（分析化学专业论文）基于链接化学的辣根过氧化酶固载及其直接电化学.pdf

l i i i i i l l l l m i i i l i 舢i i l i i i l i i i i l i i l l l i y 19 0 3 2 4 1 s c h o o lc o d e ：10 2 6 9 s t u d e n t sm 1 i n b e r ：51 0 8 0 6 0 6 0 3 0 ea s tc h i nan o r m a lu n i v e r s i 匆 i m 舶【l o b i l 娩a t i o no fh o r s e r a d i s hl m m 0 d l l 屹a t l o n0 th 0 r s e r a d i sh p e r o x i d a s ev i ac l i c k c h e m i s t r ya n d i t sd i r e c t e l e c t r o c h e m i s t r y d 印a n n l e n t s u b j e c t 量沁s e a r c hf i e l d 一 旦i q 曼! 曼璺迪垒盟! 丝i 鱼堑h 逝逝 s t u d e n t sn 锄e q i l lr a n a p m ，2 0 1 1 ，s h a l l 曲a i 一 郑重声明： 接电化学，是 东师范大学学位论文原创性声明 辣根过氧化酶固载及其直 学位期间，在导师的指导 下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人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 和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：虫签日期：力7 年易胄歹日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于链接化学的辣根过氧化 学攻读学位期间在导师指导下完成 接电化学系本人在华东师范大 请勾选) 学位论文，本论文的研 究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此 学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网送交学位 论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查 阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进 行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理 复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部或“涉密 学位论文：i c ， 于年月 日解密，解密后适用上述授权。 氏刀2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名业签 i 年易月日 _ 1- “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学 位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文。涉密”审批表方为有效) ，未 经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文， 均适用上述授权) 。 冉琴硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 徐通敏教授华东师范大学主席 张文教授华东师范大学 施国跃教授华东师范大学 t 摘要 论文摘要 氧化还原蛋白质的直接电子转移在许多生理过程( 如光合作用、呼吸作用等) 中起着关键作用，对氧化还原蛋白质直接电化学行为的研究是生命科学的基础， 在很多领域均有重要的应用，如生物催化、生物传感器和生物燃料电池等，除此 之外，还可以促进生物电化学、生物电分析化学、生物电子学等多学科的交叉发 展，使人们对蛋白质的结构、功能及作用有更深入的了解。 链接化学是k b s h a 印1 e s s 教授于2 0 0 1 年提出的一套强有力、极为可靠而又 具有高选择性的化学合成方法，该方法通过杂原子的连接( c - 0 ( _ ) 快速合成新 化合物及化合物库，用少量简单可靠和高选择性的化学转变来获得更广泛的分子 多样性。链接化学自提出到现在，已在药物发现、高分子化学、生命科学等领域 得到迅速发展，应用范围也越来越广泛。 本论文将链接反应分别与分子自组装技术、纳米材料及重氮盐电化学还原方 法分别相结合用于修饰电极，实现氧化还原蛋白质在固体界面的有序固载，并在 此基础上研究蛋白质的直接电化学行为和电催化行为。 