CN102911071A

CN102911071A - 氨基酸与水溶性柱[5]芳烃超分子配合物及其制备方法

Info

Publication number: CN102911071A
Application number: CN2012103720058A
Authority: CN
Inventors: 李春举; 马俊伟; 胡小诗
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: CN102911071B

Abstract

本发明涉及一种氨基酸与水溶性柱[5]芳烃超分子配合物及其制备方法，该配合物是以水溶性柱[5]芳烃为主体，碱性氨基酸为客体键合而成的[2]准轮烷型穿插结构配合物，其中碱性氨基酸与水溶性柱[5]芳烃的摩尔比为1：1；该水溶性柱芳烃与L-精氨酸配合物结构如下：。本发明的配合物通过包结形成配合物可以提高药物分子的稳定性，药物定向释放，增加其水溶性，降低毒性等。此外，还可以用于提高化妆品、香料等不稳定、易挥发物质的稳定性，增加其水溶性。

Description

氨基酸与水溶性柱 [5] 芳烃超分子配合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种功能性超分子配合物及其制备方法。特别是一种氨基酸与水溶性柱[5]芳烃超分子配合物及其制备方法。

背景技术

分子识别这一概念最初是被有机化学家、生物化学家用来在分子研究生物体系中的化学问题而提出的。分子识别通过变换和易位过程产生催化作用，在生物体系中，是理解酶反应、信息传递和不同介质间物种能量转移现象的信息来源，在分析化学领域则是构成分离、检测和定量测定的基础。超分子包结物的形成则是建立在分子识别的基础之上。

在生物体内分子的合成和分解、代谢物的转运、废物的排出等都需要水作为介质，因此，水溶性大环主体的合成及其在水溶液中的分子识别行为研究对生物、医药领域的发展具有重大意义。近年来，在冠醚、水溶性杯芳烃、环糊精、葫芦脲等超分子在水环境下的相关分子识别、研究已有报道，并取得较大进展。

其中环糊精及其衍生物已经被用于包结药物分子以提高口服或注射给药的脂溶性、药物的水溶性、药物溶出度以及生物利用度。例如采用环糊精衍生物可以使紫杉醇（paclitaxel）的溶解度提高99000倍。研究表明，纯药物分子的的水溶性越差、通过环糊精包合后所得到的配合物相对溶解度提高程度也越大。目前市售的环糊精超分子作为药物载体或添加剂的上市药物如下：

药物	环糊精	商品名（给药途径）
			伊曲康唑	HP-β-CD	Dporanox（静注或口服）
西沙比利	HP-β-CD	Prepusid（直肠给药）
			丝裂霉素	HP-β-CD	Mitozytrex（静注）
吡罗昔康	β-CD	Brexin,Cycladol,Brexidol（口服）
			地塞米松	β-CD	Gly meason（经皮给药）
硝化甘油	β-CD	Nitropn（口服）
			奥美拉唑	β-CD	Ombeta（口服）
噻洛芬酸	β-CD	Sugamyl（口服）
			头孢替安己酯盐酸盐	OP-1206	Pansporin T（口服）
前列地尔	α-CD	Edex（静脉注射）
			齐拉西酮	SE7-β-CD	Zeldox Geodon(肌肉注射)
伏立康唑	SE7-β-CD	Vfend

柱芳烃是一种新兴的超分子大环合成受体，在2008年由Ogoshi和Nakamoto等在美国化学会志（J. Am. Chem. Soc.）首次报道其合成。它是通过亚甲基桥在苯环对位连接的一类环状低聚物，拥有对称的柱状结构，上下两个端口相同，不同于传统杯芳烃的篮子结构。这些结构上的特点使得柱芳烃在构筑穿插型配合物和管状组装体时优于杯芳烃。另外，柱芳烃具有更加刚性的结构，可以高效地键合某些特殊的客体。化学性质和结构上的特殊性，使得柱芳烃及其衍生物综合了多种已有主体化合物的特色和优势。目前，对于柱芳烃这类新型的超分子主体的衍生化、分子识别余组装的研究成为超分子化学领域的一个研究热点，然而，柱芳烃对生物和药物分子的包结配位还未见报道。母体柱芳烃本身的水溶性很差，因此设计合成水溶性柱芳烃主体分子和研究其主客体络合性能具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种新的水溶性柱[5]芳烃与氨基酸超分子配合物。

本发明的目的之二在于提供该配合物的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水溶性柱[5]芳烃与氨基酸超分子配合物，其特征在于该配合物是以水溶性柱[5]芳烃为主体，碱性氨基酸为客体键合而成的[2]准轮烷型穿插结构配合物，其中碱性氨基酸与水溶性柱[5]芳烃的摩尔比为1：1；该水溶性柱芳烃与L-精氨酸配合物结构如下：

