自复制在动态组合库里的放大作用 ——基于Rebek自复制体系的动态组合化学

论文摘要

动态组合化学（Dvnamic combinatorial chemistry（DCC））融合了组合化学和分子自组装两个领域的特点。在筛选库中底物的时候，我们不需要单独合成出每个化合物。动态组合化学库是热力学控制体系，环境的任何变化都会导致“最适应”组分的放大。根据Emil Fisher的锁-钥原理，选择的方法一般是通过分子识别的过程进行的。这个过程尤其适用于药物的筛选，因为像酶这样的靶标可以在动态库中区分出它的最佳抑制剂。近十年来除了药物研究以外，化学家对DCC其他方面的研究也迅速发展起来，DCC原理已经应用或者潜在应用到了无机结构的自组装、受体的合成、底物的结合、以及催化剂的筛选。并且，最近人们发现DCC可以因受到外界的物理化学刺激而进行反应，如质子、相转移、温度乃至电场的变化，这些使得DCC在材料科学里有着潜在的应用。自复制（self-replication）、新陈代谢和突变是生命体进化的三大特征。尽管在自然界中细胞里的大分子自复制机理非常复杂，但是生物学家和化学家仍然热衷于研究最低限度的分子自复制，企图搭建通往原始生命的桥梁。分子自复制是动力学控制体系，产物分子自组装并且复制自身的形成。在理想的情况下包括三步过程：1)产物（模板）与两个先导反应物结合形成三分子体系，2)在和产物络合的同时，两个先导反应物优先反应生成产物，3)产物的二聚体分解为两个游离的产物分子，进而参与下一个复制循环。一般来说，自复制反应是自催化行为，其浓度随时间变化的曲线是S型的。在论文里我们首次把分子自复制和动态组合化学结合在一起，建立了一个新的化学模型体系。在这个体系里，分子自复制使得关键产物从热力学和动力学两个方面表现出了选择性。简单的过程描述如图1所示。由可逆键连接的一系列的构件构成了一个动态组合化学库。在这些产物里，其中某产物可以通过自模板达到自身复制的效果。关键产物的生成受动力学和热力学两个方面的控制。当动态库达到热力学平衡时，自复制的产物浓度被放大，而与此相竞争的组分相对减少。我们使用术语“self-replicate”来表示动力学角度的自催化反应，其特点是可以给出S型（sigmoid）的浓度-时间曲线；我们使用术语“self-duplicate”来表示分子从热力学或者动力学角度（或者二者都存在）实现自我放大、自我复制，相对于“self-replicate”，“self-duplicate”的范畴更大一些。但是两个术语都可以翻译成汉语“自复制”，第三章里“自复制”主要指“self-replicate”，其余章节里“自复制”主要指“self-duplicate”。1、分子“自复制”与动态组合化学相结合的体系的设计体系的构件，应具有以下特点：1)先导分子含有可逆键，2)具有互补（分子识别）的超分子化学结构体系，产物分子即是模板分子。如图2所示，我们选择Al1Am1作为关键分子，它是由醛Al1（由Kemp酰胺衍生而来）和氨基腺苷Am1合成的。这个结构是受Julius Rebek报道的分子自复制体系（非动态）启发得出的，Al1Am1能自身形成稳定的二聚体[Al1Am1]2。这个分子在氯仿里通过氢键发生的二聚作用，我们用1H-NMR分析证实；并且通过ESI-TOF高分辨质谱，得到了二聚体[Al1Am1]2的分子离子峰。Al1含有Kemp酰胺结构，其内酰胺基团可以与Am1中的腺嘌呤基团生成氢键，而Al2中内酰胺上的氢被甲基取代，阻止其与腺嘌呤发生氢键作用。Al3上Kemp结构被乙酰基取代，但是与Al1结构类似，这样保持醛基的电性（与胺的反应活性）与Al1相似。Am1和Am2结构相近，后者上能与Kemp结构内酰胺键发生氢键作用的氨基被苄基保护，使氢键作用受阻。2、各个构件的合成在研究分子自复制和动态组合化学之前，我们合成了所有相关的构件。合成步骤（包括二联苯结构的体系）如图3和图4所示。并且，对于所有的目标产物和绝大多数的中间体都使用了1H NMR，13C NMR和高分辨质谱（ESI-TOF）进行表征，产品结构与谱图信息相吻合。3、关键分子Al1Am1生成反应的分子自复制（self-replicate）行为研究通过分子识别基团被保护和无保护的反应对比和不同溶剂反应的对比研究，以及1H NMR谱图上特征化学位移的改变，可以得出在氯仿里Al1Am1生成的相对高的初速率(5．9 mM．h-1)与分子识别有关。