大学化学, 2020, 35(7): 95-98 doi: 10.3866/PKU.DXHX202004082

知识介绍

单糖与苯硼酸的酯化反应及生物应用简介

王卓,1,2, 李朔1

Esterification Reaction of Monosaccharide and Phenylboronic Acid and Its Biological Application

Wang Zhuo,1,2, Li Shuo1

通讯作者: 王卓, Email: wangzhuo77@mail.buct.edu.cn

收稿日期: 2020-04-20   接受日期: 2020-04-21  

基金资助: 国家自然科学基金.  21775010
国家自然科学基金.  81961138011
北京市自然科学基金.  7192106
中央高校基本科研业务费.  XK1901
中央高校基本科研业务费.  XK1802-6

Received: 2020-04-20   Accepted: 2020-04-21  

摘要

讲述了单糖与苯硼酸间的酯化反应过程及影响因素,举例说明了此类反应在化学和生物学中的应用,拓展了有机化学教学中关于单糖化合物的应用介绍,引导学生提升对化学和生物学交叉领域学习和研究的兴趣。

关键词: 单糖 ; 苯硼酸 ; 酯化反应

Abstract

This article describes the esterification process between monosaccharides and phenylboronic acid and influencing factors, exemplifies the application of this reaction in chemical and biological fields, expands the application of monosaccharides in organic chemistry teaching, and guides students to improve their interest in the interdisciplinary field.

Keywords: Monosaccharide ; Phenylboronic acid ; Esterification reaction

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王卓, 李朔. 单糖与苯硼酸的酯化反应及生物应用简介. 大学化学[J], 2020, 35(7): 95-98 doi:10.3866/PKU.DXHX202004082

Wang Zhuo. Esterification Reaction of Monosaccharide and Phenylboronic Acid and Its Biological Application. University Chemistry[J], 2020, 35(7): 95-98 doi:10.3866/PKU.DXHX202004082

糖是我们生活中的必需品,是生命体能量的来源。从化学的角度去认识糖,我们更关注的是糖的官能团及其进行的化学反应[1,2]。在本科阶段的有机化学教学中关于糖的内容在碳水化合物这一章中进行讲解,教学中重点讲述单糖的立体构型、互变异构和主要官能团发生的化学反应[3]。单糖的多羟基结构能与苯硼酸类化合物发生酯化反应,这类反应在化学和生物学交叉领域的科学研究中应用广泛。在教学中通过介绍苯硼酸和单糖之间的酯化反应及其在分析化学和生物识别领域的应用,拓展了单糖化合物在科研领域的应用介绍,引导学生提升对化学和生物学交叉专业的学习和研究的兴趣。

苯硼酸在有机合成中是一类重要的反应中间体,在交叉偶联反应中使用苯基硼酸可以高效地形成碳-碳键,是应用广泛的Suzuki偶联反应[4]。苯硼酸作为分子探针通过酯化反应能够实现对多羟基化合物的识别,在分析检测和生物识别领域具有重要的应用。苯硼酸中硼原子以sp2杂化状态存在,有一个空轨道可以作为路易斯酸接受外来电子,在水溶液或碱性条件下苯硼酸易形成苯硼酸盐,并与二醇类化合物的羟基发生取代反应,然后发生环闭合反应,与二醇结构形成新的B―O键,形成可逆苯硼酸酯。由于螯合效应,环闭合反应与游离二羟基化合物进攻硼酸相比反应速度更快(图1)[5]

图1

图1   苯硼酸酯形成过程


单糖作为多羟基化合物,可与苯硼酸反应生成可逆硼酸酯,这个反应可用于单糖识别。苯硼酸在水溶液中以两种形式存在,不带电子的平面三角形结构“1”和带电子的正四面体结构“2”。这两种形式的苯硼酸都可以与单糖反应形成环酯,但正四面体结构苯硼酸更容易和单糖反应,并且生成的环酯在水中更稳定。平面三角形结构苯硼酸和单糖反应生成的环酯不稳定,极易回到苯硼酸状态,所以平衡常数Keq-tet大于Keq-trig。同时因为反应中正四面体结构苯硼酸被消耗,苯硼酸由平面三角形结构转变为正四面体结构,有利于正四面体结构苯硼酸环酯的形成。同时,形成的平面三角构型苯硼酸环酯也可以和正四面体结构苯硼酸环酯发生可逆转换(图2)。

