超分子化學(xué)-第三章 陰離子的絡(luò)合主體

第三章陰離子的絡(luò)合主體本章主要內(nèi)容3.1引言3.2生物陰離子受體3.3陰離子主體設(shè)計(jì)理念3.4從陽(yáng)離子主體到陰離子主體3.5胍鹽基受體3.6有機(jī)金屬受體3.7中性受體3.8氫負(fù)離子海綿和其他路易斯酸螯合劑3.9反冠3.10配位作用Cl-3.1引言1968年，杜邦公司的Park和Simmonds報(bào)道了大二環(huán)對(duì)鹵離子的絡(luò)合性質(zhì)（第一個(gè)實(shí)例）非共價(jià)陰離子的配位化學(xué)的發(fā)展較慢由于陰離子固有性質(zhì)所致：半徑相對(duì)較大，受體半徑也要大具有高的溶劑化自由能存在多種形狀和幾何構(gòu)型窄的pH穩(wěn)定區(qū)（例：多銨鹽不能完全質(zhì)子化）配位飽和（僅能通過(guò)弱作用力結(jié)合）研究成果少，挑戰(zhàn)F-K+NH4+離子形狀球形——線性——平面——四面體——八面體——低聚磷酸根陰離子離子形狀鹵離子SCN-，N3-NO3-，PtCl42-PO43-，SO42-PF6-，F(xiàn)e(CN)63-3.2生物陰離子受體70-75%的酶作用物和產(chǎn)物是陰離子，常見(jiàn)的是磷酸基殘基（如在ATP和ADP

里）或無(wú)機(jī)磷酸根硫酸根和羧基也常出現(xiàn)在生化體系中氯離子是一種主要的細(xì)胞外陰離子生物陰離子絡(luò)合中，酶或蛋白質(zhì)主體通常是生物系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的一部分，如生物催化或傳輸熱力學(xué)選擇性，動(dòng)力學(xué)選擇性強(qiáng)陰離子結(jié)合蛋白質(zhì)不是剛性預(yù)組織的大環(huán)或大二環(huán)結(jié)構(gòu)，而更趨向于柔韌性更好的線性分子蛋白質(zhì)構(gòu)象轉(zhuǎn)變鍵合陰離子，大量的焓穩(wěn)定的蛋白質(zhì)-陰離子相互作用可彌補(bǔ)預(yù)組織的缺乏IAIBIIAIIIAIIIB3DstructureofHSAIIBMelittin

(1)絡(luò)合磷酸根和硫酸根的蛋白質(zhì)Phosphatebindingprotein（PBP）和Sulphatebindingprotein（SBP）蛋白質(zhì)與陰離子依靠大量氫鍵力相互作用英國(guó)劍橋晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)系統(tǒng)英國(guó)劍橋大學(xué)的劍橋晶體數(shù)據(jù)中心(CCDCCambridgeCrystallographicDataCentre)自1965年起就從事晶體數(shù)據(jù)的收集、整理與計(jì)算機(jī)化工作。該中心發(fā)展的劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)CSD(CambridgeStructuralDatabase)是基于X光和中子衍射試驗(yàn)唯一的有機(jī)小分子及有機(jī)金屬分子晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)1.CSD;2.Brookhaven蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)PDB(ProteinDataBank);3.Isostar-關(guān)于非鍵相互作用的數(shù)據(jù)庫(kù)。(2)作為陰離子絡(luò)合點(diǎn)的精氨酸蛋白質(zhì)和酶中非常重要的氨基酸殘基——精氨酸精氨酸殘基含一個(gè)胍基團(tuán)，非常好的陰離子絡(luò)合點(diǎn)，質(zhì)子化形式很寬的pH范圍，形成雙氫鍵精氨酸存在于超氧化歧化酶（SOD），檸檬酸鹽的合酶等酶中另一個(gè)是蛋白酪氨酸磷酸酶中，可結(jié)合鎢酸鹽陰離子(3)羧酞酶A（CPA）同樣使用精氨酸殘基捆綁陰離子L-苯乳酸3.3陰離子主體設(shè)計(jì)理念陰離子的大尺寸和高極化率意味著，無(wú)方向性作用力如色散力在陰離子鍵合中扮演重要角色陰離子結(jié)合的另外一種力是靜電相互作用（無(wú)方向性）通過(guò)匯聚性氫鍵與陰離子客體結(jié)合，并且根據(jù)主體的大小展示尺寸選擇性在陰離子主體設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素預(yù)組織化，補(bǔ)充結(jié)合點(diǎn)（考慮陰離子基本特性）1、負(fù)電荷靜電的無(wú)方向性面臨抗衡離子的大幅選擇性競(jìng)爭(zhēng)2、路易斯堿性有機(jī)硼、汞或錫化合物及金屬陽(yáng)離子，如含路易斯酸原子的反冠路易斯酸-堿具有高度方向性，為選擇性主體設(shè)計(jì)奠定很好的基礎(chǔ)路堿性使陰離子適合作為氫鍵受體

