不对称双Schiff配合物胶束催化PNPA水解反应研究.doc

1、 四川理工学院毕业设计（论文） 不对称双 Schiff 配合物胶束催化 PNPA 水解 反应 研究 学 生： 学 号： 06131010137 专 业：化 学 班 级： 2006.1 指导教师： 四川理工学院化学 与制药工程学院 二 O 一 O 年六月 四川理工学院毕业论文 中文摘要 I 摘 要 将 四 种氮杂冠醚或吗啉取代的 不对称双 Schiff碱过渡金属 Co(II) 配合物 (CoL3)，Mn(III) 配合物（ MnL1Cl ， MnL2Cl ， MnL3Cl） 作为仿酶模型在 Brij35 胶束 缓冲 溶液 中 催化乙酸对硝基苯酯（ PNPA）水解。探讨了胶束 缓冲溶液酸度 、 底

2、物浓度、 反应温度 和配体结构等 对催化 PNPA 水解速率的影响 。 结果表明， 随着缓冲溶液 pH 值、底物浓度以及反应温度的增加， 四 种配合物对 PNPA 水解反应速率增加，并都表现出高的催化活性。 关键词 ： 氮杂冠醚； 吗啉； 金属胶束； 双 Schiff 碱 ； 过渡 金属配合物； PNPA 水解 四川理工学院毕业论文 英文摘要 II ABSTRACT Four unsymmetrical Schiff base transition-mental Co (II) complexes (CoL3) and Mn (III) complexes (MnL1Cl， MnL2Cl， M

3、nL3Cl) with aza-crown ether pendant have been employed as mimic hydrolytic enzyme model catalyzing p-nitrophenyl acetate (PNPA) hydrolysis in Brij35 micellar buffer solution. The effects of acidity of the micellar buffer solution, concentration of the substrate, the complexes structure and reactive

4、temperature on the rate of catalytic PNPA hydrolysis have been investigated. The results showed that the rate for the catalytic PNPA hydrolysis is increased following the increases in pH of the buffer solution, concentration of the substrate and temperature of reaction. Four complexes exhibited high

5、 activity in the catalytic PNPA hydrolysis. Keywords： Azacrown ether； Morpholine; Metal micellar; Unsymmetrical Schiff base Transition mental complexes； PNPA hydrolysis. 四川理工学院毕业论文 目录 III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 前言 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 胶束 . 1 1.2.1 胶束的形成、用途 . 1 1.2.2 胶束的增溶作用 . 1 1.2.3 胶束催化效应 . 2

6、 1.3 水解酶模拟羧酸酯水解研究 . 3 1.3.1 金属离子作为水解酶模拟羧酸酯水解 . 3 1.3.2 金属配合物模拟羧酸酯水解 . 3 1.3.3 Schiff 碱配合物模拟羧酸酯水解 . 5 1.3.4 金属胶束作为水解酶模拟羧酸酯水解 . 6 第二章 论文选题 . 7 2.1 氮杂冠醚或吗啉取代 Schiff 碱配合物模拟水解酶已有研究基础 . 7 2.2 本文工作设想和主要研究内容 . 7 第三章 实验部分 . 8 3.1 仪器与主要试剂 . 8 3.1.1 仪器 . 8 3.1.2 主要试剂 . 8 3.2 配合物的结构 . 9 3.3 金属缓冲溶液的配制 . 10 3.31

7、缓冲溶液的配制 . 10 3.3.2 金属 胶束 缓冲溶液的配制 . 11 3.4 乙腈的无水处理 . 11 3.5 PNPA 溶液的配制 . 11 3.6 CTAB 和 LSS 胶束缓冲溶液及水溶液的配制 . 11 3.6.1 CTAB 胶束缓冲溶液的配制 . 11 3.6.2 LSS 胶束缓冲溶液的配制 . 13 3.6.3 水溶液的配制 . 13 3.7 催化水解反应速率的测定 . 13 第四章 实验结果及分析讨论 . 13四川理工学院毕业论文 目录 IV 4.1 不对称双 Schiff 配合物 胶束缓冲溶液 催化 PNPA 水解研究 . 13 4.2 实验结果讨论 . 14 4.2.1

