手性双氨基酸五配位氢膦烷的立体化学研究

论文摘要

五配位磷化合物作为中间体或过渡态在生物学过程中被广泛的提出。本论文以氨基酸为原料合成并分离出16个单一绝对构型的双氨基酸五配位氢膦烷，通过高效液相色谱（HPLC）、核磁共振波谱（MR）、X-射线单晶衍射技术、圆二色光谱（CD）、电喷雾质谱（ESI-MS）以及量子化学理论计算等分析手段对它们的立体结构进行了系统的研究。本论文通过L-型氨基酸与PCl3反应可以获得一对双氨基酸五配位氢膦烷的非对映异构体，与之类似，D-型氨基酸与PCl3反应可以获得另外一对双氨基酸五配位氢膦烷的非对映异构体。这些非对映异构体都可以利用非手性HPLC进行有效的分离（纯度大于99．5％）。固体CD光谱证明它们双双成对映异构体的关系，在非手性HPLC中有相同的保留时间及相似的波谱数据。1H-1H COSY实验发现其中一类双氨基酸五配位氢膦烷中氨基酸侧链α-CH与PH之间具有远程相关作用，4JH-C-N-P-H为2．4 Hz。量子化学理论计算表明在双氨基酸五配位氢膦烷的非对映异构体之间，P-H键与氨基酸侧链α-位碳原子的C-H键空间伸展方向不同，进而造成了1H-1H COSY信号的差异，4JH-C-N-P-H分别为2．5或0．5 Hz。31P NMR和1H NMR跟踪测试表明该系列化合物各单一绝对构型在中性有机溶剂DMSO-d6或CDCl3中，室温条件下，40天内可以稳定不变。高纯度和较好的稳定性为绝对构型研究结论的可靠性和有效性奠定了很好的基础。X-射线单晶衍射技术对获得晶体结构的8个双氨基酸五配位氢膦烷的结构进行解析，确定该系列化合物中心磷原子属于三角双锥构型，H原子和两个N原子在平伏键上，两个O原子在直立键上。在此基础上，借鉴配位化合物的命名规则，对其绝对构型进行命名，并通过固体CD光谱以及1H NMR对所有化合物的绝对构型进行关联。本论文还系统的对1JP-X（X=H，N）进行了研究，实验测试表明：1JP-H耦合常数的数值在四配位磷化合物中约为700 Hz小于在双氨基酸五配位氢膦烷中约为800 Hz的数值，而1JP-N耦合常数的数值在四配位磷化合物中约为41 Hz却大于在双氨基酸五配位氢膦烷中约为32 Hz的数值。利用量子化学理论计算，通过DFT／B3LYP／6-3 1+G（d,p）对化合物的几何结构进行优化，再用DFT／B3LYP/IGLOⅢ对其进行耦合常数的计算获得了与实验测试相同的结论，研究表明在双氨基酸五配位氢膦烷中，P-N键具有双键的性质，从而降低了化学键中s轨道的比例，进而降低了相应的1JP-N耦合常数数值。对双氨基酸五配位氢膦烷固体CD和溶液CD的测试，以及对双缬（亮）氨酸五配位氢膦烷的CD光谱进行理论计算研究，确定了氨基酸侧链为饱和脂肪链的双氨基酸五配位氢膦烷的CD信号受到中心手性磷原子与氨基酸侧链α-位手性碳原子的共同影响。由于在不同构型中两类手性原子对CD光谱的贡献不同，所以在非对映异构体之间CD光谱的最大吸收峰位置和吸收强度都有明显的差异。最后，对双氨基酸五配位氢膦烷进行电喷雾多级质谱裂解规律研究发现，单纯的通过多级质谱裂解无法区分化合物的手性。在正离子模式下（[M+H]+或[M+Na]+），氨基酸侧链对相应的亚胺离子具有明显的稳定作用，伴随着氨基酸侧链变大（特别是苯环基团存在时），亚胺离子的稳定性明显增强并影响多级质谱的裂解规律。在负离子模式下（[M-H]-），对于双苯甘氨酸五配位氢膦烷因为苯环直接连接在化合物的螺环上，从而使得苯环在稳定该类化合物的负离子碎片上具有重要的作用，并表现出不同的裂解方式。本论文充分发挥各种立体化学研究方法的优势，从多角度对手性双氨基酸五配位氢膦烷的结构进行探讨，并运用量子化学理论计算的方法对实验测试获得的数据进行合理的解释。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 英文缩写符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 磷在生命体中的重要作用
