楊曉娜, 姜 松, 朱衛(wèi)國(guó), 鄒大鵬*

(1.解放軍信息工程大學(xué)理學(xué)院,河南鄭州 450001;2.鄭州大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,河南鄭州 450052)

對(duì)映異構(gòu)體或非對(duì)映異構(gòu)體識(shí)別是廣泛存在于有機(jī)生物體和人工合成體系的一種識(shí)別過(guò)程,是通過(guò)一個(gè)手性或非手性的主體,將其中一個(gè)客體從它的對(duì)映體或非對(duì)映體中分離開(kāi)來(lái)的化學(xué)過(guò)程,在底物-酶相互作用[1]、不對(duì)稱(chēng)催化[2]、藥物研發(fā)和藥理研究[3]等諸多方面的應(yīng)用都有很重要的意義。

瓜環(huán)(Cucurbit[n]uril,n=5～8,10,記為CB[n])[4 - 8]是一種通過(guò)亞甲基橋聯(lián)的苷脲聚合體,基于瓜環(huán)的特殊結(jié)構(gòu),使其在分子識(shí)別[9,10]、分子催化[11]、超分子組裝[12,13]、分離材料[14]以及各種化學(xué)藥物的吸附或緩釋[15]等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Rekharsky等[16]首次報(bào)道了通過(guò)非手性的瓜環(huán)與客體手性分子形成非對(duì)映體復(fù)合物,然后引入另一種手性分子(如2-甲基丁胺),使之與之前形成的非對(duì)映體復(fù)合物發(fā)生離子/分子交換反應(yīng),置換出其中的手性客體分子,以此達(dá)到識(shí)別和分離對(duì)映體和非對(duì)映體目的。

鹽酸哌甲酯(Methylphenidate Hydrochloride,MPH),其化學(xué)名稱(chēng)是α-苯基-2-哌啶乙酸甲酯鹽酸鹽,它是一個(gè)中樞神經(jīng)興奮劑,為注意缺陷多功能障礙(兒童多動(dòng)綜合癥)、發(fā)作性睡病等的一線治療藥物。臨床上常用的哌甲酯是同時(shí)包含右旋(Dextro)和左旋(Levo)兩種同分異構(gòu)體的消旋體哌甲酯(D,l-MPH),其在人體內(nèi)的代謝和藥理作用具有立體選擇性。其中,右旋異構(gòu)體(D-MPH)比左旋異構(gòu)體(L-MPH)更具藥理活性[17]。本文利用1HNMR技術(shù)，考察了1S,2S-l-threo-MPH、蘇式哌甲酯對(duì)映體分別與七元、八元瓜環(huán)的相互作用情況,該研究對(duì)于擴(kuò)大瓜環(huán)在藥物對(duì)映體或非對(duì)映體的分析及分離中的應(yīng)用具有很好的理論意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

Bruker AVANCE Ⅲ 400 MHz超導(dǎo)核磁共振儀(瑞士，Bruker公司)，D2O為溶劑,以溶劑峰定標(biāo)。PERKIN-ELMER AD-4 Autobalance電子天平(美國(guó)，PERKIN-ELMER公司);Oxford Diffraction Gimini E單晶衍射儀(英國(guó)，Oxford Diffraction公司)。

實(shí)驗(yàn)中所用瓜環(huán)[18]及鹽酸哌甲酯為本實(shí)驗(yàn)室自制;所用氘代水購(gòu)自ALDRICH公司(美國(guó)),其他試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)室用水為蒸餾水。

1.2 單晶的制備與測(cè)試

將哌甲酯的甲醇溶液濃縮,于溫度0 ℃靜置,數(shù)天后培養(yǎng)出適宜測(cè)試的無(wú)色晶體，單晶結(jié)構(gòu)在單晶射線衍射儀上采集數(shù)據(jù)。使用經(jīng)石墨單色化的鉬靶(λ=0.7107 ?),掃描方式為ω掃描。強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行了LP校正，經(jīng)驗(yàn)吸收校正。結(jié)構(gòu)解析和精修用SHELXTL程序,氫原子坐標(biāo)由理論計(jì)算得到。

1.3 核磁共振譜的測(cè)定

采用超導(dǎo)核磁共振儀測(cè)定鹽酸哌甲酯的1H NMR和1H-1H COSY譜圖,歸屬所有質(zhì)子信號(hào)峰。采用摩爾比法即固定客體的濃度,向客體溶液中加入不同物質(zhì)的量的固體CB[n],配制一系列不同物質(zhì)的量之比的溶液,在室溫下測(cè)定上述溶液的1H NMR譜圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 MPH的單晶結(jié)構(gòu)

