喹啉-2-甲撑丙二酸及其酯等功能分子的合成及应用

摘要

脂肪烃类巯基化合物如半胱氨酸，高半胱氨酸和谷胱甘肽在生物体系中广泛存在，它们既是某些功能蛋白的重要组成部分，也参与着生物体系中的多项生命活动，巯基化合物浓度的失衡会导致机体工作异常，引发多种疾病。因此，跟踪检测巯基化合物在生物学研究方面意义重大。本论文合成了若干种喹啉-2-甲撑丙二酸及其酯衍生物，研究了它们作为荧光探针在巯基检测及细胞成像上的应用以及基于其光谱性质研究了它们作为分子计算器在分子模拟运算中的应用。
　　 本文的第二章设计并合成了一种高选择性，用于检测酸性环境中巯基的荧光探针，喹啉-2-甲撑丙二酸(QMA)，因分子结构中存在α，β-不饱和酮结构，其可在酸性溶液(pH＜7)中与巯基发生迈克尔加成反应并引起喹啉荧光信号的显著增强。pH效应实验证明该探针只能在酸性条件下(pH＜7)和巯基反应，我们进一步合成了其酯衍生物喹啉-2-甲撑丙二酸二乙酯(QME)，该化合物对巯基活性的pH效应刚好相反，即只能在碱性条件下(pH＞7)与巯基反应。氢键活化（丙二酸基团的分子内氢键和巯基与丙二酸上羰基的分子间氢键）很好地解释了QMA在酸性条件下对巯基独特的传感机理。进一步，细胞成像实验显示，QMA处理过的细胞只能在酸性区域内与生物巯基反应并发出强荧光，因而能够特异性地标记细胞中的酸性组织（如溶酶体），这是文献目前尚未报道过的，而QME只能在生理环境(pH7.4)中与巯基反应，从而进行细胞成像。
　　 第三章在第二章基础上合成了胺基取代，荧光比例变化的巯基探针QMAE，实验与理论计算表明，该分子为D-π-A体系，存在特征性的分子内电荷转移(ICT)过程及相应的光谱性质，当其与巯基反应后，ICT过程有一定程度地减弱，从而引起探针光谱信号的改变(最大发射波长处的荧光比例值增强20倍以上，位移达100 nm)。强烈的供电子基团胺基和显著的ICT性质使得QMAE及其与巯基的加成产物均具有很好的双光子吸收能力(最大双光子吸收截面值分别为1900GM和750 GM)，这为其作为目前鲜有报道的双光子巯基荧光探针奠定了良好的基础。细胞成像实验显示QMAE具有很好的细胞渗透能力，可进行双光子细胞成像并输出其对生物巯基响应前后不同的荧光信号变化。
　　 第四章合成了两种喹啉-2-甲撑丙二酸衍生物QMAs（QMA-1和QMA-2），因存在多个酸碱基团，QMAs在不同的pH溶液中以四种或五种的离子形式存在并伴有相应的紫外吸收和荧光发射光谱。紫外光谱滴定实验得到了各个酸碱基团的pKa值，通过选择合适的离子形式我们分别设计了基于QMA-1的“四状态”分子开关和QMAs（QMA-1/QMA-21(∶)2）的“四状态”分子开关，在此基础上进一步实现了基于QMA-1紫外光谱的分子半加器和半减器，并由QMAs的组合荧光光谱得到了更为复杂难得的分子全加器和全减器，这四种运算体系均是用酸碱调控的，因而是完全可逆的，即可以实现重复运算操作。
　　 第五章以咔唑为敏化基团，合成了两类光解酶模型化合物咔唑—二聚体模型(1)和咔唑—氧杂环模型(2)，在单色光照射下，激发态的咔唑转移一个电子到二聚体/氧杂环上，形成自由基正负离子对，其后二聚体或氧杂环自由基负离子裂解为嘧啶单体。在不同的溶剂中，化合物1和2的光敏化裂解效率是不同的，对于咔唑—二聚体体系(1)来说，随着溶剂极性的增加，敏化裂解效率逐渐降低，而对于咔唑—氧杂环体系(2)，其呈现一个相反的溶剂效应，即敏化裂解效率随着溶剂极性的增加而增加。运用Marcus理论对这两种相反的溶剂效应给予了合理解释。这一实验结果为解释两类光解酶在修复受损DNA效率上的差异起到了很大的作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 传统的巯基检测法

