利用人工模拟酶环糊精催化羧酸酯水解反应的研究进展
2002年第22卷第11期,827～834
有机化学
Chinese Journal of Organic Chem istry
V ol.22,2002
N o.11,827～834
?综述与进展?
利用人工模拟酶环糊精催化羧酸酯水解反应的研究进展
操 锋Ξ,aΞ 任 勇a 华维一a 马坤芳a 郭寅龙b
(a中国药科大学新药研究中心 南京210009)
(b上海有机化学研究所 上海200032)
摘要 环糊精因其结构和性质的特殊性在人工模拟酶方面发挥着重要的作用.概述了利用简单的环糊精、带有催化基团的环糊精和二聚体环糊精催化羧酸酯水解反应的研究进展.
关键词 环糊精,羧酸酯,水解,催化
Progress in H ydrolysis of C arboxylic Esters Using
Artifical E nzymes Cyclodextrins
C AO,FengΞ,a RE N,Y ong a H UA,Wei2Y i a MA,K un2Fang a G UO,Y in2Long b
(a Center o f Drug Discovery,China Pharmaceutical Univer sity,Nanjing210009)
(b Shanghai Institute o f Organic Chemistry,Chinese Academy o f Sciences,Shanghai200032)
Abstract Cyclodextrins have been playing im portant roles in the artifical enzymes because of their special structures and characters.This article reviews the progress in hydrolysis of carboxylic esters using sim ple cyclodextrins,cyclodextrins with catalytic group and cyclodextrin dimmers.
K eyw ords cyclodextrin,carboxylic ester,hydrolyze,catalyze
生物体内酶催化反应与普通化学反应相比常具有以下的优点:(1)比普通的化学反应快;(2)有高度的结构、区域和立体选择性;(3)反应条件温和.正因为酶催化反应有这些优点,所以酶功能的模拟一直是化学家的热点课题之一.
人工模拟酶研究的目的之一是用有机化学的方法,设计并合成出不具大分子肽骨架而含有酶反应活性位点的化学基团的小分子物质来催化普通的化学反应.好的人工模拟酶一般应具有以下的性质[1]: (1)模拟酶应有一个良好的疏水键合区来和底物发生相互作用;(2)模拟酶应能与底物形成静电和Π或氢键等相互作用,并以适当的方式相互键合;(3)模拟酶中应恰当地引入催化基团,使之对反应更加有效;(4)模拟酶的结构对底物键合的方向和立体化学具有专一性;(5)模拟酶应该是水溶的并在生理条件下有催化活性.人工模拟酶的结构通常应具有结合部位和催化部位两部分[2].环糊精(C D)是由多个D2葡萄糖以α(1,4)糖苷键结合而成的一类环状低聚糖(图1).它们均为略呈锥形的圆筒,其伯羟基(6位)和仲羟基(2位、3位)分别位于圆筒的较小(伯羟基面)和较大(仲羟基面)的开口端,分子外侧是亲水的,内侧是疏水性的,能包合多种客体分子,类似于酶对底物的识别.环糊精的两个开口端的三类羟基可以连上不同的催化基团进行衍生化,从而制备性能更好的环糊精衍生物.因此,环糊精具有一个好的人工模拟酶的很多潜在特点,这使得它已广泛应用于这一领域的研究[3,4].
ΞE2mail:cao00feng@https://www.wendangku.net/doc/9916956258.html,
Received October22,2001;revised M arch8,2002;accepted M arch29,2002.
图1 不同类型的环糊精
Figure 1 Various representations of the cyclodextrin
环糊精已用于模拟许多酶,如水解酶[5]
、核糖核
酸酶[6]、过氧化物酶[7]、氧化还原酶[8]
、羟醛缩合酶[9]
等,其中用模拟水解酶进行羧酸酯水解是研究最活跃的一部分.本文综述这方面的研究进展,主要包括简单的C D 、带有催化基团的C D 和二聚体C D 衍生物.
1 利用简单的环糊精催化羧酸酯的水解反
应
早期人们发现环糊精的氧负离子可与羧酸酯反应,随后又发现环糊精上的羟基能被包合于环糊精空腔中的酯乙酰化(如图2),而且环糊精参与的反应,其反应速率通常有较大变化.如乙酸间硝基苯酚酯(mNPA )在相同条件下的水解速率比没有β2C
D 时快100倍.
图2 环糊精羟基负离子的乙酰化
Figure
2 Acylation of the cyclodextrin oxyanion
当用分子模型了解此反应时发现,β2C D 中的氧
负离子进攻mNPA 中的羰基时,包合于β2C D 中mNPA (3a )必须向空腔外移动一部分才能形成中间体四面体结构3b (图3).这说明环糊精所参与的反应对底物的空间结构有一定的要求,mNPA 不是β2C D 的最佳水解底物模型.
