分子鉗化學(xué)研究的新進(jìn)展

張來(lái)新，楊 瓊

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工系，陜西 寶雞 721013)

分子鉗因其大環(huán)化合物結(jié)構(gòu)酷似鉗子而得名，是近年來(lái)繼冠醚、環(huán)糊精、杯芳烴、環(huán)蕃、瓜環(huán)、大環(huán)多胺等開拓出的又一種新型人工受體模型，因其靈活的結(jié)構(gòu)和易于將官能團(tuán)聚集在受體與底物結(jié)合的活性部位等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于分子識(shí)別、分子器件、生物傳感器、新藥開發(fā)、仿生催化等領(lǐng)域。分子鉗人工受體不僅結(jié)構(gòu)上具有相當(dāng)于天然受體的空腔，且可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成不同大小、不同種類的官能團(tuán)的受體，通過(guò)在裂穴內(nèi)的進(jìn)一步化學(xué)修飾，可以提供一個(gè)與底物恰當(dāng)互補(bǔ)的微環(huán)境，從而借助于氫鍵、靜電引力、范德華力、疏水作用以及π-π重疊等非共價(jià)鍵作用實(shí)現(xiàn)對(duì)各種客體的識(shí)別。

人工受體的合成及其識(shí)別性能研究，已成為生物有機(jī)化學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一，其在生命科學(xué)、材料科學(xué)、新藥研究等諸多領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

1 分子鉗化合物的合成

分子鉗的傳統(tǒng)合成方法是先合成適當(dāng)?shù)母綦x劑，再和手臂化合物反應(yīng)得到分子鉗化合物，存在反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、選擇性差、產(chǎn)率低、副反應(yīng)多、后處理純化困難等問(wèn)題。鑒于微波和超聲波在有機(jī)合成反應(yīng)中的優(yōu)越性，越來(lái)越多地將其應(yīng)用于分子鉗人工受體的合成，如微波無(wú)溶劑合成、微波干法合成、超聲波輻射合成等。

1.1 新型芳雜環(huán)酰腙分子鉗的微波無(wú)溶劑快速合成

酰腙類化合物由于其分子結(jié)構(gòu)中含有亞結(jié)構(gòu)基團(tuán)(CONHN=CH)，N—H可作為氫鍵的供體用于分子識(shí)別，而間苯二氧乙酸具有剛性分子骨架，因此，由間苯二氧乙酸和芳酰腙組成的分子鉗可望通過(guò)氫鍵和π-π重疊作用對(duì)有機(jī)小分子產(chǎn)生識(shí)別配位。設(shè)計(jì)合成這類分子鉗人工受體具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。

石培育等[1]在微波輻射無(wú)溶劑條件下，以間苯二氧乙酸為隔離基、芳酰腙結(jié)構(gòu)單元為手臂、固體A2O3為載體，設(shè)計(jì)合成了12個(gè)新的芳雜環(huán)酰腙分子鉗，同時(shí)研究了其對(duì)客體苯胺衍生物的識(shí)別性能。結(jié)果表明，芳雜環(huán)酰腙分子鉗對(duì)客體苯胺衍生物有良好的識(shí)別作用，該法具有簡(jiǎn)單、快速、高效和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 新型手性芳雜環(huán)分子鉗的微波干法合成

芳雜環(huán)具有剛性的分子骨架，是構(gòu)筑分子鉗的理想結(jié)構(gòu)單元。近年來(lái)文獻(xiàn)報(bào)道了一系列以芳雜環(huán)為隔離基的分子鉗，并考察了它們對(duì)中性分子、陰離子的識(shí)別配位能力。但從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)來(lái)看，芳雜環(huán)分子鉗的手臂以非手性居多，手性手臂的報(bào)道較少。鑒于手性識(shí)別在生命過(guò)程中的重要作用，設(shè)計(jì)合成手性手臂的芳雜環(huán)分子鉗受體，用于選擇性識(shí)別生命過(guò)程中的手性生物分子具有理論和實(shí)際意義。

張小強(qiáng)等[2]在微波無(wú)溶劑條件下，以對(duì)苯二甲酰氯為隔離基、膽甾為手臂、固體K2CO3為載體，設(shè)計(jì)合成了4個(gè)新型手性芳雜環(huán)分子鉗。研究表明，它們均對(duì)氨基甲酸酯有良好的對(duì)映選擇性識(shí)別作用。

1.3 單手性臂α-豬去氧膽酸類分子鉗的合成

鑒于微波輻射下的有機(jī)合成反應(yīng)較常規(guī)加熱法具有反應(yīng)速度快、選擇性好、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，王健等[3]以α-豬去氧膽酸為隔離基、在3位橋聯(lián)不同的D，L-氨基酸甲酯作手性臂，采用微波輻射法合成了8個(gè)不同手性中心和裂穴的新型分子鉗受體。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這類分子鉗受體由于結(jié)構(gòu)微環(huán)境的改變而引起對(duì)映選擇識(shí)別的差異，這一發(fā)現(xiàn)可望在化學(xué)傳感器或手性拆分中得到實(shí)際應(yīng)用。

