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環(huán)糊精衍生物的分子形態(tài)及其構(gòu)筑策略研究進(jìn)展

2015-08-19 06:45:16沈海民方紅果武宏科紀(jì)紅兵史鴻鑫
化工進(jìn)展 2015年2期
關(guān)鍵詞:吡喃分子結(jié)構(gòu)構(gòu)筑

沈海民,方紅果,武宏科,紀(jì)紅兵,史鴻鑫

(1浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,浙江 杭州 310014;2杭州娃哈哈集團有限公司,浙江 杭州 310009; 3中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,廣東 廣州 510275)

環(huán)糊精(cyclodextrin,簡稱CD)主要是指環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶(CGTase)作用于淀粉得到的降解產(chǎn)物,為典型的可再生資源,并且無毒可生物降解,結(jié)構(gòu)上是由D-(+)-吡喃葡萄糖單元通過α-1,4-糖苷鍵連接而成的環(huán)狀低聚糖,呈截頂圓錐狀。其家族中各成員由于所含D-(+)-吡喃葡萄糖單元數(shù)目的不同而不同,可以分別含有6個、7個、8個、9個、10個……甚至20個D-(+)-吡喃葡萄糖單元,但其中3個主要成員分別含有6個、7個和8個D-(+)-吡喃葡萄糖單元,即α-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精,其中β-環(huán)糊精(如圖1所示)價廉易得,應(yīng)用最廣。在環(huán)糊精分子中,D-(+)-吡喃葡萄糖單元的羥基位于截頂圓錐的兩個邊緣,C-3和C-5上的H原子位于截頂圓錐的內(nèi)部空腔,因而使得環(huán)糊精具有“內(nèi)腔疏水,外壁親水”的特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[1-2],在水相中能夠像酶一樣作為主體分子為客體分子提供疏水環(huán)境,廣泛應(yīng)用于吸附[3-5]、催化[6-8]、增溶[9-11]等領(lǐng)域。但是,由于環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)中只含有羥基一種官能團,并且具有一定的剛性,使其作用于具有各種分子形態(tài)的客體分子時很難在結(jié)構(gòu)上發(fā)生相應(yīng)的拓?fù)渥兓?,?yīng)用受到了一定的限制。為克服上述不足,可以借助環(huán)糊精羥基官能團的化學(xué)反應(yīng),對環(huán)糊精進(jìn)行化學(xué)修飾,增加其分子結(jié)構(gòu)中的官能團種類并打破環(huán)糊精母體本身的分子內(nèi)氫鍵網(wǎng)絡(luò),提高其拓?fù)湫阅埽卣蛊鋺?yīng)用領(lǐng)域[12-16]。

通過對環(huán)糊精進(jìn)行化學(xué)修飾,構(gòu)筑環(huán)糊精衍生物以拓展其應(yīng)用領(lǐng)域,已成為目前環(huán)糊精應(yīng)用的主流,也使環(huán)糊精衍生物的分子形態(tài)有了進(jìn)一步的豐富與發(fā)展。目前,環(huán)糊精衍生物根據(jù)分子結(jié)構(gòu)與形態(tài)的不同大體可以分為以下6類:單取代環(huán)糊精衍生物、雙取代環(huán)糊精衍生物、多取代環(huán)糊精衍生物、二聚體環(huán)糊精衍生物、多聚體環(huán)糊精衍生物和環(huán)糊精聚合物(包括固載化環(huán)糊精)。盡管目前已有如此豐富的環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)形態(tài),但根據(jù)環(huán)糊精衍生物的分子結(jié)構(gòu)形態(tài)對其進(jìn)行分類并介紹其構(gòu)筑策略,還未見相應(yīng)的綜述性文章。本綜述結(jié)合作者本人基于β-環(huán)糊精構(gòu)筑超分子仿酶的研究[17-22],針對目前環(huán)糊精衍生物總量極大但無明確分類標(biāo)準(zhǔn)并且還沒有關(guān)于環(huán)糊精衍生物合成全面系統(tǒng)的綜述性文章的現(xiàn)狀,系統(tǒng)介紹了環(huán)糊精衍生物的分類及其構(gòu)筑策略,對基于環(huán)糊精構(gòu)筑各種功能材料,尤其是基于環(huán)糊精構(gòu)筑水相超分子仿酶,具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義;對充分利用可再生資源、以促進(jìn)化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和“綠色化”意義重大。

