单修饰环糊精-金属配合物构建金属酶模型及其性质研究

摘要

β-环糊精具有内疏水空腔、外亲水表面与手性的微环境，因此能够选择性地结合底物。而经过选择性修饰的环糊精衍生物，可以引入具有和金属离子配位的功能基团作为催化位点，因此特别适合于人工酶的模拟。本文在本课题组研究的基础上，进一步研究双环糊精的协同疏水识别作用以及多金属的协同作用对催化活性的影响。研究了环糊精的引入对金属配合物与脱氧核糖核酸DNA作用的影响。
　　 本文合成了含三齿(N3)吡啶桥联双环糊精配体及其铜、锌配合物，以及2-羟基-5-甲基-1,3-苯二甲醇修饰的环糊精配体及其三锌双环糊精配合物。并用这些铜、锌配合物模拟水解酶，其环糊精空腔来模拟天然水解酶的疏水环境，研究模拟物的结构与催化性能的关系。另外还合成了乙二胺和2-胺基吡啶修饰的环糊精配体及其铂配合物以及环糊精与小分子铜配合物超分子组装的包合物，并用这些化合物来模拟核酸酶。本文的研究内容主要包括以下几点：
　　 1.设计并合成了新的具有三齿N3吡啶桥联双环糊精L1(2,6-dimethylpyridyl-bridged-bis(6-monoammonio-β-cyclodextrin))及其铜配合物(1)(CuL1(H2O)，C91H195N3O100CuCl2)。pH电位滴定研究得出1与结构相似的小分子铜配合物的稳定常数KML和配位水电离常数pKa值相当(LogKCuL112.53，pKal8.13； LogKCu(bamp)12.20，pKal8.11)。说明桥联环糊精配合物的配位环境和小分子配合物相似。配合物1催化双(对硝基苯)碳酸酯(bis(4-nitrophenyl)carbonate，BNPC)水解速率是无催化剂的2.73×103倍，而对对硝基苯醋酸酯(p-nitrophenylacetate，p-NA)，仅为78.2倍；催化双(对硝基苯)磷酸酯(bis(4-nitrophenyl) phosphate，BNPP)的二级速率常数为5.94×10-4M-1 s-1。配合物1能有效的催化双疏水端基底物BNPC、BNPP的水解。
　　 2.为了研究金属离子对酯水解反应活性的影响，本部分合成了吡啶桥联双环糊精(L1)的锌配合物(2)(ZnL1(H2O)2,C91H195N3O100ZnCl2)。pH电位滴定研究得出配合物2的稳定常数LogKML是7.31,比相应的小分子锌配合物(LogKzn(bamp)5.56)高约1.8个单位，说明环糊精锌配合物更稳定。配合物2的配位水电离常数分别是pKal8.14±0.03，pKa29.24±0.01,与小分子配合物Zn(bamp)(pKal7.94±0.1,pKa29.63±0.09)相当。在pH7.0时，配合物2催化水解BNPC的速率是无催化剂时的8.93×103倍，而催化p-NA，为71.76倍；同样条件下，配合物2催化磷酸双酯BNPP二级速率常数(1.68×10-3 M-1 S-1)高于磷酸单酯NPP(5.75×10-4M-1S-1)，也高于大多数小分子ZnN3类配合物。以上结果表明2能有效地催化水解双疏水端基的底物，尤其是BNPC，再次证实了桥联环糊精的双疏水空腔的协同识别包合底物在催化反应中起着重要的作用。结果显示，锌配合物2催化碳酸酯和磷酸酯的水解活性高于铜配合物1。
　　 3.本部分合成了新的单修饰环糊精L2(6-mono-(2-(2-hydroxy-3-(hydroxymethyl)-5-methylbenzylamino)-ethylamino)-β-cyclodextrin)并得到了三核双环糊精锌配合物3(C106H232Cl2N4O112Zn3)。电位滴定结果表明，在pH6.0-8.0范围，主要存在两个双核单环糊精锌配合物：[Zn2L]4+和[Zn2L(OH)]3+；在pH8.0-11.0范围主要存在三个三核双环糊精锌配合物：[Zn3L2(H2O)2]2+，[Zn3L2(H2O)(OH)]+，[Zn3L2(OH)2]。在pH7.0时，该锌配合物催化水解BNPC的速率是无催化剂时的5.63×103倍，低于桥联双环糊精锌配合物2；而催化p-NA时，水解速率是无催化剂时的1.62×102倍，约是2的两倍。催化磷酸双酯BNPP的二级速率常数为1.22×10-3 M-1 s-1,此值低于锌配合物2。说明多金属的协同作用加速了单酯的水解，对双酯的水解活性则不如桥联双环糊精。
　　 4.合成并表征了水溶性良好的单修饰环糊精的二齿配体L3(6-mono-(N-aminoethyl)amino-β-cyclodextrin)、L4(6-mono-(N-(pyridin-2-yl)ethylamino)-β-cyclodextrin)及其铂配合物4([Pt(L3)Cl2]·8H2O)、5([Pt(L4)Cl2]·4H2O)。利用紫外-可见吸收光谱、CD光谱和凝胶电泳研究了配合物与DNA的相互作用。紫外-可见吸收光谱、CD光谱结果显示，配合物4、5均以非插入方式与DNA作用；凝胶电泳结果显示配合物4对DNA具有明显作用，而配体L3、L4及配合物5则对DNA几乎没作用。两个配合物对DNA作用能力大小的差异，可能是因为4具有较多的活性氢及较小的空间位阻，有利于4中的铂原子与DNA产生共价结合。
　　 5.设计并合成了两个新的小分子配体 L5(2-Benzyl-1,3-bis(aminoethylthio)propane)、L6(2-(4-tert-Butylbenzyl)-1,3-bis(aminoethylthio)propane)及其铜配合物6([Cu(L5)(ClO4)](ClO4)·0.5H2O)、7([Cu(L6)(H2O)](ClO4)2·H2O)。对7与β-环糊精进行超分子组装得到包合物8([Cu(L6)/β-CD](ClO4)2·6H2O)，并测定了6、7的晶体结构；通过紫外光谱滴定和CD光谱研究了化合物6、7和8与CT-DNA的相互作用模式，结果表明6、7、8主要通过外部的静电作用与DNA结合，且含有较强疏水基的配合物7与DNA之间的作用较强；在还原剂ASC存在下，三个化合物能够有效地氧化断裂pBR322 DNA，环糊精包合物8的活性稍高于7，含较强疏水基的配合物7的活性高于6。通过自由基淬灭实验研究了DNA氧化断裂的机理，结果显示，HO·是氧化断裂的主要活性氧物种。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1.1 引言

