核磁共振法研究瓜环[n]对盐酸哌甲酯的手性识别

杨晓娜, 姜 松, 朱卫国, 邹大鹏*

(1.解放军信息工程大学理学院,河南郑州 450001;2.郑州大学化学与分子工程学院,河南郑州 450052)

对映异构体或非对映异构体识别是广泛存在于有机生物体和人工合成体系的一种识别过程,是通过一个手性或非手性的主体,将其中一个客体从它的对映体或非对映体中分离开来的化学过程,在底物-酶相互作用[1]、不对称催化[2]、药物研发和药理研究[3]等诸多方面的应用都有很重要的意义。

瓜环(Cucurbit[n]uril,n=5～8,10,记为CB[n])[4 - 8]是一种通过亚甲基桥联的苷脲聚合体,基于瓜环的特殊结构,使其在分子识别[9,10]、分子催化[11]、超分子组装[12,13]、分离材料[14]以及各种化学药物的吸附或缓释[15]等领域广泛应用。Rekharsky等[16]首次报道了通过非手性的瓜环与客体手性分子形成非对映体复合物,然后引入另一种手性分子(如2-甲基丁胺),使之与之前形成的非对映体复合物发生离子/分子交换反应,置换出其中的手性客体分子,以此达到识别和分离对映体和非对映体目的。

盐酸哌甲酯(Methylphenidate Hydrochloride,MPH),其化学名称是α-苯基-2-哌啶乙酸甲酯盐酸盐,它是一个中枢神经兴奋剂,为注意缺陷多功能障碍(儿童多动综合症)、发作性睡病等的一线治疗药物。临床上常用的哌甲酯是同时包含右旋(Dextro)和左旋(Levo)两种同分异构体的消旋体哌甲酯(D,l-MPH),其在人体内的代谢和药理作用具有立体选择性。其中,右旋异构体(D-MPH)比左旋异构体(L-MPH)更具药理活性[17]。本文利用1HNMR技术，考察了1S,2S-l-threo-MPH、苏式哌甲酯对映体分别与七元、八元瓜环的相互作用情况,该研究对于扩大瓜环在药物对映体或非对映体的分析及分离中的应用具有很好的理论意义。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

Bruker AVANCE Ⅲ 400 MHz超导核磁共振仪(瑞士，Bruker公司)，D2O为溶剂,以溶剂峰定标。PERKIN-ELMER AD-4 Autobalance电子天平(美国，PERKIN-ELMER公司);Oxford Diffraction Gimini E单晶衍射仪(英国，Oxford Diffraction公司)。

实验中所用瓜环[18]及盐酸哌甲酯为本实验室自制;所用氘代水购自ALDRICH公司(美国),其他试剂均为分析纯。实验室用水为蒸馏水。

1.2 单晶的制备与测试

将哌甲酯的甲醇溶液浓缩,于温度0 ℃静置,数天后培养出适宜测试的无色晶体，单晶结构在单晶射线衍射仪上采集数据。使用经石墨单色化的钼靶(λ=0.7107 Å),扫描方式为ω扫描。强度数据进行了LP校正，经验吸收校正。结构解析和精修用SHELXTL程序,氢原子坐标由理论计算得到。

1.3 核磁共振谱的测定

采用超导核磁共振仪测定盐酸哌甲酯的1H NMR和1H-1H COSY谱图,归属所有质子信号峰。采用摩尔比法即固定客体的浓度,向客体溶液中加入不同物质的量的固体CB[n],配制一系列不同物质的量之比的溶液,在室温下测定上述溶液的1H NMR谱图。

2 结果与讨论

2.1 MPH的单晶结构

哌甲酯分子中有两个不同的手性碳原子,因此有四个立体异构体。其中,1R,2R-d-threo-MPH是几种异构体中药效最强的一种。为了确定所合成MPH的立体结构,实验培养了单晶,并进行X-射线衍射分析，见图1。由此可以确定其结构为1S,2S-l-threo-MPH。另外,合成得到的苏式MPH经1H NMR鉴定是一对对映体,分别为1S,2S-l-threo-MPH 和1R,2R-d-threo-MPH(图示1)。

