雙咪唑鎓杯芳烴類似物的合成、結(jié)構(gòu)表征及其對ATP的識別性能

李宇飛，蔣宗林，彭 瓊，潘云芹

(西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 南充 637009)

?

雙咪唑鎓杯芳烴類似物的合成、結(jié)構(gòu)表征及其對ATP的識別性能

李宇飛，蔣宗林，彭 瓊，潘云芹

(西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 南充 637009)

設(shè)計合成了兩種具有水溶性的雙咪唑鎓杯芳烴類似物3和4，經(jīng)IR、1HNMR、MS譜確定了其結(jié)構(gòu)．采用核磁滴定法，研究了主體化合物3、4對ATP的識別作用；結(jié)果表明，其結(jié)構(gòu)更接近于杯芳烴的主體化合物3對ATP分子有顯著的識別效果，而4對ATP分子的識別能力較弱．

杯芳烴類似物；咪唑鎓；ATP；分子識別；核磁滴定；Michael加成

早些時候，生物化學(xué)家、有機化學(xué)家為了從分子水平的角度來研究生物體中的化學(xué)問題而提出分子識別的概念．隨著科技創(chuàng)新水平的不斷提升，人們對研究分子識別機理的認知理念得到了更深層次的升華．隨著分子識別機理理念認知的一次次升華，尤其在超分子化學(xué)快速發(fā)展的背景下，分子識別在化學(xué)合成、酶的作用機理、材料科學(xué)及信息科學(xué)方面的作用變得更加重要[1]．

分子識別是指主體(受體)和客體(底物)通過非共價鍵相互作用而產(chǎn)生特殊效果的過程[2]．這些非共價鍵作用，常見的有：范德華力(包括離子-偶極、偶極-偶 極和偶極-誘導(dǎo)偶極相互作用)、疏水作用、靜電作用、氫鍵等，而分子識別則主要依賴氫鍵和靜電作用[3-6]．分子識別的過程中可能會引起主客分子體系電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)及構(gòu)象的改變，也可能引起化學(xué)性質(zhì)的改變．這些改變意味著化學(xué)信息的儲存、傳遞及處理．利用分子識別過程中這些性質(zhì)變化，為尋找客體分子的識別探針和化學(xué)傳感器提供了參考依據(jù)．

從2011開始，Kim課題組相繼設(shè)計并報道了多種帶蒽環(huán)，萘環(huán)，吖啶環(huán)的多咪唑鎓環(huán)番化合物[7-11]，用于對ATP、GTP、UTP等多種核苷酸分子的選擇性識別，效果顯著；尤其對GTP、ATP選擇性效果更佳．我們在此基礎(chǔ)之上設(shè)計合成了兩種雙咪唑鎓杯芳烴類似物3和4，與4相比較，杯芳烴類似物3含有酚羥基，其結(jié)構(gòu)更加接近于杯芳烴，二者在識別對ATP分子的識別效果必存在著差異．合成路線如下：

1 實驗部分

1.1 主要儀器

XT-4顯微熔點測定儀(溫度計未校正)；360-型傅立葉紅外光譜儀，KBr壓片；BruckerSF-400 MHz核磁共振儀；Bruker micrOTOF-Q II 質(zhì)譜儀．

1.2 試 劑

間二溴甲基苯、2，6-二(羥甲基)對甲苯酚參照文獻[12，13]合成；氫氧化鈉、咪唑、氨水、碳酸氫銨等均為分析純試劑；ATP為Sigma公司生化試劑；甲醇、乙腈等溶劑按常規(guī)方法處理；水為二次重蒸餾水．

