吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物及其制备方法和应用，一种吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物，所述吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物的结构如式(I)所示，其中，式(I)中金刚烷基包裹有β-环糊精，m和n各自孤立地选自1-4的正整数，M为正二价金属阳离子，N1和N2为卤素负离子，R1为H或C1-C6的烃基。该吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物能够对核酸中的磷酸酯进行快速的水解。

说明书

技术领域

本发明涉及一种吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物及其制备方法和 在催化核酸水解中的应用。

背景技术

磷酸酯对生命体遗传信息的传递，细胞信号的传导，能量的传递和生命 体的新陈代谢都起到了至关重要的作用。双链DNA中的磷酸双酯键非常稳 定，在生理条件下，自水解断裂的半衰期为130,000年。生物体内的核酸代 谢是靠核酸酶催化核酸中磷酸酯键的断裂来完成的，催化核酸断裂是分子生 物学和基因工程的核心技术。目前，切割DNA/RNA的磷酸酯P-O键断裂的 试剂主要有按氧化还原机理的氧化切割试剂(机理为自由基断裂)和按磷酸 酯的水解机理的切割断裂试剂。与自由基断裂相比，水解断裂具有以下几种 优势：(1)不产生易扩散的自由基，碱基和糖环不被破坏从而保留了遗传信 息；(2)通过识别一定数目的碱基对，可使P-O断裂发生在特定位置，有利 于合成具有高度序列专一性的定点切割试剂；(3)生成的碎片具有3′位或5′ 位磷酸末端可在连接酶作用下进一步被利用；(4)水解断裂不需另加其它有 氧化还原活性的辅助因子，对生物体的毒副作用较小。

以酯水解机理切割核酸的试剂主要有氨酸残基、多肽及其金属配合物， 对于RNA而言，往往是切割试剂促使2’位上的-OH脱质子化形成2’位上的 -O-，然后它进攻连在3’-位上的磷原子从而发生分子内转酯反应形成2’位和 3’位上的环磷酸酯，同时使得RNA断裂。对于DNA而言，则往往是切割试 剂直接提供某种亲核基团如羟基进攻磷原子，从而发生亲核取代反应而使 DNA水解。水解类切割试剂相比于自由基类切割试剂而言具有许多优点， 是定点切割试剂最佳的切割系统。

目前，金属配合物能够作为人工核酸酶(人工核酸切割试剂)使用以对 核酸上的磷酸酯进行水解催化，人工核酸切割试剂能专一性地对表达有害的 mRNA被切断而失活或解体，从而拟制有害蛋白的合成而对治疗癌症、糖尿 病等新药开发提供一定的视角。在磷酸二酯键水解过程中，人工核酸酶通常 利用金属离子的路易士酸的特性去活化羟基或水分子从而亲核进攻磷酸酯 中的磷磷酸酯键的水解，是反应速率控制步骤。然而，催化过程中产生的活 化的金属羟基化合物由于羟桥配位特性容易生成金属二聚物，使得催化水解 断裂的活性降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物及其制 备方法和应用，该吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物能够对核酸中的磷 酸酯进行快速的水解。

为了实现上述目的，本发明提供了一种吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精 包合物，所述吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物的结构如式(I)所示，

其中，式(I)中金刚烷基包裹有β-环糊精，m和n各自孤立地选自1-4 的正整数，M为正二价金属阳离子，N1和N2为卤素负离子，R1为H或 C1-C6的烃基。

本发明也提供了一种吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物的制备方 法，所述制备方法包括在溶剂的存在下，将式(II)所示结构的配合物与β- 环糊精进行接触反应制得如上述的吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物，

其中，式(II)中，m和n各自孤立地选自1-4的正整数，M为正二价 金属阳离子，N1和N2为卤素负离子，R1为H或C1-C6的烃基。

本发明还提供了一种上述的吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物或者 根据上述的方法制得的吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物在催化核酸水 解中的应用。