1．3 各种用于巯基检测的荧光探针

1．3．1 基于迈克尔加成反应

1．3．2 基于巯基与醛成环反应

1．3．3 基于琉基亲核取代反应

1．3．4 基于N—Se键断裂

1．3．5 基于二硫键断裂

1．3．6 基于配合物配体取代

1．4 巯基探针分子的结构特点

1．5 小结

1．6 论文的选题及主要工作

参考文献

第二章 一种新颖的荧光探针：检测酸性溶液中巯基化合物及标记细胞中的酸性组织

2．1 引言

2．2 探针分子的合成

2．3 结果与讨论

2．3．1 QMA与巯基进行Michael加成反应的实验证据

2．3．2 QMA对半胱氨酸的光谱响应

2．3．3 QMA和QME对半胱氨酸响应的pH效应

2．3．4 QMA对巯基响应的机理解释

2．3．5 QMA对巯基的特异选择性

2．3．6 QMA的细胞成像应用

2．4 小结

2．5 实验部分

2．5．1 实验试剂

2．5．2 实验仪器

2．5．3 缓冲溶液的配置

2．5．4 细胞培养与细胞成像

2．5．5 QMA与巯基反应的动力学分析

2．5．6 探针分子的合成

参考文献

第三章 基于喹啉-2-甲撑丙二酸二乙酯的巯基比例荧光探针及双光子细胞成像

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 QMAE与巯基进行Michael加成反应的实验证据

3．2．2 QMAE对半胱氨酸的光谱响应

3．2．3 QMAE对巯基响应的机理解释

3．2．4 QMAE对巯基响应的pH效应

3．2．5 QMAE对巯基的特异选择性

3．2．6 QAME及其与巯基反应后的双光子吸收截面

3．2．7 QMAE在细胞成像中的应用

3．3 小结

3．4 实验部分

3．4．1 实验试剂

3．4．2 实验仪器

3．4．3 缓冲溶液的配置

3．4．4 细胞培养与细胞成像

3．4．5 QMAE与巯基反应的动力学分析

3．4．6 双光子吸收截面的测定

3．4．7 QMAE的合成

参考文献

第四章 pH敏感的喹啉衍生物的光物理性质及作为分子计算器在分子逻辑运算中的应用

4．1 引言

4．2 QMAs的合成

4．3 结果与讨论

4．3．1 QMAs在不同pH溶液中的光谱性质

4．3．2 QMAs的不同离子状态及其pKa值

4．3．3 QMAs不同离子间的相互转化

4．3．4 基于QMA-1的分子半加器和半减器

4．3．5 基于QMAs的分子全加器和全减器

4．4 小结

4．5 实验部分

4．5．1 实验试剂

4．5．2 实验仪器

4．5．3 缓冲溶液的配置

4．5．4 QMAs的合成

参考文献

第五章 光解酶模型化合物的合成及其光修复机理研究

5．1 引言

5．2 模型化合物的合成

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 模型化合物的光裂解反应

5．3．2 模型化合物的荧光猝灭

5．3．3 模型化合物光敏化裂解的光物理和光化学过程

5．3．4 模型化合物的裂解量子产率

5．3．5 Marcus理论对两种溶剂效应的解释

5．4 结论

5．5 实验部分

5．5．1 实验试剂

5．5．2 实验仪器

5．5．3 溶剂的干燥

5．5．4 化合物荧光发射的测定

5．5．6 化合物的合成

参考文献

附录

致谢