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        雙功能方酰胺熒光探針手性識(shí)別研究

        2019-09-19 02:57:14白蕾霍淑慧韓振剛陳晶
        分析化學(xué) 2019年8期
        關(guān)鍵詞:叔胺纈氨酸苯丙氨酸

        白蕾 霍淑慧 韓振剛 陳晶

        摘 要:合成了4個(gè)雙功能方酰胺探針分子,其中1和3為新化合物,2和4為已知化合物,并通過核磁共振(1H NMR、13C NMR)和高分辨質(zhì)譜(HRMS)確認(rèn)其結(jié)構(gòu)。采用熒光光譜法,系統(tǒng)研究了這4個(gè)手性探針分子對(duì)Boc苯丙氨酸、苯丙氨酸、苯甘氨酸、脯氨酸、纈氨酸、酒石酸、扁桃酸和聯(lián)二萘酚的熒光手性識(shí)別效果。通過組合篩選發(fā)現(xiàn),探針分子4對(duì)纈氨酸有較好的識(shí)別效果。進(jìn)一步的研究結(jié)果表明,探針分子4與纈氨酸的摩爾比為1∶2時(shí),加入L纈氨酸后, 熒光光譜峰大幅藍(lán)移,且熒光強(qiáng)度大幅減弱; 加入D纈氨酸后, 熒光光譜沒有變化,熒光強(qiáng)度比值(ID/IL)達(dá)到1.35。據(jù)此提出了探針分子4的叔胺基團(tuán)和方酰胺基團(tuán)分別通過靜電作用和氫鍵作用各結(jié)合一分子L纈氨酸的雙手性中心識(shí)別機(jī)理。

        關(guān)鍵詞:手性識(shí)別; 熒光探針; 方酰胺; 雙功能; 非衍生氨基酸

        1 引 言

        天然的手性物質(zhì)都以單一異構(gòu)體的形式存在,許多生物大分子(如核酸、蛋白質(zhì)、氨基酸、多糖等)都是手性的,許多關(guān)鍵的生物過程與手性物質(zhì)的特定相互作用有關(guān)。藥物分子多為手性化合物,其對(duì)映異構(gòu)體常表現(xiàn)出不同的生理和藥理活性。在非手性環(huán)境下, 對(duì)映異構(gòu)體理化性質(zhì)完全一致,所以識(shí)別、檢測(cè)和分離手性化合物的對(duì)映異構(gòu)體非常具有挑戰(zhàn)性。相比傳統(tǒng)的高效液相色譜、氣相色譜和電泳,熒光光譜檢測(cè)法具有操作簡(jiǎn)單、成本低、快速且可以高通量識(shí)別和檢測(cè)手性化合物的優(yōu)勢(shì)[1~8]。在熒光手性探針分子中,有機(jī)小分子類探針由于易于合成和修飾、結(jié)構(gòu)多變,成為手性識(shí)別領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容[9~18]。方酰胺是具有較強(qiáng)雙氫鍵給體的四元環(huán)狀化合物,其兩個(gè)側(cè)鏈易于修飾,已被廣泛應(yīng)用在不對(duì)稱催化領(lǐng)域[19~25]。本課題組期望將手性方酰胺發(fā)展為新型的有機(jī)小分子手性熒光探針,并且報(bào)道了第一例方酰胺探針在熒光手性識(shí)別中的應(yīng)用[26]。

