（分析化学专业论文）杂环化合物与核酸的相互作用及其对亚硝酸根电催化的研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 杂环化合物广泛存在于自然界中，其用途也十分广泛。它不仅是天然药物 的主要成分，而且也是药物、染料、高分子材料以及农药等各合成产品的主要 成分。杂环化合物是分析化学中一种重要的具有强络合性的有机试剂，因此被 广泛应用于无机离子的测定。那些含有平面芳香杂环的金属配合物热力学稳定 性好，光化学信息丰富，又能以平面芳香杂环配体插入d n a ，并与d n a 的碱 基对重叠，通过兀堆积作用而稳定，因此近：年来被广泛用作d n a 结构探针、分 子“光开关”、d n a 介导的电子转移、d n a 足迹试剂以及d n a 断裂试剂等。 本文采用电化学法、u v 光谱法和荧光光谱法研究t r u ( p h e n ) 2 d p p z “对亚硝酸 根的电催化作用以及 r u ( p h e n ) 2 d p p z “和亚甲基蓝钴离子体系与d n a 的相 互作用，丰富和发展了 r u ( p h e n ) 2 d p p z “和亚甲基蓝这两种杂环化合物在无机 离子 4 0 2 - 的测定和d n a 的结构探针以及m d n a 作为一根分子导线在电子传 递中的应用。论文主要内容包括以下几个方面： 1 钌( i i ) 聚邻菲咯啉化合物的电化学行为及其对亚硝酸根的电催化作用 讨论了钉( 1 1 ) 聚邻菲咯啉化合物【r u ( p h e n ) 2 d p p z “( p h e n 一1 ，1 0 一菲咯啉， d p p z = p l c 啶并【3 ，2 - a 2 ，3 c 】吩嗪) 的电化学行为，在p h 为1 8 的h 2 s 0 4 底液中， 该化合物在裸玻碳电极上有一对可逆峰，峰电位分别在一0 1 6 1v 和一0 1 9 5v ( v s s c e ) 。用单阶跃库仑计时法测得在玻碳电极上的最大吸附量r 。为7 8 4 1 0 _ 1 1 m o l c m 2 ，吸附系数b o 为7 9 0 1 0 5l m o l ，在电极上的吸附行为符合l a n g m i u r 吸附等温式。实验过程中还发现该化合物对亚硝酸根的还原起催化作用，并对其 催化机理进行了研究。 2 钉二吡啶并吩嗪化台物与鱼精子d n a 相互作用的电化学研究 采用循环伏安法和单价跃计时库仑法研究了 r u ( , p h e n ) 2 d p p z “与鱼精子 d n a 的相互作用。加入一定量的d n a 会引起【r u ( p h e n ) 2 d p p z “络合物的峰电 流的降低，同时峰电位也有所正移；由峰电位阳极化移动1 2m v 可知 f r u ( p h e n ) 2 d p p z “与d n a 结合的强度是其还原态与d n a 结合强度的2 6 倍。 此外，采用荧光光谱法，紫外可见光谱法以及对变性d n a 和盐效应的影响的 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 研究，发现【r u ( p h e n ) 2 d p p z “与d n a 的作用模式是插入模式。峰电流的降低与 d n a 的浓度在一定范围内成正比，可用于d n a 含量的测定。 3 络合物d n a 一钴离子一亚甲基蓝的光谱及电化学研究 研究了亚甲基蓝( 氯化3 ，7 一双( 二甲胺基) 吩噻嗪5 一翁) 作为插入剂在d s d n a 修饰碳糊电极上的电化学行为。亚甲基蓝通过插入方式与d n a 相互作用，这使 得亚甲基蓝在d s d n a 修饰碳糊电极上的峰电流比在裸碳糊电极上的峰电流要 低，并且在加入d n a 后，亚甲基蓝的紫外可见吸收的强度降低。但是当加入一 定量的c o ( i i ) 后，亚甲基蓝的紫外可见吸收强度和伏安峰电流又显著增加，以 上实验结果表明亚甲基蓝从双链d n a 中释放了出来，并且形成了金属一 d n a ( m d 悄a ) 络合物。d n a 修饰碳糊电极上的计时库仑法的实验结果表明 m d n a 作为一根分子导线可以介导电子的转移。 关键词：钉聚邻菲咯啉化合物；亚硝酸盐；电化学；电催化：催化还原：d n a 亚甲基蓝；d n a 修饰电极；c o ( 1 1 ) ；分子导线 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t h e t e r o c y c l i cc o m p l e x e s a r ew i d e l ye x i t i n gi nn a t u r e ，a n dt h e i ra p p l i c a t i o n sa r e a l s ow i d e l y i ti sn o to n l yt h em a i ni n g r e d i e n t so fn a t u r a lm e d i c i n e s ，b u ta l s ot h e m a i ni n g r e d i e n t so ft h em a n m a d ec o m p o u n d s ，s u c