图1 1S,2S-l-threo-MPH的单晶结构Fig.1 Crystal structure of 1S,2S-l-threo-MPH

图示1 CB[n](n=7,8)与苏式盐酸哌甲酯的结构Scheme.1 The structure of CB[n](n=7,8) and threo-methylphenidate hydrochloride

2.2 1S,2S-l-threo-MPH的NMR谱图分析

首先对1S,2S-l-threo-MPH的质子信号峰进行归属。根据1H-1H COSY谱图(图2),δH3.63为单峰,氢个数为3,在1H-1H COSY中该信号峰与其他氢没有相关,很容易归属为H-12的质子信号峰。δH3.90为双峰,氢个数为1,在1H-1H COSY中该信号峰仅与δH3.79相关,是H-1的质子信号峰;与H-1相关的δH3.79即为H-2的质子信号峰;而与H-2相关的δH1.58和δH1.40应为C-3上两个质子的信号峰。这主要是由于碳碳单键的各向异性屏蔽作用,确定构象的环烷烃,其同碳原子上不同氢的化学位移值略有差异。同样,1S,2S-l-threo-MPH结构中哌啶环部分各碳原子上的两个质子的化学位移值也略有差异。所以,C-3上两个氢的化学位移略有不同，分别标记为H-3和H-3′。依次推断,即可将1S,2S-l-threo-MPH的质子信号峰一一归属。图3a为1S,2S-l-threo-MPH各质子信号峰(以L表示)的归属。图3b为(±)-threo-MPH的1H NMR谱图,与图3a相比,可以发现两组质子信号峰,根据1S,2S-l-threo-MPH中的质子归属情况,可以将(±)-threo-MPH中其对映体部分1R,2R-d-threo-MPH的质子信号峰(以D表示)进行一一归属。

图2 1S,2S-l-threo-MPH的1H-1H COSY图谱Fig.2 1H-1H COSY spectroscopy of 1S,2S-l-threo-MPH

图3 1S,2S-l-threo-MPH(a)和(±)-threo-MPH(b)的1H NMR谱Fig.3 1H NMR spectroscopy of 1S,2S-l-threo-MPH(a),(±)-threo-MPH(b)

2.3 CB[7]与1S,2S-l-threo-MPH、(±)-threo-MPH的1H NMR谱图分析

图4给出了1S,2S-l-threo-MPH及苏式MPH对映体分别与主体CB[7]相互作用的1H NMR谱图。由图4b可以看出,加入一倍量CB[7]后,1S,2S-l-threo-MPH苯环上的H-8、H-9、H-10质子峰移向高场，说明该部分进入到CB[7]空腔内部从而受到了屏蔽作用。但苯环上H-7、H-11则受到了瓜环的去屏蔽作用而移向低场,说明其处于瓜环端口外。同时,H-1、H-12也受到了瓜环的去屏蔽作用分别向低场移动了0.136和0.118。而哌啶环上H-2的化学位移基本没有改变,这是由于该质子处于瓜环端口处,其受到的屏蔽作用和去屏蔽作用相抵消的原因。与H-2不同,哌啶环上的质子H-3、H-3′、H-4、H-4′、H-5、H-5′、H-6、H-6′的化学位移则不同程度的移向高场,这说明除H-2以外的哌啶环部分进入到CB[7]空腔内部。由此可推测,1S,2S-l-threo-MPH结构中只有苯环上的H-7、H-11,哌啶环上的H-2以及酯基部分H-1、H-12未进入CB[7]空腔,其他部分都被瓜环空腔包结。

图4 (a) 1S,2S-l-threo-MPH,(b) 1S,2S-l-threo-MPH∶CB[7]=1∶1,(c)(±)-threo-MPH,(d)(±)-threo-MPH∶CB[7]=1∶1的1H NMR图谱Fig.4 1H NMR spectroscopy of(a) 1S,2S-l-threo-MPH,(b) 1S,2S-l-threo-MPH∶CB[7]=1∶1,(c)(±)-threo-MPH,(d)(±)-threo-MPH∶CB[7]=1∶1

