L-谷氨酸-5-乙酯及其金屬配合物的合成、表征和催化活性

金龍飛，毛 驍，吳勇飛，王 龍，楊 明

(中南民族大學 化學與材料科學學院，武漢 430074)

L-谷氨酸為配體的金屬配合物與某些蛋白質(zhì)、酶等生物大分子的活性中心具有相似性，引起了人們廣泛關(guān)注[1-3].Djordjevic等[4]合成了L-谷氨酸鹽與金屬鉬的配合物，并對其晶體結(jié)構(gòu)進行了研究；Davis等[5]研究了L-谷氨酸脫羧酶磷酸化的模型，更好地了解了腦神經(jīng)傳導的生理意義.

根據(jù)谷氨酸與三磷酸腺苷分解酶和輔酶的特征結(jié)構(gòu)殘基基團的相似性，本文在L-谷氨酸-5-甲酯及其金屬配合物研究的基礎(chǔ)上[6]，以L-谷氨酸為原料合成了L-谷氨酸-5-乙酯(圖1)及其金屬配合物，并對三磷酸腺苷分解的催化活性進行了研究.本文擴展了谷氨酸衍生物與相應的金屬配合物對三磷酸腺苷分解的催化活性研究，為合成具有三磷酸腺苷分解酶和輔酶活性的模擬化合物提供參考.

圖1 L-谷氨酸-5-乙酯結(jié)構(gòu)

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

元素分析儀(Perkin-Elmer 2400CHN 型，德國)；高分辨傅立葉紅外光譜儀(FT-IR NEXUS智能型，KBr壓片，美國Nicolet公司)；數(shù)字熔點儀(X-4型，25℃，190～700nm，北京泰克儀器有限公司)；CCD X-射線單晶衍射儀(Bruker Smart APEX型，德國).

無水甲醇、乙醇、Na2CO3·10H2O、三乙胺、硫酸、MgCl2·6H2O、Ca(OH)2、NaOH均為分析純；L-谷氨酸、三磷酸腺苷二鈉為生物試劑.

1.2 實驗方法

1.2.1 L-谷氨酸-5-乙酯合成

L-谷氨酸-5-乙酯參照文獻[7]合成.取L-谷氨酸7.50 g (0.05 mol)置于燒瓶中，加入無水乙醇150 mL，邊攪拌邊加入98％ 濃H2SO44 mL，25℃下反應5 ～ 6h.用三乙胺的乙醇溶液(V(醇)︰V(胺)= 2︰1)調(diào)節(jié)至pH = 8.0，置于冰箱中過夜.次日抽濾，用95％乙醇進行重結(jié)晶，用乙醇洗滌.常溫下真空干燥至恒重，純品為白色晶體狀固體.產(chǎn)率:91.8％,m.p.167 ～ 168℃.Anal.calcd for C7H13NO4: C 48.04,H 7.49,N 8.00; found C 47.82,H 7.45,N 8.12 .FI-IR (KBr，υ/cm-1: 2987 m,2381 w,1736 s,1613 s,1586 s,1353 m,1082 m.

1.2.2 配合物L-谷氨酸-5-乙酯合鎂的合成

將0.35 g (2.00 mmol)L-谷氨酸-5-乙酯溶于20 mL水中，在室溫下攪拌使其完全溶解，緩慢滴加溶有0.21 g (1.05 mmol)MgCl2·6H2O的5 mL水溶液，用0.10mol/L Na2CO3溶液緩慢調(diào)節(jié)溶液的pH=6.0 ～ 7.0，溶液為無色.繼續(xù)反應30 min，反應完畢后減壓蒸餾溶液至粘稠狀，加入無水甲醇10 ～ 15mL，出現(xiàn)白色沉淀物,過濾，用無水甲醇洗滌，干燥.產(chǎn)率: 83.2％，m.p.> 300℃.Anal.calcd for C14H24MgN2O8: C 45.12,H 6.49,N7.52; found C 45.02,H6.52,N7.40.FI-IR (KBr，υ/cm-1): 1732 s,1610 s,1558 s,1346 m,1041 m,538 m,465 m.

