立体化学原理4.doc

根据Cahn-Ingold-Prelog规则，G紧随G增加优先次序，或者说也可能紧随G和比G优先的配体之间；如果原来有次序 a G b ，G的插入就得到 a G G b。通常G为一直接与潜手性中心连接的比G更重的同位素（H被D取代，CH3被CH3取代等）。在这种操作后，潜手性碳原子变为手性原子。（b）如上述操作可指明新手性，如果配体G 由试验基团G取代得到R（或S）不对称中心，则G称为pro-R（或pro-S），在结构式中常在其符号右下角以字母R（或S）表明，比如HR或HS。另一个G自然就是pro-S（或pro-R）（见图A2.16结构式）。如果潜手性原子成为假不对称则用小写字母r和s 。图A2.16 一些潜手性碳原子的例子酶区分立体异位基团特别是类型Ca,b,G,G的体系的能力可由上述理论考察来解释。酶的活性位点为典型手性结构，含潜手性碳原子的底物与此结合后，对映配体就成了非对映体，所以本质上化学不等价了，也增加底物中那些已经是非对映的配体间的差别。这些想法有助于解释以前观察中的疑问。其中一个就是由丙酮酸和标记的13CO2酶控制形成-酮戊二酸中，为何集中在羰基邻位羧基碳原子上有“不对称”标记。首先这些结果看来与草酰乙酸中间体形成（丙酮酸+CO2）和草酰己酸经柠檬酸转化为-酮戊二酸的假设不符；这种中间体就碳原子（Ca,b,G,G 型）而言是对称的，在两homoporphic取代基之一G上带标记（见Kreb循环，图A3.22）。A. G. Ogston Ogston, A. G., Nature, 163, 963 (1948)说明了这些实验结果和Kreb循环反应之间道理上讲为何无不相符之处。他提出了如图A2.17所示机理模型来解释顺乌头酸酶（aconitase）对柠檬酸的两乙酸链（现称为对映链）的区分。这种模型可扩展到所有Xa,b,G,G型体系，此体系被称为三点底物-酶键合（three-point substrate-enzyme binding），已被广泛接受。然而，必须清楚的是，不能把Ogston的模型作为酶对实际反应机理中的立体异位基团选择能力的普遍解释。如果假设配体仅从一面与扁平蛋白质（酶）接近，Ogston的模型是可以描述并解释许多立体识别的，但蛋白质表面接触位点处于裂缝或突出部位，三点模型就不足以区分立体异构体。Mesecar 和Koshland Jr Andew D. Mesecar, Daniel E. Koshland Jr., A New Model for Protein Stereospecificity, Nature, 403, 614-615 (2000)基于对异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase, IDH）游离时与L-(2S，3R)-异柠檬酸的结合和Mg2+存在下与D-异柠檬酸结合的X-射线单晶衍射结果提出了四定位模型（four-location model）。底物与酶结合不一定要四个结合点，然而除三个结合点外，另一个配体可以是结合点也可以是方向定位。从而配体仅能与酶从一个方向结合，故酶可以区分对映体。Ogston的假设是可能的，且与迄今一般立体化学原理符合。酶和底物间的三点结合模型很具吸引力，使人们能理解酶促隐性立体专一性现象。然而，认为是生物催化的实际描述就错了，现在还没有明确的实验证据支持或否定Ogston假说。图A2.17 a： Ogston模型 (三点底物-酶键合)b：Mesecar-Koshland模型（四位模型）所讨论的关于分子中homomorphic（或对映）基团间空间关系的问题可以延伸至平面体系的面（见图A2.18）。我们设想试剂G对这种体系的任一边进攻（为了简化起见，假设进攻直接针对面上的原子之一，如羰基碳原子，垂直进攻），两过渡态（图A2.18中A和B）可以是相等（如从97开始），相互为对映形式（如从98开始，G非手性），或者互为非对映形式（从38a开始或G为手性时从98开始）。这些过渡态的关系将反映到产物混合物的组成上：如过渡态相等，仅得一种产物；如两过渡态为对映形式（或两能量相等）将可能得到等摩尔量的对映体（消旋体）；当两过渡态为非对映形式（也就是当能量级不同时）得到不同量的立体异构体（立体选择性或立体专一性反应）。将这些原理用于酶催化反应时就必须小心，在这些情况下与底物相作用的G通常为手性的，因为它是酶活性位点（典型的手性）与渗入到产物的试剂（或者手性或非手性，如H+，H，碳离子等）之间的加成复合物。因此生物催化反应C（sp2） C（sp3）将以一对非对映体之间选择的过渡态为特征，不管 C（sp2）取对映面或有非对映面。由此可解释酶催化转化中常发现的立体专一性：如果底物有对映面（见图A2.19 ），产物是可能的对映体之一，否则为非对映体之一。在与潜手性四面体碳原子（Xa,b,G,G ，特别是当X为sp3碳原子时）相连的两基团之间和与配体处于同一个面上的原子X的两立体异位面之间的相似关系也反映在Hanson所提出的命名系统中，两种情况下命名都基于Cahn-Ingold-Prelog序列规则。pro-R / pro-S已经论及。指明“平面“原子X的对映异位面的方法为：（1）面的一边面对观察者；（2）如X为双配位（如93和96中对于O，H和S原子），在已存在的两配体所在面的反方向加一第三个质量数为零的虚拟配体；（3）X的三个配体的优先次序根据顺序规则：a b c 或 a b ，有时有必要对X双键配体复制以便决定配体优先次序；（4）如果观察者从优先配体到次优先配体再到最小优先的配体在此平面沿顺时针方向（或反时针方向）则所面对的一面为re（或si）。平面原子的面，当不能以上述方法描