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Angew: 南开大学陈瑶团队出品“分手神器”

来源()   2019-01-10
导读:近日,南开大学药物澳门皇冠赌场网站生物学国家重点实验室陈瑶研究员团队首次利用生物分子诱导策略合成了一类手性共价有机框架材料(COF),其可用作色谱中的手性固定相,对多种手性药物和氨基酸等小分子实现了高效拆分,堪称“分手神器”!相关研究成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.(DOI:10.1002/anie.201810571)。

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1:文章封面 来源:Angew. Chem. Int. Ed.

人类对于手性的认识由来已久,从微观分子到宇宙星辰,手性无处不在。这其中,对手性分子最深刻而又最惨痛的认知,当属上世纪50年代的反应停事件。此后,人们逐渐认识到手性分子的两个对映异构体往往在生物活性、代谢过程、毒性等方面存在显著差别,有的更是治病致病的天壤之别。因此,开创能够实现对映体的高效分离的新材料/新途径已成为澳门皇冠赌场网站界竞相攻关的课题。

目前,HPLC(高效液相色谱)是获取手性分子单一对映体的重要手段之一,而具有高手性分离性能的手性固定相是这一技术的关键。天然的生物分子如酶,因其本身固有的手性结构及其两亲性、两性离子性等特点而具有优秀的手性拆分能力,如果能够将其固定到一些固体材料上,不就是色谱中理想的手性固定相吗?基于此设想,陈瑶团队将目光聚集在了共价有机框架COFs)上。

作为一类新型的结晶固态材料,COFs具有高比表面积、较高孔道率、孔径规则并容易调控、结构灵活、易于功能化等特性,并具有优异的热稳定和澳门皇冠赌场网站稳定性,这意味着其在储气、光电、催化、药物传递等领域具有巨大的潜在应用。

陈瑶团队拟将一系列生物分子(如氨基酸、蛋白质和酶)共价固定到非手性的COF的通道壁中以形成生物分子COF(图2)。作者希望通过此方式形成的生物分子COF,既能继承原生物分子优秀的手性拆分能力,同时生物分子与COF通道壁之间通过强大的共价结合又可防止生物分子的变性和浸出,从而成为正相和反相高效液相色谱中理想的手性固定相。

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2:将生物分子固定到COF的孔道中 来源:Angew. Chem. Int. Ed.

作者的根本思路是将生物分子与COF的孔道共价结合,进而将手性环境带到COF中,则理想的COF分子应a.孔径足够大以容纳生物分子;b.能与生物分子相互作用;c.稳定性好。基于此,作者设计合成了全新的孔道分子COF 1(图3)。

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 3COF 1的合成策略 来源:Angew. Chem. Int. Ed.

经过作者的验证,COF 1 a.具有六边形孔道,孔径约为3.6 nm,足够容纳生物分子如溶菌酶;b.三嗪中的N原子和酰亚胺基团中的O原子是与生物分子相互作用的潜在氢键受体;c.不仅在各种有机溶剂中表现出非凡的稳定性,而且还表现出优异的水稳定性。

在该缩合反应中,酸酐首先自发开环与伯胺生成酰胺酸中间体,随后,当反应温度升至>150 ℃时,酰胺酸中间体脱水生成酰亚胺,完成串联(图4)。

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4:缩合机理 来源:Angew. Chem. Int. Ed.

接下来,作者利用现已发展成熟的共价偶联策略将一系列生物分子(溶菌酶、三肽、赖氨酸)固定到COF 1上(图5)。

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5:共价偶联策略 来源:Angew. Chem. Int. Ed.

作者首先将此策略与传统吸附方法进行了比较,溶菌酶、三肽和赖氨酸通过在COF 1中吸附而加载以形成生物分子COF 1共价结合的生物分子COF 1相比,后者的生物分子的加载量在远大于前者的同时泄漏率远低于前者。随后,作者还比较了COF 1与其他多孔材料(MOFMCM-41)的性能,总之,使用COF 1共价固定生物分子优于所有其他测试的多孔材料(图6)。

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6:溶菌酶加载量(a)与泄漏量(b)图示 来源:Angew. Chem. Int. Ed.

得到预期的生物分子COF 1之后,作者将其用作色谱中的手性固定相对一系列手性分子进行对映体分离(图7, a基于溶菌酶COF 1的手性固定相用于手性分离的图示,b-g不同化合物的手性分离色谱图;bdl-苏氨酸,cdl-亮氨酸,ddl-色氨酸,e)氧氟沙星,f)美托洛尔,和g)氯苯那敏)

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7:溶菌酶COF 1用于手性分离的图示 来源:Angew. Chem. Int. Ed.

结果表明溶菌酶COF 1对上述所有测试的外消旋底物都表现出优秀的手性分离效能。此外,在对其他各种外消旋底物(药物和氨基酸,详见SI)的手性分离中,分离度RS值均达到了1.3以上,这说明该方案具有普适性(图8)。值得注意的是,所有测试的外消旋物的尺寸都小于溶菌酶COF 1的孔径,这意味着手性分离发生在溶菌酶COF 1的孔内。此外,在与溶菌酶COF 1柱相同的条件下测试三肽COF 1和赖氨酸COF 1的分离性能,三肽COF 1仅对一些测试的外消旋体显示出分离效果,而赖氨酸COF 1未能分离任何测试的外消旋体,这一现象强调了生物分子(如溶菌酶)的高级结构在手性识别和分辨中的重要性,生物分子COF的分辨能力可能与二级或更高级结构以及手性中心的数量有关。

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8:溶菌酶COF 1的分离效能 来源:Angew. Chem. Int. Ed.

结语:南开大学陈瑶团队首次通过共价固定策略将一系列生物分子固定到非手性的COF中,得到的新材料既能继承原生物分子优秀的手性拆分能力,同时又可通过强大的共价结合保护生物分子。该研究将促进COF在手性分离中的广泛应用,并为设计高效耐用的手性固定相提供有价值的指导。

撰稿人:ChemY


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