DNA作催化劑：小分子體外不對(duì)稱催化合成

盧 彥, 馮凱波

(1. 南京大學(xué) 生命科院學(xué)院, 南京 210093; 2. 南京大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)系, 南京 210093)

DNA作催化劑：小分子體外不對(duì)稱催化合成

盧 彥1, 馮凱波2

(1. 南京大學(xué) 生命科院學(xué)院, 南京 210093; 2. 南京大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)系, 南京 210093)

綜述了以插入非手性二價(jià)銅配合物的鮭魚精DNA(st-DNA)作為催化劑，于體外催化包括不對(duì)稱Diels-Alder反應(yīng)、Friedel-Crafts反應(yīng)與Michael加成等一系列小分子反應(yīng)的研究進(jìn)展。這些反應(yīng)在天然產(chǎn)物與其他具生物活性物質(zhì)合成途徑設(shè)計(jì)中有重要作用。反應(yīng)通?？梢匀〉么笥?0%的對(duì)映體過量百分?jǐn)?shù)(ee)值，并于優(yōu)化后可進(jìn)一步提高到90%至99%。DNA的堿基序列對(duì)對(duì)映選擇性將產(chǎn)生影響，且因配體結(jié)構(gòu)而異，有較多G或C相連的DNA序列通?？梢援a(chǎn)生較好的對(duì)映選擇性。

DNA；不對(duì)稱；催化；插入；加成

天然產(chǎn)物等一干具有生物活性的分子皆具有多個(gè)手性中心，通過傳統(tǒng)合成方式將得到外消旋化合物，并無法滿足生物醫(yī)藥上的用途，歐洲曾發(fā)生的外消旋反應(yīng)停致畸事件即為例證。若是對(duì)其進(jìn)行不對(duì)稱拆分，則理論上每次至少損失50%的產(chǎn)物，產(chǎn)率低下而于原子經(jīng)濟(jì)性有極為不利的影響。作為解決之道的不對(duì)稱催化近年來成為有機(jī)化學(xué)中的前沿研究領(lǐng)域。

催化劑的選取對(duì)反應(yīng)成敗至關(guān)重要。通常用于不對(duì)稱催化的催化劑為如Mn-Salen的過渡金屬的手性配合物，除少數(shù)外通常具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)而較難獲取或價(jià)格昂貴，而對(duì)合成路線設(shè)計(jì)造成負(fù)面影響[1-3]。也有采取不含金屬中心的手性配體，包括如天然氨基酸L-脯氨酸及其衍生物。這一類催化劑通常結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，但也需經(jīng)過一些修飾以達(dá)到高的選擇性，如L-脯氨酸上羧基常被修飾為三甲硅氧基二苯基-L-脯氨醇[4-7]，具體如圖1所示。

圖1 基于L-脯氨酸之手性催化劑

自然界常進(jìn)行高效高選擇性的不對(duì)稱合成，如天然產(chǎn)物紫杉醇的合成，常常超出化學(xué)手段的效率。其過程的復(fù)雜性使得現(xiàn)階段尚未能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)自然界合成方法的體外重復(fù)，但為模仿自然手段進(jìn)行不對(duì)稱催化，可以考慮選用自然界中含量豐富的手性物質(zhì)，于常溫常壓、水作為溶劑下進(jìn)行手性誘導(dǎo)，以期取得較人工合成催化劑選擇性更高的催化反應(yīng)。DNA作為生物體內(nèi)遺傳信息的載體大量存在，且有天然具備之右手雙螺旋結(jié)構(gòu)，正好可以滿足模仿天然過程的需要。

2005年Roelfes與Feringa首度報(bào)道以插入平面二價(jià)銅非手性配合物的DNA為催化劑進(jìn)行的不對(duì)稱Diels-Alder反應(yīng)[8]，此后這一催化過程即被廣泛研究。本文將回顧自此以來對(duì)DNA催化各類小分子反應(yīng)的研究進(jìn)展，并對(duì)其未來發(fā)展方向作一展望。