• 1.2 生物化学过程中的高配位磷现象
• 1.2.1 生物化学过程中的磷酰基转移机理
• 1.2.2 RNA水解过程的化学本质与五配位磷现象
• 1.2.2.1 RNA的非酶促水解过程与五配位磷现象研究
• 1.2.2.2 RNA的酶促水解过程与五配位磷现象研究
• 1.2.2.3 cAMP参与的生化过程与五配位磷现象研究
• 1.2.3 蛋白磷酰化和去磷酰基过程中的五配位磷现象研究
• 1.2.3.1 PKA参与蛋白磷酰化过程中的五配位磷现象
• 1.2.3.2 蛋白酪氨酸酶去磷酰化过程中的五配位磷现象
• 1.2.4 葡萄糖变构酶作用过程中的五配位现象
• 1.2.5 N-磷酰化氨基酸各种性质中的五配位磷现象
• 1.3 五配位磷化合物（磷烷）的结构特点与性质
• 1.3.1 磷原子的结构特征
• 1.3.2 磷烷的空间构型
• 1.3.3 磷烷三角双锥构型的亲顶性原则和小环取向原则
• 1.3.3.1 磷烷三角双锥构型的亲顶性原则
• 1.3.3.2 磷烷三角双锥构型的小环取向原则
• 1.3.4 磷烷三角双锥构型假旋转机理研究
• 1.3.4.1 Berry假旋转（Berry Pseudorotation, BPR）机理研究
• 1.3.4.2 转门旋转（Turnstile Rotation,TR）机理研究
• 1.3.5 氢膦烷的化学反应活性
• 1.4 五配位磷化合物的手性问题
• 1.4.1 立体化学中手性研究的意义
• 1.4.2 手性拆分的主要方法
• 1.4.3 五配位磷化合物的手性分离与研究
• 1.5 博士论文的主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 实验部分
• 2.1 试剂
• 2.2 仪器
• 2.3 化合物的合成
• 2.3.1 双氨基酸五配位氢膦烷的合成
• 2.3.2 二烷氧基亚磷酸酯的合成
• 2.3.3 N-磷酰化氨基酸甲酯的合成
• 2.4 化合物的数据表征
• 2.5 部分化合物的晶体数据
• P,S_C,S_C）构型3a的晶体数据'>2.5.1 双缬氨酸五配位氢膦烷（Λ_P,S_C,S_C）构型3a的晶体数据
• P,R_C,R_C）构型4a的晶体数据'>2.5.2 双缬氨酸五配位氢膦烷（Δ_P,R_C,R_C）构型4a的晶体数据
• P,S_C,S_C）构型7a的晶体数据'>2.5.3 双苯甘氨酸五配位氢膦烷（Λ_P,S_C,S_C）构型7a的晶体数据
• P,S_C,S_C）构型7b的晶体数据'>2.5.4 双苯甘氨酸五配位氢膦烷（Δ_P,S_C,S_C）构型7b的晶体数据
• P,R_C,R_C）构型8a的晶体数据'>2.5.5 双苯甘氨酸五配位氢膦烷（Δ_P,R_C,R_C）构型8a的晶体数据
• P,R_C,R_C）构型8b的晶体数据'>2.5.6 双苯甘氨酸五配位氢膦烷（Λ_P,R_C,R_C）构型8b的晶体数据
• P,S_C,S_C）构型9a的晶体数据'>2.5.7 双苯丙氨酸五配位氢膦烷（Λ_P,S_C,S_C）构型9a的晶体数据
• P,R_C,R_C）构型10a的晶体数据'>2.5.8 双苯丙氨酸五配位氢膦烷（Δ_P,R_C,R_C）构型10a的晶体数据
• 参考文献
• 第三章 双氨基酸五配位氢膦烷绝对构型的确定与关联
• 3.1 双氨基酸五配位氢膦烷的HPLC分离与纯度鉴定
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 双氨基酸五配位氢膦烷非对映异构体的HPLC分离
• 3.1.3 双氨基酸五配位氢膦烷对映异构体的HPLC分离
• 3.2 双氨基酸五配位氢膦烷的稳定性研究
• 3.3 双氨基酸五配位氢膦烷绝对构型的确定