ha sm e d i c i n e ，d y e ，m a t e r i a la n d p e s t i c i d e ，e t c h e t e r o c y c l i cc o m p l e x e sa r eo n eo ft h ei m p o r t a n to r g a n i cr e a g e n t s w h i c ho w n i n gs t r o n gc h e l a t ec a p a c i t yi nt h ea n a l y t i c a lc h e m i s t r y , a n dt h u st h e ya r e w i d e l yu s e dt od e t e r m i n et h ei n o r g a n i ci o n s t h o s ec o m p l e x e s ，w h i c ho w nt h e p l a n a ra n da r o m a t i cr i n g s ，h a v e t h ea b i l i t yi ns h o w i n gg o o dk i n e t i cs t a b i l i t ya n d w o n d e r f u l s p e c t r o s c o p i ci n f o r m a t i o n t h e yc a n i n s e r ti n t ot h ed n a d u p l e xb y p l a n a ra n da r o m a t i cr i n ga n dc a ns t a c ka m o n g t h eb a s e so fd n at ob em o r es t a b l e b ym e a n so f 兀- s t a c k t h e r e f o r et h e yh a v eb e e nw i d e l yu s e da sd n a s t r u c t u r e p r o b e s ，“m o l e c u l a rl i g h ts w i t c h e s ”，d n a m e d i c a t e d e l e c t r o n t r a n s f e r s ，d n a f o o t p r i n tr e a g e n t s a n dd n a c l e a v i n gr e a g e n t s i nr e c e n t y e a r s i n t h i s t h e s i s ， d i p y r i d o p h e n a z i n ec o m p l e x o fr u t h e n i u m s e l e c t r o c a t a l y s i s o fn i t r i t ea n d i n t e r a c t i o n so f r u o p h e n ) 2 d p p z “a n dm e t h y l e n eb l u e - c o ( i i ) s y s t e mw i t hh e r r i n g s p e r m d n aw e r es t u d i e d b y e l e c t r o c h e m i c a l ，u v - s p e c t r o p h o t o m e t r i c a n d f l u o r e s c e n tm e t h o d s ，w h i c he n h a n c ea n dd e v e l o p et h e a p p l i c a t i o no ft h e s et w o h e t e r o c y c l i cc o m p l e x e si nd e t e r m i n i n gi n o r g a n i ci o n ss u c ha sn 0 2 一，i nb e i n gd n a s t r u c t u r e p r o b e s ，a n di nm e d i c a t i n ge l e c t r o nt r a n s f e r si nt h ef o r m a t i o no fm d n a a s am o l e c u l a rw i r e t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fr u t h e n i u m ( i i ) p o l y p h e n a n t h r o l i n ec o m p l e x a n di t se l e c t r o c a t a l y s i so fn i t r i t e t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro f 【r u ( p h e n ) 2 d p p z “( p h e n = l ，1 0 - p h e n a n t h r o l