1.4 新型手性芳酰胺分子鉗的微波干法合成

曾碧濤等[4]在微波輻射無(wú)溶劑條件下，以固體K2CO3為載體，以1，3-二苯氧乙酰氯與L-氨基酸甲酯鹽酸鹽反應(yīng)，高產(chǎn)率合成了9個(gè)新的分子鉗人工受體。它們對(duì)D，L-氨基酸甲酯具有良好的對(duì)映選擇性識(shí)別作用。該法與傳統(tǒng)方法比較，具有簡(jiǎn)單、快速、產(chǎn)率高、對(duì)環(huán)境友好及產(chǎn)品易分離等優(yōu)點(diǎn)。

1.5 新型酯鍵型豬去氧膽酸分子鉗的快速合成

吳秀明等[5]以固體K2CO3為載體，以豬去氧膽酸甲酯與芳酰氯反應(yīng)，高產(chǎn)率合成了11個(gè)豬去氧膽酸類分子鉗人工受體，同時(shí)考察了這類受體對(duì)芳胺和手性分子的識(shí)別能力。結(jié)果表明，這類分子鉗受體不但對(duì)芳胺具有良好的識(shí)別能力，而且對(duì)D，L-氨基酸甲酯也具有良好的對(duì)映選擇性識(shí)別作用。

1.6 手性芳酰胺分子鉗的超聲波輻射合成

鑒于超聲波輻射應(yīng)用于有機(jī)合成反應(yīng)具有反應(yīng)速度快、反應(yīng)條件緩和、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，呂維忠等[6]在超聲波輻射下，以間苯二甲酸為隔離劑、酰胺鍵橋聯(lián)L-丙氨酸甲酯為手臂，合成了一種手性芳酰胺分子鉗，并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了工藝條件，期望能在生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究中得到應(yīng)用。

2 分子鉗對(duì)手性分子及陰離子的識(shí)別作用

2.1 新型芳酰肼分子鉗對(duì)陰離子的識(shí)別

陰離子在生物體中起著重要作用，即在生命系統(tǒng)中起到攜帶基因信息、參與酶的形成等作用。工業(yè)生產(chǎn)中眾多含有陰離子的廢液會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，陰離子識(shí)別可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，因而研究陰離子的識(shí)別具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，選擇性識(shí)別陰離子的人工受體的設(shè)計(jì)合成已成為超分子化學(xué)前沿領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。石培育等[7]在微波無(wú)溶劑條件下，以間苯二氧乙酸為隔離基、固體K2CO3為載體，設(shè)計(jì)合成了9個(gè)新型芳酰肼分子鉗人工受體。研究表明，該類分子鉗受體對(duì)Cl-、Br-沒(méi)有識(shí)別作用，而對(duì)I-具有選擇性識(shí)別作用，這種識(shí)別選擇性差異可望在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、分析分離科學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.2 手性芳酰胺分子鉗對(duì)氨基酸衍生物的對(duì)映選擇性識(shí)別

手性識(shí)別是生物體內(nèi)的一種基本現(xiàn)象。近年來(lái)，環(huán)糊精、冠醚、杯芳烴、環(huán)蕃等大環(huán)化合物及分子鉗化合物對(duì)氨基酸及其衍生物的分子識(shí)別研究十分活躍。趙志剛等[8]在微波輻射下，以聯(lián)苯二甲酸為隔離基、L-氨基酸甲酯為手臂，合成了3個(gè)新型手性芳酰胺分子鉗化合物，并利用差紫外光譜滴定法考察了其對(duì)D，L-氨基酸的對(duì)映選擇性識(shí)別能力。結(jié)果表明，該類手性芳酰胺分子鉗與D-氨基酸甲酯形成配合物的結(jié)合常數(shù)大于與L-氨基酸甲酯形成配合物的結(jié)合常數(shù)。

2.3 二聚炔雌醇分子鉗對(duì)氨基酸甲酯的手性識(shí)別

基于氨基酸是合成蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)，近年來(lái)對(duì)氨基酸的手性識(shí)別引起了研究者的廣泛興趣。楊祖幸等[9]合成了3個(gè)二聚炔雌醇分子鉗，并采用分子模擬研究了其與D，L-苯丙氨基酸甲酯的相互作用，比較了形成配合物前后分子鉗的結(jié)構(gòu)變化以及與手性苯丙氨基酸甲酯相互作用大小。結(jié)果表明，二聚炔雌醇分子鉗與D，L-苯丙氨基酸甲酯形成1∶1配合物時(shí)，它們對(duì)D-苯丙氨基酸甲酯的識(shí)別能力高于L-苯丙氨基酸甲酯。為人們認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)分子鉗的手性識(shí)別能力提供了理論依據(jù)。