8、 酸度对 Schiff 碱金属配合物催化 PNPA 水解速率影响 . 14 4.2.2 底物浓度对 Schiff 碱配合物催化 PNPA 水解速率的影响 . 14 4.2.3 Schiff 碱配合物 结构对 催化 PNPA 水解速率的影响 . 14 4.2.4 温度对氮杂冠醚或吗啉基 Schiff 碱金属配合物催化 PNPA 水解速率的影响 . 15 4.3 对比实验数据及分析讨论 . 16 4.3.1 水溶液对配合物催化 PNPA 水解 的影响 . 17 4.3.2 CTAB 胶束缓冲溶液对 PNPA 水解的影响 . 17 4.3.3 LSS 胶束缓冲溶液对 PNPA 水解的影响 . 17

9、第五章 结论与展望 . 18 5.1 主要结论 . 18 5.2 后续研究工作的展望 . 18 参考文献 . 19 致 谢 . 21四川理工学院毕业论文 前言 1 第一章 前言 1.1引言 生物体可以看作是一个由 物质组成的不均一体系，此体系的特征是其构成部分不仅合适，变化协调，并可以自我更新。存在与生物体中除水外的所有物质，都含有一种或多种蛋白质，而酶就是一类由活细胞产生的、具有特异性与高度催化效能的蛋白质，因此酶通常也被称为生物催化剂。生物的一切代谢过程，几乎都是在温和条件下，经酶催化迅速反应实现的。由于酶具有 高度选择性和识别能力，精确的生化过程才得以有条不紊地实现。对酶的结构与功能的研

10、究，是理解生命现象的基础，而酶促进反应是节省资源、又无公害的理想反应。由于天然酶结构复杂、具有高度专一性和选择性、不稳定等缺点，要想深入地研究其反应机理及其活性中心的结构与功能的关系必须另辟其径。因此，开发具有与酶功能相似的人工酶，是长期以来最富挑战性的主要研究课题之一。 酶需要有辅助因子才表现出高催化活性，金属离子是其中的一类辅助因子。以金属离子为辅助因子的酶，即金属酶。在天然金属酶中，水解金属酶是一大类，如羧肽酶、碱性磷酸酯酶 、对氧磷酶、对硫磷酶等。 1.2 胶束 1.2.1 胶束的形成、用途 表面活性剂分子具有亲水和疏水部分，因此又称为两亲分子。在稀溶液中，两亲分子在介质中以单个分子形

11、式存在，这种溶液具有理想的物理和化学性质。当表面活性剂在介质中的浓度增加至一个窄的浓度范围内，即临界胶束浓度（ CMC）时，表面活性剂分子或离子便自动缔合成胶体大小的质点，这种胶体质点称为胶束。 胶束能够提供一个类似于酶的疏水微环境，将胶束体系作为金属酶模型有两个好处：一是：可利用金属离子的特殊作用来催化水解反应，二是可利用胶束的疏水相互作用、 氢键和静电相互作用等来稳定金属配合物和底物形成的复合物体系。由于金属胶束既模拟了水解金属酶的催化中心，又模拟了疏水性微环境，使其己成为当前模拟水解金属酶最有潜力的模拟体系，受到国内外学者的高度重视。 1.2.2 胶束的增溶作用 水溶液中表面活性剂存在能

12、使不溶或微溶于水的有机化合物的溶解度增加，此即表面活性剂的增溶作用。这引起了许多化学家的兴趣，如： Mcbain 和 Richards 发现每摩尔月桂酸钾的表面活性剂胶束增溶 0.23 摩尔的环己胺； Klevens 报道了每摩尔十二烷基硫酸钠的表面活性剂胶束能溶解 0.87 摩尔正庚醇。有关增溶作用方面的性四川理工学院毕业论文 前言 2 质如下：（ 1）胶束中增溶物的增溶位置取决于增溶物的结构；饱和碳氢化合物一般增溶于胶束的内核。对于较易极化的碳氢化合物，如短链芳香烃类 (苯、乙苯等 )，开始吸附在胶束与水的界面处，增溶物增多后则可能插入胶束的 “ 栅栏层 ” ，甚至进入胶束内核。某些小的极