第一章绪论 介绍链接化学的基本概念、特点及反应类型，总结链接化学在药物研究、高 分子化学、生命科学，尤其是在固体表面功能化等领域中的应用，在已有研究基 础上，提出本论文的研究内容及研究意义。 第二章硼婢与炔基自组装膜的“链接”及其直接电化学 将链接化学和分子自组装技术相结合，提出了一种方便可行的蛋白固定技 术，首先，通过分子自组装技术在电极表面形成端基为炔基( 】o c 暑c h ) 的分子自 组装膜，再将叠氮化心( n 3 瑚心) 通过链接反应共价键合到自组装膜上，从而 实现瑚强在电极表面的活性固载。采用红外反射吸收光谱僻a m ) 对合成的叠氮 化阳冲烈3 卸孓p ) 进行了结构表征，同时，采用表面增强拉曼光谱( s e r s ) 、交流 阻抗法i s ) 等对电极修饰过程进行了表征。实验结果表明，固载的m 心与电极 之间能进行直接电子传递，并对h 2 0 2 表现出良好的电催化作用，对较低浓度的 h 2 0 2 溶液具有很好的线性响应。 一 卜 摘要 碳纳米管的“链接，及其直接电化学 由于碳纳米管能促进电子传递，且具有较大的比表面积，本实验先通过自组 装技术在电极表面修饰炔基化的碳纳米管，再将n 3 h r p “链接”到碳纳米管上。 采用表面增强拉曼光谱及电化学方法对电极修饰过程进行表征，并在此基础上研 究了阳姆的直接电化学及对h 2 0 2 的电催化还原作用，实验结果表明，采用本方 法固载的瑚姆能与电极间实现直接的电子传递，且对h 2 0 2 反应灵敏，响应的线 性范围为5 o 1 矿8 0 1 0 _ 4 m ，米氏常数为0 6 5 3 m m 。 第四章瑚廿与4 乙炔苯的“链接 及其直接电化学 介绍了一种简易可行的“两步法”蛋白质固定方法，首先，通过电化学还原4 乙炔基苯重氮化合物在电极表面形成了端基为炔基( r c 三c h ) 的单分子层膜；然 后，将n 3 蝴心通过链接反应共价键合到炔基单分子膜上，从而实现蛋白质在固 体表面的固载。电极修饰过程采用r a l 及一些电化学方法( 如循环伏安法、交 流阻抗法等) 进行了表征，实验结果表明，本方法固载的蛋白质在电极表面上能 保持其天然构型，且和电极之间能进行快速的直接电子转移，此外，固载加强 还对h 2 0 2 表现出良好的电化学催化还原活性，响应的线性范围为5 0 1 0 击 9 3 】o - 4 m 关键词：链接化学、辣根过氧化酶、直接电化学、分子自组装、h 2 0 2 、碳纳米 管、重氮化合物 a b s t r a c t d c te l e c 缸o n 讹s f 酹b e 觚e e nr e d o x p 哟t e i n s a n de l e c 仃o d eh 弱r e c e i v e d c o n _ s i d e r a _ b l ea 仳e n _ t i o n si nr e c e n ty e a r s e l e c t r o n 仃孤1 j s f - e ro fr e d o xp r o t e i n sp l a y s 嘶t i c a lr o l e si nm a n yb i 0 1 0 西c a l “e n t s ，s u c ha sr e s p i r a t i o na n dp h o t o s ) m t l l e s i s ，趾d m em e c h 乏i n i s mo fd i r e c te l e c t r o n 觚f e r 矗o mp r o t e i n st 0e l e c t r o d es u i f a c ea n d 也e c o 仃e s p o n d i i 坞e l e c 仃o c 砌如c 碍a c t i o n sc 趾s e r v e 弱m o d e l st 0 u n d e r s t a 咀d 也e m l 渤：b o l i cp o c e s s e si nb i o l o 西c a ls ys _ t e n l s m o r e o v 吐屺d i r e c te tb 神啪e nr e d o x 舭洫s 趾dc 0 i l t a c ti sa l s oo f 如n ( 1 a m e n t a li n l p o r t 孤1 c ei i l 坷融s c i e n c e sa n dp o t e n 矗a l a p p c 撕o n s ，f o re x 锄p l e ，b i o e l e c 们c a t a l y s i s ，b i o e l e c 仃0 1 1 i c s ，b i o s e n s o r s ，a n db i o 缸e l c e n s c l i c kc 上啜n i s t r ) ri sam o d l l l a r 叩p r o a c ht 1 1 a tu s e so n l ym em o