1 單取代環(huán)糊精衍生物

單取代環(huán)糊精衍生物主要指分子結(jié)構(gòu)中含有一個環(huán)糊精單元,并且環(huán)糊精母體中一個羥基被取代得到的環(huán)糊精衍生物,環(huán)糊精母體可以是α-環(huán)糊精,也可以是β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精,修飾基團取代位置可以是環(huán)糊精的C-6位置,也可以是環(huán)糊精C-2和C-3位置,但以修飾基團在環(huán)糊精C-6位置的單取代環(huán)糊精衍生物居多。如圖2中β-環(huán)糊精衍生物CD-1[23]和CD-2[24]中,修飾基團位于β-環(huán)糊精母體的C-6位置;而β-環(huán)糊精衍生物CD-3[25]和CD-4[26]中,修飾基團分別位于β-環(huán)糊精母體的C-2和C-3位置。修飾基團的位置不同,所得到的單取代環(huán)糊精衍生物在有機合成中往往具有不同的調(diào)控性能,修飾基團位于C-6位置的單取代環(huán)糊精衍生物合成相對比較簡單,在有機合成中應(yīng)用較廣[27-31]。

圖1 β-環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)式

圖2 β-環(huán)糊精衍生物CD-1~CD-4的結(jié)構(gòu)式

單取代環(huán)糊精衍生物的合成,首先需要對環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)中眾多羥基中的一個進(jìn)行選擇性地活化,與p-甲苯磺酰氯反應(yīng)生成單(6-O-p-甲苯磺?;?-α,β,γ-環(huán)糊精是目前比較常用的活化方法,將羥基轉(zhuǎn)化成離去性能更好的p-甲苯磺?;?,從而引進(jìn)各種目標(biāo)修飾基團。以β-環(huán)糊精為例,在堿性水溶液或在吡啶中,均可與p-甲苯磺酰氯高選擇性生成單(6-O-p-甲苯磺酰基)-β-環(huán)糊精(β-環(huán)糊精衍生物CD-5)(圖3 Equ. 1所示)[32-34]。以單(6-O-p-甲苯磺?;?-β-環(huán)糊精為基礎(chǔ),通過親核取代反應(yīng),可以生成一系列單取代β-環(huán)糊精衍生物,如CD-6~CD-13(圖4 所示)[35-41]。除了發(fā)生親核取代反應(yīng),單(6-O-p-甲苯磺?;?-β-環(huán)糊精還可以通過氧化反應(yīng)向β-環(huán)糊精母體引入醛基,生成β-環(huán)糊精衍生物CD-14,進(jìn)一步氧化可得具有羧基的單取代β-環(huán)糊精衍生物CD-15(圖5 Equ. 2所示)[42]。β-環(huán)糊精衍生物CD-14中,醛基具有較高的反應(yīng)活性,可以通過各種化學(xué)轉(zhuǎn)化進(jìn)一步向β-環(huán)糊精的C-6位置引入一系列修飾基團,構(gòu)筑β-環(huán)糊精衍生物,如Equ. 3所示,通過氨基與醛基的加成和對生成烯胺的還原,將卟啉衍生物引入到β-環(huán)糊精的C-6位置,合成了β-環(huán)糊精衍生物CD-16(圖6所示),細(xì)胞色素P-450酶模型[43]。