13、性分子，如苯二甲酸二甲酯吸附在胶束表面区域或是 “ 栅栏层 ”的靠近胶束表面的区域。较长的较小分子，如长链醇、胺等，则增溶于胶束 “ 栅栏 ”层，非极性碳氢链插入胶束内部，而非极性头基则位于表面活性剂极性头基之间，并通过氢键或偶极子相互作用 ； （ 2）一般胶束的增溶能力随表面活性剂链长的增加而增强；（ 3）表面活性剂碳氢链的存在使体系的增溶能力减弱；（ 4）对于同样链长的带不同电荷类型的胶束，其增溶能力遵循下列顺序：非离子型 阳离子型 阴离子型；（ 5）有实验表明表面活性剂的第二离子头基的存在使其形成的胶束对正辛醇的增溶能力增强，而对正辛烷的增溶能力减弱。 1.2.3胶束催化效应 胶束的存在

14、使介质的性质发生很大变化，也必须会影响介质中发生的化学反应。近年来，应用表面活性剂胶束以影响、调节进而控制化学反应过程，特别是胶束对有机反应的催化作用，引起了人 们强烈的兴趣。研究表明，胶束能够通过以下效应来影响化学反应。 （ 1）局部浓度效应 动力学处理和底物增溶的实验结果表明，反应物质被胶束通过疏水和静电相互作用浓聚在一起，使反应物局部浓度增大，从而使得反应物之间的碰撞频率增大，这将使反应更容易进行。 （ 2）笼效应 胶束能使反应中间体之间有足够的时间发生反应，这一点与溶剂的笼效应相似，它可以改变反应产物的百分比。 （ 3）微粘度效应 一般认为胶束内核的粘度比水相的大 1。由不同方法测得的

15、胶束内部的微粘度不尽相同，但所得结果都比纯烃类或水的粘度高得多。所以进入胶束内 的底物分子的平动和转动都会受到一定的限制，这将会使阿仑尼乌斯公式的指前因子变小，使反应速率常数降低。 （ 4）静电效应 从静电相互作用考虑，若表面活性剂形成的胶束能够使反应过渡态的电荷 -分散，则过渡态能量降低而使得反应速率常数增大，反之则使反应速率常数降低。 （ 5）极性效应 溶液相 溶液 -胶束界面相 胶束内核。 四川理工学院毕业论文 前言 3 1.3 水解酶模拟羧酸酯水解研究 1.3.1金属离子作为水解酶模拟羧酸酯水解 生命过程中，许多催化磷 (V)取代反应的酶都需要金属离子参与。对金属离子模型体系的研究有助

16、于理解包括 ATP 水解、磷酸二酯 和磷酸单酯水解以及磷酰基转移反应中金属离子的作用。 以往的研究证明在水解金属酶参与的许多反应中，金属离子是作为路易斯酸而起作用的。一方面，金属离子作为亲电剂，可稳定反应过程中形成的负电荷；另一方面，金属离子可作为中性条件下与金属配位的氢氧根离子（ ML-OH-） 的来源，而 ML-OH-是一种很强的亲核剂 2。 金属离子在催化过程中除了参与催化剂 -底物三元络合物的形成外，还有如下几种作用方式： 1、活化水分子作为亲核试剂； 2、活化分子作为一般酸或一般碱； 3、活化 羟基 和磷氧键的亲电性，稳定过渡态； 4、活化或钝化功能 团，使难以解离的官能团 (如烃基

17、、肪基等 )加速离解成为有效的亲核试剂，使 pKa 较低的功能团 (酚基、羧基 )的活性钝化； 5、具有使分子间反应过程转化为分子内反应的模板效应； 6、稳定模拟酶的结构 (如中和磷酸二酯或单酯中的负电荷 )，活化各种离去基团，以加速离去基团的离去 3。金属离子的作用是这些酶及其模拟体系的具有挑战性的问题之一。 Morrow4等研究了一系列镧系金属离子和二价过渡金属离子在 pH=6.85、 37 、0.01M 的 HEPES 缓冲溶液中对磷酸二酯转酯基反应的影响。结果表明，所研究的金属离子均能有效地 催化二酯的转酯基反应，基于所得的表观二级速率常数可以得出金属离子催化反应的活性顺序为： Tb3

