第一章儿玩儿.doc

中国科学院大连化学物理研究所博士后出站报告第一章 绪论1.1 引言核酸的组成和结构1核酸分脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两大类核酸也是一种多聚化合物，它的基本结构单元是核苷酸核苷酸是由核苷和磷酸组成的，而核苷可以分解成碱基和戊糖上述结构组成关系可用下图（图1-1）表示：图1-1 核酸结构组成关系核酸中的主要碱基有五个，结构简式如下所示（图1-2）：在DNA中含有腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)四种碱基，而在RNA中含有腺嘌呤(A)、尿嘧啶(U)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)四种碱基图1-2 核酸中碱基分子式在核酸和脱氧核酸中，核糖和脱氧核糖都形成五元环的呋喃糖的形式，所有的碱基都以β-苷键的形式在1位上结合，也即糖与碱基结合后是以糖苷的形式存在DNA中的四个2-脱氧核苷的结构如下所示（图1-3）：图1-3 DNA中脱氧核苷分子式RNA中的四个核苷的结构如下所示（图1-4）：图1-4 RNA中核苷分子式核苷中呋喃糖的羟基与磷酸成酯就形成了核苷酸，DNA中的四个2-脱氧核苷酸的结构如下所示（图1-5）：图1-5 DNA中脱氧核苷酸分子式核酸有一级结构、二级结构和三级结构。

一级结构是指组成核酸的各核苷酸的排列顺序，是通过磷酸在不同核苷的3位或5位上结合起来的线性大分子，其结构可用下图表示（图1-6）： 图1-6 DNA一级结构 其中末端5位有自由的磷酸基团，以及末端3位自由的羟基其结构简式如下图：（图1-7）图1-7 DNA一级结构简式 DNA中的双螺旋结构就是核酸的二级结构其结构如下图所示（图1-8）：双螺旋结构遵循Chargaff规则：1，两条单链成反平行；2，腺嘌呤和胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶的比例是1：1；3，腺嘌呤和鸟嘌呤的量等于胸腺嘧啶和胞嘧啶的量双螺旋结构通过以下方式稳定：a，碱基间的H键相互作用；b，碱基间的堆积相互作用；c，疏水性；d，电荷间的排斥作用核酸的其它结构本文不再赘述图1-8 DNA的二级结构1.2核酸的催化功能：20世纪80年代，Cech 和Altman发现天然的RNA不仅仅参与基因的储存和传递，还可以催化化学反应，包括RNA的断裂和连接等等直到1994年，Breaker和Joyce发现DNA可以在Pb2+的存在下，实现RNA磷酸二酯键的断裂2-4。

1.2.1 DNA催化低聚核苷酸的反应5-91.2.1.1 DNA催化RNA断裂最早证明DNA催化的反应为RNA的断裂RNA的断裂发生在磷酸二酯键紧邻的2’羟基进攻磷酸二酯键形成2’，3’-环状磷酸酯以及5’自由的羟基（图1-9）图1-9 RNA的断裂到目前为止，文献中报道使RNA断裂的DNA有以下几种，列于图1-10中图1-10 RNA断裂的碱基位置1.2.1.2 DNA催化RNA的连接DNA催化RNA的连接主要有两种方式：a，5’羟基进攻2’，3’环状磷酸酯生成非自然存在的2’，5’连接的磷酸二酯键以及自然存在的3’，5’连接的磷酸二酯键（图1-11a）；b，2’，3’羟基进攻5’三磷酸生成非自然存在的2’，5’连接的磷酸二酯键以及自然存在的3’，5’连接的磷酸二酯键（图1-11b）图1-11 DNA催化RNA的连接1.2.2 DNA不对称催化在温和的条件下，酶表现出高催化活性、选择性10这一思路为学术界开发新的催化体系提供了新的契机11相对于合成催化剂，酶的催化有一定的局限性而杂化催化体系这一新兴领域弥补了这些空白杂化催化剂将具有强大的催化功能的过渡金属催化剂与具有手性结构的生物大分子（例如蛋白质、DNA）结合起来，组成新的催化体系。