圖3 β-環(huán)糊精衍生物CD-5的合成

圖4 β-環(huán)糊精衍生物CD-5的衍生化

目前,單取代環(huán)糊精衍生物的修飾基團大多集中在環(huán)糊精母體的C-6位置,修飾基團位于C-2和C-3位置的單取代環(huán)糊精衍生物相對較少,其合成過程同樣需要首先將環(huán)糊精母體中的羥基活化。以二丁基氧化錫(Bu2SnO)為催化劑,p-甲苯磺酰氯可高選擇性地將β-環(huán)糊精C-2位置上的羥基單酯化,生成β-環(huán)糊精衍生物CD-17,經(jīng)親核取代反應(yīng),可向β-環(huán)糊精母體的C-2位置引入各種目標(biāo)修飾基團,構(gòu)筑β-環(huán)糊精衍生物,如CD-18和CD-19(圖7 Equ. 4所示)[44]。β-環(huán)糊精衍生物CD-17在堿性條件下可于β-環(huán)糊精同一個D-(+)-吡喃葡萄糖單元上發(fā)生2,3-環(huán)氧化,生成β-環(huán)糊精衍生物CD-20,進(jìn)一步與各種親核試劑發(fā)生開環(huán)加成反應(yīng),可將修飾基團引入到β-環(huán)糊精母體的C-3位置,如β-環(huán)糊精衍生物CD-21的合成(圖8 Equ. 5所示)[45]。盡管環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)中具有眾多羥基,但無論是對C-2、C-3還是C-6位置上的羥基,均可實現(xiàn)高選擇性的化學(xué)修飾,進(jìn)而構(gòu)筑各種單取代環(huán)糊精衍生物。單取代環(huán)糊精衍生物,主要是單取代β-環(huán)糊精衍生物,在目前基于環(huán)糊精構(gòu)筑人工合成酶和人工合成金屬酶的水溶性配體中占有較大的比例,其合成方法的研究也較為全面。

圖5 β-環(huán)糊精衍生物CD-14和CD-15的合成

圖6 β-環(huán)糊精衍生物CD-16的合成

圖7 β-環(huán)糊精衍生物CD-17、CD-18和CD-19的合成

2 雙取代環(huán)糊精衍生物

雙取代環(huán)糊精衍生物主要是指分子結(jié)構(gòu)中含有一個環(huán)糊精單元,并且環(huán)糊精母體中的兩個羥基被取代得到的環(huán)糊精衍生物,環(huán)糊精母體可以是α-環(huán)糊精,也可以是β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精,修飾基團的取代位置基本以環(huán)糊精的C-6位置為主。兩個修飾基團可以相同,也可以不同,還可以是橋狀的修飾基團,可以位于環(huán)糊精相鄰的兩個D-(+)-吡喃葡萄糖單元上,也可以位于不相鄰的兩個D-(+)-吡喃葡萄糖單元上。如果將組成α-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精的D-(+)-吡喃葡萄糖單元分別以A~F、A~G和A~H表示,則兩個取代基分別位于環(huán)糊精A、D兩個D-(+)-吡喃葡萄糖單元上的雙取代環(huán)糊精衍生物居多。如圖9所示,α-環(huán)糊精衍生物CD-22[46]中,位于A、D兩個D-(+)-吡喃葡萄糖單元上的修飾基團相同;而α-環(huán)糊精衍生物CD-23[46]中,位于A、D兩個D-(+)-吡喃葡萄糖單元上的修飾基團不同。而在β-環(huán)糊精衍生物CD-24[47]中,具有橋狀結(jié)構(gòu)的修飾基團分別連于β-環(huán)糊精A、D兩個D-(+)-吡喃葡萄糖單元上,在γ-環(huán)糊精衍生物CD-25[48]中,兩個修飾基團不僅可以位于A、D兩個D-(+)-吡喃葡萄糖單元上,也可以位于A、B,A、C和A、E兩個D-(+)-吡喃葡萄糖單元上。通過控制和調(diào)節(jié)修飾基團在環(huán)糊精上的取代位置,可以得到性能各異的環(huán)糊精衍生物,滿足各種應(yīng)用需求[49-51]。

