郭志龍,湯立軍,魏恭繁
(渤海大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,遼寧省功能化合物的合成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 錦州 121013)
光學(xué)活性1,1'-聯(lián)-2-萘酚類合成受體的應(yīng)用研究新進(jìn)展*
郭志龍,湯立軍**,魏恭繁
(渤海大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,遼寧省功能化合物的合成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 錦州 121013)
具有光學(xué)活性的1,1'-聯(lián)-2-萘酚及其衍生物由于其本身具有C2對(duì)稱軸而具有獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和手性誘導(dǎo)功能,且在適合結(jié)構(gòu)基團(tuán)修飾下能產(chǎn)生很強(qiáng)的熒光,在不對(duì)稱催化和手性客體的熒光識(shí)別等方面得到了廣泛的應(yīng)用。在與手性胺、手性醇、糖類、手性陰離子、手性氨基醇和手性氨基酸等手性化合物作用時(shí),該類受體在不同位點(diǎn)接受客體分子,通過(guò)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)及電子交換能量轉(zhuǎn)移(EET)等引起分子內(nèi)能級(jí)變化,使得所有這些相互作用十分靈敏的在其發(fā)光強(qiáng)度和能量上反映出來(lái),用光譜儀可監(jiān)測(cè)到這些變化。綜述了近年來(lái)光學(xué)活性1,1'-聯(lián)-2-萘酚衍生物在手性客體的識(shí)別以及作為人工模擬酶對(duì)手性α-氨基酸的構(gòu)型轉(zhuǎn)換兩方面的最新應(yīng)用研究進(jìn)展。
1,1'-聯(lián)-2-萘酚;熒光化學(xué)傳感器;手性識(shí)別;構(gòu)型轉(zhuǎn)換
Abstract:Optically active BINOL and its derivatives have unique chemical properties and chiral inductive function because of the C2symmetric axis.When they are introduced into a suitable functional group,they can produce strong fluorescence,so they are widely applied in asymmetric catalytic reactions and fluorescence recognition of chiral object.This kind of compounds can be used as excellent fluorescent chemosensors because of the alteration can be sensitively reflected by their fluorescence intensity.When interacting with different kinds of chiral compounds such as chiral amines,alcohols,saccharides,chiral anions,amino alcohols and amino acids,an intramolecular energy level changes can be produced by photo-induced electron transfer(PET)and electronic energy transfer(EET)mechanisms,which can be monitored by fluorescence intensity changes.The recent advances of optically active 1,1'-bi-naphthol derivatives as fluorescent chemosensors for chiral object recognition as well as the application of some 1,1'-bi-naphthol derivatives as artificial enzyme for chiral inversion of α-amino acids are summarized.
