3 r ，z u b e r b u h l e ra d t o l m a n 髓，s c i e n c e ，1 9 9 6 ，2 7 1 ，1 3 9 7 3 3 g a h a d e v a nv ，h o uz 。c o l ea p ，r o o td e ，l a l1 1 ( ，s o l o m o ne