原因可以归结为几个路径机理。Rebek，Menger和Reinhoudt对于原Rebek体系发生过争论，在原Rebek体系里酰胺键可以催化自身的形成。我们设计的结构在纯氯仿体系里既没有观察到S型曲线，也没有观察到通过加入产物的办法来实现加速反应。因此得出结论：Al1／Am1络合体的分子内反应起了主要作用。幸运的是，通过不同溶剂配比实验我们发现了当氯仿和DMSO体积比为1：0．4作为溶剂时，Al1Am1生成反应曲线前期有轻微的潜在增长趋势。这是由于DMSO的加入可以部分地破坏氢键识别作用，这样二聚体[Al1Am1]2才能游离出足够的Al1Am1催化复制自身的反应。我们考察了混合溶剂氯仿和DMSO（体积比为1：0．4）中，加入不同量的产物Al1Am1对于速率的影响，如图5所示。结果表明，在氯仿和DMSO体积比为1：0．4的溶剂中Al1Am1能够催化复制自身的反应，由于采用的体系是亚胺，排除了酰胺自身催化的过程。结果还说明[Al1Am1]2必须分解游离出足够的Al1Am1才能实现自复制反应。4、自复制在动态组合库里的放大作用我们先对图2所描述的动态库进行热力学研究。第一个组合库（DCLO）由Al1，Al2和Am1（15 mM each at 22℃in CDCl3）组成。当这个小的动态组合库达到平衡时，Al1Am1（11．68 mM）由于形成了稳定的同型二聚体[Al1Am1]2，其所占的比例比Al2Am1（2．71 mM）大许多。值得一提的是,从这个小组合库里，我们根据实验结果推算出一个当量Al1Am1的同型二聚体[Al1Am1]2状态比游离分子状态所降低的能量，其降低值为11．1KJ·mol-6。DCL1是由Al2，Al3，Am1和Am2（15 mM each at 22℃in CDCl3）四个构件所组成的体系，达到热力学平衡时8个组分的分布如图（图6，黑条）。不同的醛、不同的胺近似等能，所以各个反应物和产物是平均分配的：两个醛（3．4 mMeach），两个胺（3．4 mM each），四个亚胺Al2-3Am1,2（5．8 mM each）。和预想的一样，由于缺少分子识别作用各个组分呈平均分配趋势。在DCL2中，Al1，Al2，Al3，Am1和Am2混和在一起（15 mM each at 22℃inCDCl3）。由于稳定的二聚体[Al1Am1]2的形成，Al1Am1在动态库DCL2中占据了较强的优势（图6，灰条）。在设置动态库DCL3时，分为两步1)设置不含Al1组分的预平衡库（DCL1），2)DCL1达到平衡时加入Al1（15 mM）。DCL3组分达到热力学平衡的时间（22 days）是DCL2达到平衡时所用时间（t=109 h）的5倍左右。DCL2达到热力学平衡时组分分配和DCL3相一致。这两个实验验证了动态库是热力学控制体系的原理。通过比较DCL1和DCL3（DCL2）的实验结果可知：1)自复制分子Al1Am1的浓度（9．03 mM）比假设不发生自复制情况下的理论计算值高80％以上；2)自复制分子Al1Am1的浓度是与其竞争的Al1Am2，Al2Am1，andAl3Am1（3．0 mM each）浓度的3倍（即增加200％）。我们也对DCL2中11个组分的动力学行为进行了研究，浓度-时间的动力学曲线如图7所示。自复制分子Al1Am1形成的反应初速率为59×10-1mM．h-1是Al2Am1和Al3Am1形成初速率(0．96×10-1mM．h-1)的60倍，是Al2Am2和Al3Am2形成初速率(4．6×10-1mM．h-1)的13倍，是Al1Am2形成初速率(9．6×10-1mM．h-1)的6倍。不同的速率导致了自复制分子的最大浓度（10．98 mM）（动力学控制，图6，斑纹条）。这也是Al1／Am1络合体的分子内反应所引起的。总之，动态库中组分的表达是由动力学和热力学两个方面所控制，最适合的自复制分子从两个方面得到了放大。5、二联苯基团代替萘基团后所组成的动态组合库的研究我们把DCL2中醛（Al1,Al2，Al3）上的萘基团全部换成二联苯基团（B1,B2,B3）后，与Am1和Am2组成动态组合库DCL4（图8所示）。与DCL2不同的是,B1Am1的形成比Al1Am1的形成更快，但是由于各个组分的信号都重叠在一起,DCL4中的各个组分的浓度不能通过1H NMR谱图来准确计算。但是，我们可以从1H NMR谱图得到一些粗略的信息来判断组合库的情况。