Key words:1,1'-Bi-2-naphthol;fluorescent chemosensor;chiral recognition;chiral inversion
具有光活性的1,1'-聯(lián)-2-萘酚(BINOL)及其衍生物是一類不含手性中心,但具有C2對(duì)稱軸的阻轉(zhuǎn)異構(gòu)化合物。兩個(gè)萘環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)受到限制使分子具有很好的構(gòu)造穩(wěn)定性,具有很強(qiáng)的手性誘導(dǎo)作用。BINOL具有分子的軸不對(duì)稱性,剛性和韌性等獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì),因此受到有機(jī)合成化學(xué)家的普遍青睞。由于其優(yōu)異的不對(duì)稱誘導(dǎo)和手性識(shí)別能力,以及能夠與合適的過(guò)渡金屬形成配合物,已被作為拆分試劑,誘導(dǎo)試劑,位移試劑,不對(duì)稱合成的催化劑[1,2]以及高效液相色譜的手性固定相[3]等各個(gè)領(lǐng)域。
1.1 手性胺、手性醇及糖類的識(shí)別
近些年關(guān)于使用光學(xué)活性1,1'-聯(lián)-2-萘酚衍生物對(duì)手性胺和手性醇進(jìn)行對(duì)映選擇識(shí)別的研究已有較多報(bào)道,成義祥教授課題組[4]對(duì)于近幾年的相關(guān)研究報(bào)道做了較為詳細(xì)的總結(jié)。
光學(xué)純的糖醇類化合物如D-山梨醇和D-甘露醇作為生物體新陳代謝的重要中間件而廣泛應(yīng)用于藥物領(lǐng)域,但是識(shí)別這類手性物質(zhì)的熒光傳感器卻比較少。趙建章[6]等在總結(jié)了近年來(lái)關(guān)于糖醇的研究報(bào)道基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合成了一類6,6’-硼酸取代的1,1'-聯(lián)-2-萘酚衍生物分子S-1和R-1,并研究了其對(duì)一些手性糖類物質(zhì)的識(shí)別。通過(guò)在pH=9的體系中的滴定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了二者與D-山梨醇的結(jié)合常數(shù)分別為 KS=(9.30±1.75)×103M-1,KR=(2.63±1.55)×102M-1,比值約為 KS/KR=35:1。此外發(fā)現(xiàn)受體S-1對(duì)D-山梨醇和D-甘露醇的選擇性為20∶1。這說(shuō)明由于受體本身的手性特性,可對(duì)同類客體有不同的對(duì)映選擇性和化學(xué)選擇性。
1.2 手性陰離子的識(shí)別
陰離子在生命科學(xué)和化學(xué)過(guò)程中扮演著越來(lái)越重要的角色,具有重要生物學(xué)意義的陰離子的識(shí)別研究越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注并成為當(dāng)前超分子化學(xué)研究領(lǐng)域的重要課題。何永炳等[7]將包含不同碳原子數(shù)的硫脲基團(tuán)引入1,1'-聯(lián)-2-萘酚骨架中合成受體了分子2a和2b,研究了它們對(duì)扁桃酸陰離子的識(shí)別作用。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)受體2a的熒光被猝滅的比例很小,ΔIL/ΔID≈1.04。而在同樣的條件下,受體2b被猝滅的比例為ΔIL/ΔID≈3.3,這說(shuō)明受體2b對(duì)扁桃酸陰離子的兩種對(duì)映體具有很好的對(duì)映選擇性。經(jīng)熒光、紫外和核磁光譜驗(yàn)證,此兩種受體分子可與客體陰離子形成1∶1結(jié)合的配合體,其中2b在加入扁桃酸陰離子后,顏色變化明顯,肉眼可見,這說(shuō)明2b可用來(lái)作為扁桃酸陰離子的對(duì)映選擇比色化學(xué)傳感器。
