分子钳化学研究的新进展

2011-04-11张来新

化学与生物工程 2011年4期

张来新，杨琼

(宝鸡文理学院化学化工系，陕西宝鸡 721013)

分子钳因其大环化合物结构酷似钳子而得名，是近年来继冠醚、环糊精、杯芳烃、环蕃、瓜环、大环多胺等开拓出的又一种新型人工受体模型，因其灵活的结构和易于将官能团聚集在受体与底物结合的活性部位等特点，广泛应用于分子识别、分子器件、生物传感器、新药开发、仿生催化等领域。分子钳人工受体不仅结构上具有相当于天然受体的空腔，且可根据需要设计成不同大小、不同种类的官能团的受体，通过在裂穴内的进一步化学修饰，可以提供一个与底物恰当互补的微环境，从而借助于氢键、静电引力、范德华力、疏水作用以及π-π重叠等非共价键作用实现对各种客体的识别。

人工受体的合成及其识别性能研究，已成为生物有机化学研究的前沿领域之一，其在生命科学、材料科学、新药研究等诸多领域显示出广阔的应用前景。

1 分子钳化合物的合成

分子钳的传统合成方法是先合成适当的隔离剂，再和手臂化合物反应得到分子钳化合物，存在反应时间长、选择性差、产率低、副反应多、后处理纯化困难等问题。鉴于微波和超声波在有机合成反应中的优越性，越来越多地将其应用于分子钳人工受体的合成，如微波无溶剂合成、微波干法合成、超声波辐射合成等。

1.1 新型芳杂环酰腙分子钳的微波无溶剂快速合成

酰腙类化合物由于其分子结构中含有亚结构基团(CONHN=CH)，N—H可作为氢键的供体用于分子识别，而间苯二氧乙酸具有刚性分子骨架，因此，由间苯二氧乙酸和芳酰腙组成的分子钳可望通过氢键和π-π重叠作用对有机小分子产生识别配位。设计合成这类分子钳人工受体具有重要的理论意义和潜在的应用价值。

石培育等[1]在微波辐射无溶剂条件下，以间苯二氧乙酸为隔离基、芳酰腙结构单元为手臂、固体A2O3为载体，设计合成了12个新的芳杂环酰腙分子钳，同时研究了其对客体苯胺衍生物的识别性能。结果表明，芳杂环酰腙分子钳对客体苯胺衍生物有良好的识别作用，该法具有简单、快速、高效和环境友好等优点。

1.2 新型手性芳杂环分子钳的微波干法合成

芳杂环具有刚性的分子骨架，是构筑分子钳的理想结构单元。近年来文献报道了一系列以芳杂环为隔离基的分子钳，并考察了它们对中性分子、阴离子的识别配位能力。但从国内外文献来看，芳杂环分子钳的手臂以非手性居多，手性手臂的报道较少。鉴于手性识别在生命过程中的重要作用，设计合成手性手臂的芳杂环分子钳受体，用于选择性识别生命过程中的手性生物分子具有理论和实际意义。

张小强等[2]在微波无溶剂条件下，以对苯二甲酰氯为隔离基、胆甾为手臂、固体K2CO3为载体，设计合成了4个新型手性芳杂环分子钳。研究表明，它们均对氨基甲酸酯有良好的对映选择性识别作用。

1.3 单手性臂α-猪去氧胆酸类分子钳的合成

鉴于微波辐射下的有机合成反应较常规加热法具有反应速度快、选择性好、产率高等优点，王健等[3]以α-猪去氧胆酸为隔离基、在3位桥联不同的D，L-氨基酸甲酯作手性臂，采用微波辐射法合成了8个不同手性中心和裂穴的新型分子钳受体。结果发现，这类分子钳受体由于结构微环境的改变而引起对映选择识别的差异，这一发现可望在化学传感器或手性拆分中得到实际应用。

1.4 新型手性芳酰胺分子钳的微波干法合成

曾碧涛等[4]在微波辐射无溶剂条件下，以固体K2CO3为载体，以1，3-二苯氧乙酰氯与L-氨基酸甲酯盐酸盐反应，高产率合成了9个新的分子钳人工受体。它们对D，L-氨基酸甲酯具有良好的对映选择性识别作用。该法与传统方法比较，具有简单、快速、产率高、对环境友好及产品易分离等优点。

1.5 新型酯键型猪去氧胆酸分子钳的快速合成

吴秀明等[5]以固体K2CO3为载体，以猪去氧胆酸甲酯与芳酰氯反应，高产率合成了11个猪去氧胆酸类分子钳人工受体，同时考察了这类受体对芳胺和手性分子的识别能力。结果表明，这类分子钳受体不但对芳胺具有良好的识别能力，而且对D，L-氨基酸甲酯也具有良好的对映选择性识别作用。

1.6 手性芳酰胺分子钳的超声波辐射合成

鉴于超声波辐射应用于有机合成反应具有反应速度快、反应条件缓和、产率高等优点，吕维忠等[6]在超声波辐射下，以间苯二甲酸为隔离剂、酰胺键桥联L-丙氨酸甲酯为手臂，合成了一种手性芳酰胺分子钳，并通过正交实验优化了工艺条件，期望能在生命科学、材料科学等领域的研究中得到应用。