雙取代環(huán)糊精衍生物的合成主要是對環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)中的兩個羥基進(jìn)行選擇性地化學(xué)修飾,兩個羥基基本位于環(huán)糊精的同一面,并且雙取代環(huán)糊精衍生物以β-環(huán)糊精衍生物為主,以修飾基團位于β-環(huán)糊精母體的第一面居多,其合成策略主要有兩種。其一是以芳香族磺酰氯對β-環(huán)糊精C-6位置上的兩個羥基進(jìn)行選擇性的酯化活化,以A~G代表β-環(huán)糊精母體中的7個D-(+)-吡喃葡萄糖單元,則由于所用酯化試劑的不同,活化的兩個羥基可分別位于β-環(huán)糊精母體上A、B,A、C和A、D兩個D-(+)-吡喃葡萄糖單元上,如圖10 Equ. 6所示[52-54]。以所得β-環(huán)糊精衍生物CD-26為基礎(chǔ),與單取代β-環(huán)糊精衍生物的合成相似,可以進(jìn)行一系列的化學(xué)轉(zhuǎn)化,構(gòu)筑新的β-環(huán)糊精衍生物,如圖11 Equ. 7和圖12 Equ. 8所示[36,42]。

雙取代環(huán)糊精衍生物合成的另一策略是以全芐基化環(huán)糊精的選擇性脫芐基化為基礎(chǔ),以二異丁基氫化鋁(i-Bu2AlH)催化全芐基化環(huán)糊精脫芐基,無論是全芐基化α-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精,還是γ-環(huán)糊精,均可選擇性地使全芐基化α-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精A、D兩個D-(+)-吡喃葡萄糖單元C-6羥基上的芐基脫除(圖13 Equ. 9所示)[55]。在環(huán)糊精衍生物CD-32中,只有兩個等同的羥基,可以方便地對其進(jìn)行各種化學(xué)轉(zhuǎn)化,并且完成化學(xué)轉(zhuǎn)化后,其余的芐基可以方便地脫除,進(jìn)而構(gòu)筑新的環(huán)糊精衍生物,如具有橋狀修飾基團的α-環(huán)糊精衍生物CD-34的合成(圖14 Equ. 10所示)[55]和雙取代β-環(huán)糊精衍生物CD-37的合成(圖15 Equ. 11所示)[56]。其中Equ. 11比較有代表性地表示出該合成策略的一般流程,首先將β-環(huán)糊精的羥基全部芐基化,然后由二異丁基氫化鋁(i-Bu2AlH)催化選擇性脫芐基,得到的兩個C-6羥基通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)轉(zhuǎn)化構(gòu)筑需要的目標(biāo)修飾基團,最后在Pd/C和H2的存在下將其余的芐基脫除,得到目標(biāo)β-環(huán)糊精衍生物。雙取代環(huán)糊精衍生物作為人工合成酶或人工合成金屬酶的水溶性配體催化有機合成反應(yīng)時,兩個修飾基團往往具有協(xié)同作用,可以顯著提高催化反應(yīng)的反應(yīng)速率和區(qū)域選擇性,甚至反應(yīng)的對映選擇性。