i n e ；d p p z = d i p y r i d o 3 ，2 - a ：2 ，3 - c p h e n a z i n e ) w a ss t u d i e d i nh 2 s 0 4s o l u t i o n ( p h = 1 8 ) ，ac o u p l eo fr e v e r s i b l er e d o xp e a k sa p p e a r e da tt h ep o t e n t i a l so f - 0 1 6 1va n d - 0 1 9 5v ( us c e ) a tag l a s s yc a r b o ne l e t r o d e r e s p e c t i v e l y u s i n gc h r o n o c o u l o m e t r y , t h em a x i m u ma d s o r p t i o na m o u n to f7 8 4 1 0 。1m o l c m 2w a so b t a i n e da n d i i i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s t h ea d s o r p t i o nc o e f f i c i e n tw a se q u a lt o7 9 0x1 旷u m 0 1 i t sa d s o r p t i o no b e y e d l a n g m u i r i s o t h e r m i tw a sf o u n dt h a tt h e c o m p l e x c o u l d e l e c t r o c a t a l y z e t h e r e d u c t i o no fn i t r i t e ，a n dt h ec a t a l y t i cr e a c t i o nm e c h a n i s mw a sa l s op r o p o s e d 2 e l e c t r o c h e m i c a ls t u d i e so nt h ei n t e r a c t i o n so fd i p y r i d o p h e n a z i n ec o m p l e xo f r u t h e n i u ma n d h e r r i n gs p e r m d n a c y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a n ds i n g l e - s t e pc h r o n o c o u l o m e t r y w e r eu s e dt o s t u d yt h ei n t e r a c t i o no f r u ( p h e n ) 2 d p p z ”w i t hh e r r i n gs p e r md n a t h ea d d i t i o n o fd n ac a u s e dad i m i n u t i o ni ut h ep e a kc u r r e n ta n dap o s i t i v es h i f tj nt h ep e a k p o t e n t i a lo ft h ec o m p l e xo f 【r u ( p h e n ) 2 d p p z “t h e1 2m v p o s i t i v es h i f ti nt h e p e a kp o t e n t i a lo f 【r u ( p h e n ) 2 d p p z “i n d i c a t e s t h a t i r u ( p h e n ) 2 d p p z “b i n d s 2 6 t i m e sm o r e s t r o n t g l y t od n at h a ni t sr e d u c t i v ef o r m i n a d d i t i o n ，b yu s i n g f l u o r i m e t r i ca n d u v - s p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o d sa l o n gw i t ht h e s t u d i e so nt h e e f f e c to fd e n a t u r e dd n aa n dt h ee f f e c to fn a c ls o l u t i o n ，i tw a sa l s of o u n dt h a tt h e b i n d i n gm o d ew a si n t e r c a l a t i o n t h ed e c r e a s eo fp e a k c u r r e n ti sp r o p o r t i o n a lt ot h e c o n c e n t r a t i o no fd n a ，w h i c hc a r lb