后来合成了一系列二茂铁类衍生物(图4),以进一步探索环糊精的水解底物模型.它们在相同条件下的水解速率是无β2C D 时的倍数如图中括号内数字所示.研究发现水解速率受离去基团的影响,离去基团越易离去,水解速率越快.如带有强离去基
图3 环糊精催化酯水解的过程
Figure 3 S teps of ester hydrolysis in the presence of C Ds
图4 不同类型的二茂铁类衍生物
Figure 4 Various kinds of ferrocene derivatives
团对硝基苯氧负离子(pNPO -
)的4b 比带有弱离去
基团咪唑的4a 的水解速率快.4d 是目前获得的用β2C D 水解的最好的底物模型,它的水解速率是无
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β2C D 时的5.9×106倍.分子模型[10]
的建立表明:四面体中间体和过渡态很相似,而且它们包合于β2C D 中的深度与开始时底物包合于β2C D 中的深度是一样的.随后合成了带有“两个手臂”的4e 等二茂铁类衍生物,但其实验结果不如4d 理想.
进一步的研究表明:环糊精中的氧负离子必须垂直进攻酯基平面的羰基,并参与形成新酯基平面的一部分(图3),由四面体型中间体3b 转化成酰化的环糊精3c 时,过大的分子刚性可能会阻碍这种转化.向底物中引入适当的柔性结构可解决这一问题[11]
.可见在寻找好的底物模型时,不但要考虑底物的几何构型,还要注意在形成过渡态或相关中间
体时几何构型的转变[12].Bakhtiar 等[13]
利用简单的C D 在温和的条件下水解了一个麻黄碱类药.
溶剂对羧酸酯水解也有影响.对不同酯的水解反应研究表明:在含60%的DMS O 的水溶液中,β2C D 对酯的水解速率比在相同条件下单纯用水作溶
剂时快1.3×104倍.T ee 等[14]
测定了用α2C D 和β2C D 在不同含量的DMS O ,DMF ,CH 3C N ,MeOH ,E tOH 的水溶液中链烷酸(不同长度)间和对硝基苯
酚酯的水解动力学参数. 另外,加入亲核试剂(CF 3CH 2OH ,H OCH 2CH 2SH ,NH 2OH ,C 3H 4N 2,ROH ,RCH NH 2C OOH ,RNH 2等)来
协助酯的水解是现今关注的热点之一[15]
.研究表明在C D 参与的乙酸对硝基苯酚酯(pNPA )的水解反应中,加入亲核试剂CF 3CH 2OH ,H OCH 2CH 2SH ,NH 2OH ,C 3H 4N 2,反应的差别并不大.其中醇本身不
参与反应,但当酯包合于C D 中时,醇阻碍其水解;当醇包合于C D 中时,醇加速其水解.而对短链胺和小于六个碳的链状羧酸酯来说主要以模式5a 反应,大于六个碳的以模式5b 反应,对长链胺还有以5c 反应
(图5).当然它们均还有环糊精氧负离子所参与的反应.
图5 由胺参与的三种模式的酯裂解反应
Figure 5 Three m odes for the cleavage of esters in the presence of amine
人们不但从底物和反应条件着手,而且也从主
体分子C D 的修饰来寻找较好的人工模拟酶模型.由于环糊精空腔的两端均敞口,形成包合物中的底物就有移动的可能,为了达到充分包合常常需要较大的底物浓度.后来合成了带有“活动塞子”的β2C D 衍生物
(图6).
图6 带有“活动塞子”的环糊精
Figure 6 Cyclodextrins with flexible capping
研究结果表明6c 和6d 因烷基间的簇聚现象而使空腔底部关闭,极性醛基指向水溶液中,还测得6c 和6d 的非极性空腔的深度为0.37nm 和0.25nm.同时还发现带有“固定塞子”的环糊精7a (图7
)使4a 的水解速率提高了106
倍.
图7 带有“固定塞子”的环糊精
Figure 7 Cyclodextrin with hard capping
由此可见,无论是从底物和反应条件着手,还是从环糊精的修饰着手,它们均能使底物的水解速率比无催化剂C D 时快几个数量级,但简单的环糊精模拟催化羧酸酯的水解反应几乎都是利用环糊精中的羟基形成氧负离子来进行亲核进攻(另加亲核试剂时有所不同),所以反应必须在碱性条件下进行.因此,简单环糊精所催化的羧酸酯水解反应离真正意义上的生物模拟酶催化反应还有较大差异.
9
28N o.11操锋等:利用人工模拟酶环糊精催化羧酸酯水解反应的研究进展
2 利用带有催化基团的环糊精催化羧酸酯
的水解反应
对于一个好的人工酶模型来说,它应具有两个
结构部分,即结合部分和催化部分.对于C D 体系,结合部分是固定的,催化部分是可以人工引进的.由于环糊精的两开口面存在三类羟基,均能连接催化基团,所以就存在把催化基团连接到哪一位点上的问题.
