鸟苷硼酸酯类G--quadruplex超分子水凝胶的构建及其应用研究
鸟苷作为一种生物活性分子一直以来受到人们到的广泛关注，同时由于结构中具有丰富的氢键供体和受体也使其作为构筑材料被广泛应用于超分子自组装领域。其中，基于鸟苷及其衍生物的G-quadruplex超分子凝胶是其被广泛研究的核心领域之一，该类凝胶因往往具有良好的生物相容性和刺激响应性等一系列的优良性质而受到人们的重视，然而其易于析晶和过度依赖金属离子所导致的不稳定性也限制了其进一步的发展，如何提高该类凝胶的稳定性成为了人们近年来的研究重点之一。最近，一系列鸟苷硼酸酯类G-quadruplex超分子凝胶被广泛开发出来，其具有较长的寿命和卓越的结构稳定性，已被人们广泛用于物质分离、组织工程、药物递送、传感元件以及3D打印等领域。然而我们注意到，目前其在不对称催化和离子检测方面的应用仍未见报道。本论文的主要目的是选择或者设计合适的鸟苷硼酸酯类超分子水凝胶，并将其应用于不对称催化和离子检测领域，该内容的研究不仅可以拓展该类超分子水凝胶的研究内容，更可以为相关应用领域的发展提供更多可能。本论文的具体研究内容如下: 本论文首次将由鸟苷、硼酸和氢氧化钾所构建的G-quadruplex超分子水凝胶GBG稀释成超分子组装体溶液，并与Cu2+结合形成超分子催化体系，用于催化立体选择性的Friedel-Crafts烷基化反应。论文首先利用CD、VTNMR等手段证明了GBG的稀释溶液中组装体的存在，为后续的催化研究奠定了基础。从初步尝试条件的催化结果来看，该催化体系具有良好的不对称催化性能，对不同底物的Friedel-Crafts烷基化反应均能实现不同程度的对映体过量(ee)，其中产物为3e的反应获得了最高的ee值，为44.6％。而单独的GBG组装体、Cu2+以及B(OH)3-Cu2+体系均未能实现立体选择性催化，这表明Cu2+与GBG组装体的结合对于不对称催化是必要的。一系列小分子对照实验和其他G-quadruplex超分子组装体对照实验的数据表明，真正发挥不对称催化的作用的是超分子组装体系，并非溶液中存在的小分子;同时并非所有的G-quadruplex超分子组装体都具有不对称催化能力。 条件优化实验表明，组装体的浓度、铜离子的含量以及反应的温度和时间对立体选择性均有显著影响，最优条件下的ee值可高达56.5％。CD、PXRD和TEM实验表明，GBG组装体与Cu2+存在强烈的相互作用，Cu2+可以改变GBG组装体的纳米纤维结构，使纳米纤维变得更加刚性、直径更大，这可能是由于Cu2+桥连了不同GBG纳米纤维结构造成的。为了明确GBG组装体与Cu2+相互作用的基团，我们后续进行了FTIR实验，结果表明Cu2+与GBG组装体的鸟苷碱基以及硼酸酯的氧原子均存在强烈的相互作用。结合小分子对照实验，我们认为只有与硼酸酯的氧原子结合的Cu2+才是实现立体选择性催化的有效部位，并因此提出了可能的立体选择性催化机理:Cu2+首先与GBG组装体硼酸酯部分的氧原子配位，之后与加入的反应底物α，β-不饱和2-酰基咪唑底物结合，这样就形成了一个以Cu2+为中心的刚性平面;该催化平面似乎只允许一种底物（亲核试剂）攻击Friedel-Crafts烷基化反应受体的Si面，而屏蔽了配位的α，β-不饱和2-酰基咪唑底物的Re面，于是产生了立体选择性。 该部分工作不仅拓展基于鸟苷及其衍生物的超分子组装体的应用范围，丰富了超分子催化体系的研究内容，也引发了关于生命起源以前酶的进化问题的思索。 在另一项工作中，我们首次以鸟苷、2-甲酰基苯硼酸和氢氧化钾为底物合成了一种鸟苷苯硼酸酯水凝胶G-2FPB。该体系在其他碱金属离子(Li+，Na+，Rb+，Cs+)代替钾离子(K+)的条件下则只能获得透明的溶液，表现出对K+极高的选择性。CD和PXRD实验表明，G-2FPB是一种G-quadruplex水凝胶。VTNMR实验则表明鸟苷(G)与2-甲酰基苯硼酸所形成的酯(G2P esters)是凝胶形成的关键组分，进一步的定量分析发现该凝胶是一种双元凝胶，其为G2P esters与G以1∶1的比例共同组装而成。荧光实验表明，G-2FPB凝胶对小檗碱(BBR)存在明显的荧光增敏作用，甚至在G-2FPB-Na+溶液中加入K+也可同样实现。荧光光谱的定量实验表明，荧光强度与在G-2FPB-Na+-BBR混合体系中加入的K+浓度存在良好的线性关系，这为K+检测的应用提供了可能。通过对上述检测体系的优化，我们将其直接用于人体血清中K+浓度的检测。与离子选择电极法相比，该方法具有良好的可复得率，表现出了良好的临床应用前景。 该部分工作的研究，拓展了自组装的G-quadruplex的应用，相比于G-quadruplex DNA(G4DNA)检测钾离子，该方法操作更加简单，抗钠离子干扰能力更强，易于设计和改造，为获得更多高效的钾离子检测工具提供了可能。
鸟苷硼酸酯类化合物;超分子水凝胶;自组装行为;不对称催化;离子检测
北京化工大学
博士
化学工程与技术
乔仁忠
2020
中文
TQ427.6
2020-11-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）