哌甲酯分子中有兩個(gè)不同的手性碳原子,因此有四個(gè)立體異構(gòu)體。其中,1R,2R-d-threo-MPH是幾種異構(gòu)體中藥效最強(qiáng)的一種。為了確定所合成MPH的立體結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了單晶,并進(jìn)行X-射線衍射分析，見(jiàn)圖1。由此可以確定其結(jié)構(gòu)為1S,2S-l-threo-MPH。另外,合成得到的蘇式MPH經(jīng)1H NMR鑒定是一對(duì)對(duì)映體,分別為1S,2S-l-threo-MPH 和1R,2R-d-threo-MPH(圖示1)。

圖1 1S,2S-l-threo-MPH的單晶結(jié)構(gòu)Fig.1 Crystal structure of 1S,2S-l-threo-MPH

圖示1 CB[n](n=7,8)與蘇式鹽酸哌甲酯的結(jié)構(gòu)Scheme.1 The structure of CB[n](n=7,8) and threo-methylphenidate hydrochloride

2.2 1S,2S-l-threo-MPH的NMR譜圖分析

首先對(duì)1S,2S-l-threo-MPH的質(zhì)子信號(hào)峰進(jìn)行歸屬。根據(jù)1H-1H COSY譜圖(圖2),δH3.63為單峰,氫個(gè)數(shù)為3,在1H-1H COSY中該信號(hào)峰與其他氫沒(méi)有相關(guān),很容易歸屬為H-12的質(zhì)子信號(hào)峰。δH3.90為雙峰,氫個(gè)數(shù)為1,在1H-1H COSY中該信號(hào)峰僅與δH3.79相關(guān),是H-1的質(zhì)子信號(hào)峰;與H-1相關(guān)的δH3.79即為H-2的質(zhì)子信號(hào)峰;而與H-2相關(guān)的δH1.58和δH1.40應(yīng)為C-3上兩個(gè)質(zhì)子的信號(hào)峰。這主要是由于碳碳單鍵的各向異性屏蔽作用,確定構(gòu)象的環(huán)烷烴,其同碳原子上不同氫的化學(xué)位移值略有差異。同樣,1S,2S-l-threo-MPH結(jié)構(gòu)中哌啶環(huán)部分各碳原子上的兩個(gè)質(zhì)子的化學(xué)位移值也略有差異。所以,C-3上兩個(gè)氫的化學(xué)位移略有不同，分別標(biāo)記為H-3和H-3′。依次推斷,即可將1S,2S-l-threo-MPH的質(zhì)子信號(hào)峰一一歸屬。圖3a為1S,2S-l-threo-MPH各質(zhì)子信號(hào)峰(以L表示)的歸屬。圖3b為(±)-threo-MPH的1H NMR譜圖,與圖3a相比,可以發(fā)現(xiàn)兩組質(zhì)子信號(hào)峰,根據(jù)1S,2S-l-threo-MPH中的質(zhì)子歸屬情況,可以將(±)-threo-MPH中其對(duì)映體部分1R,2R-d-threo-MPH的質(zhì)子信號(hào)峰(以D表示)進(jìn)行一一歸屬。

圖2 1S,2S-l-threo-MPH的1H-1H COSY圖譜Fig.2 1H-1H COSY spectroscopy of 1S,2S-l-threo-MPH

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

2.3 CB[7]與1S,2S-l-threo-MPH、(±)-threo-MPH的1H NMR譜圖分析

圖4給出了1S,2S-l-threo-MPH及蘇式MPH對(duì)映體分別與主體CB[7]相互作用的1H NMR譜圖。由圖4b可以看出,加入一倍量CB[7]后,1S,2S-l-threo-MPH苯環(huán)上的H-8、H-9、H-10質(zhì)子峰移向高場(chǎng)，說(shuō)明該部分進(jìn)入到CB[7]空腔內(nèi)部從而受到了屏蔽作用。但苯環(huán)上H-7、H-11則受到了瓜環(huán)的去屏蔽作用而移向低場(chǎng),說(shuō)明其處于瓜環(huán)端口外。同時(shí),H-1、H-12也受到了瓜環(huán)的去屏蔽作用分別向低場(chǎng)移動(dòng)了0.136和0.118。而哌啶環(huán)上H-2的化學(xué)位移基本沒(méi)有改變,這是由于該質(zhì)子處于瓜環(huán)端口處,其受到的屏蔽作用和去屏蔽作用相抵消的原因。與H-2不同,哌啶環(huán)上的質(zhì)子H-3、H-3′、H-4、H-4′、H-5、H-5′、H-6、H-6′的化學(xué)位移則不同程度的移向高場(chǎng),這說(shuō)明除H-2以外的哌啶環(huán)部分進(jìn)入到CB[7]空腔內(nèi)部。由此可推測(cè),1S,2S-l-threo-MPH結(jié)構(gòu)中只有苯環(huán)上的H-7、H-11,哌啶環(huán)上的H-2以及酯基部分H-1、H-12未進(jìn)入CB[7]空腔,其他部分都被瓜環(huán)空腔包結(jié)。