在众多引入基团中,咪唑基对酯水解的独特作用引起了人们广泛的注意.以它作为催化基团的反应大多在中性条件下进行,此时咪唑基实际上是作为亲核基团直接参与反应,而不是作为一般的碱来增加C D 中羟基的亲核性.因此,构建带有咪唑基的环糊精,可以预料更具有生物酶模拟意义.把咪唑基连接到β2C D 的C (6)上以模拟α2胰凝乳蛋白酶的催
化水解机制,但催化效果仅比β2C D 稍强.Rao 等[16]
又把咪唑基连接到β2C D 仲羟基面的C (2)上.对pNPA 的水解动力学的初步研究表明:连接在C (2)上的咪唑基的催化能力比C (6)上的快70倍.
这说明催化基团连接的位点对C D 的催化能力有不同程
度的影响[17]
.随着咪唑基在生物酶中的作用逐渐被人们所认识,带有咪唑基的C D 又成为人们研究的
重点之一[18].Y uan 等[19]
合成出咪唑基连接到环糊
精C (3)上的衍生物.陈文华等[20]
将更为复杂的咪唑基连到C (3)上(图8).研究表明8a 的酯水解速率比空腔变形的异构体8b 的速率快得多.这表明:当C (3)上引入催化基团后,因催化基团和羟基构型的变化使得包合能力发生改变,从而影响C D 的催化能力.
图8 不同构型蹬环糊精衍生物
Figure 8 Different con formations of cyclodextrin derivate
组氨酸咪唑基在酶中起着重要的作用,将它连在C D 上可能会增强催化能力.AC ,AD 两个葡萄糖残基上分别连有两个咪唑基的β2C D 酯水解催化能
力比AB 上的9a (图9)
强[21]
.9b 催化pNPA 的水解
速率比等摩尔的α2C D 与组氨的混合物快6.3倍.对模型9c 和9d 的研究表明:在催化pNPA 水解时,使用9c 比使用具有更大疏水性空腔的9d 要好.将组氨直接连在β2C D 上可获得更好的模型9e ,它的催
化能力比9g 快20倍[22]
.以具有比β2C D 更深的疏水性空腔C 22,C 262二甲基β2C D (DMC D )为结合部位的模型9f 催化pNPA 的水解速率比9e 快9倍,且
表现出良好的对位选择性[23]
.这些表明不论是C D 空腔本身大小的不同,还是因引入不同的催化基团而发生的改变均会对C D 的催化能力产生影响.
图9 含有组氨酸及其类似物的环糊精
Figure 9 Cyclodextrins with histidine group and its analogue
α2胰凝乳蛋白酶是一种蛋白质水解酶,其分子结构及作用机理目前研究比较清楚.它具有较明显的结合部位和催化部位.其疏水性环状结合部位能有效包合芳环等疏水性分子,活性基团由195号丝氨酸羟基、57号组氨酸咪唑基和102号天冬氨酸羧基组成.这三个基团共同组成“电荷中继系统”,直接参与底物的水解反应.
10a 曾被认为是一个具有α2胰凝乳蛋白酶特征
的“人工胰凝乳蛋白酶”(图10).该模型利用β2C D
作为酶的结合部位,其侧链上的羧基、咪唑基及C D 上的一个羟基共同构成催化中心(电荷中继系统),以实现α2胰凝乳蛋白酶的模拟.从反应的速率来看,人工酶对乙酸对叔丁基苯酚酯的水解速率快于天然酶.有效地模拟了α2胰凝乳蛋白酶的功能,然而关于其催化机理的深入研究结果使许多化学家产
生了迥然不同的看法和结论.Z immermem 等[24]
认为化合物10a 的催化作用可能与咪唑基和羧基负离子无关.因此,它也许还没有真正达到模拟α2胰凝乳
蛋白酶[1]的目的.最近Tsutsmi 等[25]
将咪唑基、羧基和β2C D 连在小分子肽上形成C D 与肽的杂合物,成
038 有机化学V ol.22,2002
功地水解了叔丁氧基2D 2丙氨酸对硝基苯酚酯. 金属离子在生物反应中起着重要的作用,它们经常作为一个“超酸”催化剂,具有定向功能,而且在很多电子转移系统中发挥着重要的作用.由金属离子和C D 组成的人工模拟酶,即所谓的金属环糊精,也是当今研究的热点.第一个被称为人工酶的化合
物11a (图11)是通过Cu 2+
络合物形成的,它利用金属离子来催化包合于β2C D 空腔中的底物的水解.
化合物11b 是一个有效的酯水解催化剂[26]
,由镍肟
盐与11a 络合而成.11c 对离去基团活性差的酯的水
解也相当可观[27]
.