        在熒光手性識(shí)別客體中,非衍生氨基酸由于在絕大多數(shù)有機(jī)體系中難溶,其手性識(shí)別存在巨大挑戰(zhàn)。近期,美國弗吉尼亞大學(xué)蒲林研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了在醋酸鋅存在下,手性醛探針分子可與非衍生氨基酸的胺基縮合生成亞胺,由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)13種天然氨基酸的高效識(shí)別[9]。本研究在方酰胺探針分子中引入堿性的叔胺基團(tuán)(圖1,Type 1),使其能夠與氨基酸的羧基發(fā)生酸堿中和反應(yīng),由此實(shí)現(xiàn)對(duì)非衍生氨基酸的手性識(shí)別。另外,在探針分子中同時(shí)引入兩個(gè)方酰胺片段,可構(gòu)建一類具有4個(gè)氫鍵作用位點(diǎn)的口袋式探針分子(圖1,Type 2)。基于此,本研究合成了兩個(gè)雙方酰胺探針分子(化合物1和2)和兩個(gè)方酰胺叔胺探針分子(化合物3和4),其中1和3為新化合物,并研究了這4個(gè)雙功能方酰胺探針分子對(duì)氨基酸及其衍生物、羥基酸和軸手性化合物聯(lián)二萘酚的熒光手性識(shí)別效果。

        2 實(shí)驗(yàn)部分

        2.1 儀器與試劑

        Bruker500型核磁共振波譜儀(德國Bruker公司); 日立F7000熒光光譜儀(日本日立公司);? QTOF 6520B高分辨質(zhì)譜儀(美國安捷倫公司)。

        3,5二三氟甲基苯胺、(1R,2R)1,2環(huán)己二胺、(1R,2R)1,2二苯基乙二胺(分析純,中國安耐吉公司); 方酸二甲酯、二碳酸二叔丁酯(分析純,北京中勝華騰公司); 苯丙氨酸、Boc苯丙氨酸、苯甘氨酸、脯氨酸、纈氨酸、酒石酸、扁桃酸和聯(lián)二萘酚(分析純,北京沃爾吉明公司)。

        2.2 探針分子1的合成

        探針分子1的合成路線如圖2所示:在100 mL圓底燒瓶中加入3,5二三氟甲基苯胺14 (10 mmol, 2.29 g) 和40 mL甲醇,攪拌使其完全溶解后,再加入方酸二甲酯13 (10 mmol, 1.42 g)。在室溫下繼續(xù)攪拌48 h,過濾,所得的濾渣為中間體15。粗產(chǎn)品經(jīng)甲醇二氯甲烷重結(jié)晶,得2.27 g純品產(chǎn)物,產(chǎn)率61%。

        在50 mL 圓底燒瓶中加入中間體15(2.0 mmol,0.68 g) 和10 mL二氯甲烷,攪拌使其完全溶解,再加入(1R,2R)1,2二苯基乙二胺16 (1.0 mmol,0.21 g),室溫?cái)嚢? h,過濾,用二氯甲烷多次洗滌濾渣,得到0.75 g淡黃色的固體粉末1,產(chǎn)率84%。探針分子1的核磁數(shù)據(jù)如下: 1H NMR (600 MHz, DMSO) δ 8.11 (s, 2H), 7.68 (s, 1H), 7.55~7.19 (m, 15H), 5.42 (s, 2H), 4.53 (d, J=4.0 Hz, 2H); 13C NMR (150 MHz, DMSO) δ 185.10, 181.44, 170.53, 163.50, 143.23, 142.11, 141.19, 132.42, 132.20, 129.91, 129.44, 128.94, 128.35, 128.08, 128.03, 127.54, 126.80, 124.99, 123.18, 118.89, 118.56, 115.56, 110.49, 64.32, 60.40。探針分子1的高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)如下:ESIHRMS(C38H23F12N4O4計(jì)算值), m/z: 827.1511(827.1519)。探針分子1的核磁圖譜見電子版文后支持信息圖S1和S2。

        2.3 探針分子2的合成

        探針分子2的合成路線如圖3所示:在50 mL圓底燒瓶中加入中間體15 (2.0 mmol,0.68 g) 和干燥的二氯甲烷,攪拌使其完全溶解。再加入(1R,2R)1,2環(huán)己二胺17 (1.0 mmol,0.114 g),室溫?cái)嚢? h,過濾,所得濾渣用二氯甲烷多次洗滌,得到0.59 g白色固體粉末2,產(chǎn)率74%。探針分子2的核磁氫譜與文獻(xiàn)\[21\]一致,其數(shù)據(jù)如下:1H NMR(600 MHz, DMSO) δ 10.11~8.78(s, 2H), 7.91(s, 4H), 7.71(s, 2H), 7.61(s, 2H), 3.91(s, 2H), 2.10(s, 2H), 1.79(s, 2H), 1.44(m, 4H)。