1.2 几种常见的金属水解酶

1.2.1 碳酸酐酶

1.2.2 羧肽酶A

1.2.3 磷酸酯酶

1.3 金属水解酶模型的研究进展

1.3.1 小分子金属配合物模型

1.3.2 基于杯芳烃配合物模型

1.3.3 基于金纳米粒子模型

1.3.4 基于环糊精金属配合物模型

1.4 本文的研究意义和内容

参考文献

第二章 桥联双环糊精铜配合物的合成及水解活性的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 主要试剂和仪器

2.2.2 配合物1的合成与表征

2.2.3 pH电位滴定

2.2.4 配合物1催化羧酸酯和磷酸酯水解的动力学测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 配合物1的表征

2.3.2 配合物1在溶液中的热力学性质及物种分布

2.3.3 配合物1催化羧酸酯和磷酸酯水解的动力学研究

2.4 小结

参考文献

第三章 桥联双环糊精锌配合物的合成及水解活性的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 主要试剂和仪器

3.2.2 配合物2的合成与表征

3.2.3 pH电位滴定

3.2.4 配合物2催化羧酸酯和磷酸酯水解的动力学测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 配合物2的表征

3.3.2 配合物2在溶液中的热力学性质及物种分布

3.3.3 配合物2催化羧酸酯和磷酸酯水解的动力学研究

3.4 小结

参考文献

第四章 三核双环糊精锌配合物的合成及水解活性的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 主要试剂和仪器

4.2.2 配合物3的合成与表征

4.2.3 pH电位滴定

4.2.4 配合物3催化羧酸酯水解的动力学测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 配合物3的表征

4.3.2 配合物3在溶液中的热力学性质及物种分布

4.3.3 配合物3催化羧酸酯和磷酸酯水解的动力学研究

4.4 小结

参考文献

第五章 单修饰环糊精铂(Ⅱ)配合物与DNA的作用研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 主要试剂和仪器

5.2.2 配合物的合成与表征

5.2.3 紫外光谱滴定

5.2.4 CD光谱

5.2.5 DNA切割实验

5.3 结果与讨论

5.3.1 配合物4和5的表征

5.3.2 配合物与CT—DNA的作用研究

5.4 小结

参考文献

第六章 含S2N2四齿铜配合物及其环糊精包合物氧化断裂DNA的研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.2.1 主要试剂和仪器

6.2.2 配合物及包合物的合成与表征

6.2.3 X—射线单晶衍射分析

6.2.4 紫外光谱滴定

6.2.5 CD光谱

6.2.6 DNA切割实验

6.3 结果与讨论

6.3.1 配合物6、7和包合物8的表征

6.3.2 配合物及包合物与CT—DNA的作用研究

6.3.3 DNA氧化断裂的研究

6.3 小结

参考文献

总结与展望

附录

致谢