瓜环[6]与含咪唑基客体分子准轮烷超分子组装及生物活性研究.doc

瓜环6与含咪唑基客体分子准轮烷超分子组装及生物活性研究【摘要】：瓜环(cucurbitnuril，n=412)，又称葫芦脲，是超分子化学中继环糊精(cyclodextrin)、冠醚(crownether)及杯芳烃(calixarene)之后发展起来的一类新型高度对称的桶状大环分子。瓜环CB6无可争议是瓜环家族的代表，它是由六个甘脲组成的大环分子，具有疏水的内部空腔及由环绕的羰基氧原子组成的端口。结构上的特征使得瓜环区别于其它的超分子主体分子，并使得它能够通过疏水作用、氢键、离子-偶极等键合作用键合多种有机阳离子，通过与金属配位形成金属配合物。随着超分子化学的兴起，瓜环化学在近年来已成为超分子科学中的一朵奇葩，在超分子催化、超分子组装、分子识别、离子通道、超分子生物学、纳米科学、超分子药物学等领域展现出广泛而诱人的应用前景。业已发表了许多有关瓜环识别脂肪胺、末端吡啶基取代的脂肪胺、瓜环与这些分子作用，形成准轮烷、轮烷、准聚轮烷、聚轮烷、分子机器、分子项链等等超分子组装体的研究，但有瓜环识别咪唑类的客体分子仍未见报道。本文主要以瓜环CB6为主体分子，以末端咪唑取代脂肪烷烃为客体分子作为研究对象展开。在水溶液中进行分子组装制备了系列新型准轮烷分子，对它们的结构进行了表征，并研究了它们的生物活性。本文的研究内容主要如下：1本文合成了一系列的含咪唑基的客体分子，包括1，3二咪唑基丙烷(BIMP3)、1，4二咪唑基丁烷(BIMB)、1，5二咪唑基戊烷(BIMP5)、1，6二咪唑基己烷(BIMH)、N，N二(4-甲基咪唑基)1，6己二胺(BMIMHA)。用元素分析、核磁共振、质谱等对其结构进行了表征。2在水溶液中，通过客体分子与瓜环CB6反应制备了一系列新型准轮烷分子，包括：CB6BIMP3、CB6BIMB、CB6BIMP5、CB6BIMH、CB6BMIMHA。用元素分析、核磁共振、电喷雾质谱、X单晶衍射等手段进行了表征。为进一步组装如分子项链、金属配位聚轮烷等更为高级新奇的超分子聚集体打下极好的基础。并用核磁共振研究了它们溶液中的状态。探讨了瓜环对咪唑基客体分子化学位移的影响，科学合理地给出了相应的位移数据。3制备了不同无机酸盐的CB6BIMH准轮烷分子，用X单晶衍射的手段探讨了该准轮烷分子的自组装及不同的无机酸阴离子对准轮烷分子组装的影响。发现了由非共价作用连接的准聚轮烷。用电喷雾质谱证明了该类型准轮烷分子在溶液中及气相中能以双电荷离子及单电荷离子稳定存在。透射电子显微镜形貌分析发现，该结构形成了具有纳米结构的直径为2540nm的纳米管和纳米线。4对准轮烷分子CB6BIMH的生物活性通过硅胶电泳分析进行了研究。发现在生理条件下，该准轮烷分子可以高效地断裂超螺旋双链DNA分子。通过荧光光谱、DNA热变性、晶体结构、高分辨质谱结构分析、分子模拟以及模型底物BDNPP水解等实验，探讨了DNA断裂模式，表明其断裂属于水解切割机理。在这个机理中，主体瓜环CB6与客体分子BIMH共同协作使得DNA切割得以进行，质子化的咪唑基团通过氢键静电作用与DNA的磷酸负阴离子结合，而后瓜环充当路易斯碱的角色通过氢键作用活化水分子，使其亲核性变强去进攻DNA的磷原子使DNA得以断裂。这是首例应用超分子组装原理，将两个没有生物活性的小分子进行组装，并获得的水解型核酸切割试剂。需要指出，这同时也是一种极具生物医学应用前景的、不含金属离子的水解型核酸切割试剂。【关键词】：瓜环准轮烷超分子化学自组装核酸切割试剂切割机理【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：O641.3;O626.23【目录】：摘要10-12英文摘要12-15第一章综述及研究设想15-641.1引言15-161.2瓜环家族成员的合成、结构及性质16-241.2.1合成16-201.2.2结构及性质201.2.3改性瓜环的合成20-241.3瓜环分子识别24-321.3.1金属离子24-261.3.2有机胺离子26-301.3.3其它客体分子30-321.4超分子组装研究32-401.4.1准轮烷及轮