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    南開大學劉育教授課題組Angew:光致異構調活性,對映異構辨手性

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    多聚陽離子環糊精衍生物與納米金材料通過靜電相互作用構筑了一種新型的超分子催化劑,光致異構體(偶氮苯修飾苯丙氨酸二肽)客體分子的引入可以實現對體系催化活性的可逆光刺激響應調控;手性對映異構體(D-L-單糖)作為底物客體分子,能夠產生手性識別催化過程實現對手性單糖的比色識別。

    背景介紹


    A.環糊精的主客體相互作用
    環糊精是一類由D-吡喃葡萄糖單元首尾相連形成的大環化合物,自從被發現以來,就受到了眾多的科研工作者的關注。環糊精及其衍生物具有疏水性內腔能夠選擇性地鍵合各種有機、無機以及生物分子形成超分子復合物,另外,其空腔的獨特手性微環境,能夠有效地對手性分子進行識別。 通過環糊精的主客體相互作用構筑的智能響應超分子組裝體在藥物負載和釋放、腫瘤靶向治療等領域已經成為研究熱點。

    B.納米金
    納米金即尺寸在納米級別的金顆粒,通過氯金酸的還原過程即可方便地制備各種尺寸的納米金顆粒。另外,由于其具有高效的催化活性和穩定性,被廣泛地應用于催化領域。納米金被認為是具有低溫活性的高效催化劑,有些反應甚至能夠在室溫下就能夠進行催化。有意思的是,納米金作為一種人工酶,可以模擬葡萄氧化酶快速地催化葡萄糖轉變為葡萄糖酸,因此,在生物領域當中,納米金具備潛在應用前景。

    研究出發點


    通過靜電相互作用將環糊精衍生物負載與納米金的表面構筑了一種超分子催化劑,環糊精的空腔賦予了超分子催化劑分子識別和手性識別的能力。因此,將光致異構體引入催化體系能夠實現催化活性的光調控行為;對映異構體作為客體底物能夠實現手性催化過程,并且利用這一特性將其應用于少見的手性單糖的比色識別。

    圖文解析


    多聚陽離子環糊精與納米金的通過靜電相互作用組裝的過程十分有趣,并且紫外可見光譜,Zeta電勢、透射電鏡及紅外光譜詳細的對此過程進行了表征,最終形成的超分子催化劑借助DLS測試驗證了環糊精在納米金表面的覆蓋,另外,熱重分析計算結果得出了平均每個納米金表面環糊精衍生物的數量(圖1)。

    南開大學劉育教授課題組Angew:光致異構調活性,對映異構辨手性(圖1)
    ▲圖1 超分子催化劑的構筑過程研究

    超分子催化劑的催化活性通過硝基苯酚的還原模型進行測試,測試發現超分子催化劑對于底物的催化過程不符合偽一級動力學,結合圓二色光譜的結果,推測是底物在環糊精空腔當中發生反應導致的此現象(圖2a,b)?;诖呋^程發生于環糊精空腔當中,故在體系當中引入偶氮苯修飾苯丙氨酸二肽客體分子,反式偶氮苯部分對于環糊精空腔的占據以及苯丙氨酸二肽部分的自組裝過程促使了整個催化體系處于休眠狀態(圖2c-f),由于客體分子對紫外光靈敏的響應性以及高效的光致異構化效率,紫外光刺激能夠快速激活超分子組裝體系的催化活性,另外交替改變光照波長能夠實時地對整個催化體系活性進行有效的控制(圖3)。
      
    南開大學劉育教授課題組Angew:光致異構調活性,對映異構辨手性(圖2)
    ▲圖2 超分子催化劑的催化行為研究以及組裝過程

    南開大學劉育教授課題組Angew:光致異構調活性,對映異構辨手性(圖3)
    ▲圖3 超分子催化體系的光調控催化活性行為

    超分子催化劑進一步的模擬葡萄糖氧化酶測試其對于葡萄糖催化氧化的過程,驚喜的發現,超分子催化劑表現出十分特殊的手性識別催化過程,即只能對L-構型的單糖進行高效的催化氧化,而D-構型的單糖催化過程則被抑制。經過詳細的測試和嚴謹的分析發現,D-構型的葡萄糖與環糊精衍生物之間擁有更大的鍵合常數而且其氧化產物能夠被納米金表面環糊精咪唑基團的富集的正電勢吸引,從而無法脫離空腔造成了催化過程被抑制,而L-構型的單糖卻不能有效的被空腔所包結(圖3)。因此,催化過程得以持續。利用這一特性,結合3,3,5,5 -四甲基聯苯胺的特殊顯色反應實現了少有的手性單糖比色識別(圖4)。
      
    南開大學劉育教授課題組Angew:光致異構調活性,對映異構辨手性(圖4)
    ▲圖4 超分子催化劑手性識別催化

    南開大學劉育教授課題組Angew:光致異構調活性,對映異構辨手性(圖5)
    ▲圖5 手性單糖比色識別

    總結與展望


    此工作通過超分子組裝策略結合環糊精衍生物對于客體分子的識別和鍵合過程,成功拓展了智能環糊精超分子組裝體在催化領域的應用,提供了一種簡單且便利的超分子催化劑的構筑策略,尤其是為超分子手性識別在手性催化領域的發展奠定了基礎。

    心得體會


    本課題組在此之前對智能響應超分子的構筑已經有了深入的研究,也一直在努力將此拓展到催化領域。 合適的主客體作用,合適的催化中心,合適的模型反應都是需要綜合考慮的。課題當中對于手性單糖的識別催化過程剛剛開始也是令我抓狂的,最開始只是想簡單的將葡萄糖催化氧化,但是構筑的超分子對常見的D-構型葡萄糖卻沒有明顯的催化活性,一度令我深深的陷入自我懷疑當中,幸虧劉老師在這個時候的提醒,再嘗試一下對L-構型葡萄糖的催化效果,才發現這么簡單的超分子催化劑居然就實現了手性識別催化的效果,很巧的是,審稿人同樣也是無法相信這個結果,所以,后續的對照實驗和控制實驗做了一大堆才將機理很明確的推斷了出來??偠灾?,做實驗就得拿出湖南人做事情的風格吃得苦,耐得煩,霸得蠻才能了得難。

    課題組介紹


    劉育,教授,男,1954年生,1991年獲日本姬路工業大學博士學位,同年回國后在中國科學院蘭州化學物理研究所從事博士后研究工作。1993年進入南開大學任教授,同年享受國務院政府特殊津貼,1994年教育部跨世紀人才,1996年獲國家杰出青年科學基金資助,1997年被授予天津市授銜專家, 2010年中國僑界貢獻獎,2012年全國優秀科技工作者,2006年和2011年分別兩次任國家973重大研究計劃項目首席科學家。在有機超分子化學和納米超分子化學的研究方面做了大量的工作,研究成果已在國內外核心刊物發表論文500多篇,論文SCI他引15000多次,h-index: 62, 在國內外重要學術會議做大會邀請報告25次。主編專著3部,參編專著8部。獲國家自然科學獎二等獎1項,省部級自然科學一 等獎3項,二等獎3項,寶鋼優秀教師特等獎1項和國家十一 五科技計劃執行突出貢獻獎?,F國務院學位委員會學科評議組成員,國際環糊精和葫蘆脲協會顧問委員會委員,中國化學會理事,Supramol.Chem., 高等學?;瘜W學報和中國化學快報副主編,Asian J. Org. Chem., 7種雜志編委


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