2 分子钳对手性分子及阴离子的识别作用

2.1 新型芳酰肼分子钳对阴离子的识别

阴离子在生物体中起着重要作用，即在生命系统中起到携带基因信息、参与酶的形成等作用。工业生产中众多含有阴离子的废液会对环境造成污染，阴离子识别可实现对环境的监测，因而研究阴离子的识别具有重要的理论和现实意义。

近年来，选择性识别阴离子的人工受体的设计合成已成为超分子化学前沿领域研究的热点之一。石培育等[7]在微波无溶剂条件下，以间苯二氧乙酸为隔离基、固体K2CO3为载体，设计合成了9个新型芳酰肼分子钳人工受体。研究表明，该类分子钳受体对Cl-、Br-没有识别作用，而对I-具有选择性识别作用，这种识别选择性差异可望在生命科学、环境科学、材料科学、分析分离科学等领域得到应用。

2.2 手性芳酰胺分子钳对氨基酸衍生物的对映选择性识别

手性识别是生物体内的一种基本现象。近年来，环糊精、冠醚、杯芳烃、环蕃等大环化合物及分子钳化合物对氨基酸及其衍生物的分子识别研究十分活跃。赵志刚等[8]在微波辐射下，以联苯二甲酸为隔离基、L-氨基酸甲酯为手臂，合成了3个新型手性芳酰胺分子钳化合物，并利用差紫外光谱滴定法考察了其对D，L-氨基酸的对映选择性识别能力。结果表明，该类手性芳酰胺分子钳与D-氨基酸甲酯形成配合物的结合常数大于与L-氨基酸甲酯形成配合物的结合常数。

2.3 二聚炔雌醇分子钳对氨基酸甲酯的手性识别

基于氨基酸是合成蛋白质的基础，近年来对氨基酸的手性识别引起了研究者的广泛兴趣。杨祖幸等[9]合成了3个二聚炔雌醇分子钳，并采用分子模拟研究了其与D，L-苯丙氨基酸甲酯的相互作用，比较了形成配合物前后分子钳的结构变化以及与手性苯丙氨基酸甲酯相互作用大小。结果表明，二聚炔雌醇分子钳与D，L-苯丙氨基酸甲酯形成1∶1配合物时，它们对D-苯丙氨基酸甲酯的识别能力高于L-苯丙氨基酸甲酯。为人们认识和预测分子钳的手性识别能力提供了理论依据。

2.4 芳酰胺分子钳对阴离子的识别作用

为了进一步拓展人工受体的合成及其对阴离子识别性能的研究，曾碧涛等[10]以联苯二甲酸为隔离基、L-氨基酸甲酯为手臂，合成了4个新型分子钳化合物，并利用紫外光谱考察了其对卤素和醋酸根阴离子的识别性能。结果表明，这类受体对卤素阴离子具有优良的选择性识别能力。

3 分子钳对中性分子的识别作用

3.1 手性不对称脲联苯二甲酸分子钳对中性分子的识别

研究分子钳的识别作用机制、了解受体与底物间识别作用的推动力与二者结构之间的关系，对于揭示生命体系中非共价键作用以及进一步阐述生命过程中的化学现象及本质具有重要理论意义。石云等[11]合成了5个手性不对称脲联苯二甲酸分子钳，并用差紫外光谱滴定法考察了它们对苯胺、对甲氧基苯胺、对氨基苯乙酮等中性分子的识别性能。结果表明，在同一种溶剂中，5个分子钳主体对客体的识别能力大小依次为：苯胺>对甲氧基苯胺>对氨基苯乙酮，并且均显示出对苯胺优良的选择性。这说明主体与客体在尺寸和形状上的匹配以及几何互补性均在识别中起着重要作用。

3.2 脱氧胆酸手性分子钳对中性分子的识别

杨学军等[12]在微波辐射下，以脱氧胆酸甲酯为隔离基，高效率合成了5个脱氧胆酸手性分子钳人工受体，它们对客体苯胺、邻甲氧基苯胺、间甲氧基苯胺、对甲氧基苯胺的识别能力大小依次为：苯胺>对甲氧基苯胺>间甲氧基苯胺>邻甲氧基苯胺，并在同一溶剂中显示出对苯胺优良的选择性。从构象来分析，这种识别选择性差异是由于客体诱导主体的几何互补性有差异，即苯胺与主体分子的形状、大小匹配和几何互补关系比其余3个中性分子匹配得更恰当，形成的配合物能量更低、更稳定。

3.3 氨基甲酸酯型脱氧胆酸分子钳对中性分子的识别

赵志刚等[13]采用微波法，设计合成了5个包含氢键授受部位和π-π重叠单元的新型脱氧胆酸分子钳，并考察了其对中性分子和手性分子的识别配位能力。结果表明，5个分子钳对苯胺、对硝基苯胺、对甲氧基苯胺的识别配位能力大小依次为：对硝基苯胺>苯胺>对甲氧基苯胺，且均显示出对客体对硝基苯胺的优良选择性。

3.4 新型Schiff碱分子钳对中性分子的识别

王健等[14]以间苯二甲酸作隔离基、以芳香胺与芳醛缩合形成的建筑块为手臂，采用微波法合成了3个芳酰胺—Schiff碱分子钳，同时采用差紫外光谱滴定法考察了其对一系列二苯甲酮、芳香二胺的识别作用。结果表明，3个新型Schiff碱分子钳对二芳胺异构体的识别能力大小依次为：间苯二胺>邻苯二胺>对苯二胺，且均显示出对客体间苯二胺的优良选择性。