最后得到结论：不像图2所描述的萘结构分子那样，当DCL4达到热力学平衡时，分子自复制没有在DCL4中起到明显的放大作用。这应该和[B1Am1]2．稳定性较差有关。综上所述，实验结果证明在精心设计的动态组合库里可以实现组分自我放大，也就是说库里组分可以复制自身。库中契合最好的自复制体系可以从动力学和热力学两个角度来实现自我复制和放大。由于动态组合库是可逆体系（氢键的超分子作用和亚胺的可逆形成），组分分配不仅仅依赖于初速率大小，而且还和其它组分的竞争密切相关，自复制分子会削减其他竞争者的绝对浓度。根据“达尔文”进化论，这样的自复制的动态组合化学体系展现了分子层面上的“进化”——最有优势的自复制分子通过“掠夺”其它不具自复制行为的分子（或者有但较弱，比如Al1Am2）实现选择性的自我放大。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 动态组合化学
• 1.1.1 动态组合化学的概念、原理
• 1.1.2 可用于动态组合化学的可逆过程
• 1.1.2.1 可逆的共价键
• 1.1.2.2 可逆的非共价键（超分子作用）
• 1.1.3 动态组合化学库的选择性驱动
• 1.1.4 动态组合化学典型应用
• 1.1.5 动态组合化学中的一些特殊方法
• 1.1.5.1 前平衡库法
• 1.1.5.2 动态重叠法
• 1.1.5.3 伪动态组合化学
• 1.1.6 小结与展望
• 1.2 分子自复制
• 1.2.1 分子自复制的基本定义、机理和特点
• 1.2.2 人工设计的分子自复制体系
• 1.2.2.1 基于核酸的分子自复制体系
• 1.2.2.2 基于肽类（缩氨基酸）的分子自复制体系
• 1.2.2.3 人工合成的分子自复制体系
• 1.2.3 小结与展望
• 1.3 论文的选题和研究内容
• 1.3.1 论文的选题
• 1.3.2论文的研究内容
• 本章参考文献
• 第二章 分子自复制动态组合化学库各构件的设计、合成与表征
• 2.1 动态组合化学库各构件的设计
• 2.2 动态组合化学库各构件的合成路线的设计
• 1的合成路线'>2.2.1 醛Al₁的合成路线
• 2的合成路线'>2.2.2 醛Al₂的合成路线
• 3的合成路线'>2.2.3 醛Al₃的合成路线
• 1的合成路线'>2.2.4 胺Am₁的合成路线
• 2的合成路线'>2.2.5 胺Am₂的合成路线
• 2.3 实验部分
• 2.3.1 主要试剂和仪器
• 2.3.2 动态组合化学库各构件的合成与表征
• 1的合成实验'>2.3.2.1 醛Al₁的合成实验
• 2的合成实验'>2.3.2.2 醛Al₂的合成实验
• 3的合成实验'>2.3.2.3 醛Al₃的合成实验
• 1的合成实验'>2.3.2.4 胺Am₁的合成实验
• 2的合成实验'>2.3.2.5 胺Am₂的合成实验
• 2.4 本章小结
• 本章参考文献
• 1Am₁自复制（self-replicate）行为的研究'>第三章 关键分子Al₁Am₁自复制（self-replicate）行为的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.3 试剂与仪器
• 3.4 结果与讨论
• 1Am₁的生成的实验结果与讨论'>3.4.1 Al₁Am₁的生成的实验结果与讨论
• 1Am₁的基本谱图分析'>3.4.1.1 Al₁Am₁的基本谱图分析
• 1Am₁]₂二聚体的分析讨论'>3.4.1.2 氢键作用与[Al₁Am₁]₂二聚体的分析讨论
• 1Am₁生成的动力学研究'>3.4.2 Al₁Am₁生成的动力学研究
• 1Am₁生成某时刻浓度的计算'>3.4.2.1 Al₁Am₁生成某时刻浓度的计算
• 1Am₁生成的浓度随时间变化曲线及其讨论'>3.4.2.2 Al₁Am₁生成的浓度随时间变化曲线及其讨论
• 1+Am₁（?）Al₁Am₁反应的分子自复制行为的研究'>3.4.3 氯仿为溶剂Al₁+Am₁（?）Al₁Am₁反应的分子自复制行为的研究
• 1+Am₁（?）Al₁Am₁反应的分子自复制行为的探索'>3.4.3.1 氯仿为溶剂Al₁+Am₁（?）Al₁Am₁反应的分子自复制行为的探索
• 2+Am₁（?）Al₂Am₁和Al₁+Am₂（?）Al₁Am₂反应的动力学研究'>3.4.3.2 氯仿为溶剂Al₂+Am₁（?）Al₂Am₁和Al₁+Am₂（?）Al₁Am₂反应的动力学研究
