膽甾類分子鉗人工受體的研究進展

盧奕江，杜育芝，段亞欣，徐潤平，姚鑫，葉鵬

（浙江理工大學(xué)化學(xué)系，浙江杭州310018）

膽甾類分子鉗人工受體的研究進展

盧奕江，杜育芝，段亞欣，徐潤平，姚鑫，葉鵬

（浙江理工大學(xué)化學(xué)系，浙江杭州310018）

人工受體的識別性能研究是生物有機化學(xué)和超分子化學(xué)富有挑戰(zhàn)的前沿課題之一，分子鉗作為一類重要的新型人工受體受到了廣泛的關(guān)注。該文重點綜述了膽甾類分子鉗對陰離子、陽離子、中性離子和手性分子的識別作用，以及識別性能的檢測方法，并對其應(yīng)用前景進行了展望。

分子鉗；甾體；分子識別；人工受體；手性分子

分子識別(molecular recognition)是客體分子與受體之間的選擇性結(jié)合,其在生命活動中起著十分重要的作用。一些早期的人工受體，如冠醚、環(huán)糊精和環(huán)蕃等大環(huán)化合物，它們的活性官能團有限，即使對其進行化學(xué)修飾，也難以滿足對更多類型底物進行識別的要求[1]。分子鉗(molecular tweezer)又稱分子裂縫，是一種新型的人工受體，其結(jié)構(gòu)上有著相當于天然受體的空腔，可以根據(jù)實際需要，設(shè)計相應(yīng)形狀、大小以及官能團，并通過對其分子鉗手臂的進一步化學(xué)修飾，提供一個與客體分子恰好互補的微環(huán)境[2]。識別的推動力主要包括氫鍵、靜電引力、范德華力、疏水作用和π-π堆積作用等非共價鍵作用力。

分子鉗的種類根據(jù)分子骨架的不同大致可分為胍鹽類分子鉗[3-7]、芳雜環(huán)類分子鉗[8-12]、杯芳烴類分子鉗[13-17]以及膽甾類分子鉗等。文章對膽甾類分子鉗人工受體的手性識別性能研究作了著重闡述。

1　膽甾類分子鉗

膽甾因其剛性的甾體骨架具有不對稱性，是構(gòu)建新型分子鉗的理想結(jié)構(gòu)單元。膽甾骨架中指向凹面中心的羥基以及側(cè)鏈的羧基可以通過不同的化學(xué)修飾構(gòu)建多種類型的分子鉗人工受體。膽甾的結(jié)構(gòu)通式可表示為圖1。

圖1　膽甾的結(jié)構(gòu)通式

1.1對陰離子的識別

陰離子在生命活動中起著重要的作用，如攜帶基因信息和參與酶促反應(yīng)[18-19]。工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢液也常常含有大量陰離子，會對環(huán)境造成污染。設(shè)計合成人工受體用于陰離子結(jié)合、傳感、運輸和提取是超分子化學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點[20-23]。

趙志剛等構(gòu)建了一類手性不對稱脲石膽酸分子鉗（如圖2）,通過紫外滴定實驗發(fā)現(xiàn)，隨著鹵素陰離子的不斷加入,主體溶液的吸光度呈現(xiàn)規(guī)律性的下降（或上升）,表明分子鉗對鹵素陰離子產(chǎn)生了識別配合作用；并且分子鉗與所有鹵素陰離子均能形成1∶1型超分子化合物，識別選擇性為I-＞Cl-＞Br-，結(jié)合常數(shù)Ka為102～103 L/mol[24]。該識別作用的主要推動力是不對稱脲上的酰胺氮氫質(zhì)子與鹵素陰離子之間形成的氫鍵作用。相比于I-,Cl-和Br-的離子半徑較小,而分子裂穴較大，導(dǎo)致主客體分子之間的形狀匹配較差,所形成氫鍵的距離較遠,作用力較弱,因此I-的結(jié)合常數(shù)最大；并且在電荷密度上Cl-大于Br-，故Cl-形成氫鍵的能力較大,其結(jié)合常數(shù)大于Br-。

Mamra Chahar等將膽甾雙咪唑衍生物進行了閉環(huán)修飾，合成了a、b、c和d 4種受體（如圖3），并使用核磁滴定實驗考察了其對鹵素陰離子的識別能力[25]。研究發(fā)現(xiàn)所有受體與鹵素陰離子均能形成1∶1型超分子化合物。其中受體a和c對Cl-具有選擇性，受體b和d對F-具有良好的選擇識別性能，并且受體d與F-的親和力是受體b的2倍。

圖2　手性不對稱脲石膽酸分子鉗

圖3　膽甾雙咪唑受體

1.2對陽離子的識別

金屬陽離子廣泛存在于生命體活動中，如它們參與酶及DNA的代謝過程并且維持著生物體內(nèi)的水和電解質(zhì)平衡，是人體細胞不可缺少的[26]。在工業(yè)生產(chǎn)中使用的鉛、汞及鎘等劇毒重金屬，如果被過度排放到自然界，會對人和環(huán)境造成巨大的危害[27-28]。因此,設(shè)計能高效識別有毒重金屬離子的新型人工受體是十分有意義的。