ea p p l i e dt oe s t i m a t ed n ac o n c e n t r a t i o n 3 s p e c t r o s c o p i ca n de l e c t r o c h e m i c a ls t u d i e so fd n a - c o ( i i ) - m bc o m p l e x e s t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fm e t h y l e n eb l u e 【3 , 7 一b i s ( d i m e t h y l a m i n o ) p h e n o t h i a z i n e - 5 一i u mc h l o r i d e ，m b 】a s ai n t e r c a l a t o rh a sb e e n i n v e s t i g a t e d a t d s d n am o d i f i e dc a r b o n p a s t ee l e c t r o d e ( c p e ) m b b i n d st od s d n av i a i n t e r c a l a t i o n ，w h i c h c a u s e st h e p e a k c u r r e n to fm bt od e c r e a s ea tt h ed s d n a m o d i f i e dc a r b o np a s t ee l e c t r o d ec o m p a r e dt ob a r ec p ea n dc a u s e st h ei n t e n s i t yo f u vv i s i b l ea b s o r p t i o no fm bt od e c r e a s ea f t e rt h ea d d i t i o no fd n a h o w e v e r , t h e u v a b s o r p t i o ni n t e n s i t y a n dt h ev o l t a m m e t r i cp e a kc u r r e n to ft h em bi n c r e a s e o b v i o u s l yw h e nc o ( 1 1 ) i sa d d e d t h er e s u l t so ft h e s ee x p e r i m e n t ss h o w na b o v e i n d i c a t et h er e l e a s eo ft h em bf r o md n a d u p l e xa n dt h ef o r m a t i o no f m e t a l - d n a ( m d n a ) ，t h er e s u l to fc h r o n o c o u l o m e t r i c e x p e r i m e n t s a td n a m o d i f i e d e l e c t r o d e si n d i c a t e sm d n a c a nm e d i a t ee l e c t r o nt r a n s f e r sa sam o l e c u l a rw i r e k e yw o r d s ：r u t h e n i u m ( i i ) p o l y p h e n a n t h r o l i n ec o m p l e x ；n i t r i t e ；e l e c t r o c h e m i s t r y ； e l e c t r o c a t a l y s j s ；c a t a l y t i cr e d u c t i o n ；d n a ；m b ；d n a - m o d i f i e d e l e c t r o d e ；c 0 0 1 ) ；m o l e c u l a rw i r e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者弛蔼翮珲日期：川年j 月a ? 日 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解华中师范大学关于收集、保存使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中师范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，可咀采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和、汇编本学位淦文。 保密论文在解密后遵守此规定。 论文作者始蔼丽评论文作者签名：u 司”1 日划：p 哆钳月j 7 目 导师签名： 动肛 日期：锄砌犀夕月邵锢 ， 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位 相关权益。