余孝其等[8]直接在1,1'-聯(lián)-2-萘酚的3,3'位接入咪唑基,合成了受體分子3。使用3對(duì)一些α-氨基酸的響應(yīng)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)3對(duì)N-Boc-丙氨酸陰離子有很好的對(duì)映選擇性識(shí)別能力,其結(jié)合常數(shù)比為(KL/KD=4.5)。
王超杰等[9]合成了一類S型的含有苯甲?;?,1'-聯(lián)-2-萘酚的衍生物受體分子4,并研究了其在氯仿中對(duì)各種手性陰離子的識(shí)別性能。當(dāng)在受體溶液中加入S和R型的N-Boc-丙氨酸陰離子的時(shí)候,二者對(duì)受體的熒光發(fā)射強(qiáng)度的猝滅能力明顯不同,達(dá)到ΔIS/ΔIR=3.12,這表明受體4對(duì)N-Boc-丙氨酸陰離子的兩種對(duì)映體有很好的對(duì)映選擇性。
馮小明等[10]合成了一類含有芐基氨甲基的1,1'-聯(lián)-2-萘酚衍生物分子(R,S)-5a、(S,S)-5a以及它的衍生物分子(R,S)-5b、(S,S)-5b,并用它們對(duì)一些外消旋氨基酸衍生物進(jìn)行了識(shí)別研究。當(dāng)采用混合溶劑(CH2Cl2:hexane=3:7,加 1.2%的 THF),發(fā)現(xiàn)在此溶劑體系中,受體(R,S)-5a、(R,S)-5b和(S,S)-5a的熒光強(qiáng)度在加入N-Boc-脯氨酸后得到了很大幅度的增強(qiáng)。其中L-N-Boc-脯氨酸對(duì)受體(R,S)-5a的熒光強(qiáng)度的增幅達(dá)57倍,而在同樣條件下,D-N-Boc-脯氨酸僅使其熒光強(qiáng)度增至6倍。而受體(R,S)-5b對(duì)N-Boc-脯氨酸的兩種對(duì)映異構(gòu)體的對(duì)映選擇性卻較差。
1.3 手性氨基醇和手性氨基酸的識(shí)別
除了養(yǎng)殖環(huán)境以外,養(yǎng)殖技術(shù)在稻田淡水龍蝦的養(yǎng)殖過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。但是,從我國(guó)稻田淡水龍蝦養(yǎng)殖的實(shí)際情況來(lái)看,養(yǎng)殖技術(shù)較為落后,主要有以下幾個(gè)方面的原因:①我國(guó)的稻田淡水龍蝦養(yǎng)殖工作深受傳統(tǒng)龍蝦養(yǎng)殖觀念的影響,所以對(duì)養(yǎng)殖技術(shù)的關(guān)注度比較低,很難順應(yīng)龍蝦養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展潮流;②稻田淡水龍蝦養(yǎng)殖技術(shù)較為復(fù)雜,要想實(shí)現(xiàn)對(duì)其關(guān)鍵點(diǎn)的綜合把握難度較大。
手性氨基酸和手性氨基醇都具有雙官能團(tuán),1,1'-聯(lián)-2-萘酚衍生物對(duì)它們的識(shí)別過(guò)程中,兩個(gè)官能團(tuán)都可參與同識(shí)別位點(diǎn)的結(jié)合作用。為了方便敘述與討論,在此本文將氨基酸及氨基醇的識(shí)別進(jìn)展放在一起討論。
Pu Lin等[11]在1,1'-聯(lián)-2-萘酚上引入額外兩個(gè)醇羥基合成了帶有四個(gè)羥基的1,1'-聯(lián)-2-萘酚衍生物分子6a以及它的衍生物6b和6c。與1,1'-聯(lián)-2-萘酚相比,6a中額外的兩個(gè)羥基能夠加強(qiáng)受體分子與氨基醇的結(jié)合能力,從而顯著地增強(qiáng)了氨基醇對(duì)受體的猝滅效率。作者用R-苯丙胺醇對(duì)四種受體的熒光猝滅性質(zhì)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn),6a的熒光強(qiáng)度被猝滅的最為顯著。