杂化催化剂包括合成的催化剂，往往是金属化合物，锚定于生物大分子骨架上12锚定的方法可以是共价键，该杂化催化剂可以通过化学或者基因的方法对过渡金属催化剂以及生物大分子进行调整13-14使用蛋白质作为骨架，已经实现了高对映选择性的转化15-20，并且基于蛋白质的杂化体系已经在多篇综述中报道21而使用DNA作为骨架是由Roelfes小组发展起来的一种新方法22-26DNA，因其具有独特的手性特性引起了关注具有右手螺旋的B-DNA是最常见的DNA类型，但DNA的结构受到沟处含水量、溶剂的离子强度以及与DNA结合的分子的影响可以转变为其它的构型，例如左手螺旋的Z-DNADNA可以通过合成或者是天然的提取得到，例如自然界中存在的鲑鱼精DNA（st-DNA）和小牛胸腺DNA（ct-DNA）都可以大量的获得，成本较低1.2.2.1 DNA不对称催化思路基于DNA 的不对称催化剂包括非手性的金属催化剂以及具有手性螺旋结构的DNA组成金属化合物紧密的作用于DNA双螺旋处，发生催化反应其中金属化合物作为催化中心，DNA提供手性中心两种方法可以实现这一过程的转化：一种是非共价结合，一种是共价结合（图1-12）。

这两种方法都是将DNA通过疏水、堆积、静电/氢键等相互作用，将小分子固定于DNA的沟处这两种方法都有一定的优缺点前一种方法优点是，易形成、催化体系通过金属化合物与DNA快速自组装完成，但缺点是体系中金属化合物不易定位，有可能与DNA多位点作用作为结果，可以认为是不同微环境中的多相混合相比之下，共价结合可以精确控制作用位点以及催化剂的结构，但是DNA不能直接进行调整，费时，优化困难图1-12 DNA不对称催化的两种途径1.2.2.2非共价结合非共价结合策略包括与DNA作用配体的设计到目前为止，开发出两代配体（图1-13）在第一代配体中，与DNA连接片段通过碳链的间隔与金属化合物片段相连27常用的DNA嵌入剂9-氨基吖啶作为与DNA连接片段，氨甲基吡啶作为金属化合物片段通过优化设计不同的取代基R以及间隔长度【n】相比之下，第二代配体，与DNA作用片段与金属化合物片段合为一体28相对于第一代配体，第二代配体更接近于DNA图1-13 DNA不对称催化中的两代配体杂化催化剂通过st-DNA与相应的Cu化合物自组装生成，并用于Cu催化杂环D-A反应（图1-14）29对于第一代配体L1-L4中，ee值的获得依赖于配体中R基团以及【n】。

当R基团是芳甲基获得较高的ee值，当R是萘甲基时，获得最好的结果芳基与底物间的作用π-π相互作用是获得高ee的原因有趣的是，使用L3得到相反构型产物为37%ee当【n】=2或3时，得到最好的结果，增长碳链导致选择性的急剧下降，说明Cu与DNA的接触是必须的从第一代配体得知，间隔越短的话，得到较好的结果因而产生了第二代配体使用第二代催化剂得到高的ee值，从Cu(dppz)49%ee到Cu(bpy)90%ee当4’和4位是甲基时，endo:exo>99:1，endo产物ee>99%图1-14 Cu2+催化D-A反应1.2.2.3 DNA不对称催化应用范围在最优的催化体系，st-DNA/Cu（dmbpy）应用于其它类型的反应C-C形成反应st-DNA/Cu（dmbpy）应用于C-C形成反应，例如D-A反应30、Michael加成反应31以及付-克烷基化反应（图1-14）32重要的一点是使用а、β不饱和2-乙酰咪唑替代氮杂查耳酮为底物，这类底物可以直接制备，并且咪唑基团容易离去图1-14 st-DNA/Cu（dmbpy）催化C-C形成反应范围第一个例子，st-DNA/Cu（dmbpy）催化а、β不饱和2-乙酰咪唑与环戊二烯的D-A反应。