1 催化機(jī)制

DNA雖然具有天然的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)，但分子內(nèi)的核苷上2位因脫氧而造成可能與底物的結(jié)合位點(diǎn)減少，也使得其難以如RNA形成具有催化活性的三級(jí)結(jié)構(gòu)[9]，具體如圖2。

圖2 RNA與DNA氫鍵作用力比較

因此，需要在DNA分子中引入合適的結(jié)合位點(diǎn)，方能使其與底物作用而通過其二級(jí)結(jié)構(gòu)所具有的手性特征進(jìn)行不對(duì)稱催化。Roelfes與合作者將含有氮原子的平面芳香型小分子與鮭魚精DNA(st-DNA)作用，這些分子可以插入DNA的堿基序列間，從而提供兩個(gè)氮原子作為結(jié)合位點(diǎn)[8, 10]，具體如圖3所示。

圖3 第1代(左)與第2代(右)非手性配體

這些配體并不需具有手性，因此使用它們更具經(jīng)濟(jì)性。底物為具有類似圖4結(jié)構(gòu)的α,β-不飽和酮，也具有氮氧原子可以連接性；但配體的氮原子無法與底物直接相連，因此引入銅作為中心原子，通過四配位的方式連接底物以進(jìn)行催化[8]，具體如圖4所示。

圖4 插入配合物之DNA

此時(shí)底物分子即被拉到DNA分子內(nèi)部而受其手性誘導(dǎo)。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)將在底物平面的Re面產(chǎn)生一位阻，而使得親核試劑等只可從另一面的Si面進(jìn)攻，從而實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱催化[11]，具體如圖5所示。

圖5 DNA誘導(dǎo)手性催化機(jī)制

由于底物已經(jīng)與DNA結(jié)合，任何可以與底物反應(yīng)的試劑均可比照對(duì)底物進(jìn)攻，從而得到各種不同種類的手性反應(yīng)產(chǎn)物，為合成路線設(shè)計(jì)帶來很大便利。

2 不對(duì)稱催化

2.1 Diels-Alder反應(yīng)

不對(duì)稱Diels-Alder反應(yīng)是最先被報(bào)道的催化反應(yīng)[8]。底物親雙烯體如前所述，為α,β-不飽和酮，分子中雙鍵與雙烯體環(huán)戊二烯作用而得到手性產(chǎn)物[8, 10]。其中R基處在分子外部，對(duì)反應(yīng)并無太大影響，可為烷基、苯基等多種基團(tuán)；當(dāng)使用第1代催化劑時(shí)，主要的內(nèi)型(endo-)產(chǎn)物對(duì)映體過量百分?jǐn)?shù)(ee)最高僅可達(dá)到53%[8]， 但改用第2代配體，ee值即提升至超過99%[10]， 使得此一反應(yīng)始具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。此一提升系因用于與銅離子配位的氮在第2代配體中被安置在插入DNA堿基序列的芳環(huán)中，從而使銅離子以及與其配位的底物更接近DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)(見圖6)，于反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生更大位阻，而致更佳的立體選擇性[10]。

圖6 DNA催化不對(duì)稱Diels-Alder反應(yīng)

底物羰基另一側(cè)所接基團(tuán)并不限于吡啶，在改接咪唑等其他含氮雜環(huán)后，也可以達(dá)到近似同等的催化效率，其ee值在98%上下，也具實(shí)用價(jià)值[12]，可見其對(duì)底物并不具有苛刻的選擇性，催化反應(yīng)可以設(shè)計(jì)的空間較大。

Chandra與Silverman在2008年報(bào)道了以DNA的5′末端經(jīng)醚鍵連接蒽環(huán)而誘導(dǎo)的一類Diels-Alder反應(yīng)[13]，與Roelfes的催化機(jī)制不同。但由于系以DNA尾端經(jīng)氧雜長(zhǎng)鏈連接底物，未能有效利用DNA的空間結(jié)構(gòu)，因此也未能產(chǎn)生ee值，此處便不詳述。

2.2 Friedel-Crafts反應(yīng)

對(duì)于Friedel-Crafts反應(yīng)的研究相對(duì)較少，其過程與前并無二致，惟雙烯體改為由雜環(huán)芳烴充當(dāng)，發(fā)生反應(yīng)如圖7所示[14]。