1.3 合成實驗

1.3.1 2, 6 - 二(1-H咪唑甲基)對甲苯酚1的合成

將5.04 g(30mmoL)2, 6 - 二(羥甲基)對甲苯酚和8.16 g(120mmoL)咪唑加入到25 mL CH3OH中，攪拌至溶解，然后逐漸升溫至140℃，蒸出CH3OH及反應(yīng)生成的水，反應(yīng)3h后，再升溫至150-160℃反應(yīng)1h，得微黃色液體，冷卻后固化；加入適量CH3OH溶解，劇烈攪拌下，將此甲醇溶液緩緩加入到水中，析出大量微黃色固體，濾集固體，乙醇重結(jié)晶，得白色晶體1，收率：53%，mp.：188-190℃(文獻值[14]：188-191℃)．1H NMR(400MHz，CDCl3)δ：7.38(s，2H，Im-2H)，6.89(d，J=4.9Hz，4H，Im-4H/5H；2H，Ph-H)，5.14(s，4H，-CH2-)，2.24(s，3H，Ph-CH3)．

1.3.2 1, 3-二(1-H咪唑甲基)苯2的合成

在50 mL的圓底燒瓶中，加入6.80 g(100 mmoL)咪唑、30 mL丙烯腈，于50℃攪拌至反應(yīng)完全(V氯仿:V甲醇= 9:1)，除去過量的丙烯腈，加入50 mL乙腈，于回流狀態(tài)下滴加13.2g(50mmoL)間二溴甲基苯的30 mL乙腈溶液，攪拌至完全反應(yīng)(V氯仿:V甲醇= 9:1)．蒸出溶劑，加入30 mL H2O至全溶解，再加入8 g NaOH，室溫下攪拌至季銨鹽消失(TLC：V甲醇:V氨水:V飽和碳酸氫銨溶液=10:2:1)，用稀鹽酸調(diào)pH=9，氯仿萃取，無水硫酸鎂干燥，旋干得白色固體2(TLC示純品：V氯仿:V甲醇= 9:1)，收率：95%，mp.：86-88℃(文獻值[15]：84-85℃)．1H NMR(400MHz，CDCl3)δ：7.55(s，2H，Im-2H)，7.37(t，J=7.7Hz，1H，Ph-5H)，7.1(d，J= 3.9 Hz，4H，Im-4H/5H)，6.93(s，1H，Ph-2H)，6.90(s，2H，Ph-4H/6H)，5.12(s，4H，-CH2-)．

1.3.3 雙咪唑鎓杯芳烴類似物3、4的合成

250mL三頸燒瓶中加入10 mL乙腈，于回流條件下等速滴加1.34 g(5mmoL)2, 6 - 二(咪唑甲基)對甲苯酚2的50mL乙腈/甲醇(3:2/V:V)及1.32 g(5mmoL)間二溴甲基苯的50mL乙腈/甲醇(3:2/V:V)，滴料時間≧5h．滴加完畢，繼續(xù)加熱，直到產(chǎn)物點不再發(fā)生變化(TLC：V甲醇:V氨水:V飽和碳酸氫銨溶液=10:2:1)．濃縮反應(yīng)液，硅膠柱層析分離(洗脫劑：V甲醇:V水:V飽和碳酸氫銨溶液=2:1:1)，得白色固體3，收率：43%，mp.：214℃(分解)．IR(KBr壓片，cm-1)：3475，3421，3087，1557，1448，1150，874，740．1H NMR(400MHz，DMSO-d6)δ：9.33(s，1H，OH)，8.91(s，2H，Im-2H)，7.80(d，J= 6.0 Hz，4H，Im-4H/5H)，7.53(s，2H，CH3-Ph-H)，7.46(s，3H，Ph-4H/5H/6H)，6.75(s，1H，Ph-2H)，5.41(s，8H，-CH2-)，2.31(s，3H，Ph-CH3)．13C NMR(100MHz，DMSO-d6)δ：152.42，137.17，133.93，130.32，129.81，125.39，124.13，123.82，122.92，51.86，49.85，20.51．MS：[M-2Br-] 計算值：372.1939，測定值：372.1930．

類似的方法合成雙咪唑鎓杯芳烴類似物4，收率：61%，mp.：255-257℃．IR(KBr壓片，cm-1)：3417，3145，1555，1492，1141，840，740．1H NMR(400MHz，DMSO-d6)δ：9.45(s，2H，Im-2H)，7.85(d，J= 1.4 Hz，4H，Im-4H/5H)，7.60(d，J= 7.9 Hz，4H，Ph-4H/6H)，7.56-7.47(m，2H，Ph-5H)，7.12(s，2H，Ph-2H)，5.46(s，8H，-CH2-)．13C NMR(100MHz，DMSO-d6)δ：136.76，129.92，129.57，26.33，123.61，52.20．MS：[M-2Br-] 計算值：342.1833．測定值：342.1844.