通过上述技术方案，本发明提供的吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合 物是通过将式(II)所示结构的配合物与β-环糊精进行接触反应后制得。其 中，β-环糊精是由环糊精糖基转移酶(CGT)作用于淀粉或直链糊精而生成 的产物，是由7个D-吡喃葡萄糖单元以α-1,4型配糖键连接的环状多糖。β- 环糊精分子的内空腔表面仅存在糖苷氧原子及糖苷氧原子的氢原子，所以β- 环糊精的内腔的内部呈疏水环境，外侧面由于羟基的聚集而呈亲水性，这种 “内亲油、外亲水”的特殊结构，使得β-环糊精作为主体可包结不同客体化 合物，使得客体分子全部或部分地嵌入环糊精空穴内，形成结构特殊的包合 物。由此可见，式(II)所示结构的配合物的金刚烷基能够进入β-环糊精的 内空腔中，这样由于环糊精的多羟基特性和立体位阻，能有效稳定金属羟基 活性和阻止羟基桥联二聚体的生成，从而使得制得的吡啶-金刚烷胺配合物 /β-环糊精包合物能够有效地对核酸的磷酸酯进行水解。另外，式(II)所示 结构的配合物的金刚烷基被β-环糊精包覆后，由于β-环糊精的外侧面的羟基 的聚集而呈亲水性进而提高了吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物的水溶 性，增加了生物相容性，使得作为人工核酸酶的吡啶-金刚烷胺配合物/β-环 糊精包合物的活性进一步增强。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：

图1是检测例1中包合物A1的单晶衍射图；

图2是检测例2中包合物B1的单晶衍射图；

图3是检测例1中包合物A1的红外光谱图；

图4是检测例2中包合物B1的红外光谱图；

图5是检测例1中包合物A1的紫外光谱图；

图6是检测例2中包合物B1的紫外光谱图；

图7是应用例1中k_in对[包合物]_total(A1的浓度)的线性关系图；

图8是应用例1中k_obs对pH的线性关系图；

图9是应用例2中k_in对[包合物]_total(A1的浓度)的线性关系图；

图10是应用例2中k_obs对pH的线性关系图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供了一种吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物，所述吡啶-金 刚烷胺配合物/β-环糊精包合物的结构如式(I)所示，

其中，式(I)中金刚烷基包裹有β-环糊精。

在式(I)中，m可以是1-4正整数，但是从合成的产率上考虑，优选地， n为1。

在式(I)中，M可以为本领域中常规的正二价金属阳离子，从合成的 产率以及作为人工核酸酶的催化效率上考虑，优选地，M为Cu²⁺或Zn²⁺，更 优选地，M为Zn²⁺。

在式(I)中，m可以为1-4的正整数，R1可以为H或C1-C6的烃基， 从合成的难易程度上考虑，优选地，R1为H且m为4。

在式(I)中，N1和N2可以为任意的卤素负离子，从合成的产率以及 作为人工核酸酶的催化效率上考虑，优选地，N1、N2各自独立地选自Cl^-或Br^-，更优选地，N1和N2均为Cl^-。

本发明还提供了一种吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物的制备方 法，其特征在于，所述制备方法包括在溶剂的存在下，将式(II)所示结构 的配合物与β-环糊精进行接触反应制得如上述的吡啶-金刚烷胺配合物/β-环 糊精包合物，

在式(II)中，m可以是1-4正整数，但是从合成的产率上考虑，优选 地，n为1。

在式(II)中，M可以为本领域中常规的正二价金属阳离子，从合成的 产率以及作为人工核酸酶的催化效率上考虑，优选地，M为Cu²⁺或Zn²⁺，更 优选地，M为Zn²⁺。

在式(II)中，m可以为1-4的正整数，R1可以为H或C1-C6的烃基， 从合成的难易程度上考虑，优选地，R1为H且m为4。

在式(II)中，N1和N2可以为任意的卤素负离子，从合成的产率以及 作为人工核酸酶的催化效率上考虑，优选地，N1、N2各自独立地选自Cl^-或Br^-，更优选地，N1和N2均为Cl^-。

在本发明提供的制备方法中，所述溶剂可以在宽的范围内选择，只要能 够溶解反应物便可，但是为了提高溶剂的溶解能力，优选地，溶剂包括C1-C3 的醇和水。在溶剂包括C1-C3的醇和水的情况下，该溶剂中的各组分的用量 也可以在宽的范围内变化，但是为了进一步提高该溶剂的溶解能力，更优选 地，相对于1体积份的所述C1-C3的醇，所述水的用量为4-10重量份。其 中，C1-C3的醇可以是甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇，但是为了再一次提高 该溶剂的溶解能力，进一步优选地，所述C1-C3的醇为乙醇。