对映选择性可以高达98%，这与氮杂查耳酮结果相当，该催化体系使用于β碳上不同取代的底物，可以是芳基、烷基甚至是氢取代对所有的底物，结果在80-98%ee之间水相中st-DNA/Cu（dmbpy）催化а、β不饱和2-乙酰咪唑的Michael加成反应31在此之前，只有少数的体系报道在水相中可以实现该反应33使用丙二酸二甲酯作为Michael加成给体，产物的ee值高达99%硝基甲烷作为Michael加成给体，产物的ee值达94%这是目前为止报道的水相中最好的结果а、β不饱和2-乙酰咪唑与π-亲核试剂加成，例如吲哚或吡咯，引起广泛兴趣这些杂环化合物是许多手性天然产物的前体，这类反应称为付-克烷基化传统的是在无水的条件下实现在水相中，st-DNA/Cu（dmbpy）催化体系可以获得93%ee32Ee值依赖于β位的取代，与Michael加成以及D-A反应相反，付-克烷基化中β位为烷基取代获得好的结果C-C形成反应，可以在制备条件下实现，结果没有明显的降低，催化剂的量可以降到5%（Michael加成以及D-A反应）以及0.3%（付-克烷基化），并且可以使用乙醚萃取，实现催化剂的循环使用文献中考察了与水互溶溶剂的影响，对反应的结果没有明显的变化34，但是，对反应的速度有较明显的影响。

对于D-A反应，速度减缓；Michael加成以及付-克烷基化，加速反应其它的反应Toru小组成功地将st-DNA/Cu（dmbpy）应用于酮酸酯的氟化35，结果受到底物的影响较大，最好的得到74%ee（图1-15a）st-DNA/Cu（dmbpy）应用于吡啶环氧化合物的动力学拆分36（图1-15b）图1-15 st-DNA/Cu（dmbpy）应用与其它的不对称催化1.2.3不对称催化中DNA的作用在催化反应中，催化剂与DNA间的紧密结合导致手性的诱导但是，DNA并不是单单起到手性源的作用，通过氮杂查耳酮与环戊二烯D-A反应的动力学得知：在第一代催化剂中，DNA的存在减速反应进程37；而第二代催化剂中，DNA的存在加速反应的进程38在DNA不对称催化中，DNA序列、DNA结构决定Cu催化剂与DNA作用的微环境DNA是一系列无规则的长链核苷酸文献中考察了短链的低聚核酸对两代催化剂结果的影响DNA的序列对两代催化剂的影响较大，使用L3最好的结果，是GC交替出现的DNA链中，ee值从st-DNA的37%到P(dG-dC)2的62%对于富含AT碱基的序列，给出较低的ee对于第二代催化剂Cu（dmbpy）表现出不同序列的影响，交替GC序列给出较低的ee值，而富含G碱基的序列给出最好的结果（表1-1），d(TCAGGGCCCTGA)2序列可达99.4%ee。

表1-1不同序列对反应的影响1.2.4第一代催化剂与第二代催化剂的比较到目前为止，第二代催化剂比第一代催化剂表现出高的对映选择性因为在催化反应中，DNA起到不同的作用对于第一代催化剂，DNA只是提供手性源，而在第二代催化剂中，DNA参与反应的进程，表现出明显的配体加速效应但是两代催化剂要求不同的DNA序列以实现不同的催化微环境，进而获得高的对映选择性重要的一点是，对于第一代催化剂，可以对其调整以得到不同构型的产物，而对于第二代催化剂只能得到单一构型的产物因此，第一代比第二代更可控的催化体系使用不同类型配体，催化金属中心位于不同的微环境，第一代催化剂，Cu2+更倾向于作用于DNA的边缘；而在第二代催化剂，反应在沟处进行，对微环境处的结构与化学性质更敏感DNA催化不对称反应中，产物的立体选择性可以预期（图1-16），二烯或亲核试剂通过进攻同样π面实现烯酮的一个面被DNA阻挡，导致更倾向于另一面的进攻图1-161.2.5共价DNA催化方法相对于非共价方法，共价连接具有优点DNA与催化剂间的微环境可控。