1.4 杯芳烴類似物3、4對ATP分子的識別

分別配制濃度為10mmoL·L-1的ATP、化合物3、化合物4的D2O溶液各1mL．

取兩支直徑為5mm的核磁管，各裝入相同體積的主體化合物3(10mmoL·L-1)的D2O溶液和ATP(10mmoL·L-1)的D2O溶液，分別測定其核磁共振氫譜(BruckerSF-400MHz核磁共振儀，掃描64次)，記錄特定質(zhì)子的初始化學(xué)位移．然后把這兩支核磁管中的溶液混入到其中一支核磁管中去，這樣主體化合物3與ATP的摩爾比為1[簡稱，3-ATP(1equiv)]，混合均勻后靜置一段時間，測定其核磁共振氫譜．比較特定質(zhì)子的化學(xué)位移變化情況．相關(guān)圖譜見圖1．

測定化合物4的方法同3，相關(guān)圖譜見圖2．

2 結(jié)果與討論

2.1 酚類化合物的咪唑甲基化

咪唑既是仲胺，又是叔胺．仲胺上的氫使咪唑具有酸性，叔胺氮上的孤對電子使咪唑具有堿性．這種特殊的結(jié)構(gòu)決定了咪唑具有許多種特殊的性質(zhì)．咪唑，作為一般的酸堿催化功能基和親核催化功能基，能催化多種有機反應(yīng)，同時咪唑作為原料參與底物的合成．酚類化合物的咪唑甲基化反應(yīng)，屬于Mannich反應(yīng)范疇．酚類化合物的直接咪唑甲基化作用，副產(chǎn)物多，分離困難，實驗操作不便，合成產(chǎn)率低．采用分步反應(yīng)，可有效避免副產(chǎn)物的生成，后期純化過程簡單，收率高．室溫下酚與甲醛順利進行羥甲基化反應(yīng)[13]，羥基化的產(chǎn)物與咪唑在熔融狀態(tài)下高效地得到咪唑甲基化產(chǎn)物[16]；TLC跟蹤反應(yīng)進程發(fā)現(xiàn)，除了少量酚被氧化，未發(fā)現(xiàn)其他諸如聚合物等副產(chǎn)物的生成，且實驗操作簡便，產(chǎn)率高．該反應(yīng)機理的研究未見報道，我們推測反應(yīng)的核心步驟是一經(jīng)典的Michael加成，反應(yīng)機理表述如下：

2.2 杯芳烴類似物3、4對ATP的識別

雙咪唑鎓杯芳烴類似物3、4對ATP分子核磁滴定的1H譜對比圖如下：

在圖1中，在未加入ATP前主體化合物3中各峰的化學(xué)位移，δa=8.52，δb= 7.42，δc=7.33，δd=6.50．在加入ATP后，主體化合物3-ATP(1equiv)中各峰的化學(xué)位移，δa，=8.58，δb，= 7.37，δc，=7.26，δd，=6.45．比較加入ATP前后，主體化合物3-ATP(1equiv)中咪唑鎓環(huán)C-2H的化學(xué)位移向低場發(fā)生了偏移Δδa=0.06(<0.1)，咪唑鎓環(huán)C-4H(b)和C-5H(b)的化學(xué)位移向高場發(fā)生了偏移Δδb=0.05(<0.1)，主體化合物3中苯環(huán)上的化學(xué)位移向高場發(fā)生了偏移Δδc=0.07，Δδd=0.05，且主體化合物3中CH3-Ph-2H的化學(xué)位移H(c)質(zhì)子的峰位變寬．加入ATP前后，主體化合物3中各質(zhì)子的化學(xué)位移峰值和峰形的變化較大，說明主體化合物3對ATP的識別能力較強．我們推測主體化合物3對ATP識別不但是通過咪唑鎓環(huán)C-2H形成氫鍵作用，而且主體3整體的類杯芳烴結(jié)構(gòu)也起到了一定的協(xié)同作用，增強了對ATP的識別能力．