2.4 芳酰胺分子鉗對(duì)陰離子的識(shí)別作用

為了進(jìn)一步拓展人工受體的合成及其對(duì)陰離子識(shí)別性能的研究，曾碧濤等[10]以聯(lián)苯二甲酸為隔離基、L-氨基酸甲酯為手臂，合成了4個(gè)新型分子鉗化合物，并利用紫外光譜考察了其對(duì)鹵素和醋酸根陰離子的識(shí)別性能。結(jié)果表明，這類受體對(duì)鹵素陰離子具有優(yōu)良的選擇性識(shí)別能力。

3 分子鉗對(duì)中性分子的識(shí)別作用

3.1 手性不對(duì)稱脲聯(lián)苯二甲酸分子鉗對(duì)中性分子的識(shí)別

研究分子鉗的識(shí)別作用機(jī)制、了解受體與底物間識(shí)別作用的推動(dòng)力與二者結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，對(duì)于揭示生命體系中非共價(jià)鍵作用以及進(jìn)一步闡述生命過(guò)程中的化學(xué)現(xiàn)象及本質(zhì)具有重要理論意義。石云等[11]合成了5個(gè)手性不對(duì)稱脲聯(lián)苯二甲酸分子鉗，并用差紫外光譜滴定法考察了它們對(duì)苯胺、對(duì)甲氧基苯胺、對(duì)氨基苯乙酮等中性分子的識(shí)別性能。結(jié)果表明，在同一種溶劑中，5個(gè)分子鉗主體對(duì)客體的識(shí)別能力大小依次為：苯胺>對(duì)甲氧基苯胺>對(duì)氨基苯乙酮，并且均顯示出對(duì)苯胺優(yōu)良的選擇性。這說(shuō)明主體與客體在尺寸和形狀上的匹配以及幾何互補(bǔ)性均在識(shí)別中起著重要作用。

3.2 脫氧膽酸手性分子鉗對(duì)中性分子的識(shí)別

楊學(xué)軍等[12]在微波輻射下，以脫氧膽酸甲酯為隔離基，高效率合成了5個(gè)脫氧膽酸手性分子鉗人工受體，它們對(duì)客體苯胺、鄰甲氧基苯胺、間甲氧基苯胺、對(duì)甲氧基苯胺的識(shí)別能力大小依次為：苯胺>對(duì)甲氧基苯胺>間甲氧基苯胺>鄰甲氧基苯胺，并在同一溶劑中顯示出對(duì)苯胺優(yōu)良的選擇性。從構(gòu)象來(lái)分析，這種識(shí)別選擇性差異是由于客體誘導(dǎo)主體的幾何互補(bǔ)性有差異，即苯胺與主體分子的形狀、大小匹配和幾何互補(bǔ)關(guān)系比其余3個(gè)中性分子匹配得更恰當(dāng)，形成的配合物能量更低、更穩(wěn)定。

3.3 氨基甲酸酯型脫氧膽酸分子鉗對(duì)中性分子的識(shí)別

趙志剛等[13]采用微波法，設(shè)計(jì)合成了5個(gè)包含氫鍵授受部位和π-π重疊單元的新型脫氧膽酸分子鉗，并考察了其對(duì)中性分子和手性分子的識(shí)別配位能力。結(jié)果表明，5個(gè)分子鉗對(duì)苯胺、對(duì)硝基苯胺、對(duì)甲氧基苯胺的識(shí)別配位能力大小依次為：對(duì)硝基苯胺>苯胺>對(duì)甲氧基苯胺，且均顯示出對(duì)客體對(duì)硝基苯胺的優(yōu)良選擇性。

3.4 新型Schiff堿分子鉗對(duì)中性分子的識(shí)別

王健等[14]以間苯二甲酸作隔離基、以芳香胺與芳醛縮合形成的建筑塊為手臂，采用微波法合成了3個(gè)芳酰胺—Schiff堿分子鉗，同時(shí)采用差紫外光譜滴定法考察了其對(duì)一系列二苯甲酮、芳香二胺的識(shí)別作用。結(jié)果表明，3個(gè)新型Schiff堿分子鉗對(duì)二芳胺異構(gòu)體的識(shí)別能力大小依次為：間苯二胺>鄰苯二胺>對(duì)苯二胺，且均顯示出對(duì)客體間苯二胺的優(yōu)良選擇性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，分子鉗化合物作為新一代人工合成的大環(huán)受體，基于其奇特的結(jié)構(gòu)和性能，越來(lái)越受到世界科學(xué)家的青睞和研究興趣。隨著對(duì)分子鉗化學(xué)研究的不斷深入，它必將在生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、分子器件、生物傳感器、仿生催化、新藥開發(fā)及分析分離等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 石培育，劉鈴鈴，李曉蕊，等.新的芳雜環(huán)酰腙分子鉗的微波無(wú)溶劑快速有效合成[J].有機(jī)化學(xué)，2010，30(6)：871-876.

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