3、高極化度陰離子是高度極化的，因而范德華作用很重要陰離子的三維包封提高所有與主體匹配陰離子的結(jié)合能力4、溶劑化陰離子具有高溶劑化能，比陽(yáng)離子影響大很多結(jié)合常數(shù)變化，H2O<DMSO<MeCN<CHCl3<CCl45、幾何構(gòu)型和配位數(shù)大量陰離子配位的幾何構(gòu)型是已知的，匹配有利配位數(shù)或鍵合作用的增加有利于穩(wěn)定性3.4從陽(yáng)離子主體到陰離子主體-pH的簡(jiǎn)單變化（1）四面體受體了解陰離子結(jié)合性質(zhì)的最明了辦法是把路易斯堿性（氫鍵受體)和對(duì)正電主體的吸引相結(jié)合叔氮橋頭和仲銨鏈的路易斯堿性，可以絡(luò)合金屬離子pH的簡(jiǎn)單變化使胺質(zhì)子化，結(jié)合陰離子穴狀配體能容納陰離子，且質(zhì)子化氮原子之間沒(méi)有大排斥力“足球”分子匹配完美朝外構(gòu)象，空穴大對(duì)Br-、I-高結(jié)合3.09?4.54?（2）形狀選擇性4.193.02.64.3

4.4對(duì)一價(jià)離子的選擇性ClO4-,I-,Br-<CH3CO2-<HCO2-

<NO3-,NO2-<F-,IO3-靜電貢獻(xiàn)、拓?fù)洌ㄐ螤睿┗パa(bǔ)11.2F-Cl-Br-N3-F-（3）二維主體多質(zhì)子化的主體，空穴被NH質(zhì)子填充，空間太小不能結(jié)合陰離子，鹵離子結(jié)合成鏟狀4.6結(jié)合NO3-優(yōu)先于鹵離子，通過(guò)H2O分子間接發(fā)生作用大環(huán)能擔(dān)當(dāng)大的無(wú)機(jī)陰離子的主體修飾的氮雜冠醚與陰離子的絡(luò)合結(jié)合常數(shù)隨負(fù)電荷增加而增大相同電荷，對(duì)稱性匹配有利（環(huán)尺寸)SO42-與(4.10)-6H+匹配，C2O42-與(4.8)-8H+匹配同樣存在陰離子結(jié)合大環(huán)效應(yīng)（大于非環(huán)）大環(huán)（4.9）對(duì)ATP和ADP的結(jié)合成為ATP生產(chǎn)的基礎(chǔ)單環(huán)氮雜冠類主體識(shí)別陰離子（雙絡(luò)合功能基）期望根據(jù)間隔基長(zhǎng)度改變形狀的主體，能依據(jù)分子長(zhǎng)度產(chǎn)生對(duì)二酸陰離子的選擇性識(shí)別中等選擇性，尺寸匹配更重要基于質(zhì)子化氮原子的陰離子受體——拓展的卟啉大環(huán)尺寸要匹配5.5?F-4.15與Cl-表現(xiàn)更強(qiáng)的相互作用力與(4.14)相比，(4.15)是一個(gè)更好的F-載體，并不能有效傳輸Cl-（載體和受體的區(qū)別）Cl-的加入抑制F-傳輸陰離子傳輸實(shí)驗(yàn)（4）環(huán)番主體指包含了橋連芳香環(huán)的任意的有機(jī)主體分子含質(zhì)子化N功能團(tuán)的環(huán)番作為陰離子主體特別是，二苯甲烷基被普遍用作構(gòu)筑識(shí)別陰離子和中性分子的環(huán)番主體的間隔基（剛性、彎曲度、環(huán)尺寸）熒光探針多重識(shí)別作用力