        2.4 探針分子3的合成

        探針分子3的合成路線如圖4所示: 參照文獻(xiàn)\[24\]的方法合成中間體22。在250 mL圓底燒瓶中加入0.4 g NaOH和10 mL水,再加入L叔亮氨酸18 (0.1 mol),將二碳酸二叔丁酯 ((Boc)2O, 0.1 mol) 溶于10 mL 1,4二氧六環(huán)中,緩慢滴加,室溫?cái)嚢?2 h,濃縮至10 mL,加入10 mL乙酸乙酯。加入3~4 mL 4 mol/L HCl,調(diào)至溶液為中性或弱酸性,攪拌3 min,分液,有機(jī)相用10 mL水洗滌,無水Na2SO4干燥,旋出溶劑,真空干燥,得到23.1 g產(chǎn)物BocL叔亮氨酸19,產(chǎn)率100%。

        在500 mL圓底燒瓶中加入19(0.1 mol, 23.1 g)和120 mL干燥二氯甲烷,冰浴下緩慢滴加二環(huán)己基碳二亞胺 (DCC, 0.11 mol, 22.6 g) 的二氯甲烷 (100 mL) 溶液,10 min滴完。溶液變渾濁,攪拌0.5 h后, 緩慢滴加二乙胺 (0.1 mol, 7.3 g) 的二氯甲烷 (50 mL) 溶液,自然升至室溫,攪拌12 h, 生成大量白色沉淀,過濾,并用二氯甲烷洗滌固體,有機(jī)相依次用2% HCl、 5% NaHCO3和飽和食鹽水洗滌,無水Na2SO4干燥,蒸除溶劑,柱層析得化合物20,產(chǎn)率75%。

        將化合物20溶于200 mL無水甲醇中,緩慢滴加20 mL乙酰氯,回流1 h后降至室溫,減壓除去溶劑,向剩余物中加入120 mL二氯甲烷和80 mL水。滴加2 mol/L HCl至pH=1~2,分液,收集水相。在水相中滴加K2CO3,調(diào)節(jié)至pH=11~12,加入等體積的二氯甲烷,分出有機(jī)相,再加入等體積的二氯甲烷萃取,合并有機(jī)相,無水Na2SO4干燥。蒸干溶劑,得化合物21,產(chǎn)率57%。

        在250 mL圓底燒瓶中加入化合物21 (5.7 g) 和100 mL四氫呋喃,在冰浴下分批少量加入2.9 g四氫鋰鋁。緩慢升溫,回流4 h。冷卻至室溫,冰浴下滴加飽和Na2SO4 (40 mL) 淬滅反應(yīng),抽濾除去生成的固體沉淀,乙酸乙酯萃取濾液,有機(jī)相用無水Na2SO4干燥,除去溶劑后減壓蒸餾(75~78℃/0.01 kPa)得化合物22,產(chǎn)率57%。

        在50 mL圓底燒瓶中加入中間體15 (0.1 mmol, 0.34 g),再加入20 mL二氯甲烷使其完全溶解,然后加入化合物22 (0.1 mmol, 0.2 g),室溫下攪拌3 h,過濾,用二氯甲烷多次洗滌濾渣,所得濾渣即探針分子3,產(chǎn)率48%。探針分子3的核磁數(shù)據(jù)如下:1H NMR (600 MHz, DMSO) δ 10.10 (s, 1H), 8.42 (s, 1H), 8.11 (s, 1H), 7.63 (d, J=13.8 Hz, 2H), 4.04 (t, J=9.1 Hz, 1H), 2.63~2.44 (m, 3H), 2.41–2.30 (m, 1H), 2.22 (s, 2H), 1.37 (m, 6H), 0.95 (s, 9H); 13C NMR (150 MHz, DMSO) δ 185.51, 181.03, 171.62, 162.45, 142.15, 132.42, 132.20, 124.99, 123.18, 118.84, 115.35, 61.40, 59.76, 55.11, 34.67, 34.49, 27.11, 26.92, 26.63, 24.81。探針分子3的高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)如下:ESIHRMS (C22H28F6N3O2計(jì)算值), m/z 480.2080(480.2080)。探針分子3的核磁圖譜見電子版文后支持信息圖S3和S4。