18、+Gd3+Yb3+Eu3+Nd3+Pb2+La3+Cu2+ Zn2+Co2+Mn2+Ni2+Mg2+Ca2+。在反应过程中，金属离子的电荷密度、极化磷氧键的能力、金属氢氧化物的生成、离子半径以及稳定五配位的磷过渡态中间体都是影响反应的重要因素。此外， Pb2+具有比二价金属离子具有相对宽松的几何约束和高的配位数，使得这类高电荷密度的金属离子仍能够有效地结合底物，这可能是其成为有效催化剂的 另外一个原因。 1.3.2金属配合物模拟羧酸酯水解 在化学模拟酶催化中，羧酸酯较腈类、酞胺和磷酸酯等更容易发生水解反应。在模拟羧酸酯催化水解的众多金属酶模型中，出现了含有咪唑基、羟基或吡啶基的金属配合物、大环

19、多胺类以及环糊精衍生物等与过渡金属离子形成的配合物，极大地丰富了模拟 羧 酸 酯 催化水解的研究成果。 由于大多数水解金属酶 (如碳酸酐酶、羧肽酶 A 和磷性磷酸酯酶等 )的活性中心都含有锌 (II)，因此，在对其结构和功能进行模拟研究时，锌 (II)配合物就成为研究者们四川理工学院毕业论文 前言 4 的自然选择。而大环多胺作为一类性质独特的配体，能与 许多金属离子形成稳定的配合物，而且在其环上可导入各种功能团，从而可合成出许多性质各异的金属配合物。同时，许多大环金属配合物还具有特异的催化活性，所以大环金属配合物引起了酶模拟研究者的广泛关注。 BazzicaluPi5等考察了一种含有邻二氮菲的

20、大环多胺的 Zn(II)配合物催化乙酸对硝基苯酚酯 (PNPA)水解的反应活性。研究发现，只有当体系的 pH8.0 时，乙酸对硝基苯酚酯 (PNPA)催化水解才得以较大程度的加速。实验事实证实了金属 羟基 物种ZnL(OH)+才是真正的反应活性物种。同时，也从溶液中配合物 的不同存在形式及空间构型等方面讨论了其与反应活性间的关系，并指出，由于配位在中心金属上的水分子酸性电离后形成的 羟基 比水分子更紧密地与中心金属结合，而结合较为松散的水分子可被底物取代而形成底物催化剂复合物从而有利于反应进行。 寇兴明 6等研究了一类新的双环二氧大环四胺的双核铜配合物对 -吡啶甲酸对硝基苯酚酯 (PNPP)的

21、催化性能。结果发现，双核铜配合物使 PNPP 水解速率提高了1730 倍左右，而配体的单核铜配合物几乎对 PNPP 无催化作用。这说明在双核铜配合物催化的 PNPP 水解过程中，两个金属中心之间具有明显的 协同作用。 刘绪良 7等报道了一种三胺类配体与 Zn (II)形成的配合物对 PNPA 的催化水解，其表观速率常数随 pH 的变化呈现出 “ S” 形变化曲线，表明催化反应受酸碱平衡控制，在 pH=9.0 的结果表明配合物催化水解反应的表观速率常数达 0.7185 mol-1.L.s-1，比所报道的同类研究要快，并认为催化的机制与酶的作用机制一致。 在谢斌 8等 氮杂冠醚取代非对称双 Sch

22、iff碱配合物催化羧酸酯水解的动力学研究首次将键连氮杂冠醚单取代的非对称 Schiff碱 Mn(III)、 Co(II)配合物作为羧酸酯 PNPP水 解酶的模拟模型，研究结果表明，中心金属离子 Lewis酸性越强，催化 PNPP水解反应的活性更高 。 PNPP水解反应的表观速率常数 Kobs随着底物浓度和反应溶液 pH的增加升高而增大。 解永树等 9用三吡啶胺和四齿链酚胺配体的 Cu(II)配合物模拟水解酶，研究了其催化 PNPA 水解的动力学行为，发现三吡啶胺的 Cu(II)配合物对 PNPA 水解有较好的催化作用，最大二级速率常数值为 2.5310-2 L.mol-1.s-1。与 Cu (