圖8 β-環(huán)糊精衍生物CD-20和CD-21的合成

圖9 β-環(huán)糊精衍生物CD-22~CD-25的結(jié)構(gòu)式

圖10 β-環(huán)糊精衍生物CD-26的合成

圖11 β-環(huán)糊精衍生物CD-27和CD-28的合成

圖12 β-環(huán)糊精衍生物CD-29和CD-30的合成

圖13 環(huán)糊精衍生物CD-32的合成

3 多取代環(huán)糊精衍生物

圖14 α-環(huán)糊精衍生物CD-33和CD-34的合成

圖15 β-環(huán)糊精衍生物CD-31、CD-32、CD-35、CD-36和CD-37的合成

圖16 β-環(huán)糊精衍生物CD-38~CD-42的結(jié)構(gòu)式

多取代環(huán)糊精衍生物主要是指分子結(jié)構(gòu)中含有一個環(huán)糊精單元,并且環(huán)糊精母體中的多個羥基被取代得到的環(huán)糊精衍生物,環(huán)糊精母體可以是α-環(huán)糊精,也可以是β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精,修飾基團的取代位置可以全部是環(huán)糊精的C-6位置,也可以同時分布在環(huán)糊精的第一面和第二面,修飾基團的數(shù)目可以是確定的,也可能是一個范圍。如圖16 所示β-環(huán)糊精衍生物CD-38[57-58]和CD-39[59]中,修飾基團全部位于β-環(huán)糊精母體的第一面,修飾基團的數(shù)目為確定數(shù)字。在β-環(huán)糊精衍生物CD-40[60]、CD-41[61]和CD-42[62]中,修飾基團同時位于β-環(huán)糊精母體的第一面和第二面,修飾基團的數(shù)目也為確定數(shù)字。而在常見的環(huán)糊精衍生物甲基化環(huán)糊精、羥丙基環(huán)糊精、羧甲基環(huán)糊精等中,修飾基團的位置雖然也可以同時位于環(huán)糊精的第一面和第二面,但每個環(huán)糊精衍生物分子中,修飾基團的數(shù)目不一定相同,修飾基團的數(shù)目為一個范圍,稱為環(huán)糊精衍生物的取代度。這類修飾基團位置不確定,數(shù)目為一個范圍的環(huán)糊精衍生物合成方法相對比較簡單,反應(yīng)條件的控制不需要十分嚴(yán)格,目前來源較豐富,大規(guī)模應(yīng)用較多。

多取代環(huán)糊精衍生物的合成主要是針對環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)中三類羥基具有不同的反應(yīng)活性,選擇性的對其中的一類或兩類,甚至全部進(jìn)行化學(xué)修飾,合成環(huán)糊精衍生物,其合成策略同樣需要將環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)中的羥基進(jìn)行選擇性的活化或保護。環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)中C-6羥基具有較高的反應(yīng)活性,三苯基膦(PPh3)催化碘(I2)對環(huán)糊精C-6羥基的全取代和甲磺酰氯(CH3SO2Cl)對環(huán)糊精C-6羥基的全酯化,均可選擇性地將環(huán)糊精C-6位置上的羥基全部活化,而保持C-2和C-3位置上的羥基不發(fā)生變化,進(jìn)而向環(huán)糊精的C-6位置引進(jìn)各種修飾基團,得到C-6位置羥基被全部取代的多取代環(huán)糊精衍生物,如圖17 Equ. 12[41]和圖18 Equ. 13[63]所示。

環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)中的C-6羥基除了選擇性活化外,也可以進(jìn)行選擇性地保護,從而實現(xiàn)對環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)中反應(yīng)活性相對較差的C-2和C-3羥基的修飾,修飾完成后,C-6位置的修飾基團可以通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)轉(zhuǎn)化脫除。二甲基t-丁基氯化硅(t-BuMe2SiCl)是目前環(huán)糊精,尤其是β-環(huán)糊精C-6羥基選擇性保護常用的試劑。如圖19 Equ. 14[64]所示,以二甲基t-丁基氯化硅(t-BuMe2SiCl)對β-環(huán)糊精C-6羥基進(jìn)行保護,從而實現(xiàn)對β-環(huán)糊精C-2和C-3羥基的選擇性修飾。在四丁基氟化銨(Bu4NF)存在下,經(jīng)二甲基t-丁基氯化硅(t-BuMe2SiCl)修飾的β-環(huán)糊精C-6羥基實現(xiàn)脫保護,得到C-2和C-3羥基選擇性修飾的β-環(huán)糊精衍生物CD-50。經(jīng)二甲基t-丁基氯化硅(t-BuMe2SiCl)保護的β-環(huán)糊精C-6羥基不僅可以通過脫保護還原,也可以進(jìn)行進(jìn)一步的化學(xué)轉(zhuǎn)化,向β-環(huán)糊精的C-6位置引入新的官能團,得到分子結(jié)構(gòu)中羥基被全部取代的β-環(huán)糊精衍生物,如圖20 Equ. 15[65-66]所示。

另外,也有一些多取代環(huán)糊精衍生物如羥丙基β-環(huán)糊精、甲基化β-環(huán)糊精、羧甲基化β-環(huán)糊精等,其分子結(jié)構(gòu)中取代基的取代位置和取代數(shù)目不確定,取代度為一個范圍,其合成過程大多在堿性條件下,使環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)中的羥基轉(zhuǎn)變?yōu)橛H核性很強的氧負(fù)離子,進(jìn)而同各種親電試劑發(fā)生反應(yīng),合成多取代環(huán)糊精衍生物。該類多取代環(huán)糊精衍生物合成過程相對簡單,反應(yīng)條件的控制也不需要十分嚴(yán)格。