s tp 粕而c a la n dr e l ia _ b l e c h e 缸c a l 昀n s f o m 嘶o l l s i t sa p p l i c 撕0 1 1 sa r ei n c r e a s i n 出yf i o u n di na l la s p e c t so fd m g m s c o v e r y ，瑚q 匦n g 丘o ml e a d 句1 d i n g 也r o u 曲 c o m b i l l a t o d a lc h e 血鼬叮a n d t a ：唱e t 咱即叩l a t e d i ns i t l l c h e m i 蚰莎t 0p r o t e o m i c sa n dd n ar e s e a r c h ，1 1 s i l l g b i o c o 玛l 培a t i o nr e a c t i o n s ni san e ? wk i n do fi e s e a r c hf i e l dt oa p p l yc l i c kc h e n l i s 缸yo nt h er e s e a r c ho fd i r e c t e l e c t r o n 缸a n s f 醯o fr e d o xp r o t e i n s ，、e 由叮o u rb i ：s tt oc o m b i n ec l i c k 吐旧血s t 嘎 s e l f 二雒s e m b l e dt e c h n 0 1 0 9 y ，c a r b o nn 锄o t u b e s ，a n de l e c t r o r e d _ u 癌o no fd i a z o n i u m c a ：c i o n st 0s t u d yt h em r e c te l e c t r o n 仃a n s f hb t 靖w e e n 伊池gp r o t e i n 锄de l e c t r o d e s 谢沁e t h ep a p e rc o n c l u d e sf o l l o 、迦a 驴c t s ： c h a p t e ro n e ：p e r f h c e b a s i cc o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fc h c kc h e 血s 时a r ei n ! | 胁d u c e d ，a 删b e ro fc l i c k r e a 以0 n 勺伊e s 翻j c ha sh u i s g e n1 ，3 一d i p o kc y c l o a d 曲o n ，d i e l s 剁d 盯r e a c t i o n ， 1 1 1 i 0 1 一e n ec h c kr e a c t i o n ，a n dm e t a l 一毹e 3 + 2 】c y c l o a d d i t i o nr e a c 如na r es u m 】陇i r i z e d s i l l c ec l i c kc h e m i s t r yh a sb e c np r o p o s e d ，也ea p p h c a t i o ni nd r u g 如c o v e p o l y m e r s c i e n c e ，b i o c o 巧u g a t ed l e 】血s 田缸d 如i 炳0 l 谊i i z a t i o no fs o l i ds u d 犯ea r em o r ea n d m o r e 研d e l y ，a n d 也ea p p l i c 撕o n si n 也ea b o v cf i e l d sa r eh i g l l l i 出e d c h a r p t e rt w o ：d i r e c te l e c t r o n c h e m i s 仃yo fh o r s e r a d i s hp e r o x i d a s ei m m o b i u z e d o na u 叮ls e 睢嬲s e m b l e dm o n o i a y e 瑚、，i ac u c kc h e m i s t r y ， j as i i l l p l ea i l dv e r s a ：t i l ea p p r o a c hf 0 rc o v a l e n ti m m o b n i 刎o no fr e d o xp t e i i lo ns 0 1 i d s u r ：f a c e 、，i as e l f - a s s e n l b l e d t e c h n i q w a n dc l i c k c h e ：m i s 臼眵 i s r e p o r t c l d 1 k a l