1.2.3 配合物L-谷氨酸-5-乙酯合鈣的合成

將0.35 g (2.00 mmol)L-谷氨酸-5-乙酯溶于20 mL水中，在室溫下攪拌使其完全溶解.用Ca(OH)2的水溶液(0.001mol/L)緩慢調(diào)節(jié)pH=7.0，溶液為無色.繼續(xù)反應30 min，反應完畢后減壓蒸餾溶液至粘稠狀，加入無水甲醇10 ～ 15mL，溶液中出現(xiàn)白色沉淀物,過濾，用無水甲醇洗滌后干燥.產(chǎn)率:74.7％，m.p.> 300℃.Anal.calcd for C14H24CaN2O8: C 43.29,H 6.23,N 7.21; found C 43.35,H 6.30,N 7.26.FI-IR (KBr，υ/cm-1): 1726 s,1618 s,1578 s,1322 m,1042 m,556 m,438 m.

1.2.4 L-谷氨酸-5-乙酯結(jié)構(gòu)的測定

取0.50 mm×0.49 mm×0.02 mm單晶放置在X-射線單晶衍射儀上，在273(2)K，采用石墨單色化的MoK射線(λ= 0.71073 ?)作為衍射光源，掃描方式為φ和ω，在2.36≤θ≤26.00收集得到5098個衍射點，其中1927個為獨立點，Rint=0.027.所有數(shù)據(jù)均采用SADABS multi-scan校正程序校正[8,9]，其中，對滿足I>2σ(I)的1927個點進行結(jié)構(gòu)解析,晶體結(jié)構(gòu)用直接法解得.對所有非氫原子坐標，使用全矩陣最小二乘法進行各項異性溫度因子修正[9-11].對與N和C原子鍵合的H原子，采用騎跨式理論加氫，其中鍵長分別為0.89 (NH3―H原子)、0.98 (CH―H原子)、0.97 ? (CH2―H原子 )和0.96 ? (CH3―H原子 )，Ueq(H)為1.2Ueq(母體原子)(對于―CH3和―NH3的H原子，為1.5Ueq).最終精修結(jié)果為:R1= 0.0598,wR2=0.1751(見表1).

表1 L-谷氨酸-5-乙酯晶體數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)精修數(shù)據(jù)

注：a)R=∑║Fo│-│Fc║∕∑│Fo│；

b)wR=[∑w(│Fo│2-│Fc│2)2]/∑w│Fo│2]1/2.

1.2.5 金屬配合物對三磷酸腺苷二鈉分解的催化活性測試

金屬配合物對三磷酸腺苷二鈉催化分解反應的效果(活力大小)，可用反應終止后反應液中無機磷的含量衡量.而無機磷可與硫酸鉬酸銨反應生成有色化合物，因此無機磷含量可用比色法測定.

具體金屬配合物對三磷酸腺苷二鈉分解活性的測定，可通過測定混合體系的OD值后，比較無機磷標準曲線得相應的無機磷含量，即可判斷出活性影響[12].

無機磷標準曲線的繪制：在均加有0.1 mL 20％三氯酸(TCA)、0.3 mL H2O的7支編號試管中分別加入0.1mL的0,10,20,30,40,50,60mmol/L的Na2HPO3，再于各試管中加入2.5 mL硫酸鉬酸銨-硫酸亞鐵溶液，搖勻并于波長660 nm處測定吸收值OD.測量5次/樣品．以測定的OD值為縱坐標，Pi濃度為橫坐標作圖，即得無機磷標準曲線(圖2).

圖2 無機磷標準曲線

金屬配合物對三磷酸腺苷二鈉分解活性的測定則通過測定混合體系的OD值后，比較無機磷標準曲線得相應的無機磷含量，即可判斷出活性影響.具體操作:分別取反應介質(zhì)0.4 mL 于兩支試管中，在其中一支試管中加入0.4 mL配合物的溶液，再加入1.0 mL溶劑；另一支試管中直接加入1.4 mL溶劑(以此混合溶液作為參照液).于室溫下反應5min后在兩只試管中均加入0.2 mL 20％TCA中止反應。吸取上述反應液各0.5 mL，均加入2.5 mL硫酸鉬酸銨-硫酸亞鐵溶液.以參照液為對照測定配合物的溶液在660 nm處的OD值.其中，反應溶劑按以下比例配置：

①介質(zhì)溶液：50 mmol/L三羥基氨基甲烷Tris-HCl(PH=8.80)+5mmol/L三磷酸腺苷二鈉+20 mmol·L-1NaCl+100 mmol/L CH3OH；

②10％質(zhì)量分數(shù)的硫酸鉬酸銨溶液：10 g鉬酸銨+100 mL的(5 mol/L)硫酸；

③硫酸鉬酸銨-硫酸亞鐵溶液：5 g硫酸亞鐵+10 mL 10％硫酸鉬酸銨溶液+87.5 mL蒸餾水；

④待測目標配合物溶液配制：將待測目標配體及其配合物配成溶液，濃度約為16 g/L.