4 二聚體環(huán)糊精衍生物

圖17 β-環(huán)糊精衍生物CD-43和CD-44的合成

圖18 環(huán)糊精衍生物CD-45、CD-46和CD-47的合成

圖19 β-環(huán)糊精衍生物CD-48、CD-49和CD-50的合成

圖20 β-環(huán)糊精衍生物CD-48、CD-51、CD-52和CD-53的合成

二聚體環(huán)糊精衍生物主要是指分子結(jié)構(gòu)中含有兩個環(huán)糊精單元的環(huán)糊精衍生物,目前報道的二聚體環(huán)糊精衍生物主要是β-環(huán)糊精二聚體,起連接作用的修飾基團可以連接在兩個β-環(huán)糊精單元的C-6位置,也可以連接在兩個β-環(huán)糊精單元的C-2位置,也有修飾基團一端連接在β-環(huán)糊精單元的C-6位置,一端連接在β-環(huán)糊精單元的C-2位置的二聚體環(huán)糊精衍生物。如圖21所示,β-環(huán)糊精二聚體CD-54[67]中,修飾基團的兩端分別連接在兩個β-環(huán)糊精單元的C-6位置,形成β-環(huán)糊精二聚體;β-環(huán)糊精二聚體CD-55[68]中,修飾基團的兩端分別連接在兩個β-環(huán)糊精單元的C-2位置,形成β-環(huán)糊精二聚體;而在β-環(huán)糊精二聚體CD-56[69]中,修飾基團一端連接在β-環(huán)糊精單元的C-6位置,一端連接在β-環(huán)糊精單元的C-2位置,形成環(huán)糊精二聚體。二聚體環(huán)糊精衍生物參與有機合成反應(yīng),由于具有兩個包結(jié)部位,與底物形成包結(jié)絡(luò)合物后對底物具有一定的拉伸作用,并將底物的反應(yīng)部位固定在催化活性中心附近,往往可以顯著提高催化反應(yīng)的反應(yīng)速率及區(qū)域選擇性[70-74]。

二聚體環(huán)糊精衍生物的合成主要是以具有雙反應(yīng)官能團的化合物為連接基團,將兩個環(huán)糊精單元連接起來,兩個環(huán)糊精單元基本為價廉易得的β-環(huán)糊精單元,并且其分子結(jié)構(gòu)中的一個羥基基本已經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化為反應(yīng)活性更高的反應(yīng)基團。如β-環(huán)糊精二聚體CD-57[75](圖22所示)和CD-59[76-77](圖23所示)的合成。如果單取代環(huán)糊精衍生物的修飾基團可以進(jìn)行二聚反應(yīng),也可以以單取代環(huán)糊精衍生物為單體,通過二聚反應(yīng)合成二聚體環(huán)糊精衍生物。如圖24 Equ. 18[78]所示,在H2O2存在下,單(6-巰基-6-脫氧)-β-環(huán)糊精發(fā)生二聚反應(yīng),生成β-環(huán)糊精二聚體CD-61。

圖21 β-環(huán)糊精衍生物CD-54~CD-56的結(jié)構(gòu)式

在一定程度上,二聚體環(huán)糊精衍生物的合成與單取代環(huán)糊精衍生物的合成大體相似,區(qū)別主要是二聚體環(huán)糊精衍生物的修飾基團需要同時具有兩個可以與環(huán)糊精單元進(jìn)行反應(yīng)的官能團,并且兩個官能團必須分別同兩個環(huán)糊精單元發(fā)生反應(yīng),構(gòu)筑環(huán)糊精二聚體。二聚體環(huán)糊精衍生物分子結(jié)構(gòu)中具有兩個環(huán)糊精單元,作為人工合成酶或人工合成金屬酶的水溶性配體參與有機合成反應(yīng),對反應(yīng)底物具有更加優(yōu)異的包結(jié)性能,對有機合成反應(yīng)的促進(jìn)和調(diào)控性能更佳[17-18]。