k y n y l - t e 脚1 i n a t e dm o n o l a y e r sa r eo b t 蕊db y ：a s s e m b l e dt e c b l l i q u e ，t h e n ， 晒d o h o r s e r a d i s hp e r o ) 【i d a s e 一腿p ) 、糯c o v a l e n ti m l n o b i l 娩e do n t 0m ef o m e d m o n o l a y e r sb yc l i c kr e a c t i o n 1 km o d 洫e dp r o c e s si sc h a r 硎z e db yr e 丑e c t i o n a b s o r p t i o n 砸陆e ds p e c 们s c o p y ( 鼬钮己) ，触e 一血h e dr a m 趾s c a t t e r i n g 耻c 仃o s c o p y ( s e r s ) a n de l e c 们c h e 面c a lm c 加d s 越l 也ce x p e r i n 蝴t a lr c s u d t s s u g g e s tt h a t 玎冲i si m m o b i l i z e do n t o 也ee l e c 们d es u r 矗孵es u c c e s s n l l l y 谢也o u t d e 舳：t u r 撕o n f u r 吐l e 皿o r e ，m ei m m o b i l i z e dh 靴s h o w se l e c t d 0 c a t a 州cr e d u c t i o nf o r h 2 0 2 ，a n d 让i el i l l e a rr a i l g ei s 矗旧m5 0t 07 0 0 op m 1 kh 鼬e r o g e n e o u se l e c n o n 位嗌矗器r a t ec o n s t 锄tl 【si s1 1 1s - 1a n d 也ea p p a r e mm i c h a c l i 卜m e m e nc o n s t 锄ti s c a l c u l 劬觅t ob e0 1 9 6m m c h a r p t e rt h r e e ：d i r e c te l e c t r o c h e m i s t 碍。仆o r s e 豫曲hp e r o x i d a s ei m m o b 洫e d o na i 蚵l _ m w a 盯sv i ac h c kc h e m i s t 碍 s 证c ec a r b o nm 吼o t u _ b e sh a v ef a s te l e c 讯) nt 陷i l s f e rr a = t ea n de x c e l l e n tb i o c o m p 撕b i l i 锣， i n 也i sp a n ，m i l l t i 砌l e dc 砷o nn 脚劬e s ( m w c n t s ) w e r eu 衄i z e dt 0p r o m o t e 也e d i l 优te l e c n 0 n 缸a n s f hb e t w e e ni n m l o b i l i z e dp r o t e i na n de l e c 仃0 ( 1 e 文j r f 犯e f i r 瓯9 0 1 d e l e c 们d e 、a sm o d i 丘e d 晰t ha 珏眵l m w c n t sv i as e l f - a s s e n l b l e dt e c h n 0 1 0 9 y ，血吗 n 3 一加强w 弱c o v a l e n ti m m o b i l k do n t 0 也i em w c n t sb yh u i s g 纽1 ，3 嘶o l a r c y c l o a d 曲0 nr e ；虬t i o n 1 km o d i 丘e dp r o c e s s 、) l ，嬲c b a r l c t d z e db ys e r s ，c y c l i c v o l 伽m n e 缸y ( c v ) ，a n de l e c 昀c h e m i c a li m p e d a n c es p e c 仃o s c o p y 衄s ) ，a l l 廿1 er e s l l l t s i 1 1 m c a t e d 也a ti m m o b i l 娩e dh r pc o u l da c m e 、，ed i r e c te l e c 订o n 订a n s f hw i me l e c t r o d e 鲫r f i a c e ，疆l ds h o 、椭e x c e l l e me l