由于大多蛋白酶催化反应是在pH 约为7.4下进行的,构建出在中性条件下的人工模拟酶一直是众多化学家研究的热点和难点.前面提到的含有咪唑基的环糊精能在此条件下起催化作用.Fikes 等[28]
发现含有位于伯羟基面的α2亲核基团,如肼、
羟氨的β2C D 具有独特的性质:(1)α2亲核基团相对
电子等排体醇和胺而言增加了酯水解反应中酰基转
图10 “人工胰凝乳蛋白酶”及其作用机理
Figure 10 “Artifical chym otrypsin ”and its action mechanism
图11 含有金属离子的人工酶Figure 11 Artifical enzymes with metal ion
1
38N o.11操锋等:利用人工模拟酶环糊精催化羧酸酯水解反应的研究进展
移的活性;(2)肼和羟氨比醇、胺的碱性低,因而可
在近中性的条件下反应;(3)肼和羟氨也能使烷基酯和酰胺的酰基发生转移;(4)它们的体积小,位于C D 空腔的附近,有利于它们的催化反应.他们设计的12a ,12b 在中性条件下均表现出酶的行为.其中12b 在pH 为9.5时,对pNPA 的水解速率是β2C D 的
1.5×103
倍,而且在中性条件下同样有效,但β2C D 在pH 为7时不反应.近来Martin 等[29]
又将其它亲核基团分别引入β2C D 的两个面上,但12c ,
12d ,12e ,12f 的催化活性均低于12b (图12).
图12 含有不同亲核基团的环糊精
Figure 12 Cyclodextrins with different nucleophiles
3 利用环糊精二聚体催化羧酸酯的水解反
应
对生物体内的酶来说,酶的结合部位与底物是
通过多种相互作用而牢牢地结合在一起的,并且酶中的催化基团就在底物的反应中心附近.天然环糊精与模型底物分子的作用一般相对较弱,而边臂上引入功能基的简单修饰在模拟酶的应用上也受到一
定限制.环糊精单元通过一些功能基[30]
桥联之后,两个相邻的环糊精空腔有可能协助参与对形状和尺寸适合的客体分子的包结配位作用,并形成稳定性
更好的超分子配合物,可能更好地模拟生物酶[31]
.基于此,桥联环糊精二聚体的生物模拟酶研究成为
当今又一研究的热点.Breslow 等[32]
构建了人工酶
13a ,实验结果表明:有
Cu
2+
结合的13c 在pH 为7,
温度为37℃时对底物13b 的水解速率比用β2C D 和Cu 2+快104倍.没有Cu 2+
结合的13a 比用β2C D 快80
倍.13c 对酯13e 的水解速率比单纯用β2C D 和Cu
2+
快2.2×105
倍.13d ,13f 与不同金属离子的复合物最近被用来催化离去基团性能较差的酯的水解(图13)[33].
图13 二聚体环糊精及其底物
Figure 13 Cyclodextrin dimmers and their substrates
238 有机化学V ol.22,2002
Zhang 等[34]
详细研究了13a 与不同金属离子络合后对酯水解的催化作用.对这种二聚体环糊精催化水解模型来说,底物的两端必须有疏水基团,以包合于二聚体环糊精的两个空腔中.即两个环糊精单元对同一客体的双重疏水相互作用构成了环糊精二聚体的分子识别基础(双重识别).如果底物只是一端有疏水基团,催化剂与底物间的键合就会减弱[30]
.他们还发现当催化基团为金属离子时,金属
离子的活性顺序为:Cu 2+>Zn 2+,Ni 2+
.由
13a 和Cu 2+
形成的络合物13c 催化14a (图14)的水解速率
是无催化剂时的1.45×107
倍.当还含有配体(E )2
22吡啶甲醛肟(PAO )时,Zn 2+
为活性最强的金属离子,14b 水解13e 的速率比无催化剂时快1.7×106
倍.
图14 底物和带有金属离子和配体的环糊精
Figure 14 A substrate and cyclodextrin with metal ions and ligand
4 展望
构建并合成高效的人工模拟酶模型是一件复杂
而艰巨的系统工程,也是目前超分子化学研究的重要课题之一.概述了利用简单的C D 、带有催化基团的C D 和二聚体C D 作为人工模拟酶来水解羧酸酯,它不仅是超分子体系中的分子识别过程,而且是一个化学反应过程.前者与C D 本身的大小、多少及底物的结构密不可分,后者与反应条件,所连催化基团的位点、类型和数量有关.可以预见,设计并合成出双重识别或多重识别,带有不同催化基团的人工模拟酶是摆在化学家面前的挑战性任务.目前对利用人工模拟酶C D 催化水解羧酸酯反应的理论研究已比较成熟,其实际应用正逐渐被人们所重视.
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