5 多聚體環(huán)糊精衍生物

多聚體環(huán)糊精衍生物主要是指分子結(jié)構(gòu)中含有3個或4個環(huán)糊精單元的環(huán)糊精衍生物,該類環(huán)糊精衍生物相對較少,如β-環(huán)糊精衍生物CD-62[79](圖25所示)、環(huán)糊精衍生物CD-63[80](圖26所示)、β-環(huán)糊精衍生物CD-64[81](圖27所示)和CD-65[82](圖28所示),主要用于構(gòu)筑基于環(huán)糊精的超分子仿生催化劑,由多個環(huán)糊精單元模擬自然界中存在的天然酶的疏水性口袋。通過多個環(huán)糊精單元與底物形成包結(jié)絡(luò)合物,精確控制底物與催化活性中心的相對空間幾何位置,實現(xiàn)高選擇性的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程,進(jìn)而研究模擬生物體內(nèi)高選擇性有機轉(zhuǎn)化過程的轉(zhuǎn)化機理。但是多聚體環(huán)糊精衍生物合成較難,目標(biāo)產(chǎn)物收率低,副產(chǎn)物多,報道相對較少,基本停留在理論研究階段。

多聚體環(huán)糊精衍生物的合成與二聚體環(huán)糊精衍生物的合成相似,主要策略就是以合適的修飾基團將3個或3個以上的環(huán)糊精單元連接起來,構(gòu)筑目標(biāo)環(huán)糊精衍生物。為了提高反應(yīng)活性,環(huán)糊精單元的羥基往往被轉(zhuǎn)化為反應(yīng)活性更高的修飾基團,如β-環(huán)糊精三聚體CD-67[83](圖29所示)和β-環(huán)糊精四聚體CD-69和CD-70[84](圖30所示)的合成。 “Click”化學(xué)反應(yīng)在環(huán)糊精衍生物合成中的應(yīng)用,為多聚體環(huán)糊精衍生物的合成提供了更多便利,如Equ. 21中α-環(huán)糊精五聚體CD-75的合成[85](圖31所示),通過炔基與疊氮基的1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng), 順利將5個α-環(huán)糊精單元連接在一起,并且該多聚體環(huán)糊精衍生物還具有可進(jìn)一步反應(yīng)的活化基團 —OMs,可進(jìn)一步通過同樣的反應(yīng)增加α-環(huán)糊精單元的數(shù)目。

圖22 環(huán)糊精衍生物CD-57的合成

圖23 β-環(huán)糊精衍生物CD-58和CD-59的合成

圖24 β-環(huán)糊精衍生物CD-60和CD-61的合成

圖25 β-環(huán)糊精衍生物CD-62的結(jié)構(gòu)式

圖26 β-環(huán)糊精衍生物CD-63的結(jié)構(gòu)式

6 環(huán)糊精聚合物(包括固載化環(huán)糊精)

圖27 β-環(huán)糊精衍生物CD-64的結(jié)構(gòu)式

圖28 β-環(huán)糊精衍生物CD-65的結(jié)構(gòu)式

環(huán)糊精聚合物(包括固載化環(huán)糊精)主要是指環(huán)糊精母體分子與交聯(lián)試劑交聯(lián)共聚而成的高分子化合物和將環(huán)糊精分子固載在有機或無機載體上形成的高分子化合物,所用交聯(lián)試劑主要是3-氯-1,2-環(huán)氧丙烷、甲苯-2,4-二異氰酸酯、甲苯-2,6-二異氰酸酯、1,2-乙二醇二環(huán)氧甘油醚、1,4-丁二醇二環(huán)氧甘油醚、六亞甲基-1,6-二異氰酸酯等一系列雙官能團試劑。用于固載環(huán)糊精的載體可以是纖維素、殼聚糖等一系列天然高分子化合物,也可以是滌綸、錦綸、腈綸等一系列合成纖維,還可以是一些無機材料,如多孔硅[86-87]、四氧化三鐵[88-89]等。與環(huán)糊精交聯(lián)聚合物相比,通過固載技術(shù)得到的環(huán)糊精聚合物中,環(huán)糊精單元的含量相對偏低,但無論是環(huán)糊精通過交聯(lián)試劑形成的環(huán)糊精聚合物,還是將環(huán)糊精固載在適當(dāng)?shù)妮d體上,都需盡量保持環(huán)糊精的性質(zhì)不發(fā)生大的變化,尤其是其“內(nèi)腔疏水,外壁親水”的空腔結(jié)構(gòu)需要保留。環(huán)糊精形成聚合物后,無論其在水中還是在有機溶劑中的溶解性均降低,有利于其從使用體系中分離出來,重復(fù)使用,大規(guī)模應(yīng)用前景較好。