e c 仃o c a t a l y l i cr e d u c t i o na c ：t i v 姆t o w a r dh 2 0 2 、析也a h e a rm g eo f5 o 1 0 - 6t 08 o 1 0 4m ，也ea p p 扣僦m i c h a e l i 洲e n 舰c o n s 切口ti s c a l c u 】a t e d t ob eo 6 5 3m m c h a 印t e rf o u r ：d i 】r e c te l e c t r o c h e m i s t r yo fh o 鸺e m d i s hp e m x i d a s ei 】皿m o b i l i z e d o ne i e c t m g r a f t e d4 一e t 呐l p h e n y lm m ac k c kc h e m i s t r y a s i n l p l et v - 曲e pa p p l r o a c hf o rt l l ep r o t e i ni i i 蚰o b i l 龇nw a si n _ 的删f i r s ：t a 1 ：k 3 门哆l - t e 功血走e d w 弱f 0 伪d o ne l c t r o d e 跚i r f 砬eb ye l e 由o c | h i 洳商。a l r e d u c t i o no f4 - e m y 埘l p h e n y l ( 4 一e p ) m a z 0 1 1 i 啪c o m p o u n d t h e 玛h i 强m o d i 丘e d 、砒必d 0g r o u pw a sc o v a l e n t l y 证m o b 此e do n t 0 也ee l e c 缸d 印瞌e d 丘hv i ac l i c k r e a c t i o n ra 球a n de c h e m i c a lm e 吐l o d s ( ( va n de i s ) w e r eu s e dt 0c b a r a c 渤i z e 也e 瑚d d i f i c a 廿o np r o c e s s t h er e s l l l t si i l d i c a t eh rpr e t a i 璐i t s 枷v es t n i c t u r ea n df a 或 抵c te l e 咖n 蛔n s f e rb e t w e e ne l e c 缸o l em a t e r i a la n dr e d o xa 硎v ep r o t e i n si s a c h i e v e d m o r o v e r ，m e 蛔m o b i l i z e d 瑚姆s h o w se x c e n e n te l e c 舡d c a t a l 皿cr e d u c t i o n a c 蛐t 0 州h 2 0 2 、) l ，i man n e a r 撇g eo f 5 0 1 0 6t 09 3 1 0 一4 m k e y w o r d s ： c l i c k c h e m i s 奶r ， h o r s e r a d i s h p e r o x 试a ，d c t e l e c 缸o nt r a n s f 砘 s e l f a s s e m b l e dt e c h n o l o g y ，h 2 0 2 ，c a r t ，o nn a n o t u _ b e s ，d i a z o n i u mc a t i o n s ， 目录 第一章绪论 目录 1 1 链接化学的基本概念l 2 链接化学的反应类型“1 3 链接化学的应用8 第二章h r p 与炔基自组装膜的“链接，及其直接电化学 l 引言一2 6 2 实验部分2 8 2 1 试剂与仪器：2 8 2 2 叠氮化辣根过氧化酶的合成2 9 2 3 电极的制备2 9 3 结果与讨论”3 0 3 1 红外反射吸收光谱3 0 3 2 表面增强拉曼光谱3 0 3 3 电化学表征3l 3 4 瑚妞的直接电化学3 3 3 5 印冲修饰电极对过氧化氢的催化行为3 6 4 结论3 8 参考文献3 8 第三章加妞与炔基化碳纳米管的“链接”及其直接电化学 4 2 l 引言4 2 2 实验部分“4 3 2 1 试剂与仪器4 3 2 2 炔基化碳纳米管的合成4 4 2 3 电极的制备4 4 3 结果与讨论“4 4 3 1 表面增强拉曼光谱4 4 3 2 交流阻抗4 5 3 3 印强的直接电化学4 6 3 4m 蹬修饰电极对过氧化氢的电催化作用4 8 4 结论5l j 第四章l i 】妞与4 乙炔苯的“链接，及其直接电化学 1 引言j 5 5 2 实验部分5 6 2 1 试剂与仪器5 6 2 2 电极的制备5 7 3 结果与讨论- 5 8 3 1 电化学沉积4 乙炔苯膜5 8 