在本发明提供的制备方法中，各原料的具体用量可以在宽的范围内选 择，但是为了提高吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物的产率，优选地， 相对于1mmol的所述式(II)所示结构的配合物，所述β-环糊精的用量为 0.9-1.2mmol，所述溶剂的用量为10-25ml。

在本发明提供的制备方法中，所述接触反应具体条件可以在宽的范围内 选择，但是为了提高吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物的产率，优选地， 所述接触反应满足以下条件：反应温度为70-80℃，反应时间为6-24h。

在本发明提供的制备方法中，为了制得的吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊 精包合物能够形成结构优异的晶体，优选地，所述制备方法还包括将所述接 触反应完成后的反应溶液进行过滤，然后取滤液进行静置。为了使得晶体的 结构进一步规则，更优选地，所述静置满足以下条件：静置温度为15-25℃， 静置时间为3-7天。

本发明还提供了一种上述的吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物或者 根据上述的方法制得的吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物在催化核酸水 解中的应用。

另外，本发明涉及的如(II)所示结构的配合物是通过公开号为 CN103923107A的专利报道的方法制备而成，即将如式(III)所示结构的化 合物和[(N1)M(N2)]·2H₂O或(N1)M(N2)进行配合反应；

上述式中，m和n各自孤立地选自1-4的正整数，M为正二价金属阳离 子，N1和N2为卤素负离子，R1为H或C1-C6的烃基。

优选地，M为Cu²⁺或Zn²⁺，N1、N2各自独立地选自Cl^-或Br^-，n为1， R1为H且m为4；

进一步优选地，n为1，N1、N2均为Cl^-，R1为H且m为4，所述 [(N1)M(N2)]·2H₂O为CuCl₂·2H₂O或CuCl₂，所述(N1)M(N2)为CuBr₂或 CuCl₂。

其中，该配位反应的溶剂、各原料的用量、反应时间和反应温度均可以 在宽的范围内选择。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例和测试例中的测 试方法为：元素分析通过使用德国元素分析仪Vario EL III CHN analyzer进 行，红外光谱测试通过日本岛津傅立叶变换红外光谱仪IR FTIR-8400S进行， 单晶衍射测试通过德国Bruker AXS单晶衍射仪Smol/LARTAPEX Ⅱ进行，可 见-紫外测试通过日本日立U-4100紫外-可见分光光度计进行，电化学性质测 试通过CHI-440a型电化学工作站进行，核磁测试通过德国Bruker AV300核 磁共振仪进行。

以下实施例和测试例中，2-(环已胺)-3-乙磺酸(CHES)、三羟甲基氨基 甲烷(Tris)、3-(环己胺)-1-丙磺酸钠(CAPS)，NaClO₄，NaOH，HClO₄均 为购自上海生工生物工程有限公司的优级纯产品，其它试剂皆为购自国药集 团化学试剂有限公司的分析纯产品，二(对硝基苯)磷酸二酯(BNPP)购 自ACROS公司的产品，所有实验用水均为上海亚荣生化仪器厂SZ-93双重 纯水蒸馏器制备而得。

制备例1

式(IV)所示结构的配合物的制备：

将2.0mmol CuCl₂、2.0mmol N,N’-二(2-吡啶甲基)金刚烷胺和20mL乙 醇进行混合，接着加入三乙胺调节溶液pH至7，在75℃下反应6小时，得 深蓝色澄清溶液，冷却至25℃，过滤，滤液经旋转蒸发至少量溶液，放置过 夜，析出大量蓝色固体，抽滤后干燥，得到式(IV)所示结构的配合物。

制备例2

式(V)所示结构的配合物的制备：

按照制备例1的方法进行，不同的是将CuCl₂换成ZnCl₂制得式(V) 所示结构的配合物。

实施例1

将1.0mmol式(IV)所示结构的配合物、1.0mmolβ-环糊精和20mL 乙醇和水(v/v＝1/3)搅拌混合，在80℃下反应8小时，得蓝色澄清溶液， 冷却至25℃，过滤除去不溶物，保鲜膜封口，5天后析出深蓝色立方形晶体， 即吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物A1，产率为61％。

实施例2

按照实施例1的方法进行制得吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物 A2，所不同的是β-环糊精的用量为0.9mmol，产率为41％。