(4.20)通過(guò)pH和NMR測(cè)定，與1、2價(jià)陰離子形成1：1的復(fù)合物如NO3-,X射線顯示其結(jié)合在主體空穴外，但溶液中顯示被包封誘導(dǎo)匹配可以結(jié)合核苷酸3.5胍鹽基受體受歡迎的結(jié)構(gòu)，作為精氨酸殘基（二齒氫鍵配位）胍鹽電荷密度尺寸匹配不好結(jié)合不強(qiáng)！與磷酸二酯（R2O2PO2-）結(jié)合強(qiáng)雙環(huán)衍生物絡(luò)合對(duì)硝基苯甲酸鹽對(duì)氨基酸的絡(luò)合提取N-乙酰氨酸雙環(huán)胍鹽識(shí)別增加識(shí)別力3.6有機(jī)金屬受體1989年，牛津大學(xué)PaulBeer制備了雙二茂鈷受體1HNMR可測(cè)定到結(jié)合NH質(zhì)子低場(chǎng)位移（溶劑選擇）循環(huán)伏安法同樣監(jiān)測(cè)到結(jié)合85mVH2PO4-存在下，電勢(shì)變化為240mV循環(huán)伏安法一種界面電化學(xué)技術(shù)，涉及到測(cè)量電流隨所施加電壓的變化循環(huán)伏安法裝置示意圖循環(huán)伏安法能提高大量信息,關(guān)于化合物氧化-還原活性、穩(wěn)定性及其氧化態(tài)和還原態(tài)的可達(dá)性完全可逆(ipa=ipc),部分可逆(ipc<ipa),不可逆(ipc=0)大的陰離子結(jié)合常數(shù)干擾金屬中心的氧化還原電勢(shì)，使其難于還原,產(chǎn)生△E電極吸附、電化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)-化學(xué)耦聯(lián)反應(yīng)汞、金、鉑電極等二茂鈷主體大環(huán)效應(yīng)結(jié)合強(qiáng)以杯芳烴為框架剛性強(qiáng)，水溶性稍差兩個(gè)NH的位置很理想，很好結(jié)合乙酸根，也能結(jié)合Cl-三陽(yáng)離子主體，其空腔巧妙結(jié)合陰離子PF6-，形成C-H···F氫鍵PF6-靜電作用陰離子配位劑，尺寸大小的選擇性四金屬杯[4]芳烴對(duì)Cl-

551，Br-133，I-51，NO3-49，不絡(luò)合乙酸根、硫酸根和磷酸二氫根（大尺寸，高水合能）(4.38)較寬較淺的碗狀結(jié)構(gòu)，傾向于絡(luò)合大四面體含氧陰離子，如99TcO4-3.7中性受體使用陽(yáng)離子作為陰離子結(jié)合主體的缺陷正電荷主體，通過(guò)無(wú)方向性靜電作用和陰離子絡(luò)合，選擇性是附加相互作用（氫鍵、尺寸）的結(jié)果抗衡陰離子干擾目標(biāo)陰離子的結(jié)合，其表觀結(jié)合常數(shù)是主體對(duì)一個(gè)陰離子的親和力與另一個(gè)的比率，不能代表主-客體的絕對(duì)親和力1.兩性離子同時(shí)包含正電荷和負(fù)電荷的中性分子（氨基酸，蛋白質(zhì)，酶等）2.氫鍵主體對(duì)于陰離子最合理的中性主體可能是基于氫鍵相互作用，很強(qiáng)、有方向性，也能結(jié)合到大量分子腳手架（scaffold）內(nèi)，有利于預(yù)組織能夠螯合羧酸根、磷酸根、磺酸根及形狀類似的陰離子(4.42）基于2,2′,2″-三氨乙基胺，3個(gè)N-H匯集于同一結(jié)合點(diǎn)4.42存在與萘環(huán)的堆積作用4.43中，3個(gè)二茂鐵可作為氧化還原傳感器來(lái)檢測(cè)陰離子的結(jié)合Cl-F-杯[4]吡咯由吡咯和丙酮縮合得到COOHCOOHHOOCX-杯[6]芳烴硫脲衍生物3.8氫負(fù)離子海綿和其他路易斯酸螯合劑質(zhì)子海綿（1,8-二（二甲氨基）萘），特別有效的質(zhì)子螯合劑貝爾實(shí)驗(yàn)室貝爾實(shí)驗(yàn)室是晶體管、激光器、太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、數(shù)字交換機(jī)、通信衛(wèi)星、電子數(shù)字計(jì)算機(jī)、蜂窩移動(dòng)通信設(shè)備、長(zhǎng)途電視傳送、仿真語(yǔ)言、有聲電影、立體聲錄音，以及通信網(wǎng)等許多重大發(fā)明的誕生地。自1925年以來(lái)，貝爾實(shí)驗(yàn)室共獲得兩萬(wàn)五千多項(xiàng)專利，現(xiàn)在，平均每個(gè)工作日獲得四項(xiàng)多專利。這些技術(shù)使朗訊科技（LucentTechnologies）公司在通信系統(tǒng)、產(chǎn)品、元件和網(wǎng)絡(luò)軟件方面處于全球領(lǐng)先地位。迄今為止，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們共獲得11項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)、九項(xiàng)美國(guó)國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)以及八項(xiàng)美國(guó)國(guó)家科技獎(jiǎng)。大量的路易斯酸螯合劑F-F3.9反冠冠醚路易斯堿主體（如O、N、S等），路易斯酸受體（金屬離子，有機(jī)陽(yáng)離子等）反冠路易斯酸作為主體，對(duì)路易斯堿具有親和力。大環(huán)效應(yīng)，螯合效應(yīng)，預(yù)組織性Br-類似氯離子絡(luò)