3 2 共价固载瑚心反应时间的优化5 9 3 3 修饰电极的表征6 0 3 4h r p 的直接电化学6 2 3 5 如强修饰电极对过氧化氢的电催化作用6 4 4 结论6 7 参考文献6 7 附录申请硕士期间已发表及待发表的论文 致谢 7 0 7 2 第一章绪论 第一章绪论 链接化学( c h c kc h e ：血s t r y ) 【1 】是诺贝尔化学奖获得者斯克里普斯( s 嘶p p s ) 研 究所的巴利夏普莱斯a 艮b s h a r p l e s s ) 教授提出的一套强有力、极为可靠而又具 有高选择性的化学合成新方法，该套方法形象地把反应过程描述为像点击鼠标一 样简单、高效、通用，所以又称为点击化学，是继组合化学之后又一给传统有机 合成带来重大突破的一项新技术，开创了快速、高效地合成新化合物的合成化学 新领域。链接化学自提出到现在，由于它是一种高效、选择性好的合成方法，在 有机合成【2 - 4 】、药物研发【5 - 9 】、生命科学【1 0 一1 3 】、高分子化学【1 4 1 9 】等领域内得 到迅速发展，展示了良好的应用前景，不可逆的链接化学以其高效、快速、高产 率等特点引起了人们的广泛关注。 1 链接化学的基本概念 s h a i p l e s s 在2 0 0 1 年首次正式提出了链接化学的基本概念，链接化学是一套 新型的组合合成方法，其最大的突破点在于采用易得的原料，通过高效、可靠而 又具有高选择性的反应来快速实现杂原子的连接( c 0 c ) ，从而简单有效地合 成新化合物，通过简单可靠和高选择性的化学转变来实现分子多样性【2 0 - 2 2 】。 链接化学反应必须模块化，通常还具有较高的热力学驱动力，反应速度快， 一般是指具有以下特征一类化学反应：1 ) 起始原料易得；2 ) 反应条件简单，反 应过程对氧气和水不敏感；3 ) 反应条件温和，不用溶剂或用一些易于分离的溶 剂，如水；4 ) 反应具有区域选择性或立体选择性，但不要求具有对映异构选择 性；5 ) 反应产率高，无副产物，或即使有副产物，也不需要经过复杂的色谱分 离过程；6 ) 产物在生理条件下稳定，不容易水解； 2 链接化学的反应类型 根据s h a 印l e s s 所描述的链接化学的概念，起初，h i l i s g e nl ，3 偶极环加成反 应是唯一的链接反应，但在近年来，d i e l s 枷d e r 反应、t h i 0 1 e n e 反应、无金属 3 + 2 】 环加成反应也因为其简单的反应过程及高产率在链接化学中脱颖而出，这些反应 极大地拓展了链接化学的范围，为有机小分子、高分子的合成及生物大分子的修 饰提供了更多的方案。 第一章绪论 2 1h u i s g e nl ，3 一偶极环加成反应饵谪g 钮1 ，3 - d i p o l a r 锣c l o a d d t i o ) 可以合成1 ，2 ，3 一三唑化合物，r o l f h u i s g e n 随后在1 9 6 0 s 使这一反应得到迅速发 r r警 譬+ h 厂r i 冷+ r 爷 图1 形成1 ，2 ，3 - 三唑化合物的胍s g e n1 ，3 偶极环加成反应 2 0 0 2 年，m e l d a l 2 6 与s t 脚p l e s s 2 7 】分别报道了使用c l l ( i ) 作催化剂不但可以 增加反应动力学，使之在较低的温度下就可以进行，而且还可以使叠氮和炔基化 合物发生具有选择性的环加成反应，几乎定量的选择性生成1 ，4 取代的l ，2 ，3 三 唑，反应时间也明显缩短。其反应机理为： c u s 0 l 尺 禽午t “ ，n 、萨 。 l - i i ，n ，n 、r 2 r 专鬻一一 n 鸯r 。三+ - n 暑n n +一 ，r 2 图2 c 蚂催化叠氮基一炔基加成机理示意图 f i g 2 p o s t u l a ：t e dc a t a l 舛cc y c l e 蠡) ra z i d e a 】k y l l 9c o u p l i n _ g 2 第一章绪论 后，h u i s g e n1 ，3 偶极环加成反应由于其在芳香和非芳香五 元1 ，2 ，3 一三唑杂环合成中的重要性而引起了人们的关注，在有机合成、材料科学、 药物发现、高分子化学等领域有着广泛的应用。 2 2d i e l s 枷d e r 反应i e l s 捌d e rn a c t i o ) 链接化学的核心思想在杂原子参与的环加成反应中得到了充分的体现，通过 两个不饱和化合物的模块化融合过程，可以生成许多有趣的五元杂环和六元杂 环，d i e l s 一触d e r 反应便是其中的一类。