23、II)配位中的水分子去质子化 (pKa=7.54)后形成的产物为催化活性物种， 这一点与酸酐酶相似。而四齿链酚胺配体的 Cu(II)配合物由于酚 羟基 配位能力很强，生成的与 Cu (II)配位的酚氧负离子基亲核能力很差 (配位后酚羟基的去质子化常数的 pKa 值为 4.44，不能作为有效的亲核试剂进攻底物，因而催化能力差。这与很多配位能力较强的阴离子都是碳酸酐酶的有效抑制剂的事实相符。 曾宪诚 等 10合成了双 -N-2- 2-脱氧 -D -吡喃葡糖 -2-(3-甲酰基水杨胺 )M2 (II)配合物 (M= Cu, Zn, Co)， 研究了该系列双核金属配合物在 CTAB阳离子胶束溶液中催四

24、川理工学院毕业论文 前言 5 化对硝基苯酚 吡啶甲酸酯 (PNPP) 水解反应动力学。实验结果表明，在中性水溶液中，双核金属配合物对酯类的水解有良好的催化活性，催化活性大小顺序依次为 Cu (II) Zn (II) Co (II) 。反应中的催化机理为双功能催化机理，即催化反应是由两个金属离子协同完成，一个与底物结合，另一个则作为路易斯酸活化配位水分子为亲核基团。 由于在模拟酶催化羧酸酯水解反应中，羟基通常为催化反应必不可少的有效亲核物种，基于此，合成带有羟基官能团的大环多胺配合物是模拟酶模型发展的必然趋势。Bazzica1uPi11研究了带 一个羟乙基侧臂和不带侧臂的双核锌 (II)配合物催

25、化 PNPA 水解 (I=0.1M NaNO3)，研究结果表明与锌 (II)配位的烷氧基是比与锌配位的羟基更强的亲核物种，这与 Kimura 等得出的结果是相一致的。 1.3.3 Schiff 碱配合物模拟羧酸酯水解 Schiff 碱 作为过渡金属离子配合物的配体是以氮、氧原子进行配位的，其结构接近于生物体系的真实情况，适宜于进行生命体系的模拟研究，近年来受到人们的普遍重视。 Schiff 碱 是一类重要的配体，能灵活地选择各种羰基化合物和不同的胺类反应，改变连接的取代基，变 化给予体原子的位置，可以得到从单齿到多齿，链状到环状，对称到不对称等种类繁多、结构复杂的 Schiff碱。 邹立科 1

26、2等合成和表征了两种大环 Schiff 碱过渡金属配合物 NiL 与 CuL(L:高氯酸 -5,7,7,12,14,14 -六甲基 -1,4,8,11-四氮杂环 -4,11-二烯 )，并且将 NiL 或 CuL 与表面活性剂 (LSS， CTAB)组成的金属胶束作为模拟水解金属酶用于催化羧酸酯 (PNPP)水解。催化反应系统的特征光谱分析表明，在 PNPP 催化水解过程中形成了由 Ni(II)或 Cu(II)配合物与 PNPP 组 成的中间物种，并由此提出 PNPP 催化水解的机理。 王莹 13等用分光光度法研究了两种带冠醚环或吗啉环的 Schiff 碱钴 (II) 配合物CoL1和 CoL2

27、，作为模拟水解金属酶，对羧酸酯水解的催化作用 。 通过对水解反应体系的特性吸收光谱的分析，提出了 PNPP 的催化水解的机理，并在此机理上建立 PNPP催化水解的动力学数学模型。实验结果表明，氮杂冠醚取代对称 Schiff碱配合物催化PNPP水解反应的活性高于吗啉基取代的对称 Schiff碱配合物催化 PNPP水解反应的活性。 14等合成了一类中心对称 的 Schiff碱钻 (II)配合物，考察了它们对 PNPP水解反应的催化活性。发现三种催化剂都使 PNPP水解速率提高 3个数量级。同时，键连有氮杂冠醚的两种配合物的催化活性均高于没有键连氮杂冠醚基团的配合物。他们认为可能是由于冠醚环的存在使得疏水的底物通过疏水效应进入到催化中心附近，同时，水分子除了被金属活化外还可被冠环上的氧原子通过氢键作用而额外的活化。这两种作用提高了键连有氮杂冠醚的两种配合物对 PNPP水解的催化效果。