。

上述的碱性氨基酸为：赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）或组氨酸（His）。

上述水溶性柱[5]芳烃与赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）和组氨酸（His）的核磁键合常数分别为：(1.8 ± 0.2) ´ 10³ M⁻¹、(5.9 ± 0.4) ´ 10³ M⁻¹和(1.5 ± 0.2) ´ 10³ M⁻¹。

一种制备上述的水溶性柱[5]芳烃与氨基酸超分子配合物的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：将碱性氨基酸与水溶性柱[5]芳烃混合均匀后，在85～90℃温度、电磁搅拌条件下，慢慢加入去离子水，至固体恰好溶解；完全溶解后，调节溶液pH=7.2；自然冷却至室温，有结晶析出；在0～2℃条件下冷藏1小时；将冷却析出的配合物进行减压抽滤，并干燥，得到水溶性柱[5]芳烃与氨基酸超分子配合物。

本发明对20种天然氨基酸分别与水溶性柱芳烃进行键合行为研究后发现，水溶性主体 CP5A对于20种标准氨基酸的的键合行为具有很好的选择性，仅与碱性氨基酸：赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）和组氨酸（His）发生键合作用，形成[2]准轮烷型分子配合物。在此基础上可以构筑具有特定生物学功能的超分子体系。

本发明提供了α-氨基酸-水溶性柱[5]芳烃超分子配合物中，水溶性柱[5]芳CP5A结构及选择性键合的天然氨基酸：与Lys、Arg和His的结构如下所示

本发明水溶性柱[5]芳烃天然氨基酸超分子配合物中的水溶性柱[5]芳烃与天然氨基酸的配合比为1：1。

本发明中所得产物及键合行为研究经过¹H NMR证明。

氨基酸是一类结构上含有氨基和羧基的有机化合物，目前已经发现的氨基酸有700多种，其中的20种氨基酸为组成蛋白质结构的基本成分，所以又被称为天然氨基酸。天然氨基酸在生物组织的代谢、生长、维护和修复等过程中能起到非常重要的作用。由于结构上同时含有酸性羧基和碱性的氨基，几乎所有氨基酸都具有两性，即大多数氨基酸都呈现不同程度的酸性和碱性，而呈现中性的比较少，所以氨基酸既能与酸结合成盐，也能与碱结合成盐。天然氨基酸在结构上的差别主要取决于其侧链上R基团的不同，一般根据20种氨基酸R基团的化学结构或性质将其进行分类。

本发明特别采用羧酸盐取代的柱[5]芳烃与氨基酸进行包结配合。羧酸盐取代的柱[5]芳烃具有比传统的柱芳烃有更好的水溶性，且由于其有合适的空腔大小和修饰基团，更容易与氨基酸等小分子进行键合。基于这些特点使得羧酸盐取代的柱[5]芳烃成为一种理想的超分子主体，可以通过修饰后的水溶性柱芳烃，选择性的识别不同种类的氨基酸，以做成具有特异选择性的生物学材料或靶向识别特定的基团的药物载体。

本发明可以为构筑具有特定生物学功能的超分子体系提供基础，对揭示生命现象和过程意义重大，并可能给化学研究带来新的突破，具有广泛的应用前景。

本发明的水溶性柱[5]芳烃与天然氨基酸超分子配合物能够提高氨基酸的稳定性并控制其释放速度。主要用于药物包结，尤其在柱芳烃超分子与多肽类药物包结中有重要的应用，通过包结形成配合物可以提高药物分子的稳定性，药物定向释放，增加其水溶性，降低毒性等。此外，还可以用于提高化妆品、香料等不稳定、易挥发物质的稳定性，增加其水溶性。

附图说明

图1 CP5A的¹H NMR谱图；

图2 CP5A的¹³C NMR谱图；

图3 CP5A与客体Lys和Arg作用的¹H NMR谱图；其中（a）Lys；（b）CP5A + Lys；（c）CP5A；（d）CP5A +Arg；（e）Arg；（D₂O, 3.7~4.5 mM）

图4 CP5A与客体His和苯丙氨酸（Phe）作用的¹H NMR谱图。其中

具体实施方式

本发明所涉及的水溶性柱[5]芳烃主体可以按照我们已发表的文献合成：

Chunju Li,Xiaoyan Shu,Jian Li,Songhui Chen. J. Org. Chem. Complexation of 1,4-Bis(pyridinium)butanes by Negatively Charged Carboxylatopillar[5]arene. Helvetica Chimica Acta. 2011, 76, 8458–8465.）