        2.5 探針分子4的合成

        探針分子4的合成路線如圖5[25]所示:在100 mL圓底燒瓶中加入(1R.2R)1,2環(huán)己二胺17 (1.3 mmol, 0.41 g)、干燥的二氯甲烷10 mL,然后加入中間體15 (1.3 mmol,0.14 g),室溫下攪拌3 h。過濾,濾渣用乙酸乙酯/石油醚重結(jié)晶,得到白色固體0.28 g,即化合物23,產(chǎn)率50%。

        在100 mL圓底燒瓶中加入化合物23 (1.74 mol,0.91 g),再加入甲醛(2.5 mL, 37%)和甲酸 (2.5 mL, 98%),緩慢升溫至65℃。12 h后停止加熱,冷卻至室溫,以10% NaOH 溶液調(diào)節(jié)至pH 10,過濾,濾渣用甲醇/二氯甲烷重結(jié)晶,得白色固體0.45 g,即探針分子4,產(chǎn)率50%。探針分子4的核磁氫譜與文獻(xiàn)\[25\]一致,其數(shù)據(jù)如下:1H NMR (600 MHz, DMSO) δ 10.36 (s, 1H), 8.07 (s, 2H), 7.85 (s, 1H), 7.65(s, 1H), 3.78~3.93 (m, 1H), 2.36~2.46 (m, 1H), 2.19 (s, 6H), 2.04~2.14 (m, 1H), 1.80~1.90 (m, 1H), 1.71~1.79 (m, 1H), 1.63~1.70 (m, 1H)和1.13~1.41(m, 4H)。

        2.6 探針分子1~4的紫外光譜

        為了選擇適于探針分子的熒光激發(fā)波長(zhǎng),首先測(cè)試4種化合物的紫外光譜,選擇最大紫外吸收峰作為熒光的激發(fā)波長(zhǎng)。以二甲亞砜(DMSO)為溶劑,將探針分子1~4配制成1.0×10-5 mol/L的溶液,測(cè)定探針分子的紫外吸收光譜(見電子版文后支持信息圖S5)。探針分子1~4的紫外光譜最大吸收峰波長(zhǎng)分別為342、341、352和346 nm。以此作為這4個(gè)探針分子的熒光激發(fā)波長(zhǎng)。

        2.7 溶液配制

        以測(cè)試探針分子1對(duì)苯丙氨酸6的手性識(shí)別特性為例,探針分子1與苯丙氨酸6的摩爾比為1∶1。以DMSO為溶劑,將探針化合物1、L苯丙氨酸(6L)、D苯丙氨酸(6D)配制成濃度為1.0×10-5 mol/L溶液。將探針分子1的溶液和L苯丙氨酸(6L)的溶液等體積混合得混合液A,將探針分子1的溶液和D苯丙氨酸(6D)的溶液等體積混合得混合液B,靜止1 h后,在激發(fā)波長(zhǎng)342 nm的條件下分別觀察探針分子1的溶液、混合液A、混合液B的熒光強(qiáng)度,觀察探針分子1中分別加入L苯丙氨酸和D苯丙氨酸的熒光譜圖變化,判斷探針分子1對(duì)苯丙氨酸兩種對(duì)映異構(gòu)體的識(shí)別效果。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 探針分子1~4的熒光手性識(shí)別