• 3.3.1 X-射线衍射单晶结构分析
• 3.3.1.1 晶体的特征
• 3.3.1.2 晶体的培养
• 3.3.1.3 晶体的挑选与安置
• 3.3.2 五配位化合物中心原子绝对构型的确定
• 3.3.3 双氨基酸五配位氢磷烷绝对构型的确定
• 3.4 圆二色光谱对双氨基酸五配位氢膦烷绝对构型的关联
• 3.4.1 圆二色光谱
• 3.4.2 固体圆二色光谱对双氨基酸五配位氢膦烷绝对构型的关联
• 3.5 核磁共振波谱对双氨基酸五配位氢膦烷绝对构型的关联
• 3.5.1 核磁共振波谱
• 3.5.2 核磁共振波谱对双氨基酸五配位氢磷烷绝对构型的关联
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 双氨基酸五配位氢膦烷的核磁共振信号研究
• 4.1 引言
• 4.2 量子化学计算方法简介
• 4.2.1 半经验计算方法
• 4.2.2 从头计算法
• 4.2.3 电子密度泛函理论
• 4J_H-C-N-P-H研究'>4.3 双氨基酸五配位氢膦烷的⁴J_H-C-N-P-H研究
• 1H-¹H COSY对⁴J_H-C-N-P-H的确定'>4.3.1¹H-¹H COSY对⁴J_H-C-N-P-H的确定
• 4J_H-C-N-P-H的研究'>4.3.2 理论计算对⁴J_H-C-N-P-H的研究
• 1J_P-X研究'>4.4 双氨基酸五配位氢膦烷的¹J_P-X研究
• 1J_P-H和¹J_P-N实验测试结果分析'>4.4.1 含磷化合物的¹J_P-H和¹J_P-N实验测试结果分析
• 1J_P-H和¹J_P-N的研究'>4.4.2 理论计算对¹J_P-H和¹J_P-N的研究
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 双氨基酸五配位氢膦烷的圆二色光谱研究
• 5.1 引言
• 5.2 固体CD和溶液CD的实验测试结果分析
• 5.3 理论计算对双氨基酸五配位氢膦烷的圆二色光谱研究
• 5.3.1 双甘氨酸五配位氢膦烷的圆二色光谱研究
• 5.3.1.1 双甘氨酸五配位氢磷烷的几何结构优化
• 5.3.1.2 双甘氨酸五配位氢膦烷的Kohn-Sham轨道分析
• 5.3.1.3 双甘氨酸五配位氢膦烷转动强度的计算与CD光谱的拟合
• 5.3.2 双缬氨酸五配位氢膦烷的圆二色光谱研究
• 5.3.2.1 双缬氨酸五配位氢膦烷的几何结构优化
• 5.3.2.2 双缬氨酸五配位氢膦烷的Kohn-Sham轨道分析
• 5.3.2.3 双缬氨酸五配位氢膦烷转动强度的计算与CD光谱的拟合
• 5.3.3 双亮氨酸五配位氢膦烷的圆二色光谱研究
• 5.3.3.1 双亮氨酸五配位氢膦烷的几何结构优化
• 5.3.3.2 双亮氨酸五配位氢膦烷的Kohn-Sham轨道分析
• 5.3.3.3 双亮氨酸五配位氢膦烷转动强度的计算与CD光谱的拟合 #15
• 5.3.4 双亮氨酸五配位氢膦烷CD光谱的定量分析
• 5.4 双缬（亮）氨酸五配位氢膦烷固体CD光谱解释
• 5.5 双苯甘（丙）氨酸五配位氢膦烷CD光谱拟合计算
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 双氨基酸五配位氢膦烷的电喷雾质谱研究
• 6.1 引言
• 6.2 双氨基酸五配位氢膦烷加氢正离子多级质谱裂解规律研究
• 6.3 双氨基酸五配位氢膦烷加钠正离子多级质谱裂解规律研究
• 6.4 双氨基酸五配位氢膦烷负离子多级质谱裂解规律研究
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结
• 附录Ⅰ 论文图表索引
• 附录Ⅱ 部分化合物谱图
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