实施例3

按照实施例1的方法进行制得吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物 A3，所不同的是β-环糊精的用量为1.2mmol，产率为48％。

实施例4

按照实施例1的方法进行制得吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物 A4，所不同的是乙醇和水的体积比为1:10，产率为16％。

实施例5

按照实施例1的方法进行制得吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物 A5，所不同的是乙醇和水的体积比为1:4，产率为46％。

实施例6

按照实施例1的方法进行制得吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物 B1，所不同的是将式(IV)所示结构的配合物换为等量的式(V)所示结构 的配合物，产率为58％。

实施例7

按照实施例6的方法进行制得吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物 B2，所不同的是β-环糊精的用量为0.9mmol，产率为39％。

实施例8

按照实施例6的方法进行制得吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物 B3，所不同的是β-环糊精的用量为1.2mmol，产率为42％。

实施例9

按照实施例6的方法进行制得吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物 B4，所不同的是乙醇和水的体积比为1:10，产率为12％。

实施例10

按照实施例6的方法进行制得吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物 B5，所不同的是乙醇和水的体积比为1:4，产率为37％。

检测例1

将吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物A1进行元素分析，结果为： C₆₄H₉₇Cl₂N₃O₃₅Cu C,47.82％；N,2.39％；H,6.41％；计算值：C,47.96％；N, 2.62％；H,6.10％，该检测值与计算值保持一致。

将吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物A1、β-环糊精、N,N’-二(2-吡 啶甲基)金刚烷胺和式(IV)所示结构的配合物通过日本岛津傅立叶变换红 外光谱仪IR FTIR-8400S(KBr disc,cm^-1)进行检测，结果见图3(该图中纵坐 标为透光率％)，由图可知，吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物A1已成 功被β-环糊精包覆，该吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物A1的特征峰分 别为：3373,2928,2859,1612,1577,1449,1366,1294,1244,1155,1079,1028, 945,852,760,706,577,528,420。

将吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物A1、β-环糊精、N,N’-二(2-吡 啶甲基)金刚烷胺和式(IV)所示结构的配合物进行紫外可见吸收光谱检测， 检测结果见图5，由图5可知，对比配合物IV，吡啶-金刚烷胺配合物/β- 环糊精包合物A1在257nm处吸光度减少，而在198nm处吸光度急剧增加。 将吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物A1通过德国Bruker AXS单晶衍射 仪SMART APEX Ⅱ进行检测，结果见图1，由此进一步证明了吡啶-金刚烷 胺配合物/β-环糊精包合物A1已成功被β-环糊精包覆，且被包覆的基团为金 刚烷基。

同样地，对A2-A5进行同样的检测，检测结果与吡啶-金刚烷胺配合物/β- 环糊精包合物A1的检测结果保持一致。

检测例2

将吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物B1进行元素分析，结果为 C64H97Cl2N3O35Zn C,47.73％；N,2.45％；H,6.39％；计算值：C,47.90％；N, 2.62％；H,6.09％，该检测值与计算值保持一致。

将吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物B1、β-环糊精、N,N’-二(2-吡 啶甲基)金刚烷胺和式(V)所示结构的配合物通过日本岛津傅立叶变换红外 光谱仪IR FTIR-8400S(KBr disc,cm-1)进行检测，结果见图4(该图中纵坐 标为透光率％)，由图可知，吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物B1已成 功被β-环糊精包覆，该吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物B1的特征峰分 别为：3404,2916,2855,1626,1526,1460,1366,1298,1238,1200,1155,1078, 1028,945,862,762,706,579,527,422。

将吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物B1、β-环糊精、N,N’-二(2-吡 啶甲基)金刚烷胺和式(V)所示结构的配合物进行红外光谱检测，检测结果 见图6，由图6可知，对比配合物V，吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合 物B1在261nm处吸光度几乎不变，而在紫外区的吸光峰蓝移至204nm处且 吸光度急剧增加。

将吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物B1通过德国Bruker AXS单晶 衍射仪SMART APEX Ⅱ进行检测，结果见图2，由此进一步证明了吡啶- 金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物B1已成功被β-环糊精包覆，且被包覆的基 团为金刚烷基。