Kim等[12]應(yīng)用帶有苯基脲基的化合物7開展了手性1,2-氨基醇的對(duì)映選擇性識(shí)別。在氘代苯中,使受體與2倍量的S或R-氨基醇充分反應(yīng),生成希夫堿,利用核磁共振氫譜分析受體對(duì)1,2-氨基醇的對(duì)映選擇性,發(fā)現(xiàn)受體7對(duì)1,2-氨基醇具有相同的立體選擇性,即對(duì)R型的氨基醇具有選擇性。若將酚羥基變?yōu)榧籽趸?,?duì)映選擇性能力顯著降低,且改變了立體選擇性,即對(duì)S型的氨基醇有較好的選擇性。
Nandhakumar等[13]在受體7的基礎(chǔ)上引入各種取代基,包括吸電子基和供電子基,合成了受體8a~8d。通過(guò)考察這些受體與手性氨基醇的對(duì)映選擇識(shí)別,經(jīng)1H NMR研究發(fā)現(xiàn),連有吸電子基的受體8d對(duì)氨基醇的立體選擇性的識(shí)別略有提高,而連有供電子基的受體8a卻略有降低。
Kim等[14]還合成了一類具有吡咯-2-酰胺基的1,1'-聯(lián)-2-萘酚受體分子9a以及它的衍生物分子9b、9c和9d,并將這些受體用于手性1,2-氨基醇的識(shí)別研究。通過(guò)1H NMR檢測(cè)計(jì)算出受體與各種氨基醇的相應(yīng)的KR/KS發(fā)現(xiàn),9a對(duì)各種R與S構(gòu)型氨基醇的對(duì)映選擇性最好。這說(shuō)明吡咯-2-酰胺的結(jié)構(gòu)單元是一種非常有效的結(jié)合醇羥基的基團(tuán),可廣泛應(yīng)用于手性識(shí)別的受體分子的合成與應(yīng)用領(lǐng)域。
Nandhakumar等[15]嘗試了在1,1'-聯(lián)-2-萘酚醛基礎(chǔ)上引入脲基、硫脲基和胍基基團(tuán),合成3種新型的受體10a、10b和10c,研究了受體對(duì)氨基醇的選擇性。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種氫鍵供體單元的結(jié)構(gòu)修飾,效果并不很理想。受體10a和10b對(duì)氨基醇的對(duì)映選擇性為(KR/KS=2~4),受體10c為(KR/KS=4~8),這與以往報(bào)道的對(duì)映選擇性能力相近,并無(wú)較大提高。
為進(jìn)一步增強(qiáng)受體與氨基醇間的氫鍵作用,湯立軍等[16]合成了一種新型的胍基1,1'-聯(lián)-2-萘酚衍生物受體分子11,利用質(zhì)子化的胍基部分可提供電荷增強(qiáng)的氫鍵 (Charge Reinforced Hydrogen Bonding,CRHB),大大提高了對(duì)手性氨基醇的對(duì)映選擇性識(shí)別能力,比如11對(duì)于2-氨基-1-丁醇的兩種異構(gòu)體的對(duì)映選擇性KR/KS達(dá)到了15,這比以往報(bào)道的KR/KS介于2~4的中等選擇性有很大提高。值得注意的是,盡管11是一個(gè)胍鹽,但其在CHCl3中具有較好的溶解性,因此識(shí)別反應(yīng)可在CHCl3中進(jìn)行,方便NMR檢測(cè)。此外,11還可以用于外消旋氨基醇的萃取拆分,可得到e.e值大于95%的R-氨基醇,使11在手性氨基醇的萃取分離方面具有較好的應(yīng)用前景。
Ahn等[17]合成了一種基于1,1'-聯(lián)-2-萘酚骨架的含有C2對(duì)稱軸的手性分子12,其對(duì)外消旋氨基酸的手性識(shí)別可以由質(zhì)子偶合的19F NMR進(jìn)行檢測(cè)。受體12對(duì)α-位帶較大烴基的氨基酸(如色氨酸、苯甘氨酸、苯丙氨酸)的對(duì)映選擇性要好于α-位帶較小取代基的氨基酸(如纈氨酸、亮氨酸)。受體12與氨基酸之間這種通過(guò)可逆共價(jià)鍵的形成進(jìn)行對(duì)映選擇性識(shí)別的報(bào)道尚屬首次,可廣泛應(yīng)用于外消旋氨基酸對(duì)映體的識(shí)別及純度的檢驗(yàn)。
磷酸吡哆醛是一種天然輔酶,是維生素B6的輔酶形式,參與氨基酸代謝中的轉(zhuǎn)氨基作用[24,25],可將L-丙氨酸轉(zhuǎn)換成D-丙氨酸。通常L-氨基酸可靠發(fā)酵法獲得,而D-氨基酸目前尚無(wú)法通過(guò)發(fā)酵法生產(chǎn)。D-氨基酸是手性藥物、手性農(nóng)藥、手性食品添加劑的關(guān)鍵中間體,在醫(yī)藥、農(nóng)藥和食品領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