        將化合物1~4作為探針分子,分別對(duì)氨基酸及其衍生物(Boc苯丙氨酸5、苯丙氨酸6、苯甘氨酸7、脯氨酸8、纈氨酸9)、羥基酸(酒石酸10、扁桃酸11)和軸手性化合物聯(lián)二萘酚12進(jìn)行熒光手性識(shí)別研究(圖6)。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,探針分子1~4在分別加入LBoc苯丙氨酸和DBoc苯丙氨酸后熒光強(qiáng)度沒有明顯變化(見電子版文后支持信息圖S6)。探針分子1、2、4在加入L苯丙氨酸和D苯丙氨酸后熒光強(qiáng)度也沒有明顯變化,探針分子3在加入L苯丙氨酸后熒光強(qiáng)度略微增強(qiáng),但加入D苯丙氨酸后熒光強(qiáng)度沒有變化,二者的熒光強(qiáng)度比IL/ID=1.13(見電子版文后支持信息圖S7)。探針分子1~4對(duì)苯甘氨酸和脯氨酸的兩個(gè)對(duì)映異構(gòu)體均沒有明顯的識(shí)別效果(見電子版文后支持信息圖S8和圖S9)。探針分子1和2在加入L纈氨酸和D纈氨酸后熒光強(qiáng)度沒有明顯變化; 探針分子3在分別加入L纈氨酸和D纈氨酸后,熒光峰都發(fā)生了藍(lán)移,但二者相比沒有明顯變化; 探針分子4在加入L纈氨酸后熒光強(qiáng)度有較大幅度的增強(qiáng),但加入D纈氨酸后熒光強(qiáng)度沒有變化,二者的熒光強(qiáng)度比IL/ID=1.20(圖7)。

        探針分子1~4對(duì)酒石酸和扁桃酸的兩個(gè)對(duì)映異構(gòu)體均無明顯識(shí)別效果(見電子版文后支持信息圖S10和S11)。探針分子1~4在分別加入R聯(lián)二萘酚和S聯(lián)二萘酚(見電子版文后支持信息圖S12)后,熒光光譜的峰都發(fā)生了大幅藍(lán)移,但二者強(qiáng)度相比沒有變化,可能是由于聯(lián)二萘酚的熒光強(qiáng)度比探針分子更大,掩蓋了探針分子的峰。

        通過測(cè)定探針分子1~4與手性化合物5~12對(duì)映異構(gòu)體的熒光響應(yīng)譜圖,計(jì)算兩種異構(gòu)體熒光譜圖強(qiáng)度的比值(IR/IS),結(jié)果見表1。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)探針分子對(duì)纈氨酸9的兩個(gè)對(duì)映異構(gòu)體有較好的識(shí)別效果,IL/ID=1.20。另外,探針分子3對(duì)苯丙氨酸6也有比較明顯的識(shí)別效果。

        3.2 探針分子4與不同摩爾比的纈氨酸熒光手性識(shí)別

        分別測(cè)定了探針分子4與纈氨酸的摩爾比為 1∶0.5、 1∶1、1∶2、1∶3時(shí)的識(shí)別效果(圖8)。結(jié)果表明, 探針分子4與纈氨酸的摩爾比由1∶1變?yōu)?∶0.5時(shí),加入L纈氨酸和D纈氨酸熒光強(qiáng)度都有所增強(qiáng),但I(xiàn)L/ID=1.05。探針分子4與纈氨酸的摩爾比由1∶1變?yōu)?∶2時(shí),加入L纈氨酸后,熒光光譜峰大幅度藍(lán)移,最高峰由528 nm移到463 nm,而且熒光強(qiáng)度也大幅減弱; 加入D纈氨酸后,熒光光譜幾乎沒有變化,IL/ID=1.35。探針分子4與纈氨酸的摩爾比由原來的1∶1變?yōu)?∶3時(shí),加入L纈氨酸和D纈氨酸熒光強(qiáng)度都大幅減弱,但二者幾乎沒有區(qū)別,IL/ID=1.01。由此可知,探針分子4與纈氨酸的摩爾比1∶2時(shí),識(shí)別效果最好,加入L纈氨酸后,熒光光譜峰大幅藍(lán)移,而且熒光強(qiáng)度大幅減弱,加入D纈氨酸后熒光光譜幾乎沒有變化。