回重监塞堡窒卮进厦! 旦坐生i 旦二生i 旦三生蕉查。 论文作者签名：蔼萌坪导师签名：阮私， 日期：j 够年岁月a j 日 f e t 期：何年尹月2 ( 日 硕士学位论文 m a s 丁e r s1 i h e s i s 第一章绪论 一个或多个成环碳原子被0 、s 、n 、s e 、p 、a s 、s b 、b i 等非碳原子取代 后的化合物，即为杂环化合物，这些非碳原子叫杂原子。自1 8 5 7 年a n d e r s o n 从骨焦油中分离出吡咯，1 8 7 0 年s c h e e l e 制得呋喃和1 8 8 2 年m e y e r 戏剧性地 发现噻吩至今不过一个多世纪被研究过的杂环化合物已发展到惊人的数字。 在杂环化合物中，各种不同的“环节”原子的排列组合方式和键合类型是多种 多样的，所以杂环化合物的数目是十分惊人的。据统计，在现今已知的有机化 合物中，杂环化合物的数量占总数的6 5 以上。因此，杂环化合物在各个研究 领域中都占有极重要的位置。 1 杂环化合物的分类 通常根据杂环化合物的结构特征进行分类，大致有三种分类方法1 1 】： 一、按照杂环分子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n 电子密度比苯大，并像苯一样有一个 连续封闭的共轭体系的杂环环系。称为超电子环系f “一e x c e s s i v e ) 。这类化合 物中杂原子上的未共用电子对参与芳香6 冗电子体系的形成，使杂环上碳原 子的电子密度增加，例如呋喃环系、毗咯环系等。 ( 2 ) 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，但环中的兀电子 密度比苯中的小，这类杂环环系称为缺兀电子环系血d e f i c i e n t ) 。这类化合物 中氮原子( 杂原子) 上的未共用电子对不但不参与芳香6 丁c 电子体系的形成， 相反因氮原子的电负性，还吸引环内电子，因而使环上碳原予的电子密度 降低，例如吡啶等。 ( 3 ) 含有孤立的n 键或者不连续的冗键的杂环环系，也称为烯型杂环环系，例如 呋喃环系、二氢吡咯等等。 ( 4 ) 不含有碟的杂环环系，即饱和杂环环系，也称为烷型杂环环系，例如四氢 呋喃、二氧六环、六氢吡啶等等。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 二、将所有杂环化合物分为芳香型杂环环系和脂肪型杂环环系。当然，后一类 中又有烯型的和烷型的两种。 三、按照杂环分子中含“环节”原子的数目( 亦即环的大小) 分为三元杂环、四 元杂环、五元杂环等等。但是，这些都还只是指单杂环环系，还应有稠杂 环环系。事实上，稠杂环和单杂环不仅是环的数目上的差别，而且有许多 特殊的性质和反应。所以把各类杂环化合物的性质和分子结构综合考虑， 可以将杂环化合物分成五类：单杂环、稠杂环、巨杂环、螺杂环和桥杂环 与杂环多面体等。 2 杂环化合物的研究意义 杂环化合物广泛存在于自然界中，如石油、煤焦油中有含硫、含氧及含氮 的杂环化合物。不仅天然的杂环化合物具有分布广、功用多的特点，目前合成 的杂环化合物也是琳琅满目，它们的功用也是各有千秋。在生物化学和药学论 中，它们占据突出的地位，因为许多有关生理活性的化合物，大多属于杂环化 合物类。如：在动植物体内起着重要生理作用的血红素、叶绿索、核酸的碱基、 维生素、蛋白质中的一些氨基酸、生物色素、毒素都是含氮杂环化合物；中草 药中的有效成分生物碱如：抗疟疾的奎宁、镇痛的吗啡、抗癌的喜树碱、野百 合碱、治高血压的利血平、抗菌消炎的黄连素、镇痛催眠的东莨菪碱以及兴奋 中枢神经的咖啡碱等等，也都是含氮的杂环化合物，而且它们的药用价值是显 著的。许多合成药，往往有杂环，如抗菌消炎的磺胺类药物、呋喃类药物、新 青霉素等半合成抗菌素；抗疟药大部分含有喹啉环，如阿的平；软化血管和降 血压的芦丁含苯并一吡喃酮环；消毒用的红汞含二苯并吡哺环：还有解热镇痛 药安乃近、颅通定：镇静安定药利眠宁、安定、冬眠灵，以及中枢兴奋药尼可 刹米等等，它们的药效大多有青出于蓝、后来者居上的趋势。药物依赖于杂环， 可能的原因之一，或许是因为杂环较之脂肪族或芳香族化合物，不易受到代谢 过程的破坏| 2 j 。 杂环的重要性，也不限于其生理活性和药用价值。它们在非生物的领域中， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 也有广泛的用处。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，多数也都是杂环化合物。例如二苯并噻嗪染料( 次甲基蓝、硫化黑、 硫化蓝等) ，二蒽醌并吡嗪染料( 阴丹士林) 、吲哚染料( 靛蓝靛、靛红) ，酞青 染料，均三嚎活性染料等。其中现在较广泛应用而又较耐用的合成染料是靛蓝 靛和阴丹士林。近年来研究发展迅速的耐高温杂环高分子，如：聚苯并嗯唑、 聚苯基喹喔啉、聚咪唑吡嗪等新型高分子材料就是通过在高分子链中引入杂环 以增加其分子刚性，从而提高其热机械性能的。杂环高分子不仅在耐高温的高 分子材料中占有一席之地，在通用高分子材料中也起稽相当重要的作用，如作 为杂环高分子的三聚氰胺甲醛树脂、苯酚一糠醛树脂、糠醇树脂、聚乙烯醇 缩甲醛( 维尼纶) 、聚咔唑乙烯等。