2 結(jié)果與討論

2.1 L-谷氨酸-5-乙酯及其配合物結(jié)構(gòu)光譜分析

2.1.1 L-谷氨酸-5-乙酯的組成及紅外光譜分析

L-谷氨酸-5-乙酯易溶于水，難溶于甲醇、乙醇、乙醚、DMF等有機溶劑.1.0 mol·L-1的L-谷氨酸-5-乙酯的水溶液的pH約為4.5.元素分析的測量結(jié)果與理論計算結(jié)果基本相符.

2.1.2 L-谷氨酸-5-乙酯配合物的組成及紅外分析

2.1.3 L-谷氨酸-5-乙酯的晶體結(jié)構(gòu)分析

圖3 L-谷氨酸-5-乙酯的結(jié)構(gòu)

L-谷氨酸-5-乙酯晶體屬單斜晶系，P2(1)空間群，a=9.691(3)?、b=5.2631(17)?、c=17.297(6)?；β=90.752(5)°.其獨立單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，每個結(jié)構(gòu)單元中有兩種獨立的分子，都是以分子內(nèi)鹽的形式存在，其鍵長、鍵角和扭角都在正常范圍內(nèi)(見表2、表3).其扭轉(zhuǎn)角N1-C2-C1-O2(ψ1)，N1-C2-C1-O2(ψ2)，N2-C9-C8-O5(ψ3)和N2-C9-C8-O6(ψ4)分別是159.9(4)°，-23.4(5)°，157.7(4)° 和26.7(5)°；N1-C2-C3-C4(χ1)= -159.8(4)°，C2-C3-C4-C5(χ2)= 170.5(4)°,N2-C9-C10-C11(χ3)= -57.3(5)°,C9-C10-C11-C12(χ4)= -175.8(5)°，與L-谷氨酸(ψ1= -35°,ψ2=145°,χ1=±60°,χ2=180°)有所改變.

表2 L-谷氨酸-5-乙酯中選擇的部分鍵長(?)

表3 L-谷氨酸-5-乙酯中選擇的部分鍵角(°)和扭角(°)

L-谷氨酸-5-乙酯晶體的晶胞堆積圖見圖4.在晶體結(jié)構(gòu)中，分子間存在N-H…O氫鍵作用(見表4).化合物分子沿ob方向堆積，分子間通過N-H…O 或 O…H-N 構(gòu)成聚合單元.

圖4 L-谷氨酸-5-乙酯的晶胞堆積圖

表4 氫鍵的鍵長(?)和鍵角(°)

對稱性代碼: (i)x,y-1,z; (ii)x,y+1,z; (iii)-x+2,y+1/2,-z+1; (iv)-x+1,y-3/2,-z+1.

2.2 化合物對三磷酸腺苷二鈉分解的催化活性

通過比色法，無機磷標準曲線中配體L-谷氨酸-5-乙酯及其配合物吸光度A對應的無機磷含量見表5.由表5可知，在室溫下，對三磷酸腺苷二鈉的分解反應，與Mg(II)配合物和Ca(II)配合物相比，L-谷氨酸-5-乙酯的催化活性很弱，基本上可以忽略.而Ca(II)和Mg(II)配合物則對三磷酸腺苷二鈉分解具有一定的催化活性，其中L-谷氨酸-5-乙酯合鈣的活性略大于L-谷氨酸-5-乙酯合鎂.

表5 化合物體系磷含量的測定值

3 結(jié)語

以L-谷氨酸為原料，在乙醇溶液中，加入硫酸為催化劑，合成了配體L-谷氨酸-5-乙酯，和相應的Mg(II)和Ca(II)配合物.對L-谷氨酸-5-乙酯的X-單晶衍射測定表明，L-谷氨酸-5-乙酯屬于單斜晶系，P2(1)空間群，其中a=9.691(3)?、b=5.2631(17)?、c=17.297(6)?；β=90.752(5)°.對配體L-谷氨酸-5-乙酯及其配合物體系的無機磷含量的比色法測定結(jié)果表明，配體L-谷氨酸-5-乙酯對三磷酸腺苷二鈉的分解反應基本無催化活性；而配合物L-谷氨酸-5-乙酯合鎂和L-谷氨酸-5-乙酯合鈣對三磷酸腺苷二鈉的分解反應則具有一定的活性.

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