d i e l s 枷d e r 反应是1 9 2 8 年德国化学家o t t o p a u lh e r n l 猢d i e l s 与他的学生k u r t a l d e r 在研究1 ，3 丁二烯与顺丁烯二酸酐 时发现的，他们也因此而获得了1 9 5 0 年的诺贝尔化学奖，该反应是指共轭 双烯与烯类( 或炔类物质) 发生环加成反应而生成环己烯( 或1 ，4 环己二烯) 体系的 反应，是一个一步进行的协同反应，其机理如下： “ i o 图3 d i e l s 触d e r 反应机理示意图 f i g 3 s c h c m 蕊c ( 1 i a 蓼锄o fd i e l s 一触d e rr e a c t i o nm e c h a 血s m 该反应所需能量低，甚至能在低于室温的条件下进行，是合成具有生理活性 的天然产物杂环化合物的重要手段 2 8 3 0 】。如h l 阴皿c o n g 等人在电子供体( 如 c o ( i ) 或b h 4 ) 及路易斯酸( 如z 如) 催化的条件下，以2 一羟基查尔酮和双烯为原 料合成了一系列杂环化合物【31 】 2 3t h i 0 1 e n e 链接反应( ，r h i 0 1 e n ec h c k a c t i o n ) 与h i l i s g e n1 ，3 偶极环加成反应相比，巯基化合物与烯类物质的反应【3 2 】相 对较弱，但该类反应产物几乎定量，且反应条件温和，有多种反应引发方式。巯 基化合物与烯类物质之间的高效反应在1 9 0 5 年t p o s n e r 的文章中【3 3 】首次被提 及，随后，出现了两类值得特别注意的巯基化合物参与的反应：一类是巯基化合 物通过自由基加成与烯类物质反应，另一类是在催化剂存在的条件下，巯基化合 物通过迈克尔加成与缺电子的烯类物质反应，以上两类巯基和烯类物质之间的反 应在文献中通常都被称为也i 0 1 e n e 链接反应，其反应机理为： 3 第章绪论 r t s 啦 耄h 糊一1 e n ep f o d u c t r ， ；h 加 r 1 一s h+ i n 撼宣i o r ( p 醇l oo ft h 醐帕刮 - o ra 图4 1 1 1 i 0 1 e n e 反应的机理示意图 f i g 4 s c h e i n a t i cd i a g r 锄o fm o l e n er e a c t i o nm e c h a n i s m 墨暑、 巯基化合物与烯类物质之间的反应，无论是通过自由基加成还是迈克尔加 成，均对链接化学的发展做出了许多贡献，巯基和烯类物质种类繁多且易于得到， 在非常少量催化剂存在的条件下，这类反应可以在对环境友好溶剂中快速进行， 且对环境中存在的氧气和水不敏感，产物具有选择性，以上优点使得t h i o l e n e 反应从聚合物合成到光学、生物医学、传感器等领域均有一定应用 3 4 3 6 】，如 l u k ea c o n n a l 等人采用t 1 1 i 0 1 e n e 反应成功地实现了聚合物胶囊的p e g 修饰， 可用于药物传递或微反应器领域 3 7 。b 蚤0 d e ngr l l t b e 曙l e n 等人通过光引发的 1 1 1 i o l 吒i 】e 反应合成了弹性聚酸酐，由于合成的聚酸酐具有弹性及胶粘性，在药 物传递、组织粘合剂及伤口愈合方面均有潜在应用 3 8 】。 2 4 无金属【3 + 2 】环加成反应( m e t a l - f r e e 【3 + 2 1c ) r c l o a d d i t i o nm a c t i o n ) 当合成产物是用于生物应用时，反应过程中所使用的金属催化剂对生物体产 生的潜在毒性就成为了亟待解决的主要问题，即使产物经过纯化，c 1 1 ( i ) 催化的 肌s g e n1 ，3 一偶极环加成反应的产物中依然会残留p p m 级的痕量铜，因此，发展 替代的不使用任何金属催化剂的链接反应就引起了人们的极大兴趣【3 9 ，4 0 】。 4 第一章绪论 辛炔反应限e a c t i o no f 崩d 懿w i t hs u b s t t e dc y d o o 啊n e ) 这一张力推动的叠氮和炔基化合物之间的 3 + 2 】环加成反应( s t i 曲1 p r o m o t i e d 晒d e - a 岣，1 1 e 3 + 2 c y c l o a d 缸i o n ( s p a a c ) r e a c t i o n ) 是由w 溉g 与融e b s 的前期工作 发展 4 1 ，4 2 】而来的，b e n o z z i 等人深入研究了该反应 4 3 - 4 8 】，结果表明，当使用 第一代环辛炔化合物1 与叠氮化合物反应时，反应速率比h u i s g e n1 ，3 偶极环加 成反应慢，因此，他们合成了单氟取代、双氟取代的环辛炔衍生物( 2 与3 ) ，通 过引入吸电子基来降低环辛炔的最低未成键分子轨道能级，从而提高速率常数， 在本实验中，环辛炔衍生物1 、2 、3 与叠氮化合物反应的二级速率常数分别是 1 o 、1 8 、3 】8m 。l s - l 。 