另外，具有特殊用途的高分子材料中，杂环 高分子也得到了应用，例如：聚乙烯基丁内酰胺可作血浆代用品。此外，还有 通过菜些杂环分子的扩环和缩环反应，将太阳能贮存起来的贮能材料、工程高 分子材料、具有优良的耐酸碱、耐氟化物和电绝线性能的高分子材料等等。农 药的三大品种杀虫剂、杀菌剂和除草剂也都与杂环化合物关系密切，特别 是除草剂。就其产量来说，杂环除草剂占除草剂的大部分。其中又以均三嗪除 草剂的产量最大，如西玛津。杂环化合物在橡胶工业领域被用作抗氧剂及硫化 促进剂( 如哌啶及其衍生物) ，还被用作胶片的敏化剂、彩色照相中的成色剂、 有机导体和超导材料，等等。由此可见杂环化合物的用途十分广泛。 杂环化合物不但在实用上是重要的，在理论研究上也同样是重要的。如构 象的理论因得到蕾体化学的验证而大大发展。现在普遍认为杂环化学是很好的 验证电子学说或其他理论的园地，如茁体之与构象，因为在杂环化学中，通过 各种杂原子的选择，几个杂原子的不同安排，再通过外围基团的分布等等，可 以验证应有的不同结果，或因而引出新的发现。s w a i n 和b r o w n 的多性能催化 作用i 圳以及吡啶一n 氧化物的特有性能【5 j ，都是在杂环化学中发现的。因此， 杂环化合物无论在理论研究或实际应用方面都有非常重要的意义。 3 杂环化合物在分析化学中的应用 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 1 杂环化合物在测定无机离子中的应用 杂环化合物的杂原子如o 、s 、n 大多含有孤电子对，可提供孤电子对或 电子与中心原子或基团结合成配合物，因此用杂环化合物来作配位体是很有利 的。杂环化合物是有机配位体最重要的一种。8 一羟基喹啉早就是一种重要的分 析试剂，它和许多多价金属离子形成稳定的配合物。联毗啶、8 一氨基喹啉、氨 基比林等也能和许多金属离子形成螯合物；吡啶与卤素、s 0 3 、c r 0 3 、硝基阳 离子等形成的配合物是重要的有机合成试剂；在金属夹心配合物中，吡咯、呋 哺、噻吩等芳香杂环能与许多金属离子形成夹心化合物。近年来发展的冠醚是 性能优良的配位体，分子中含有足够多的杂原子，又有自己的空穴，因此在具 有很强的配位性能的同时又有定的选择性，能与碱金属和碱土金属离子形 表1杂环化合物在分析化学中的应用 试剂名称分析方法 检测离子 p b ( 1 1 ) 1 6 1 ；e u ( 1 1 1 ) 1 7 1 ；c u ( j i ) 【8 - 1 0 】； 毗啶类 阳极溶出伏安法：分光光f e ( 1 1 ) 1 0 l ；s c ( i i i ) 【1 l 】；t i 0 v ) ”1 塞鎏! 茎堂堂堕垄! 堂堂鲨塾q 丛兰! ! ! ：! 型= 竺! ! ! 苎： b i ( 1 1 1 ) 2 2 】：t i ( i v ) i ”j ； p t 【2 “2 5 1 ： 噻唑类极谱法；光度法p d l x 8 - 2 8 1 ：r h l 2 9 1 成稳定的配合物。卟吩环是一个由十六个原子组成的大环，其中包含有一个由 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 四个杂氮原子组成的有一定空间位置和配位能力的配位环境。这个配位环境几 何构型严密，只有大小和几何构型合适，并且能与配位原子结合的金属离子才 能嵌人这个大环中形成稳定的配位物，由于大环具有高度强化的共轭体系，离 域化兀电子系统的范围大，所以表现出突出的光学性质，其金属离子配合物呈 现出较深的特征颜色，而且配合物稳定性高。周期表中绝大部分金属元素能与 卟啉类试剂形成稳定的配合物f 5 ”。卧啉及酝：合物作为显色剂测定金属离子不但 灵敏度高，而且卟啉分子周边反应活性基园可以用于识别生物活性物质分子及 连接特征性基团成为具有特殊功能的分析试剂。此外，尽管五元、六元杂环化 合物的紫外光谱都和相应的碳、氢化合物相似，但b 带向深色移动，这是因为 p 一兀共轭使选择性提高，灵敏度增大( 见表2 ) 。因此杂环化合物被广泛用作检验 金属离子的特效试剂，隐蔽剂，有机沉淀剂，和萃取分离剂( 见表1 ) 。 表2 杂环化合物和相应碳、氢化合物吸收带的比较 3 2 杂环化合物与核酸相互作用的研究基础 核酸是生物体的重要物质，它贮存了遗传信息，并参与这些信息在细胞内 的表达，从而促成代谓 过程并控制这一过程。由于棱酸介入了生物的生长、友 育和繁殖等正常生命活动，并与致癌等生命的异常情况也密切相关，因此研究 d n a 结构与功能的关系，将有助于人们从分：亍二水平上了解生命现象的本质，并 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 从基因水平理解某些疾病的发病机理，揭示一些药物的生理机制，从而可以通 过分子设计，有效地指导药物分子的合成来寻找有效的治疗药物。 3 2 1d n a 的结构和组成 构成核酸的单体是核苷酸，核苷酸由核苷( 包括碱基，戊糖) 和磷酸组成。 按戊糖是p d 核糖或p d 一2 ，- 脱氧核糖，将核酸分为脱氧核糖核酸( d n a ) 和核 糖核酸( r n a ) 。前者的碱基是腺嘌呤( a ) 、鸟嘌呤( g ) 、胞嘧啶( c ) 和胸腺嘧啶 ( t ) 四种。