手性限域空間催化材料的構(gòu)筑及研究

田亞萍 陳龍 楊木易 甘文靜 劉燦 劉海燕 吳曉 營口理工學(xué)院

酶是一類有催化活性的蛋白質(zhì)，它具有催化效率高、專一性強(qiáng)、反應(yīng)條件溫和等特點，但是酶容易受到多種物理、化學(xué)因素的影響而失活。人們試圖承接酶的某些優(yōu)點，改變它容易變性、失活等缺點，并期待可用有機(jī)合成方法簡單、易得地制備酶，從而開始進(jìn)行酶功能的模擬研究。[1]1987年諾獎授予美國化學(xué)家Charles J. Pedersen、Donald James Cram 教授和法國化學(xué)家Jean-Marie Lehn 教授幾人，表彰他們先后發(fā)現(xiàn)一類具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的環(huán)狀化合物，為達(dá)成人類一直長期尋找的合成與天然蛋白質(zhì)功能雷同的有機(jī)物這一目標(biāo)方面取得了“擴(kuò)充性的成就”，他們提出的主-客體化學(xué)（host-guest chemistry）和超分子化學(xué)（supramolecular chemistry）奠定了模擬酶的重要理論基礎(chǔ)。

在超分子化學(xué)的研究中，大環(huán)和多面體結(jié)構(gòu)一直是化學(xué)工作者研究的熱點，是一類人工合成的目的在于模擬和研習(xí)酶催化過程和某些生物分子判別的不可或缺的模型。設(shè)計合成具有特定尺度和結(jié)構(gòu)信息的大環(huán)化合物（環(huán)狀、穴狀和籠狀化合物），在其空穴或空腔內(nèi)抉擇性地結(jié)合客體分子、客體離子，進(jìn)行主、客體的化學(xué)研究，突出是對生物活性小分子、生物活性離子進(jìn)行的鑒別研究，是超分子、生物化學(xué)領(lǐng)域中的基本課題。由金屬與結(jié)構(gòu)匹配的多齒配體組裝的多面體金屬大環(huán)體系不僅具有傳統(tǒng)大環(huán)體系良好的主客體化學(xué)性能，而且可以方便的引入特定物理化學(xué)功能，實現(xiàn)對給定客體的識別和傳感。同時，配位健特殊的方向性和配位組裝的可逆性使這類超分子體系的大小、幾何形狀成為可能，從而在主-客體化學(xué)（模擬酶與底物的相互作用）、模擬酶催化過程等方面展現(xiàn)出較佳的前景。

天然酶的催化具有高度的立體專一性、區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性。要使金屬-有機(jī)限域體系成為精良的人工模擬酶，不單需要引入官能團(tuán)顯現(xiàn)其化學(xué)選擇性，還需使它展現(xiàn)出手性以達(dá)成較高的立體選擇性。因此，學(xué)者們突破傳統(tǒng)思路，運用分子鑒別、組裝及模擬酶的催化的原理，概括起來考慮催化過程當(dāng)中的繁多中心活化、多手性因素控制以及微環(huán)境效應(yīng)，來策畫新型手性催化劑。目前，構(gòu)筑具有單一手性的金屬-有機(jī)限域體系，最為有效的方法是選擇手性配體作為構(gòu)筑單元。

一、手性聯(lián)二苯衍生物

Yong Cui 課題組設(shè)計合成了基于聯(lián)二苯衍生物的手性配體，分別與Fe（Ⅲ）、Gd（Ⅲ）進(jìn)行自組裝得到單一手性的、中性金屬-有機(jī)M4L6 型四面體籠狀化合物3 和4。并通過電噴霧質(zhì)譜、IR、1H NMR、CD 和紫外波譜驗證了化合物的形成。經(jīng)X-射線單晶衍射分析，化合物3 和4 以手性三方晶系P3空間群結(jié)晶。其中，金屬離子占據(jù)四面體的四個頂點，配體占據(jù)四面體的六條棱，內(nèi)部空穴體積大約為1800 ?3，利于包裹客體分子。室溫下，單一手性的籠狀主體與外消旋2-丁醇在氯仿中通過共結(jié)晶形成主-客體絡(luò)合物，手性GC 色譜法分析對映體過量ee值高達(dá)98.8%。微量分析和熱重分析進(jìn)一步驗證每個主體包合3 個客體分子。[2]

二、手性環(huán)己二胺衍生物

Fujita 課題組在組裝M4L6 型八面體籠狀化合物1 時，用手性環(huán)己二胺衍生物來保護(hù)Pd（Ⅱ）離子，形成手性八面體籠狀化合物1b-1d。手性環(huán)己二胺衍生物的取代基越大，對應(yīng)的籠狀化合物中配體三嗪單元與吡啶單元之間的傾斜角度越大，籠狀化合物的CD 信號越強(qiáng)。作者研究了熒蒽衍生物與N-環(huán)己基馬來酰亞胺的光加成反應(yīng)。熒蒽是惰性芳香化合物，其熱或光化學(xué)周環(huán)反應(yīng)目前為止還沒有報道。在D2O 中，熒蒽衍生物與N-環(huán)己基馬來酰亞胺被包裹進(jìn)化合物1 中，形成三元包合物。用高壓汞燈進(jìn)行光照，經(jīng)核磁和質(zhì)譜分析，形成[2+2]加成反應(yīng)。經(jīng)HPLC 分析證實，手性籠狀化合物對底物具有對映選擇性。[3]

三、聯(lián)萘酚配體

Wenbin Lin 課題組采用光學(xué)純的聯(lián)萘酚配體與cis-[Pt(PEt3)2Cl2]自組裝，形成[2+2]型手性金屬環(huán)蕃化合物。在Ti(OiPr)4作為共催化劑存在情況下，不對稱催化二乙基鋅與芳香醛之間的加成成醇反應(yīng)。1-萘醛作為底物時，ee 值高達(dá)94%；選擇分子大小較小的芳香醛作為底物時，對映選擇性降低。[4]

四、總結(jié)

觀察前人的研究工作，我們可以發(fā)現(xiàn)金屬-有機(jī)多面體的構(gòu)筑主要局限于兩種方式，一種是邊導(dǎo)向；一種是面導(dǎo)向。在進(jìn)行主-客體化學(xué)及催化研究時，主要依賴于空間的立體選擇性，并且輸出信號單一。金屬-有機(jī)大環(huán)化合物具有開放式結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑種類多樣化，易于修飾。如何構(gòu)筑功能化的金屬-有機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在進(jìn)行生物分子識別與模擬酶催化研究中實現(xiàn)多功能信號響應(yīng)，仍是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。