從圖2看出，在未加入ATP前主體化合物4中各峰的化學(xué)位移，δa=7.46，δb=7.41，δc=6.55．在加入ATP后，主體化合物4-ATP(1equiv)中各峰的化學(xué)位移，δa’=7.44，δb’=7.40，δc’=6.54．比較加入ATP前后，主體化合物4-ATP(1equiv)中咪唑鎓環(huán)C-2H的化學(xué)位移在圖譜中沒有出現(xiàn)，而咪唑鎓環(huán)C-4H(a)和C-5H(a)的化學(xué)位移向高場發(fā)生了偏移Δδa=0.02(<0.1)，主體化合物4中苯環(huán)上的化學(xué)位移向高場發(fā)生了偏移Δδb=0.01，Δδc=0.01．加入ATP前后，主體化合物4中各質(zhì)子峰的化學(xué)位移變化較小，說明主體化合物4對ATP的識別能力較弱．相對于主體3，主體4的類杯芳烴結(jié)構(gòu)性要更差一些，所以主體4對ATP的識別能力較弱．

Ramaiah課題組[17]和Kim課題組[7]分別報道了主體分子能對ATP進行識別，這可能與ATP中糖單元上的多羥基形成氫鍵作用有關(guān)．對比圖1、圖2，主體化合物3、4對ATP分子識別的差異，與其結(jié)構(gòu)差異密不可分．其共同之處是具有相同個數(shù)的咪唑2-H，能與ATP中糖單元上的多羥基能形成氫鍵作用，實現(xiàn)對ATP進行識別．不同之處在于主體3的結(jié)構(gòu)更接近于杯芳烴，主體3中的酚羥基可與咪唑鎓環(huán)2-H協(xié)同作用識別ATP，不排除主體3在識別ATP時，酚羥基中的氫原子可能與ATP的多磷酸單元中的氧負離子形成很強的氫鍵作用的可能，從而增強了對ATP分子的識別性能．

3 結(jié) 論

綜上所述，本文在Kim課題組用多咪唑鎓環(huán)番對核苷酸分子識別的基礎(chǔ)之上，在咪唑鎓環(huán)番的芳環(huán)上引入羥基，其主體化合物的結(jié)構(gòu)完全與杯芳烴類似，與普通的咪唑鎓環(huán)番4相比，雙咪唑鎓杯芳烴類似物3的結(jié)構(gòu)更接近杯芳烴，對ATP分子識別時，能與ATP中糖單元上的多羥基有效形成氫鍵作用[7, 17]，這一良好效果的取得，是多咪唑鎓環(huán)番對核苷酸分子識別的拓展和延續(xù)，必將為新型多咪唑鎓環(huán)番對核苷酸分子識別提供新的思路和理念．

[1] ZUO C S，QUAN J M，WU Y D．Oxa-Bicyclocalixarenes: A New Cage for Anions via C-H…Anion Hydrogen Bonds and Anion…π Interactions[J]．Org. Lett.，2007，9(21)：4219-4222．

[2] VINCENT L P，ANN J S，BRAIN R G，et al. Progress in Ingorganic Chemistry [J]．1997，45：83-176．

[3] LECLERCQ L，SCHMITZER A R．Dibenzylimidazolium Halides: From Complex Molecular Network in Solid State to Simple Dimer in Solution and in Gas Phase [J]．J. Phys. Chem. A.，2008，112(22)：4996-5001．

[4] BEER P D，GALE P A．Anion Recognition and Sensing: The State of the Art and Future Perspectives[J]．Angew. Chem. Int. Ed. Engl.，2001, 40(3): 486-516．

[5] SCHMIDTCHEN F P，BERGER M．For Recent Reviews of Anion Recognition.Chem [J]．Rev.，1997，97，1609-1646．