图4d为加入一倍量CB[7]时的苏式哌甲酯对映体的1H NMR谱图,与图4b相比,可以很明显地看出,1R,2R-d-threo-MPH上各质子的化学位移在CB[7]加入后与1S,2S-l-threo-MPH的变化有很大不同。其中,苯环上的H-7、H-8、H-9、H-10、H-11均向低场移动,说明整个苯环都受到了瓜环的去屏蔽作用,位于瓜环端口外。值得注意的是,手性中心H-1及附近H-12的化学位移虽然也都移向低场,但移动的幅度小于1S,2S-l-threo-MPH,从而使两种对映体的质子H-1及质子H-12明显的裂分开来。哌啶环部分的化学位移则都移向高场,但移动幅度远不及1S,2S-l-threo-MPH。从以上分析可以看出,1R,2R-d-threo-MPH仅有除H-2 以外的哌啶环部分被瓜环包结。由此可见,对映体与CB[7]形成的包合物有很大不同(图示2),这也说明CB[7]作为一种非手性的主体化合物,能够将手性的哌甲酯对映体识别开来。

图示2 threo-MPH与CB[7]的包结模式图 Scheme.2 The possible interaction models of threo-MPH and CB[7]

2.4 CB[8]与1S,2S-l-threo-MPH、(±)-threo-MPH的1H NMR谱图分析

图5a为1S,2S-l-threo-MPH的核磁谱图,当加入一倍量CB[8]后(图5b),可看到苯环上质子的化学位移全部移向高场,说明该部分进入到瓜环空腔,从而受到了屏蔽作用。同时,除了质子H-6′的化学位移移向低场外,哌甲酯上其他质子的化学位移也都移向高场,说明除了质子H-6′在瓜环端口外,其他部分全进入了瓜环空腔。而苏式哌甲酯对映体加入主体CB[8]后(图5d),1R,2R-D-threo-MPH上所有质子的化学位移都不同程度的向高场移动,说明1R,2R-d-threo-MPH已完全进入CB[8]空腔中。同时,两种对映体手性中心H-1、H-2及附近H-12的化学位移虽然变化趋势一样,但由于移动幅度的不同,使其各自明显的分裂为两组质子峰，而且两种对映体与CB[8]的包结模式也不相同(图示3),从而可以将苏式哌甲酯对映体区别开来。因此,CB[8]同样也可以识别手性哌甲酯。

图5 (a) 1S,2S-l-threo-MPH,(b) 1S,2S-l-threo-MPH∶CB[8]=1∶1,(c)(±)-threo-MPH,(d)(±)-threo-MPH∶CB[8]=1∶1的核磁图谱Fig.5 1H NMR spectroscopy of(a) 1S,2S-l-threo-MPH,(b) 1S,2S-l-threo-MPH∶CB[8]=1∶1,(c)(±)-threo-MPH,(d)(±)-threo-MPH∶CB[8]=1∶1

图示3 threo-MPH与CB[8]的包结模式图 Scheme.3 The possible interaction models of threo-MPH and CB[8]

3 结论

本文利用1H NMR技术对1S,2S-L-threo-MPH和苏式哌甲酯对映体分别与CB[7]、CB[8]的相互作用进行了研究。结果表明:1S,2S-L-threo-MPH的哌啶环和苯环的一部分进入CB[7]空腔,而1R,2R-D-threo-MPH仅有哌啶环被CB[7]空腔所包结，从而识别手性哌甲酯。CB[8]与1R,2R-D-threo-MPH和1S,2S-L-threo-MPH的包结模式也不相同,CB[8]包结了除哌啶环上的H-6质子外的整个1S,2S-L-threo-MPH分子,但1R,2R-D-threo-MPH则完全进入了CB[8]空腔,从而也能识别手性哌甲酯。非手性的瓜环[7]、瓜环[8]能够识别苏式哌甲酯异构体,为手性药物的快速识别和检测提供了理论基础,也对瓜环在手性分子识别方面的应用提供了依据。