同样地，对B2-B5进行同样的检测，检测结果与吡啶-金刚烷胺配合物/β- 环糊精包合物B1的检测结果保持一致。

应用例1

BNPP(底物)水溶液的配置：20℃下，将BNPP溶于水中制成浓度为 10mM的BNPP水溶液。

缓冲溶液的配置：分别将2-(环已胺)-3-乙磺酸5.1823g、三羟甲基氨基 甲烷3.0285g和3-(环己胺)-1-丙磺酸钠6.4825g各溶于400mL蒸馏水中， 再用1M盐酸或1M氢氧化钠溶液调节至所需pH，最后定容为500mL， 配制50mM缓冲溶液。

模型溶液的配置：将吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物A1溶于蒸馏 水中配成10mM的模型溶液。

将模型溶液和缓冲溶液混合并用NaClO₄调节离子强度至0.1，在35℃ 下反应5min，接着加入定量的BNPP水溶液使得BNPP在反应体系中的浓 度为2.0mM，然后通过日立U-4100紫外-可见分光光度计跟踪体系中产生的 对-硝基苯酚盐在波长为400nm的吸光强度A随时间t的变化。其中，反应 体系中吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物A1的浓度分别为0.10mM、 0.15mM、0.20mM、0.25mM和0.30mM，反应体系的pH依次为7.5、8.0、 8.5、9.0、9.5、10.0和10.5。

测定A-t斜率，取水解转化率小于5％的点，使测定的A-t图呈线形关 系，其相关系数大于0.999，计算其斜率。每组数据至少重复两次。

模型物(吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物A1)催化水解的反应速 率表示为：

$v=-\frac{d\left[\mathrm{BNPP}\right]}{\mathrm{dt}}=\frac{d\left[\mathrm{NP}\right]}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{{ϵ}_{\mathrm{obs}}}\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}$

v为总的反应速率，包括各种催化因素对水解速率的贡献。通过初始斜 率法(即水解转换率<2％水解是一级反应)体系的吸光度A对时间t作图，所 得直线斜率即为dA/dt,再根据以上公式式算得v。在底物过量的条件下，又 由以下公式，可以求算出初始速率常数k_in。在底物过量的条件下，水解反应 对[包合物]_total为一级反应。如果不存在配合物和包合物时，底物也能慢慢水 解，这是缓冲溶液中的OH^-所起的碱催化作用。因此v可表示为:

v＝k_in[BNPP]

＝(k_obs[包合物]_total+k_OH^-[OH^-]+k_o)[BNPP]

上式中[包合物]_total为环糊精包合物的总浓度，k_OH^-为缓冲溶液催化BNPP 水解的二级速率常数，k_obs为包合物催化BNPP水解反应的二级速率常数， k_o为溶剂化引起的BNPP自水解速率。在一定pH值下，固定[BNPP]的浓度， 将相同条件下不加包合物的BNPP为参比溶液，以k_in对[包合物]_total(A1的 浓度)作图，结果见图7，进行线性拟合得到的斜率即为k_obs对pH作图的结 果见图9。

应用例2

按照应用例1的方法检测吡啶-金刚烷胺配合物/β-环糊精包合物B1对二 (对硝基苯)磷酸二酯的催化水解效果，k_in对[包合物]_total(B1的浓度)作 图的结果见图8，根据图8进行线性拟合得到的斜率即为k_obs对pH作图的结 果见图10。

由上述应用例和对比例可知，在pH为7.5-10.4的条件下，随环糊精包 合物A1和B1的浓度变化，BNPP水解的初始速率常数k_in呈线性增加(如 图7和图8所示)。如图9和图10所示，催化BNPP水解的表观二级速率常 数k_obs随pH变化呈指数增长。这说明环糊精包合物A1和B1催化BNPP水 解受两个酸碱平衡控制，即会有单羟基ML(OH)(OH₂)β-CD(β-CD为β- 环糊精，M为正二价金属阳离子，L为N,N’-二(2-吡啶甲基)金刚烷胺)和 双羟基ML(OH)(OH)β-CD中间体两个催化底物水解的活性物的生成。环 糊精的包合作用稳定了羟基活性中间体，阻止了羟基桥联配位的二聚体的产 生。另外，相同条件下，锌配合物的环糊精包合物B1的表观二级速率常数 k_obs(2.35×10^-3M^-1s^-1)比铜配合物的环糊精包合物A1的高一个数量级。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实 施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方 案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。