实施例1：取赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）或组氨酸（His） 1mM(0.146g)，CP5A 1mM(2.646g)，固体条件下混合均匀，在在85～90℃油浴、电磁搅拌条件下，慢慢加入去离子水，至固体恰好溶解即可（去离子水的量要尽可能少）。完全溶解后，自然冷却至室温，有结晶析出。再放到冰箱中2℃条件下冷藏1小时。将冷却析出的配合物进行减压抽滤，并干燥，得到配合物。

在D₂O中，将单独主体、单独客体以及主、客体混合并测一维核磁谱（¹H NMR），分析得到CP5A（与标准氨基的作用模式）CP5A的核磁共振¹H NMR和¹³C NMR谱如图1和图2所示。

图3为CP5A与客体Lys和Arg在D₂O中未加入与加入1.0eq. CP5A的¹H NMR谱图。

当主、客体混合后，在核磁响应时间内是快交换。由图4b，对于赖氨酸（Lys），当加入1.0eq. CP5A ，Lys中烷基链上的Hb、Hc、Hd和He质子峰均明显加宽，并向高场移动，其化学位移变化值分别为Δδ =−0.16 ppm、Δδ =−0.79 ppm、Δδ =−0.24 ppm和Δδ =−1.13 ppm。表明烷基链进入主体空腔后使客体产生屏蔽效应。而对于αC上的质子Ha峰却向低场移动，Δδ =0.19 ppm，表明该位置没能进入主体空腔，位于主体空腔外缘，因而主体对其产生了去屏蔽效应。这就表明，Lys的烷基链部分进入主体空腔，而αC处于空腔外缘。被主体包结的部分可以看成[2]准轮烷型穿插结构。

在图4d中，对于精氨酸（Arg），当加入1.0eq. CP5A时，Arg烷基链上的质子Ha、Hb、Hc和Hd的质子峰均显著加宽，并明显向高场移动。各质子的化学位移变化值分别为Δδ =−0.07 ppm、Δδ =−0.32 ppm、Δδ =−0.64 ppm和Δδ =−1.25 ppm。这是烷基链完全进入主体空腔后产生屏蔽效应所致。这一结果表明，Arg的烷基链部分完全进入CP5A空腔内，形成准轮烷型穿插结构。

图4为 CP5A与客体His和Phe作用的¹H NMR谱图

在图4(a~c)中给出了苯并氨酸（Phe）与主体CP5A作用的¹H NMR谱图。当加入1.0eq.CP5A后，图中CP5A与Phe的各个质子峰几乎没有发生任何位移变化，这表明Phe与CP5A不作用或者作用非常的弱。对于组氨酸（His），由核磁谱图5d可以看出，当加入1.0eq. CP5A时，His中的Hb、Hc和Hd质子峰均明显加宽，并显著向高场移动。各质子化学位移变化值分别为Δδ =−0.19 ppm、Δδ =−1.59 ppm和Δδ =−1.29 ppm。表明咪唑环上的Hc和Hd均完全进入主体空腔内，产生了强烈的屏蔽效应；烷基链上的质子Hb化学位移变化值并不十分明显，表明这一位置键合在主体空腔边缘，主体对其产生了一定的屏蔽效应。而对于α－C上的质子Ha峰没有发现加宽效应，质子峰却向低场移动，Δδ =0.28 ppm，表明His的αC并未进入主体空腔内,而是处于空腔边缘。以上结果表明His与CP5A形成了[2]准轮烷型穿插结构。

CP5A对于其余16种标准氨基酸的的核磁谱图中的质子峰位移变化与Phe类似（主、客体混合后，主体H₁、H₂、H₃质子峰化学位移变化值如表1所示），即他们与主体CP5A未发生作用或作用力很弱。由此可以看出，CP5A对于20种标准氨基酸的的键合行为具有很好的选择性，仅与碱性氨基酸（Lys、Arg和His）发生键合作用，形成[2]准轮烷型分子聚合物。

图5 CP5A与20种标准氨基酸作用的主体峰位移变化值

客体	H₁Δδ(ppm)	H₂Δδ(ppm)	H₃Δδ(ppm)
				精氨酸	0.13	0.11	0.01
赖氨酸	0.09	0.11	a
				组氨酸	0.08	0.13	-0.03
丙氨酸	a	0.01	a
				异亮氨酸	a	0.01	a
甲硫氨酸	a	0.01	a
				酪氨酸	a	0.01	a
丝氨酸	a	a	a
				天冬酰胺	a	a	a
甘氨酸	a	a	a
				苏氨酸	a	0.01	a
缬氨酸	a	a	a
				谷氨酰胺	a	a	a
谷氨酸	a	-0.02	a
				亮氨酸	a	a	a
半胱氨酸	a	a	a
				天冬氨酸	a	-0.02	a
苯丙氨酸	a	a	a
				脯氨酸	a	a	a
色氨酸	-0.01	a	a