        3.3 探針分子4識(shí)別纈氨酸異構(gòu)體的機(jī)理推測(cè)

        上述實(shí)驗(yàn)表明,探針分子4對(duì)纈氨酸的2個(gè)對(duì)映異構(gòu)體有較好的手性識(shí)別效果,在二者摩爾比為1∶1時(shí),IL/ID=1.2; 摩爾比為1∶2時(shí),IL/ID=1.35。據(jù)此推測(cè),當(dāng)探針分子4與L纈氨酸按摩爾比1∶1混合后,L纈氨酸的羧基會(huì)與探針分子4的叔胺基團(tuán)發(fā)生酸堿中和反應(yīng),將羧基質(zhì)子轉(zhuǎn)移到叔胺上,在溶液中以陰陽離子對(duì)的形式存在,方酰胺的兩個(gè)氫鍵位點(diǎn)則被溶劑DMSO占據(jù)(圖9A)。當(dāng)探針分子4與D纈氨酸按摩爾比1∶1混合后,D纈氨酸仍然會(huì)與探針分子4的叔胺基團(tuán)形成陰陽離子對(duì),但D纈氨酸的異丙基與探針分子4的環(huán)己烷在同側(cè),空間位阻較大,致使二者結(jié)合不夠緊密(圖9B)。而L叔亮氨酸則是氫原子與環(huán)己烷在同側(cè),空間位阻小,二者結(jié)合比較緊密。因此,前者熒光增強(qiáng),后者幾乎不變。當(dāng)探針分子4與L纈氨酸按摩爾比1∶2混合后,一分子L叔亮氨酸與探針分子中的叔胺基團(tuán)形成鹽,另一分子L叔亮氨酸的羧基與探針分子中方酰胺的兩個(gè)NH鍵形成雙氫鍵,致使探針分子4的熒光減弱,且發(fā)生藍(lán)移(圖9C)。將探針分子4與D纈氨酸按摩爾比1∶2混合后,一分子D叔亮氨酸與探針分子中的叔胺基團(tuán)形成鹽,另一分子D叔亮氨酸由于空間構(gòu)型與方酰胺的立體空腔不匹配,無法進(jìn)入,空腔仍由溶劑DMSO占據(jù),所以熒光光譜沒有明顯變化(圖9D)。探針分子4有兩個(gè)手性中心,當(dāng)探針分子4與纈氨酸摩爾比為1∶1時(shí),是叔胺單手性中心識(shí)別; 而探針分子4與纈氨酸摩爾比為1∶2時(shí),是叔胺方酰胺雙手性中心識(shí)別。

        4 結(jié) 論

        合成了兩個(gè)雙方酰胺探針分子和兩個(gè)方酰胺叔胺探針分子,其中1和3為新化合物,2和4為已知化合物。系統(tǒng)研究了這4個(gè)手性探針分子對(duì)氨基酸及其衍生物、羥基酸、聯(lián)二萘酚的熒光手性識(shí)別效果。通過組合篩選,發(fā)現(xiàn)探針分子4對(duì)纈氨酸有較好的識(shí)別效果,探針分子4與纈氨酸的摩爾比為1∶2時(shí),加入L纈氨酸后熒光光譜峰大幅藍(lán)移,而且熒光強(qiáng)度大幅減弱; 加入D纈氨酸后熒光光譜沒有變化,ID/IL=1.35。據(jù)此提出了探針分子4的叔胺基團(tuán)通過靜電作用和方酰胺基團(tuán)通過氫鍵作用各結(jié)合一分子L纈氨酸的雙手性中心識(shí)別機(jī)理。本研究為非衍生氨基酸的熒光手性識(shí)別提供了叔胺方酰胺雙功能探針的新策略,也為有機(jī)小分子探針的設(shè)計(jì)提供了多功能型復(fù)雜探針的新思路。

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