至于環(huán)糊精聚合物(包括固載化環(huán)糊精)的合成,主要是以適當(dāng)?shù)慕宦?lián)試劑與環(huán)糊精母體進(jìn)行交聯(lián)或?qū)h(huán)糊精單元通過適當(dāng)?shù)倪B接基團連接到有機或無機高分子載體上。無論是環(huán)糊精交聯(lián)聚合物的合成還是固載化環(huán)糊精的制備,目前均已有相關(guān)的綜述性文獻(xiàn)報道[90-93],這里不再贅述。

7 結(jié)語與展望

環(huán)糊精來源于可再生資源,無毒,可生物降解,并且具有“內(nèi)腔疏水,外壁親水”的特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì),已成為構(gòu)筑各種功能材料的優(yōu)良結(jié)構(gòu)單元,尤其是超分子仿酶的構(gòu)筑,借助環(huán)糊精的疏水空腔模擬酶的疏水性口袋,對有機底物進(jìn)行包結(jié)絡(luò)合,將有機合成反應(yīng)從有機相轉(zhuǎn)移到水相,并提高反應(yīng)的反應(yīng)速率,區(qū)域選擇性,甚至對映選擇性。本綜述結(jié)合作者本人基于β-環(huán)糊精構(gòu)筑超分子仿酶的研 究[17-22],根據(jù)目前環(huán)糊精衍生物分子結(jié)構(gòu)形態(tài)的不同,對環(huán)糊精衍生物進(jìn)行了合理的分類,并對其構(gòu)筑策略進(jìn)行了系統(tǒng)介紹,旨在全面開啟基于環(huán)糊精構(gòu)筑可有效調(diào)控水相不對稱反應(yīng)以及易于回收的超分子仿酶的系統(tǒng)研究。以可再生資源構(gòu)筑超分子仿酶,于水相中高選擇性開展有機合成反應(yīng),不僅完全符合“綠色化學(xué)”理念,對化學(xué)工業(yè)的“綠色化”發(fā)展具有重要的推動作用,并且基于環(huán)糊精構(gòu)筑的高效超分子仿酶還可以幫助人們模擬了解生命體中各種化學(xué)轉(zhuǎn)化的具體過程,對生命科學(xué)的研究也具有重要的指導(dǎo)作用。鑒于環(huán)糊精衍生物的構(gòu)筑是上述超分子仿酶及其他功能材料構(gòu)筑的基礎(chǔ)及必要步驟,對目前環(huán)糊精衍生物進(jìn)行比較合理的分類并全面詳細(xì)地介紹其構(gòu)筑策略,對化學(xué)工業(yè)的“綠色化”發(fā)展及深入了解生命科學(xué)中的各種化學(xué)轉(zhuǎn)化具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義,對其他功能材料的構(gòu)筑也具有重要的指導(dǎo)意義?;诃h(huán)糊精構(gòu)筑可有效調(diào)控水相不對稱反應(yīng),并且易于回收的超分子仿酶,是今后實現(xiàn)化學(xué)工業(yè)“綠色化”發(fā)展的重要研究方向之一。

圖29 β-環(huán)糊精衍生物CD-67的合成

圖30 β-環(huán)糊精衍生物CD-69和CD-70的合成

圖31 α-環(huán)糊精衍生物CD-73、CD-74和CD-75的合成

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