基于“点击化学”的功能糖分子构建与应用

论文摘要

“点击化学（Click chemistry）"以其生成稳固的“碳-杂-碳（C-X-C）”连接核心为特色,从单个分子构建到组合化学,从结构的多样性到功能的多元化,它开辟出一套集实施简易、模块化、反应快速、收率高、立体选择性好以及对水氧不敏感等优点于一身的,具有广泛适用性和创造力的合成化学新方法。作为点击化学的杰出代表,一价铜离子催化的叠氮与炔的Huisgen1,3-偶极环加成（CuAAC）反应在糖类功能分子的合成中显示出巨大的优势。本论文研究工作以点击化学为合成基础,构建结构多样的“1,2,3-三氮唑型”功能糖分子。根据研究内容,分为以下三个部分：第一部分（论文第2章）：自然界的糖脂,囊括了一切以亲水的糖与疏水的脂通过不同方式连接而成、结构多样、功能复杂的两亲性分子。它们在作为生命体结构物质的同时,也担当信息和调控分子的角色,参与各种生物学过程。此外,种类繁多的糖脂天然产物以及通过化学合成手段获得的糖脂类化合物,具有抗癌、抗菌、免疫调节等广泛多样的生物活性,而出色的表面化学性能也使之在工业等领域得到广泛应用。本部分研究工作经由简易的糖基和脂质配体合成策略,以CuAAC为连接手段,“点击”合成多系列、具有规律性结构变化的“1,2,3-三氮唑型”糖脂类似物,并进行了化合物库的体外生物活性和物理化学性质研究。在生物学活性研究中,系列Ⅰ、Ⅱ糖脂对多种人癌肿瘤细胞株表现出具一定“构效关系”规律的体外生长抑制活性；同时,系列Ⅱ糖脂在一定程度上显示了抗肿瘤活性的“类协同效应”现象；而系列Ⅰ糖脂则另表现出一定的抗菌活性规律。在物理化学性质研究中,系列Ⅰ、Ⅱ中部分化合物表现出有趣的“气-液界面”行为及性质规律；而在抗金属腐蚀性能方面,经过对系列Ⅰ、Ⅱ化合物初步抗腐蚀性质探索以及结构改进而得到的系列Ⅲ糖脂化合物,最终达到了提升其金属抗腐蚀性能的目的。第二部分（论文第3章）：自然界结构形式复杂的糖类与其受体蛋白之间的特异识别作用,构成了糖类生物学功能的基础。而多拷贝的糖链与簇集状受体的糖识别位点之间作用的“合力”,是实现这种生物学特异相互作用的有效方式,即所谓“多价效应”（或称“簇效应”）。许多人工合成糖簇及糖聚合物分子,也正是利用这一效应的结合力优势,实现对其特异受体出色的靶向或结合作用。本部分研究工作以构建具有“多价糖基”的新型糖簇分子为主要目的,首先经多步反应合成以“肽氧键”串联、具“多价叠氮”修饰的非天然“氧肽”骨架,并选取具有重要生物学意义的单糖经简易合成得到糖炔,进而以CuAAC方法将二者相“点击”,得到“糖价态数”不等的“1,2,3-三氮唑”型“糖氨氧酸”及“糖氧肽”类化合物。所构建化合物具有可供方便修饰的氨基与羧基端头,利于进一步功能化应用：其多价GalNAc糖基使之具备潜在生物学靶向能力及类肿瘤疫苗的结构特征,在生物医学研究中颇具应用潜力。第三部分（论文第4章）：石墨烯这一新型二维纳米碳晶体的出现,引领纳米传感科学步入一个崭新的时代。它出色的光学、电学及结构学性质赋予其十分广阔的应用空间,而良好的生物相容度和低毒性也使它的生物医学应用优势巨大。自石墨烯出现以来不足10年的短暂过程中,以此二维平台为基础的新型纳米传感器的研究与应用被争相报道,并在物质探测和诊断学相关领域显示出尤为突出的应用价值。本部分研究工作通过简洁高效的“点击化学”手段,将具有生物特异识别作用的单糖与荧光性质优良的罗丹明相连,合成结构简单的“糖-罗丹明”荧光物,并将其进一步与二维氧化态石墨烯材料以π-π作用相叠合,利用石墨烯-荧光团之间的"FRET效应”,搭建表面簇集糖荧光分子、“荧光关闭”的石墨烯纳米生物传感器。进而,我们通过糖-受体间特异识别、结合作用可干扰FRET过程这一原理,应用该传感体系成功实施了“糖特异凝集素”的“荧光启发式”检测,并首次将这一过程用于癌细胞表面糖蛋白受体的原位识别与荧光标记。该“荧光关开式”生物传感器构建简易、成本低廉、无毒,在生物学、医学诊断领域具有较强的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstracts
• 第1章 点击化学创制功能性糖分子概述
• 1.1 点击化学概述
• 1.2 点击化学在糖类化合物构建中的应用
• 1.2.1 糖类“点击化学”的可行性
• 1.2.2 三氮唑型糖缀合物及衍生物
• 1.2.3 三氮唑型糖药物（抑制剂）
• 1.2.4 基于点击化学的糖类聚合物
• 第2章 功能性三氮唑糖脂类似物的“点击化学”构建及性质研究
• 2.1 前言
• 2.1.1 糖脂的分类、结构及功能
• 2.1.2 糖脂的生物学活性
• 2.1.3 糖脂的物理化学性能
• 2.2 课题设计
• 2.2.1 系列Ⅰ、Ⅱ糖脂的设计思路及方案
• 2.2.2 系列Ⅲ糖脂的设计思路及方案
• 2.3 实验部分
• 2.3.1 实验试剂、材料与仪器
• 2.3.2 溶剂的特殊处理
• 2.3.3 系列Ⅰ、Ⅱ糖脂炔基酯配体合成通法
• 2.3.4 系列Ⅰ苄基保护糖脂中间体的微波点击合成通法
• 2.3.5 系列Ⅰ糖脂终产物的脱保护反应通法
• 2.3.6 系列Ⅱ苄基保护糖脂中间体的点击合成通法
• 2.3.7 系列Ⅱ糖脂终产物的脱保护反应通法
• 2.3.8 系列Ⅲ糖脂炔基醚配体合成通法
• 2.3.9 系列Ⅲ三氮唑醚型单糖糖脂类似物的合成
• 2.3.10 系列Ⅲ三氮唑醚型二糖糖脂中间体的点击化学合成通法
• 2.3.11 系列Ⅲ三氮唑醚型二糖糖脂终产物的脱保护反应通法
• 2.3.12 系列Ⅲ双子醚型糖脂类似物的合成
• 2.3.13 系列Ⅲ芳香磺胺糖脂类似物的合成
• 2.3.14 MTT测试
• 2.3.15 抗菌实验
• 2.3.16 π-A等温线
• 2.3.17 原子力显微成像
• 2.3.18 接触角θ测量
• 2.3.19 电化学测试
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 化学合成
• 2.4.2 初步抗肿瘤活性
• 2.4.3 初步抗菌活性
• 2.4.4 气-液界面性质
• 2.4.5 抗金属腐蚀性能
• 2.5 本章结论
• 第3章 “氧肽骨架”三氮唑糖簇类化合物的构建
• 3.1 前言
• 3.1.1 “糖-蛋白”相互作用及其生物学意义
• 3.1.2 糖生物学的“多价效应”
• 3.1.3 多价糖分子的结构特点
• 3.1.4 人工多价糖分子的生物医学应用
• 3.2 课题设计
• 3.2.1 设计依据
• 3.2.2 实验方案选定
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 实验材料与仪器
• 3.3.2 叠氮氨氧酸及氧肽骨架的合成
• 3.3.3 炔基GalNAc的合成
• 3.3.4 糖氨基酸及糖簇的CuAAC合成通法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 “氧肽”骨架的合成
• 3.4.2 糖氧肽分子的点击合成
• 3.5 本章结论
• 第4章 石墨烯堆叠糖罗丹明“荧光关开式”生物探针的构建与应用
• 4.1 前言
• 4.1.1 石墨烯在电化学、电子传感领域的应用
• 4.1.2 氧化态石墨烯的荧光淬灭效应及其“光-生物传感”
• 4.2 课题设计
• 4.2.1 设计依据
• 4.2.2 糖基罗丹明探针的设计
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 实验试剂、材料与仪器
• 4.3.2 糖基罗丹明的合成
• 4.3.3 氧化石墨烯的制备
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 GR/GO复合物的制备与表征
• 4.4.2 GR/GO复合物的“关开式”荧光生物传感
• 4.5 本章结论
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录