[6] SCHEERDER J；ENGBERSEN，J. F. J；REINHOUDT，D N Recl，Tray．For Recent Reviews of Anion Recognition [J]．Chim. Pays-Bas.，1996，115，307-320．

[7] NISAR A，BAHAREH S，KIM K S. et al．Fluorescent Imidazolium-Based Cyclophane for Detection of Guanosine-5′-Triphosphate and I in Aqueous Solution of Physiological pH[J]．Org. Lett.，2011，13(20)：5476-5479．

[8] AHMED N.，SHIRINFAR B，KIM K S. et al．A Highly Selective Fluorescent Chemosensor for Guanosine-5′-Triphosphate via Excimer Formation in Aqueous Solution of Physiological pH[J]．Chem. Commun.，2012，48(31)：2662-2664．

[9] SHIRINFAR B.，PARK Y. S.，KIM K S. et al．Selective Fluorescent Detection of RNA in Living Cells by Using Imidazolium-Based Cyclophane Imidazolium-Based Cyclophane[J]．J. Am. Chem. Soc.，2013，135，90-93．

[10] NISAR A，BAHAREH S，KIM K S. et al．Selective Detection of Guanosine-5′-Triphosphate and Iodide by Fluorescent Benzimidazolium-Based Cyclophanes[J]．Org. Biomol. Chem.，2013，11，6407-6413．

[11] MUHAMMAD Y，NISAR A，KIM K S. et al．Precise Tuning of Cationic Cyclophanes toward Highly Selective Fluorogenic Recognition of Specific Biophosphate Anions[J]．Org. Lett.，2014，16(8)：2150-2153．

[12] LI J Y，LIU D，LI Y Q，et al．A High Tg Carbazole-Based Hole-Transporting Material for Organic Light-Emitting Devices [J]．Chem. Mater.，2005，17：1208-1212．

[13] GOSWAMI，S；MAITY S；DAS A K，et al．Remarkable ESIPT Induced NIR Emission by A Selective Colorimetric Dibenzimidazole Diimine Sensor for Acetate[J]．Tetrahedron Lett.，2013，54(8)：5232-5235．

[14] 蔣宗林，肖蓉，蘇曉渝，等. 咪唑衍生物的一鍋法選擇性合成[J]．高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報．2003，24(1)：64-67.

[15] 蔣宗林，鄢家明，劉長路，等．雙咪唑的新法合成[J]．四川大學(xué)學(xué)報．1998，34(4)：616-618．

[16] YANG，L；LUO，L；JING S Y，et al．Self-assembly from Metal-Organic Vesicles to Globular Networks: Metallogel-Mediated Phenylation of Indole with Phenyl Boronic Acid[J]．Chem. Commun.，2010，46(22)：3938-3940．

[17] PRAKSH N，MAHESH H，RAMAIAH D．Synthesis of A Novel Cyclic Donor-Acceptor Conjugate of Selective Recognition of ATP[J]．Org. Lett.，2005，7(26)：5765-5768．

Synthesis, Structural Characterization and Recognition Activities for ATP of Calixarene Analogues Containing Bis-Imidazolium Rings

LI Yu-Fei, JIANG Zong-lin, PENG Qiong, PAN Yun qin

(School of Chemistry and Chemical Engineering，China West Normal University，Nan Chong 637009，China)

Two water-souble Calixarene Analogues Containing Bis-Imidazolium Rings 3, 4 were designed and synthesized.The structures of compounds 3，4 were confirmed by IR，1HNMR and MS spectra．Results showed that host compound 3 had better recognition activities than host compound 4 for ATP by the method of1HNMR tritration，because the structure of compound 3 was closer to Calixarene．

Calixarene analogue；imidazolium；ATP；Molecular Recognition；NMR titration；Michael Addition

1673-5072(2015)01-0036-05

2014-11-25

四川省教育廳自然科學(xué)基金重點項目(13ZA0009)

李宇飛(1988-)，男，陜西咸陽人，西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士研究生，主要從事酶的化學(xué)模擬研究．

蔣宗林(1963-)，男，四川達縣人，西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事金屬蛋白酶的化學(xué)模擬及高選擇性有機合成研究．

0626.23

B