圖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圖譜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

圖4d為加入一倍量CB[7]時(shí)的蘇式哌甲酯對(duì)映體的1H NMR譜圖,與圖4b相比,可以很明顯地看出,1R,2R-d-threo-MPH上各質(zhì)子的化學(xué)位移在CB[7]加入后與1S,2S-l-threo-MPH的變化有很大不同。其中,苯環(huán)上的H-7、H-8、H-9、H-10、H-11均向低場(chǎng)移動(dòng),說(shuō)明整個(gè)苯環(huán)都受到了瓜環(huán)的去屏蔽作用,位于瓜環(huán)端口外。值得注意的是,手性中心H-1及附近H-12的化學(xué)位移雖然也都移向低場(chǎng),但移動(dòng)的幅度小于1S,2S-l-threo-MPH,從而使兩種對(duì)映體的質(zhì)子H-1及質(zhì)子H-12明顯的裂分開(kāi)來(lái)。哌啶環(huán)部分的化學(xué)位移則都移向高場(chǎng),但移動(dòng)幅度遠(yuǎn)不及1S,2S-l-threo-MPH。從以上分析可以看出,1R,2R-d-threo-MPH僅有除H-2 以外的哌啶環(huán)部分被瓜環(huán)包結(jié)。由此可見(jiàn),對(duì)映體與CB[7]形成的包合物有很大不同(圖示2),這也說(shuō)明CB[7]作為一種非手性的主體化合物,能夠?qū)⑹中缘倪呒柞?duì)映體識(shí)別開(kāi)來(lái)。

圖示2 threo-MPH與CB[7]的包結(jié)模式圖 Scheme.2 The possible interaction models of threo-MPH and CB[7]

2.4 CB[8]與1S,2S-l-threo-MPH、(±)-threo-MPH的1H NMR譜圖分析

圖5a為1S,2S-l-threo-MPH的核磁譜圖,當(dāng)加入一倍量CB[8]后(圖5b),可看到苯環(huán)上質(zhì)子的化學(xué)位移全部移向高場(chǎng),說(shuō)明該部分進(jìn)入到瓜環(huán)空腔,從而受到了屏蔽作用。同時(shí),除了質(zhì)子H-6′的化學(xué)位移移向低場(chǎng)外,哌甲酯上其他質(zhì)子的化學(xué)位移也都移向高場(chǎng),說(shuō)明除了質(zhì)子H-6′在瓜環(huán)端口外,其他部分全進(jìn)入了瓜環(huán)空腔。而蘇式哌甲酯對(duì)映體加入主體CB[8]后(圖5d),1R,2R-D-threo-MPH上所有質(zhì)子的化學(xué)位移都不同程度的向高場(chǎng)移動(dòng),說(shuō)明1R,2R-d-threo-MPH已完全進(jìn)入CB[8]空腔中。同時(shí),兩種對(duì)映體手性中心H-1、H-2及附近H-12的化學(xué)位移雖然變化趨勢(shì)一樣,但由于移動(dòng)幅度的不同,使其各自明顯的分裂為兩組質(zhì)子峰，而且兩種對(duì)映體與CB[8]的包結(jié)模式也不相同(圖示3),從而可以將蘇式哌甲酯對(duì)映體區(qū)別開(kāi)來(lái)。因此,CB[8]同樣也可以識(shí)別手性哌甲酯。

圖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的核磁圖譜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

圖示3 threo-MPH與CB[8]的包結(jié)模式圖 Scheme.3 The possible interaction models of threo-MPH and CB[8]

3 結(jié)論

本文利用1H NMR技術(shù)對(duì)1S,2S-L-threo-MPH和蘇式哌甲酯對(duì)映體分別與CB[7]、CB[8]的相互作用進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:1S,2S-L-threo-MPH的哌啶環(huán)和苯環(huán)的一部分進(jìn)入CB[7]空腔,而1R,2R-D-threo-MPH僅有哌啶環(huán)被CB[7]空腔所包結(jié)，從而識(shí)別手性哌甲酯。CB[8]與1R,2R-D-threo-MPH和1S,2S-L-threo-MPH的包結(jié)模式也不相同,CB[8]包結(jié)了除哌啶環(huán)上的H-6質(zhì)子外的整個(gè)1S,2S-L-threo-MPH分子,但1R,2R-D-threo-MPH則完全進(jìn)入了CB[8]空腔,從而也能識(shí)別手性哌甲酯。非手性的瓜環(huán)[7]、瓜環(huán)[8]能夠識(shí)別蘇式哌甲酯異構(gòu)體,為手性藥物的快速識(shí)別和檢測(cè)提供了理論基礎(chǔ),也對(duì)瓜環(huán)在手性分子識(shí)別方面的應(yīng)用提供了依據(jù)。