利用核磁滴定法，定量地评估了CP5A与赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）、组氨酸（His）分子的键合行为。当客体被包结在主体空腔内时产生的去屏蔽效应会使主体苯环上的质子峰向低场移动。若保持主体浓度不变，向体系中加入客体时，根据主体CP5A上质子化学位移的变化值，通过非线性拟合的方法可以定量测得键合常数。

由核磁共振¹H NMR谱图可知，大环主体CP5A与三种碱性氨基酸的键合作用明显，这三种氨基酸分别是：赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）和组氨酸（His），键合常数分别为：(1.8 ± 0.2) ´ 10³ M⁻¹、(5.9 ± 0.4) ´ 10³ M⁻¹和(1.5 ± 0.2) ´ 10³ M⁻¹。这三种氨基酸所形成的[2]准轮烷的K _a值较大，主要是由于主、客体间的静电作用、疏水作用及N-H∙∙∙O氢键协同作用的结果。Lys、Arg和His都是极性氨基酸，且他们的侧链（残基）在生理pH下均带正电：Lys侧链中含有ε-氨基，在生理pH下发生质子化而带正电荷，Arg侧链中胍基的酸度系数（pK _a值）为12.48，在中性、酸性或碱性的环境下都是带正电荷的，而His的侧链中含有咪唑基，由于咪唑基解离常数为6.0，即解离的质子浓度与水的相近，因此组氨酸既可作为质子供体，又可作为质子受体，在生理pH下可以接受一个质子而带正电荷。因此，这三种氨基酸被称为碱性氨基酸。巧合的是，在20种标准氨基酸中，有且仅有这三种碱性氨基酸，并且它们的残基在生理pH 下均带正电，这使其可以与主体CP5A的富π电子空腔有明显的作用。而其它17种氨基酸在生理pH下残基均不带电或者带负点，在加入CP5A后，核磁谱图上均未显示明显变化。与His结构十分相似的Phe，带有非极性的芳香族侧链——苯基，与咪唑基相比空间位阻上差异较小，但其与CP5A的作用与His相比却存在着巨大的差异，这是由于Phe是非极性的中性氨基酸。由此看来，在该体系中，静电作用和疏水作用对于[2]准轮烷分子聚合物的形成起主导作用。

主体对Arg给出最大的键合常数（K _a=(5.9 ± 0.4) ´ 10³ M⁻¹），比Lys的键合常数（K _a= (1.8 ± 0.2) ´ 10³ M⁻¹）大3.3倍，这主要是由于Arg中的残基疏水性较强所致；同时，Arg的键合常数是His键合常数（K _a=(1.5 ± 0.2) ´ 10³ M⁻¹）的3.9倍，这是由于Arg中存在胍基，可以与主体间形成多重N-H∙∙∙O氢键所致。

Claims

1.一种水溶性柱[5]芳烃与氨基酸超分子配合物，其特征在于该配合物是以水溶性柱[5]芳烃为主体，碱性氨基酸为客体键合而成的[2]准轮烷型穿插结构配合物，其中碱性氨基酸与水溶性柱[5]芳烃的摩尔比为1：1；该水溶性柱芳烃与L-精氨酸配合物结构如下：

。

2.根据权利要求1所述的水溶性柱[5]芳烃与氨基酸超分子配合物，其特征在于所述的碱性氨基酸为：赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）或组氨酸（His）。

3.根据权利要求2所述的水溶性柱[5]芳烃与氨基酸超分子配合物，其特征在于所述水溶性柱[5]芳烃与赖氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）和组氨酸（His）的核磁键合常数分别为：(1.8 ± 0.2) ´ 10³ M⁻¹、(5.9 ± 0.4) ´ 10³ M⁻¹和(1.5 ± 0.2) ´ 10³ M⁻¹。

4.一种制备权利要求1、2或3所述的水溶性柱[5]芳烃与氨基酸超分子配合物的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：将碱性氨基酸与水溶性柱[5]芳烃混合均匀后，在85～90℃温度、电磁搅拌条件下，慢慢加入去离子水，至固体恰好溶解；完全溶解后，调节溶液pH=7.2；自然冷却至室温，有结晶析出；在0～2℃条件下冷藏1小时；将冷却析出的配合物进行减压抽滤，并干燥，得到水溶性柱[5]芳烃与氨基酸超分子配合物。