a ) b ) 雕n 3 + 2 队n ，吣n 影甜 图5 a ) 不同取代类型的环辛炔衍生物；b ) s p 从c 反应示意图 f i g 5 a ) c y c l o o c t ) ，i 伦蛳v a t i v e s 、i 也m 虢r e n ts u b s t 灿e n ：t s ；b ) t h es p a a cc h c k r i 矧i o n 叠氮与环辛炔间的反应符合链接反应的基本特征，近年来环辛炔衍生物的商 业化极大地扩展了该反应的适用性，如环辛炔类物质可与叠氮标记的蛋白或细胞 反应，用于蛋白或细胞检测，e u e nm s l e 慨n 等人合成了一种新的氮杂环辛炔 ( 6 ，7 一d i m e m o x y 黜y c l o o c “y n c ，d i m a c ) ，相比于环辛炔，d 刀a c 具有更好的 极性和水溶性，从而降低了非特异性吸附，增加了检测的灵敏度 4 9 】。但是，环 辛炔衍生物的合成需要进一步简单化，以使该反应不仅可以用于化学生物学，还 能应用于其他领域。 5 第一章绪论 2 4 2 叠氮与活化炔的反应a 胁a c t i o no f 肠d 髑w i t ha c 晰a t e d 舢k y n e s ) s 础( a r 等人报道了一种活化炔参与的不使用催化剂的链接反应【5 0 】( 见下图) ， 首先在玻璃或者硅片的表面修饰叠氮端基的自组装膜，然后和f i s c h e r 卡宾反应， 这种f i s c h e r 卡宾修饰的自组装膜可进一步通过亲核取代反应，用于检测含芘荧 光探针。 o e t ， ( o c 潮八 5 0 c ，4h s 5 飞n 3 1 0 。 e o ) 5 p h q e t 图6 端基为叠氮基的自组装膜与含炔基f i s c h e r 卡宾间的无铜链接反应 f i g 6 c 9 p p e r - ec h c kr e a 嘶o nb 咖e e na n 越d os j ma n d 趾a l b r i l y 】f i s c h e r c 砷e n ec o m p l e x 该反应是无金属链接化学的一个重要反应，与环辛炔相比，叠氮化合物与活 化炔的反应更为容易。尽管如此，该反应还有许多需要改进的地方：一方面，该 反应需要在产率及模块化等方面进行进一步深入研究；另一方面，由于炔基化合 物的活化使用了金属钨，这一反应还不能称为严格意义上的无金属链接反应，我 们需要开发其他活化方法使该反应能用于生物体系。 2 4 3 叠氮与缺电子炔的反应限e a c t i o no fa z i d e sw i t he l e c 伽n d e 丘c i e n t 舢啕阻e s ) 2 0 0 4 年，j u 研究小组报道了叠氮化合物与缺电子炔之间可以发生1 ，3 偶极 环加成反应 5 1 ，5 2 】，他们研究了5 一叠氮戊酸( 5 一宓d o v a l e m t e ) 与一系列含吸电子 基团的炔基化合物在室温及水溶液的条件下的反应【5 3 】，产率为6 7 - 9 4 ，此外， 缺电子炔还被用于和叠氮化d n a d 0 d n a ) 进行反应，研究在生理条件下功能 化d n a 。 6 第一章绪论 r o n 3 x r o - - - - - - - - - - - - o r - n n n x + r or ， n n n x 图7 叠氮化合物与缺电子炔间的链接反应皿7 = h ，c h 3 ，或c o o 耽r ”- m e 或 e t ，n 3 - ) ( - 5 - 砸( 1 0 试e r a t e 或57 一砬d 0 一阱 f i g 7 c l i c kr e a 嘶o nb 曲e e na z i d e sa n de l e c 廿o n - d e 丘c i e n ta 屿m e s _ h ，c h 3 ，或 c o o 耽r ”= m e0 re t ，n 3 一x = 5 一a z i d o v a l e r a t e0 r57 - 晒d 0 - e 帆q j u 等人的研究成果为无金属链接反应在其他化学领域的应用奠定了基础，但 此链接反应的产率有待进一步提高，起始原料缺电子炔的模块化及可用性需要进 一步的评估。 2 4 4 叠氮化合物与芳炔的反应皿e a c 勘no f 肠d e sw i t ha e i r n 哟 l a r o c k 等人开发了一种简易有效的苯并三氮唑合成方法【5 4 】，该反应的起始 原料苯炔和叠氮化合物在非常温和的条件下发生1 ，3 偶极环加成反应。优化实验 条件后，叠氮苄与0 _ ( 三甲基硅) 三氟苯基( 5 ，z = h ) 在c s f 存在，乙腈溶剂中室温 反应1 8h ，产率可达7 6 。 z 洲3 竺 -z r 制3 _ 1 厶 c 峨n ，弧唯& 错h n n i r 图8 苯炔与叠氮化合物间的链接反应 = b e n z y l ) ，t f = t r i n u o r 0 衄n a n e 刚n y l ， 1 m s = 缸i m 甜1 y l s i l y