烷32-341.4.2准聚轮烷及聚轮烷34-361.4.3分子项链36-371.4.4分子机器37-391.4.5瓜环在新型准轮烷形成上的发展39-401.4.6超级准轮烷401.5瓜环的生理化学及药理学40-431.5.1准轮烷分子与DNA的三元络合物40-411.5.2瓜环影响(亚)精胺分子对DNA的切割411.5.3基于瓜环的基因传输41-421.5.4瓜环在药理学方面的应用42-431.6瓜环其它用途431.7研究与设想43-45参考文献45-64第二章瓜环与含咪唑基客体分子超分子准轮烷分子的合成及其超分子组装研究64-1082.1引言642.2实验部分64-792.2.1实验试剂64-652.2.2实验仪器65-662.2.3主体分子的合成及表征66-672.2.4客体分子的合成及表征67-732.2.4.11,3二咪唑基丙烷二盐酸盐(BIMP3)67-682.2.4.21,4二咪唑基丁烷二盐酸盐(BIMB)682.2.4.31,5二咪唑基戊烷二盐酸盐(BIMP5)68-692.2.4.41,6二咪唑基己烷二盐酸盐(BIMH)69-702.2.4.51,6二咪唑基己烷其它二酸盐70-712.2.4.6N,N-二(4-甲基咪唑基)1,6己二胺四盐酸盐(BMIMHA)71-732.2.5准轮烷分子的合成及表征73-792.2.5.1客体分子(BIMP3)与瓜环CB6准轮烷分子制备及表征73-742.2.5.2客体分子(BIMB)与瓜环CB6准轮烷分子制备及表征742.2.5.3客体分子(BIMP5)与瓜环CB6准轮烷分子制备及表征74-752.2.5.4客体分子(BIMH)与瓜环CB6准轮烷分子制备及表征75-772.2.5.5BIMH其它二酸盐与瓜环CB6准轮烷分子制备及表征77-792.2.5.6客体分子(BMIMHA)与瓜环CB6准轮烷分子制备及表征792.3结果和讨论79-1042.3.11HNMR核磁共振结果分析79-972.3.1.1准轮烷分子CB6/BIMP31HNMR谱分析79-802.3.1.2准轮烷分子CB6/BIMB1HNMR谱分析80-812.3.1.3准轮烷分子CB6/BIMP51HNMR谱分析81-822.3.1.4准轮烷分子CB6/BIMH1HNMR谱分析82-832.3.1.5准轮烷分子CB6/BMIMHA1HNMR谱分析83-842.3.1.6小结84-972.3.2X-单晶衍射分析不同酸对准轮烷分子自组装的影响97-1032.3.2.1晶体结构分析97-982.3.2.2准轮烷超分子组装研究98-1032.3.3透射电境分析准轮烷微观结构103-1042.4小结104-105参考文献105-108第三章基于瓜环的核酸切割试剂108-1363.1引言108-1113.1.1DNA的结构及特点1093.1.2人工核酸切割试剂109-1103.1.2.1自由基机理1093.1.2.2消除机理1093.1.2.3水解机理109-1103.1.3本章研究内容110-1113.22准轮烷分子对双链DNA的切割研究111-1163.2.1实验试剂1113.2.2实验仪器111-1123.2.3溶液的配制112-1133.2.4切割实验1133.2.5实验结果与讨论113-1163.2.6其它准轮烷分子切割DNA结果1163.32准轮烷分子切割双链DNA机理研究116-1283.3.1荧光光谱研究准轮烷分子与CTDNA的作用116-1193.3.1.1实验原理1173.3.1.2仪器与试剂117-1183.3.1.3实验方法1183.3.1.4结果与讨论118-1193.3.2DNA热变性实验119-1203.3.3准轮烷分子与磷酸二酯键模型化合物BDNPP的水解作用研究120-1253.3.3.1实验试剂预处理1213.3.3.2合成方法121-1223.3.3.3紫外光谱法研究准轮烷分子与BDNPP的水解作用122-1243.3.3.4核磁共振(31)PNMR证明准轮烷分子与BDNPP间的氢键作用124-1253.3.4客体分子对比实验125-1263.3.5从结构特性分析准轮烷分子水解DNA的事实126-1273.3.5.1高