• 1Am₁、Al₁Am₂、Al₂Am₁、Al₂Am₂、Al₃Am₁和Al₃Am₂的形成反应的动力学对比和"分子内"反应机理的提出'>3.4.3.3 氯仿为溶剂Al₁Am₁、Al₁Am₂、Al₂Am₁、Al₂Am₂、Al₃Am₁和Al₃Am₂的形成反应的动力学对比和"分子内"反应机理的提出
• 1+Am₁（?）Al₁Am₁反应的分子自复制行为的探索与实现'>3.4.4 氯仿/二甲亚砜混合溶剂中Al₁+Am₁（?）Al₁Am₁反应的分子自复制行为的探索与实现
• 1+Am₁（?）Al₁Am₁反应的动力学研究'>3.4.4.1 氯仿/二甲亚砜不同配比的混合溶剂中Al₁+Am₁（?）Al₁Am₁反应的动力学研究
• 1+Am₁（?）Al₁Am₁反应的分子自复制行为的实现'>3.4.4.2 氯仿与二甲亚砜比例为1比0.4作为溶剂,Al₁+Am₁（?）Al₁Am₁反应的分子自复制行为的实现
• 3.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 自复制在动态组合化学库里的放大作用
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 试剂与仪器
• 4.4 结果与讨论
• 1、Al₂和Am₁三个构件组成的最小型动态组合化学厍DCL0的研究'>4.4.1 由Al₁、Al₂和Am₁三个构件组成的最小型动态组合化学厍DCL0的研究
• 4.4.1.1 动态组合化学库DCL0的设计
• 1的影响下Al₁上醛基H化学位移的变化'>4.4.1.2 动态组合化学库DCL0中Am₁的影响下Al₁上醛基H化学位移的变化
• 4.4.1.3 动态组合化学库DCL0中5组分浓度随时间变化曲线
• 4.4.1.4 动态组合化学库DCL0达到平衡时5组分浓度对比
• 1Am₁]₂能量的计算'>4.4.2 二聚体[Al₁Am₁]₂能量的计算
• 1、Al₂、Al₃、Am₁和Am₂五个构件组成的动态组合化学库研究'>4.4.3 由Al₁、Al₂、Al₃、Am₁和Am₂五个构件组成的动态组合化学库研究
• 4.4.3.1 三个动态组合化学库（DCL1、DCL2、DCL3）的设计
• 1影响下Al₁上醛基H化学位移的变化'>4.4.3.2 动态组合化学库DCL2中Am₁影响下Al₁上醛基H化学位移的变化
• 4.4.3.3 动态组合化学库DCL1各时刻浓度的计算方法
• 4.4.3.4 动态组合化学库DCL1组分浓度随时间变化曲线
• 4.4.3.5 动态组合化学库DCL2各时刻浓度的计算方法
• 4.4.3.6 动态组合化学库DCL2各组分浓度随时问变化曲线
• 4.4.3.7 动态组合化学库DCL1、DCL2、DCL3达到平衡时各组分的对比
• 4.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 二联苯醛基代替萘醛基构成动态组合化学库初步研究
• 5.1 引言
• 5.2 由二联苯醛结构构成的动态组合化学库DCL4的设计
• 5.3 实验方法
• 5.4 试剂与仪器
• 5.5 结果与讨论
• 5.5.1 三个二联苯醛的合成
• 1Am₁]₂二聚体的稳定性分析讨论'>5.5.2 [B₁Am₁]₂二聚体的稳定性分析讨论
• 1+Am₁（?）B₁Am₁反应和B₂+Am₁（?）B₂Am₁反应的动力学研究'>5.5.3 B₁+Am₁（?）B₁Am₁反应和B₂+Am₁（?）B₂Am₁反应的动力学研究
• 5.5.4 由二联苯结构构成动态组合化学库DCL4研究
• 5.6 本草小结
• 本章参考文献
• 第六章 总结与展望
• 一、总结
• 二、展望
• 符号说明
• 1H NMR,¹³C-NMR,ESI-TOF高分辨质谱谱图'>附录 文中合成化合物¹H NMR,¹³C-NMR,ESI-TOF高分辨质谱谱图
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表的学术论文（第一作者）
• 学位论文评阅及答辩情况表
• Papers in English
• Self-Duplicating Amplification in a Dynamic Combinatorial Library
• 3/DMSO Solution'>Self-replication Realized in CDCl₃/DMSO Solution