圖7 DNA催化不對(duì)稱Friedel-Crafts反應(yīng)

反應(yīng)仍然沿用第2代配體，其ee值最高可達(dá)到93%[14]。4個(gè)取代位點(diǎn)可接各類烴基，從而使反應(yīng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

前已提及反應(yīng)需在水相中進(jìn)行，但由反應(yīng)物結(jié)構(gòu)可知其在水相中溶解度欠佳，從而使反應(yīng)速率受到影響。為解決此問題，Rosati與合作者在反應(yīng)體系中添加十二磺基硫酸鈉(SDS)膠束為乳化劑，使反應(yīng)速率大幅提升，速率常數(shù)最高可提升1.2×103倍，而使反應(yīng)更具有實(shí)用價(jià)值[15]。關(guān)于Friedel-Crafts反應(yīng)的更多細(xì)節(jié)，包括反應(yīng)條件的進(jìn)一步優(yōu)化與底物拓展還有待未來研究。

2.3 Michael加成

底物所具有的α,β-不飽和羰基化合物結(jié)構(gòu)使其能夠被各類親核試劑進(jìn)攻而在其β位接入一個(gè)取代基。這一反應(yīng)可以產(chǎn)生各類手性產(chǎn)物，較前兩類反應(yīng)應(yīng)用價(jià)值更大。反應(yīng)通式如圖8所示[11]。

圖8 DNA催化不對(duì)稱Michael加成

Roelfes等人試驗(yàn)了一系列的親核試劑，包括硝基甲烷與丙二酸二乙酯[11]、水[16]、醇[17]等，多數(shù)可以取得良好對(duì)映選擇性而得到高的ee值，最高可至99%，而以水與醇為親核試劑的反應(yīng)其選擇性略差[11]，但也可達(dá)到82%與86%左右。與Friedel-Crafts反應(yīng)不同的是，DNA的存在雖然使得不對(duì)稱合成成為可能，但卻并不一定加快反應(yīng)速率，反而有時(shí)可能降低速率，如使用硝基甲烷為親核試劑時(shí)[18]。

以水為親核試劑的反應(yīng)提供了β-羥基酮的建構(gòu)方式，且對(duì)底物結(jié)構(gòu)并無苛刻要求；這一模體在許多天然產(chǎn)物如紫杉醇中均有存在，且以水為溶劑，非蛋白類酶催化也是前所未見。這些反應(yīng)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，而親核試劑的范圍也可以繼續(xù)擴(kuò)大，未來可預(yù)期還將有更多進(jìn)展。

2.4 反應(yīng)條件優(yōu)化

最初應(yīng)用在催化反應(yīng)上的DNA為未經(jīng)篩選的st-DNA，其序列對(duì)對(duì)應(yīng)選擇性所可能產(chǎn)生的影響并不明確[8, 10]；2008年Boersma及合作者首度研究了堿基序列對(duì)選擇性的影響。當(dāng)選用第2代配體，寡核苷酸回文序列時(shí)[19]，對(duì)于圖6所示的不對(duì)稱Diels-Alder反應(yīng)有如下關(guān)系[19]，見表1。

表1 st-DNA序列與ee值關(guān)系(部分)

可見所獲取的ee值與堿基序列中G、C的含量呈正相關(guān)。當(dāng)序列中的G或C成單出現(xiàn)時(shí)，ee值僅有80%上下，而出現(xiàn)二連G與C時(shí)，ee值即升上90%～95%，而至三連G與C時(shí)則升至98%以上，再移除序列中的AT中心后即最終提至99%以上。單鏈DNA也可進(jìn)行不對(duì)稱催化，但效果較差而不宜采用。文獻(xiàn)未報(bào)道連續(xù)存在的C或G造成高選擇性的原因[19]，但因GC之間氫鍵較AT多出1對(duì)，可能與插入的配體相互作用更強(qiáng)而使其更加緊密結(jié)合；同時(shí)連續(xù)的C或G也使DNA結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變而綜合作用所致。這與第1代配體的選擇偏好稍有不同，但在之后的報(bào)道中可看出高含量的G與C亦對(duì)選擇性有所助益[19-20]。