后者的碱基中，除了尿嘧啶( u ) 代替了胸腺嘧啶外，其余三种与前 者相同。 脱氧核苷酸之间由3 ，5 。磷酸二脂键连起来形成单链，称为d n a 的级结 构。两条单链之间碱基由氢键联系起来形成两种特定碱基配对：a t 和g c 。 相邻碱基对平面之间间隔处于v a nd e rw a a l s 距离内，因此碱基平面上分布的丁c 电子云系统之问的吸引力、碱基上永久槛偶极间的作用力和诱导偶极的相互作 用等分子间作用力使碱基之间存在堆积作用。氢键和堆积作用使两条脱氧核苷 酸单链组成条双螺旋，就是d n a 的二级结构。 由于d n a 是一种柔性的生物分子，这使得d n a 双螺旋可采用不同的构 象，如a ，b ，c ，d ，z 等形式。d n a 采用哪种构象，很大程度上取决于环 境条件，如盐的种类，相对湿度等。b 型是大多数天然d n a 的存在形式，其 结构特点是两条呈反平行的多核苷酸链围绕同一螺旋轴旋绕而形成右手双螺 旋，每十个碱基对旋转一图形成一个螺旋结构，螺距3 4n i l l ，螺距直径2n m 。 d n a 的不同构象所具有的特征使得用小分子配合物来识别d n a 的= 级结构成 为可能。 3 ，2 2 杂环化合物与核酸结合的基本方式 杂环化合物小分子与d n a 的作用方式按化学键划分，主要有非共价结合， 共价结合和剪切作用。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s s 非共价结合 静电结合 核酸是一个带电的聚合电解质，它的外层骨架上磷酸根阴离子( 通常以钠 盐形式存在) 强烈地影响d n a 的构象及其反应。这种带电荷的高聚物的构象需 要在小分子作为抗衡离子的协同作用中达到完全稳定，因为这些抗衡离子( 如； 金属离子及许多带正电荷的配合物) 可以与带负电荷的核酸双螺旋外层形成静 电作用，但这种作用是非特异性的1 5 “。 嵌插结合 即在碱基对之间嵌入平面的或几乎平面的芳香环系统。嵌插结合的作用力 来自芳环的离域“体系与碱基的兀体系之间的一相豆作用及疏水相互作用。这 是药物分子与d n a 发生作用的最重要的形式之一m 。通常稠合芳环体系都倾 向于结合在g c 富集区，如果分子含有庞大的取代基，如吡啶环取代的卟啉 分子在与d n a 作用时，毗啶环取代基会尽量旋转，以保持与母环共平面，从 而形成良好的堆积状态与d n a 嵌合，这样可以直接抑制d n a 复制与转录的 功能；或经过进一步活化后，使d n a 断裂受损而影响其功能。 沟区结合 即d n a 靶向分子与d n a 的大沟或小沟的碱基对边缘直接发生相互作用。 大小沟在电势能、氢键特征、位阻效应、水合作用上均有很大的不同。小沟沟 区结合的分子一般为简单的芳香杂环，如呋喃、吡咯或苯环，这些芳环有可以 自由扭转的键来配合小沟区的螺旋曲线，从而与d n a 双螺旋链中a t 富集【5 9 侧 的小沟区边缘通过氢键、范德华力发生相互作用。通过这种沟区结合束缚 d n a ，从而阻止了d n a 的模板作用，达到抗肿瘤、抗病毒的目的。 共价结合以及断裂作用 与非共价结合作用相比，d n a 靶向分子与d n a 共价结合的序列特异性识 别能力要强得多。共价结合中包括与亲核试剂( 如n h z - n h z 、n h d h ) 的作用及 与亲电试剂的反应( 如d n a 的烷基化) 【6 1 】、c i s p t 与d n a 的交联作用等。 在生理条件下，识别和断裂核酸的含杂环的过渡金属配合物有： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s c u ( p h e n ) 2 “( p h e n - 邻菲咯啉) 。它由巯基化合物还原成一价后，在氧化剂存 在的条件下表现出核酸酶活性。c u ( p h e n ) 2 2 + 可逆地嵌合在d n a 的小沟中， 与溶液中的过氧化氢反应产生活性氧，攻击小沟底部的c l 氢原予，导致 一系列消除反应，最终产物为y - 或5 单磷酸酯为末端的d n a 片断、游离 碱基及5 一次甲基呋喃酮 6 3 - 6 5 】。 铑或钌配合物【6 6 】。它们往往是光敏感的，受光活化后，具有核酸酶的生物 活性【6 7 1 6 8 1 。即在光照之下可生产单氧或通过催化去氢实现d n a 的断裂。 水溶性金属卟啉【6 9 】。它在脱氢核糖的c 1 和c 5 处羟化c h 键，断裂效率高。 平面环内含吡啶给予体的大环镍或稀土配合物 7 0 】。它们可促使d n a 氧化降 解。 博来霉素活性中心模型化合物。博莱霉素( b l 】) 是一种研究得较多的糖蛋 白抗菌素，n 端螯合金属离子后【7 1 】，b l m 断裂d n a 的能力增强，且由原 来的对d n a 富含a t 片断的优先识别变为对富含g c 片断的优先识别【7 ”。 这些特异识别和切割的作用，可以选择性控制基因表达和调控基因生物活 性，发展新型基因表达阻断剂，开发新型疾病诊断，成像试剂以及设计特效治 疗药物等。 3 3 杂环化合物与核酸相互作用的研究现状 3 ，3 1 金属插入剂种类的研究 因为现在已经发现某些抗癌作用与插入结合有关，因此那些与d n a 作用时， 作为插入剂的金属插入剂特别的受关注。