Transcript 4阴离子的键合
阴离子的键合 张龙 讲解内容 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 引言 生物阴离子受体 阴离子主题设计理念 从阳离子主体到阴离子主体——PH的简单变化 胍盐基受体 有机金属受体 中性受体 氢负离子海绵 反冠 1.引言 1967年，杜邦公司的Pederson报道了冠醚的合成 （主要针对阳离子识别），冠醚及相关化合物得 到了广泛地研究和应用，因而获得了1987年化学 诺贝尔奖。而几乎同时，杜邦公司的Park 和 Simmons报道了katapinand的合成（主要针对阴 离子识别），但该领域进展缓慢，至到近10年， 人们逐渐认识到阴离子在生命体系中的重要性 （约70-75%酶的底物与辅助因子均为带负电荷的 物质），以及合成化学的发展、对阴离子配合本 质认识的深入，阴离子的识别才得到较快地发展 。 O O O O O O dibenzo-18-crown-6 C. J. Pedersen (1967). "Cyclic polyethers and their complexes with metal salts". Journal of the American Chemical Society 89 (26): 7017–7036 Katapinand Park C. H., Simmons H. E. Macrocyclic amines. III. Encapsulation of halide ions by /n /n-1 (k+2)-diazabicyclo[k.l.m]alkaneammo-nium ions. J. Am. Chem. Soc. 1968 90 2431-2432. J 阴离子固有性质 半径较大 存在各种形状和几何构型 具有高的溶剂化自由能 只能在一段相对较窄的PH中存在 通常是配位饱和的 2.生物阴离子受体 2.1 结合磷酸根（PBP）和硫酸根蛋白质(SBP) 细菌周围原生质阴离子转运蛋白质。 两种蛋白质结构彼此非常相似。区别在于蛋 白质结合点上氢键结合残基的排列使得他们 对各自的作用物具有几乎完全选择性。 (a) Stereoview of the SBP–sulfate interactions in Salmonella typhimurium (b) Structures of serine, cysteine, alanine and glycine. Pflugrath J W and Quiocho F A. The 2-A resolution structure of the sulfatebinding protein involves inactive transport in sakmonella typhimurium. J Mol Bio,1998,200:175 2.2 作为阴离子络合点的精氨酸 胍盐：是一种非常 好的阴离子络合点， 可在很宽的PH范围 内，保持其质子化 形式，能与阴离子 羧基、磷酸根、硫 酸根等参与形成双 氢键。 The amino acid arginine and the ‘arginine fork’ binding mode with phosphate anion residues. 含有精氨酸的重要生物体系包括 超氧化歧化酶（一种Cu,Zn酶，能催化超氧 2 O 负离子 2 转化为H2O2 和 O 2 ） 柠檬酸盐的合酶 蛋白络氨酸酶（ Yersinia PTPase） 羧肽酶A(carcoxypeptidaseA,CPA) Yersinia Orientations of selected residues at the active site of YopH in the unbound (A) and tungstate-bound states (B) Tiago A. S. Branda#o, Howard Robinson, Sean J. Johnson, and Alvan C. Hengge. Impaired Acid Catalysis by Mutation of a Protein Loop Hinge Residue in a YopH Mutant Revealed by Crystal Structures. J. AM. CHEM. SOC. 2009, 131, 778–786 CPA CPA：含锌酶， 主要作用水解 断裂端基缩氨 酸或酯键，主 要位于含有β芳香侧链的多 肽或酯酶作用 物的羧酸演的 末端。 Stereoview of the binding of L-phenyllactate to CPA. Bowman-James K Bianchi and Garcia-Espanna E.Supramolecular Chemistry of Anions .wiley,1997.65 3.阴离子主体设计理念 主体：具有汇聚性结合点的实体。 客体：具有发散性结合点的实体。 阴离子结合的一个很大的贡献来自于 色散力和静电相互作用，而且是无方 向性的。 