即使DNA的右旋結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，通過對(duì)配體結(jié)構(gòu)的改變?nèi)匀豢梢钥刂扑檬中援a(chǎn)物的R/S構(gòu)型。對(duì)不對(duì)稱Diels-Alder反應(yīng)，采取下面的配合物可以得到與采用第2代配體相反的手性構(gòu)型[21]。

圖9 產(chǎn)生異常選擇性的配合物

這一配體中的Cu采取八面體配位，因而構(gòu)型與前不同，可能因此造成其與底物結(jié)合后使其取向發(fā)生改變而得到相反的構(gòu)型[21]。其最高可達(dá)到-92%的ee值[21]， 有一定的應(yīng)用價(jià)值。

之前的反應(yīng)中試劑用量均停留在小劑量如微克級(jí)別[8]， 無法滿足正常合成的需要。2009年Megans與Roelfes將反應(yīng)擴(kuò)展至克級(jí)，可在水與有機(jī)溶劑如乙腈中進(jìn)行而得到最高96%的ee值，并可應(yīng)用于Diels-Alder、Friedel-Crafts反應(yīng)與Michael加成，使這一反應(yīng)真正具有了實(shí)用上的意義，并可能作為未來進(jìn)行藥物合成的手段[22]。

3 展望

以銅配合物插入DNA而進(jìn)行的一系列不對(duì)稱催化現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，未來工作應(yīng)著重于底物的拓展以及更多可用于反應(yīng)試劑的研究。此催化的局限主要在于底物結(jié)構(gòu)中須有可與銅配位的氮氧結(jié)構(gòu)。若有不具此類結(jié)構(gòu)的底物，則仍需采取傳統(tǒng)不對(duì)稱催化手段，或設(shè)法引入此類結(jié)構(gòu)，如在羰基之α碳上引入含氮基團(tuán)。且現(xiàn)階段Michael加成反應(yīng)所試驗(yàn)的親核試劑尚且種類較少，有待于未來的進(jìn)一步拓寬，尤其若是將NH3或其衍生物作為親核試劑則可能得到β-氨基酮，有機(jī)會(huì)將其脫雜環(huán)并氧化為β-氨基酸，這類物質(zhì)多具有生物活性，將在包括藥物合成與設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中前景光明?，F(xiàn)階段既已明了對(duì)催化有利的DNA堿基序列，可利用PCR技術(shù)大量合成具有相應(yīng)序列的DNA，既然反應(yīng)已經(jīng)擴(kuò)展到克級(jí)，若稍加優(yōu)化可能即可確實(shí)進(jìn)行生產(chǎn)，而免去采取各類復(fù)雜手性催化劑的麻煩，其應(yīng)用值得期待。

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DNA as catalyst: catalyticinvitroasymmetric syntheses of small molecules

LU Yan1, FENG Kai-bo2

(1. School of Life Science, Nanjing University, Nanjing 210093, China; 2. Department of Chemistry,School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing university, Nanjing 210093; )

This paper reviews recent works oninvitroasymmetric catalysis of small molecules, with salmon testes DNA (st-DNA) inserted by achiral Cu(II) complexes as catalysts. Possible reaction types include Diels-Alder Reaction, Friedel-Crafts Reaction and Michael Addition that are crucial for synthetic route design of natural products and other biologically active compounds. These reactions usually obtain fairly high enantiomeric excess (ee) of over 80%. After optimization, the ee value can further increase to 90% to 99%. The base sequence of DNA will affect the enantioselectivity in ways differ with the ligand structure. Generally, a DNA molecule with more continuous G or C sequence has better enantioselectivity.

DNA; asymmetric; catalysis; insertion; addition

2014-06-25；

2014-08-01

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金(NSFC J1103512)

馮凱波，專業(yè)方向?yàn)橛袡C(jī)合成方法學(xué)，E-mail: 517down@gmail.com;

盧 彥，博士，講師，主要從事分子生物學(xué)研究，E-mail：luyan@nju.edu.cn。

O621.3+5;O643.36

A

2095-1736(2015)01-0086-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2015.01.086