Kim教授課題組[26]首次報(bào)道了利用人工模擬酶進(jìn)行的手性α-氨基酸構(gòu)型轉(zhuǎn)換研究。他們采用7作為磷酸吡哆醛的模擬酶分子,使其在室溫及適量的三乙胺存在下,與過(guò)量的L-氨基酸作用,形成希夫堿,在分子內(nèi)共振輔助氫鍵的作用下,所生成的亞胺在三乙胺的催化作用下可以發(fā)生差向異構(gòu)化,使L-α-氨基酸轉(zhuǎn)變?yōu)镈-α-氨基酸,并采用NMR跟蹤了轉(zhuǎn)變的過(guò)程,發(fā)現(xiàn)在48h內(nèi),大多數(shù)L-氨基酸都可以達(dá)到轉(zhuǎn)換的平衡。最后利用酸性條件下亞胺的水解反應(yīng)釋放出D-氨基酸。NMR研究發(fā)現(xiàn),受體對(duì)于所研究的L-氨基酸具有相同的L到D的轉(zhuǎn)換作用。7可用作外消旋氨基酸的拆分劑并能重復(fù)使用,且對(duì)于產(chǎn)率和光學(xué)純度無(wú)明顯降低。
此外Nandhakumar等[18]還用受體8進(jìn)行了手性氨基酸構(gòu)型轉(zhuǎn)換的研究。與識(shí)別手性氨基醇結(jié)果類似,連有吸電子基受體8d對(duì)氨基酸的轉(zhuǎn)換效率略高于受體7,而連有供電子基的受體8a略低于7,盡管受體8d這種效率的提高并不顯著,但它對(duì)以后設(shè)計(jì)更有效的受體有很好的啟發(fā)性。
含有胍基的受體11由于可提供電荷加強(qiáng)型氫鍵(CRHB)而對(duì)氨基醇有很好的對(duì)映選擇性,據(jù)此,湯立軍等[28]合成了胍基受體13,與前述受體相比,13對(duì)大多數(shù)的氨基酸均有更好的對(duì)映選擇性(KD/KL>11),其中對(duì)谷氨酸的對(duì)映選擇性KD/KL達(dá)到19/1。13在氯仿中的良好溶解性使得13可作為外消旋α-氨基酸的手性轉(zhuǎn)換試劑和對(duì)映選擇萃取劑,具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
本文綜述了近年來(lái)光學(xué)活性1,1'-聯(lián)-2-萘酚衍生物在手性客體的識(shí)別以及作為人工模擬酶對(duì)手性α-氨基酸的構(gòu)型轉(zhuǎn)換兩方面的最新應(yīng)用研究進(jìn)展。在手性分子的識(shí)別研究中,如何使主體分子與客體分子具有高度的空間互補(bǔ)性以及合適的結(jié)合作用位點(diǎn),從而提高受體對(duì)客體分子的選擇性,并能引起受體顯著的熒光光譜變化或能量變化,是這類化學(xué)傳感器分子設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。作為人工模擬酶分子進(jìn)行手性α-氨基酸的構(gòu)型轉(zhuǎn)換是光學(xué)活性1,1'-聯(lián)-2-萘酚衍生物的新的應(yīng)用領(lǐng)域,盡管目前的研究還有很多不完善之處,但是這方面的研究無(wú)疑具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用開發(fā)前景。
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Recent Progress in the Application of Optically Active 1,1′-Bi-2-naphthol Synthetic Receptors
GUO Zhi-long,TANG Li-jun,WEI Gong-fan
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Bohai University,Jinzhou 121013,China)
TQ 243.13
A
1001-0017(2011)02-0056-05
2010-10-09 *基金項(xiàng)目:遼寧省教育廳資助項(xiàng)目(編號(hào):2008T002)
郭志龍(1983-),男,山西臨縣人,渤海大學(xué)碩士研究生,主要從事功能有機(jī)化合物的合成與應(yīng)用研究。
**通訊聯(lián)系人