趙志剛等通過點擊化學(xué)方法合成了一系列鵝去氧膽酸類分子鉗（如圖4），紫外滴定實驗表明：隨著金屬陽離子不斷加入,主體的吸光度呈規(guī)律性的下降,故主客體之間產(chǎn)生了識別配合作用[29]。此外，主體與客體之間形成了1∶1型超分子化合物，其對Hg2+的識別能力明顯高于Cu2+、Mg2+和Pb2+。對汞離子的識別作用較好可能是由于汞離子在形狀大小上與分子裂穴更為匹配。

1.3對中性離子的識別

圖4　鵝去氧膽酸類分子鉗

膽甾在結(jié)構(gòu)上具有以下特點：（1）剛性的凹面結(jié)構(gòu)；（2）具有多個手性中心；（3）α面親水，β面疏水；（4）膽甾骨架中多個指向凹面中心的羥基和側(cè)鏈羥基可以進行不同的化學(xué)修飾。

楊學(xué)軍等采用微波技術(shù)設(shè)計合成了一系列脫氧膽酸分子鉗（如圖5）[30]。各分子鉗對客體苯胺、鄰甲氧基苯胺、間甲氧基苯胺和對甲氧基苯胺分別進行了識別。經(jīng)紫外滴定實驗發(fā)現(xiàn)：往主體溶液中不斷加入客體溶液，主體的吸光度會呈規(guī)律性下降,表明主客體分子之間產(chǎn)生了識別配合作用；且在同一溶劑（CHCl3）中，對不同客體溶液的識別性能存在差異，表現(xiàn)為苯胺＞對甲氧基苯胺＞間甲氧基苯胺＞鄰甲氧基苯胺。

分子鉗的手性識別推動力主要來自于主客體之間的氫鍵、π-π堆積和范德華力等非共價鍵作用力的共同作用。同時主客體在形狀大小以及空間幾何上的匹配度，分子鉗的剛?cè)嵝裕直劢Y(jié)構(gòu)不同所造成的微環(huán)境效應(yīng)等，在手性識別過程中也起著十分重要的作用。

Davis等合成了親脂性膽甾胍鹽受體1、2 (如圖6),并研究了這些受體對N-乙?；?氨基羧酸的手性識別能力,其中受體2對N-乙?；?氨基羧酸的手性拆分能力較好，其對映選擇性結(jié)合常數(shù)KL/KD高達10[33-35]。

圖5　脫氧膽酸分子鉗

1.4手性識別

手性分子在生物系統(tǒng)中起著重要的作用，如蛋白質(zhì)、激素、酶和DNA等都是天然的手性分子。人工受體對手性分子的識別可以提供關(guān)于生物現(xiàn)象中主客體相互作用的有用信息[31]。氨基酸作為肽、蛋白質(zhì)和DNA的重要組成成分，是生物系統(tǒng)中非常重要的分子，其在結(jié)構(gòu)上是彼此相似的，但有著不同的側(cè)鏈，對氨基酸手性識別的研究是十分有意義的課題[32]。

圖6　膽甾胍鹽受體1，2

Liu等合成了一系列水溶性人工受體（如圖7）[36]。其中受體3具有三中心多重氫鍵，可提供更多的氫鍵識別位點，其在甲醇/水（1∶1）的溶液中對L-谷氨酸有十分優(yōu)異的手性識別能力,其結(jié)合常數(shù)Ka高達5.61×105L/mol。而受體4和5對L-谷氨酸沒有手性拆分能力，可能是因為受體4和5的氫鍵識別位點較少，且分子裂穴較大，無法對L-谷氨酸進行較好的識別匹配。

圖7　水溶性人工受體3～5

薛翠花等以脫氧膽酸為骨架，在三光氣作用下將苯胺及其衍生物與膽甾橋連，合成了新型的脫氧膽酸分子鉗6～9（如圖8），并研究了分子鉗手臂上不同基團所形成的微環(huán)境效應(yīng)對識別性能的影響[37]。這類受體對亮氨酸和苯丙氨酸均顯示出識別能力，且D-氨基酸甲酯＞L-氨基酸甲酯,亮氨酸甲酯＞苯丙氨酸甲酯。受體8相對7在手臂上引入了硝基，意在增加識別位點，增強其對氨基酸的識別配合作用，但實驗結(jié)果表明受體8對苯丙氨酸甲酯的識別性能不如6和7。原因可能是引入的硝基體積較大，在一定程度上阻礙了苯丙氨酸甲酯進入分子鉗的裂穴。