阴离子结合主体设计理念 预组织化 补充结合点 客体 Conformational change in the katapinands on anion binding. 二环 katapinands 被划分为阴离子主体，他们通过汇聚性氢键 N — H X （结合点）与阴离子客体结合，并且根据主体的大小（由链长n测定）展示出 尺寸选择性。 Katapinands 不是预组织化的主体。 设计互补的阴离子补充结结合点 必须遵从阴离子的某些基本特性: (1) (2) (3) (4) 负电荷 路易斯碱度 高度极化 溶剂化 4.从阳离子主体到阴离子主体 ——PH的简单变化 四面体受体 形状选择性 环番主体 四面体受体 大量的穴状配体，由于它们的叔氮桥头和仲 胺链的路易斯碱性可以用来络合金属阳离 子，溶液PH的简单变化可以使这些胺功能 团（根据其相对碱性）质子化，产生可结 合阴离子的（如 katapinand ）主体。 大三环穴状体： 路易斯碱性可以使其强烈的结合到阳离子， 四质子化形式通过与醚氧原子的静电作用形成四个氢键也能结合阴 离子如 Cl 中性主体可能结合阳离子，特别是 NH 4 二质子化状态可以结合中性分子如 H 2O 形状选择性 N F ：2.72 。 A 。 N Cl : 3.19~3.39 A 。 N Br : 3.33~3.47 A 。 N N3 : 2.81~3.02 A 。 N F :2.76~2.86 A X-ray structures of the bis(tren) (4.4-6 H ) cryptates of (a) F , (b) Cl , (c) Br and (d) N3; (e) structure of the F complex of 4.5-6 H. 4.4 的结合包括静电贡献（具有相对高 负电性阴离子如 F ）与拓扑（即形状） 互补的 N （它也有高的负电性） 4.5 的结合是尺寸与形状互补，强的静 电相互作用，多重氢键结合在一起时， 结合力异常强烈。 3 环番主体 一系列含有质子化N功能团的环番（含有 桥连芳香环化合物）已被成功地用作阴离 子结合主体。 二苯甲烷基普遍备用作构筑识别阴离子和 中性分子的环番主体中的间隔基（保持刚 性结构和增加弯曲度和分子环的尺寸）。 见 5.3.4.5 ANS常被用作荧光探针利用光谱法测量主 体—ANS之间的亲和力。ANS的结合除了静 电引力和氢键作用，还取决于疏水键和π-π电 子云重堆叠作用。 - terephthal ate2 图示是对苯二酸酯阴离子的有效主体。 X射线晶体结构表明：通过 N - H O 氢键、疏水键、范德 华力和π-π作用，阴离子被双环主体系统完全包封。 其他双环环番配体 4.5 胍盐基肌体 胍盐是带正电荷的有效氢键供体 1980年，Schmidtchen 成功合成了双环衍生物 4.6 有机金属受体 1989年，Paul Beer及其合作者制备了双二茂钴受体 研究阴离子的方法 NMR：在阴离子滴定过程中，X-H中质子化 学位移大幅度向低场移动（几个单位）。 循环伏安法：可提供化合物的氧化还原活 性、稳定性以及其氧化态和还原态的可达 性。通过滴定法估计主体和客体的还原态 和氧化态的相对吸引力。 对卤素离子的结合识别，随间隔基R 的长度增加，结合能力下降，这可能 与两个NH基团之间的螯合效应一致。 Halide binding constants (M1, MeCN) as a function of spacer length 4.7 中性受体 背景： 阳离子作为阴离子配位存在两方面的缺陷: a. 静电引力的无方向性结合 b. 阴离子之间的竞争作用 → 中性阴离子结合主体合成的发展 4.7.1 两性离子 两性离子是同时包含正电荷和负电荷的中性分子（如 氨基酸）大 多数结合阴离子的生物蛋白质和酶是两性离子，他们拥有结合阴 离子的 正电荷区域，还有带负电荷的羧酸跟以中和电性促进蛋白 质膜的溶解。 4.7.2 氢键受体 对阴离子最合理的中性主体可能是基于氢键相互作用这种作用既强又 有方向性，同时也能稳定结合到大量分子脚手架内，以利于预组织。 这种刚性的脲基分子能够螯合羧酸根、磷 酸根、磺酸根及形状相似的阴离子。 (a) （b） 主体分子中，3个N-H键汇聚于一个结合点 (a) 中因存在与萘环的堆叠作用而有利于与客体的结合。 (b) 中3个二茂铁作为氧化还原传感器来检测阴离子的结合，同 时通过路易斯酸性以及C-H 阴离子相互作用使之稳定。 4.8 氢负离子海绵 质子海绵以作为特别有效的质子 螯合剂被认知，其中一个 NMe2 基团 的质子化会显著减小自由主 体两个氮原子间的排斥力，随之 极大的提高二胺的碱性。 氢负离子海绵中三中心两电子键 内的 H 不对称的排布在两个B原 子之间，氢化物配体与硼原子和 萘环共平面，他能够从几乎所有 其他氢负离子源中抽取 H - 。 4.9 反冠 由电子受体残基组成的冠醚类似物（与传 统冠醚里的路易斯碱相反），因其相反的 络合行为—对路易斯碱性阴离子（而非路 易斯酸如碱金属阳离子）的亲和力，而被 看做“反冠”。 反冠作为大环体系的一部分，会因大环效 应和螯合效应、还有提高的与组织性，而 增大络合的稳定性。 Thank you !