手性限域空間催化材料的構筑及研究

田亞萍 陳龍 楊木易 甘文靜 劉燦 劉海燕 吳曉 營口理工學院

酶是一類有催化活性的蛋白質，它具有催化效率高、專一性強、反應條件溫和等特點，但是酶容易受到多種物理、化學因素的影響而失活。人們試圖承接酶的某些優點，改變它容易變性、失活等缺點，并期待可用有機合成方法簡單、易得地制備酶，從而開始進行酶功能的模擬研究。[1]1987年諾獎授予美國化學家Charles J. Pedersen、Donald James Cram 教授和法國化學家Jean-Marie Lehn 教授幾人，表彰他們先后發現一類具有特殊結構和性質的環狀化合物，為達成人類一直長期尋找的合成與天然蛋白質功能雷同的有機物這一目標方面取得了“擴充性的成就”，他們提出的主-客體化學（host-guest chemistry）和超分子化學（supramolecular chemistry）奠定了模擬酶的重要理論基礎。

在超分子化學的研究中，大環和多面體結構一直是化學工作者研究的熱點，是一類人工合成的目的在于模擬和研習酶催化過程和某些生物分子判別的不可或缺的模型。設計合成具有特定尺度和結構信息的大環化合物（環狀、穴狀和籠狀化合物），在其空穴或空腔內抉擇性地結合客體分子、客體離子，進行主、客體的化學研究，突出是對生物活性小分子、生物活性離子進行的鑒別研究，是超分子、生物化學領域中的基本課題。由金屬與結構匹配的多齒配體組裝的多面體金屬大環體系不僅具有傳統大環體系良好的主客體化學性能，而且可以方便的引入特定物理化學功能，實現對給定客體的識別和傳感。同時，配位健特殊的方向性和配位組裝的可逆性使這類超分子體系的大小、幾何形狀成為可能，從而在主-客體化學（模擬酶與底物的相互作用）、模擬酶催化過程等方面展現出較佳的前景。

天然酶的催化具有高度的立體專一性、區域選擇性和化學選擇性。要使金屬-有機限域體系成為精良的人工模擬酶，不單需要引入官能團顯現其化學選擇性，還需使它展現出手性以達成較高的立體選擇性。因此，學者們突破傳統思路，運用分子鑒別、組裝及模擬酶的催化的原理，概括起來考慮催化過程當中的繁多中心活化、多手性因素控制以及微環境效應，來策畫新型手性催化劑。目前，構筑具有單一手性的金屬-有機限域體系，最為有效的方法是選擇手性配體作為構筑單元。

一、手性聯二苯衍生物

Yong Cui 課題組設計合成了基于聯二苯衍生物的手性配體，分別與Fe（Ⅲ）、Gd（Ⅲ）進行自組裝得到單一手性的、中性金屬-有機M4L6 型四面體籠狀化合物3 和4。并通過電噴霧質譜、IR、1H NMR、CD 和紫外波譜驗證了化合物的形成。經X-射線單晶衍射分析，化合物3 和4 以手性三方晶系P3空間群結晶。其中，金屬離子占據四面體的四個頂點，配體占據四面體的六條棱，內部空穴體積大約為1800 ?3，利于包裹客體分子。室溫下，單一手性的籠狀主體與外消旋2-丁醇在氯仿中通過共結晶形成主-客體絡合物，手性GC 色譜法分析對映體過量ee值高達98.8%。微量分析和熱重分析進一步驗證每個主體包合3 個客體分子。[2]

二、手性環己二胺衍生物

Fujita 課題組在組裝M4L6 型八面體籠狀化合物1 時，用手性環己二胺衍生物來保護Pd（Ⅱ）離子，形成手性八面體籠狀化合物1b-1d。手性環己二胺衍生物的取代基越大，對應的籠狀化合物中配體三嗪單元與吡啶單元之間的傾斜角度越大，籠狀化合物的CD 信號越強。作者研究了熒蒽衍生物與N-環己基馬來酰亞胺的光加成反應。熒蒽是惰性芳香化合物，其熱或光化學周環反應目前為止還沒有報道。在D2O 中，熒蒽衍生物與N-環己基馬來酰亞胺被包裹進化合物1 中，形成三元包合物。用高壓汞燈進行光照，經核磁和質譜分析，形成[2+2]加成反應。經HPLC 分析證實，手性籠狀化合物對底物具有對映選擇性。[3]

三、聯萘酚配體

Wenbin Lin 課題組采用光學純的聯萘酚配體與cis-[Pt(PEt3)2Cl2]自組裝，形成[2+2]型手性金屬環蕃化合物。在Ti(OiPr)4作為共催化劑存在情況下，不對稱催化二乙基鋅與芳香醛之間的加成成醇反應。1-萘醛作為底物時，ee 值高達94%；選擇分子大小較小的芳香醛作為底物時，對映選擇性降低。[4]

四、總結

觀察前人的研究工作，我們可以發現金屬-有機多面體的構筑主要局限于兩種方式，一種是邊導向；一種是面導向。在進行主-客體化學及催化研究時，主要依賴于空間的立體選擇性，并且輸出信號單一。金屬-有機大環化合物具有開放式結構，構筑種類多樣化，易于修飾。如何構筑功能化的金屬-有機拓撲結構，在進行生物分子識別與模擬酶催化研究中實現多功能信號響應，仍是目前面臨的挑戰之一。