Hao Wang等對膽甾進行修飾合成了受體10和11（如圖9）,利用核磁滴定法考察了其對D/L-氨基酸的手性拆分能力[38]。實驗結(jié)果表明,受體10和11對所考察客體中的D-氨基酸均顯示出了優(yōu)良的識別能力，主客體間形成1∶1型超分子配合物，且受體10對氨基酸的KD/KL均大于受體11，其中受體10對D/L-蘇氨酸的手性識別性能最佳。

圖8　新型脫氧膽酸分子鉗6～9

圖9　膽甾受體10，11

2　識別性能的檢測方法

分子鉗主體對客體分子識別性能的測試，目前主要有以下3種方法：（1）紫外分光光度滴定法；（2）核磁共振法；（3）分子模擬。

2.1紫外分光光度滴定法

紫外光譜滴定實驗中，以無水氯仿為溶劑，配制一定濃度的主體分子鉗溶液和客體分子溶液。主體溶液濃度不變，往其中不斷加入濃度不同的客體分子溶液，主體溶液的最大吸光度呈規(guī)律性下降或上升，這表明主客體分子之間產(chǎn)生了識別配合作用，紫外滴定曲線如圖10。利用主體溶液吸光度的變化，可求得主客體識別配合的結(jié)合常數(shù)。主客體形成的超分子配合物化學(xué)計量比為1∶1，可利用方程1來表達其配合作用；當客體濃度遠遠大于主體濃度時,根據(jù)修飾的Hildebrand-Benesi[39]方程2，以1/ΔA對1/[G]0作圖,可得到線性關(guān)系圖，如圖11所示。由直線的截距和斜率計算出配合物的穩(wěn)定常數(shù)Ka和自由能變化（-ΔG0），由此可對識別性能進行比較。

式中：[H]0為主體溶液初始濃度；[G]0為客體溶液總濃度；ΔA為加入客體前后主體溶液的吸光度差；Δε為主客體配合前后的摩爾消光系數(shù)差。

2.2核磁共振法

核磁共振法是研究主客體間非共價鍵作用力的重要手段之一，利用核磁共振法可檢測主客體在形成超分子配合物前后的化學(xué)位移。一般情況下，當主客體形成超分子配合物后，其中參與氫鍵作用的相關(guān)質(zhì)子的化學(xué)位移會向低場移動，若質(zhì)子的化學(xué)位移向高場移動則其參與π-π堆積作用，故利用1H NMR譜可以初步了解主體分子鉗對客體分子識別作用的推動力以及識別模式[40]。

圖10　紫外滴定曲線

圖11　 1/ΔA與1/[G]0的線性關(guān)系圖

2.3分子模擬分析

分子模擬又稱“計算機模擬”，是一種在計算機上進行模擬分析的實驗。許多通過實驗方式較難得到或無法得到的數(shù)據(jù)，利用分子模擬卻可以輕松地獲取，這是由于通過計算機可以清晰地觀察到分子的微觀結(jié)構(gòu)和計算材料的力學(xué)性能等[41]。因此分子模擬技術(shù)可用來優(yōu)化以往的結(jié)構(gòu)分析、化學(xué)合成和物性檢測等實驗，從而為新型材料與分子的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)[42]。

通過Chem 3D程序(MM2)可分別對主客體間所形成的各種配合物進行系統(tǒng)的構(gòu)象搜尋和結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。應(yīng)用Chem 3D程序(MM2)進行分子構(gòu)象模擬，可得到受體的多種構(gòu)象異構(gòu)體，從中找出最低能量構(gòu)象圖。通過比較可看出客體的大小和形狀是否適合進入主體裂穴，誘導(dǎo)其產(chǎn)生配合作用。

3　結(jié)語

分子鉗作為一類新型人工受體，其優(yōu)點在于可以根據(jù)不同種類客體分子設(shè)計具有相應(yīng)識別結(jié)構(gòu)的受體。通過多種隔離基的選擇，使其能與客體分子進行良好的識別作用。分子鉗可與客體分子形成1∶1型超分子化合物，對陰離子、陽離子和生物分子等具有良好的識別配合性能。這些識別性能上的差異，與主客體分子形狀的匹配程度及其功能基團的相互作用等結(jié)構(gòu)因素相關(guān)。

近年來，分子鉗的發(fā)展十分迅速，在新藥設(shè)計、不對稱催化、拆分手性化合物、生物傳感器以及分子器件等領(lǐng)域展示出了它獨特的光彩，引起了越來越多人的重視。但目前分子鉗的合成還較為困難，分子識別效果也需要進一步提高。此外，分子鉗結(jié)構(gòu)對其識別性能的影響尚缺乏系統(tǒng)的理論支撐，難以準確預(yù)測所合成分子鉗對客體分子的識別性能，從而極大地限制了分子鉗的發(fā)展。因此，分子鉗的合成優(yōu)化及識別機理的深入研究將是這一領(lǐng)域的重點研究方向。

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10．13752／j．issn．1007-2217．2016．03．002

2016-04-08