金属插入剂是指含有平面芳香杂环的 配合物，能以平面芳香杂环配体插入d n a ，并与d n a 中的碱基对重叠，通过 堆积作用而稳定【7 3 】。加州理工学院的b a r t o n 小组对八面体结构的金属嵌入剂 的研究作出了杰出贡献。8 0 年代初期，b a r t o n 发现z n 、c o 、r u 等金属的, g - - 氮菲( p h e n ) 络合物是一类主要依靠外形和极性上的匹配而结合在双螺旋d n a 大沟区的小分子，相对于左手型的 一异构体，右手型的一异构体更易嵌入右 硕士学位论文 m a s f e r st h e s i s 手螺旋d n a ，即z n “、c o “、r u 2 等配位饱和的八面体手性配合物具有识别 d n a 的二级结构的能力，从而发展了能够识别a ，b 和z 型d n a 的手性配合 物探针【7 4 】。 r u (2 + 是研究最多最有争议的金属吡啶配合物，国际有名的各研究小 组不仅对p h e n ) 3 r u ( p h e n ) 3 2 + 与d n a 是否存在部分插入结合持不同观点，而且对是否 存在面式结合以及结合的位置( 大沟、d , w ) 等问题也颇有争议【7 0 1 。在研究 r u ( p h e n ) 3 2 + 与d n a 相互作用的过程中，研究者们发现由于此类络合物空间结 构比较紧凑，形成了相对屏蔽的表面，因此邻二氮菲配体无法深度嵌入d n a 中，从而导致此类化合物与d n a 的亲合性不高，这促使研究者考虑外形更长， 表面积更大的配体，如d p b 、d p p z 、p h c h a t 等f 8 1 - 8 3 1 ( 见图1 ) 。一般来说插入配 体芳香环面积越大，则配合物与d n a 的结合能力越强。比起邻二氮菲( p h e n ) 而言，d p b ，d p p z 和p h e h a t 具有更大的芳香平面，对d n a 具有更强的亲和 能力，从而有效的提高了与d n a 的结合力( 见表3 ) 。 表3金属钉配合物的结合常数比较 在近几年所研究的金属插入剂中，又以利用金属( r u “、c u “、z n 2 + 、c 0 2 + ) 多吡啶的八面体构型的配合物为探针来研究d n a 的结构、构象、立体选择性、 作用机制及功能等性质最为热门【8 。因为既有刚性又带手性的八面体构型的以 金属离子为中心的金属配合物，热力学稳定性好，光化学信息丰富，非常适合 于研究它与同样带有手性的d n a 的相互作用。现在这种含有平面芳香杂环的 八面体金属配台物己广泛地用作d n a 结构探针、分子“光开关”、d n a 介导 的电子转移、d n a 足迹试剂以及d n a 断裂试剂等【8 5 8 6 】。关于核酸分子“光开 关”试剂【r u ( p h e n ) 2 d p p z “与d n a 的作用机制，现在普遍认为这是由于在水溶 液中d p p z 的吡嗪环上的两个氮原子容易与水分子形成氢键而质子化，从而使 配合物激发态能量容易散失。但当d n a 存在时，由于d p p z 可以插入到碱基对 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 菇 p h e h a t 图1 几种平面芳香杂环配体的结构 f i g 1t h em o l e c u l a r s t r u c t u r eo fs o m ek i n d so fp l a n a ra n da r o m a t i ch e t e r o c y c l i cl i g a n d s 中，在疏水环境中大大降低了d p p z 被水分子猝灭的可能性，从而产生较强的 发光f 8 7 - s 9 。 3 3 2d n a 是一根分子导线还是绝缘体? 科学家们经过近2 0 年的研究，基本上认为蛋白质分子不是电子传递的优 良载体，电子沿多肽链和氨基酸侧链传递，电子传递的速率随给体与受体的间 距增加l n m 而降低4 个数量级。而d n a 具有不同于蛋白质的独特的结构特点： 即有由碱基对和碱基芳香环间兀一兀堆积而稳定的双螺旋结构，这种整齐的几电子 堆积是否使得d n a 分子可以像金属一样，电子可以畅通无阻地通过长距离的 d n a 分子。由于对这一问题的阐明将有助二于二人类了解生物体中d n a 的突变和 致癌机理，因此随着对配合物与d n a 相互作用研究地进一步深入，人们又逐 渐把研究角度转到d n a 传递的电子转移方葱 外”j 。争论的焦点主要是d n a 是否是一根分子导线、作为电子给体和受体的配合物是否需要插入到d n a 碱基 对中以及d n a 内电子转移的速率与给体和受体之间的距离的关系等。 其中以b a r t o n 研究小组的一方认为d n a 是分子导线，并且电子转移的速 率与给体和受体之间的距离无关，但与配合物插入d n a 的情况以及d n a 的 序列有关，如果d n a 的碱基对不匹配，则有可能终止电子的转移。他们开展 了广泛的非共价的键合插入剂的研究，他们利用能插入d n a 的电子受体 r h ( p h i ) 2 p h e n 孔和与d n a 表面结合的电子受体f r u ( n