图2

图2   苯硼酸与单糖结合的可逆平衡过程


苯硼酸与单糖的化学反应主要受到单糖结构和溶液环境的影响。能够与苯硼酸成酯的糖类具有顺式二羟基结构。果糖与苯硼酸的结合,多数文献认为含顺式邻位二羟基结构的呋喃糖形式的二羟基间角度更适合与硼酸形成硼酸酯五元环[6]。理论计算也表明当苯硼酸与环上的二醇基团络合时,环几乎是平面的,能量最低[7]。研究结果也证明,果糖的顺邻二羟基结构与硼酸成酯的同时,环外羟基也参与硼原子配位,并且该配位方式形成的硼酸酯为主要产物,也使得果糖结合能力强于其他单糖化合物[7,8]。早期研究表明葡萄糖以吡喃糖形式与苯硼酸结合,但随后的研究证明葡萄糖也以呋喃糖形式结合,并且呋喃糖的两组顺式二羟基可以与二分子苯硼酸结合[9]

苯硼酸的酯化反应受到溶液环境因素的影响。Wang等[10]利用竞争分析法对苯硼酸和二醇类化合物结合的最佳pH进行了研究。在较低pH下苯硼酸与二醇的亲和力很小,将pH从4提高到7,二者结合能力增强。实验证明,pH从7到12,二者结合能力逐渐降低。研究人员选择了一系列不同取代基的芳基硼酸进行测试,发现吸电子基团降低苯硼酸pKa,而给电子基团增加pKa[11]。但是与给电子基团对pKa的影响相比,吸电子基团对硼酸pKa影响更大。例如,2-甲氧基苯硼酸的pKa仅比苯硼酸高0.2,而3-硝基苯硼酸的pKa比苯硼酸低1.7。所以在设计苯硼酸与单糖实验时要根据具体反应选择合适pH的溶液环境。

苯硼酸对1, 2-、1, 3-二醇类化合物具有高亲和力,目前苯硼酸基团与碳水化合物、糖蛋白等之间的酯化反应被广泛应用于糖类传感器制备和生物识别。Lee等[12]报道了一种由苯硼酸功能化笼型聚倍半硅氧烷(POSS-PBA)和二醇修饰的8-苯胺-1-萘磺酸组成的复合荧光纳米传感器的新策略,用于检测葡萄糖。该策略是基于POSS-PBA和8-苯胺-1-萘磺酸改性的二醇之间荧光共振能量转移(FRET)效应的调节,在猝灭状态下,荧光较弱,而在非猝灭状态下荧光强度较高(图3)。该传感器可以在0–20 mg·mL-1的浓度下检测葡萄糖,即使在低葡萄糖浓度为0–1 mg·mL-1的情况下也具有良好的线性关系,同时具有很好的选择性。

图3

图3   基于苯硼酸识别基团的复合传感器用于葡萄糖检测[12]


苯硼酸功能化的纳米复合物,可与癌细胞表面唾液酸相互识别,唾液酸是单糖衍生物,与异常的蛋白质糖基化密切相关,是癌症转化过程中的重要因素之一[13]。唾液酸在乳腺癌、肝癌等癌细胞表面过度表达,能够与苯硼酸功能化的纳米材料发生特异性识别,从而实现药物递送和肿瘤治疗。Ma等[14]合成了两亲性苯硼酸功能化聚乙烯亚胺纳米粒子(PEI-PBA/siRNA)作为一种简单、通用的siRNA传递系统,并研究了它们在体外和体内的抗癌效果(图4)。苯硼酸功能化的纳米复合物,不仅通过PBA与癌细胞表面唾液酸相互作用,有力地促进了细胞对siRNA的摄取,而且促进了siRNA的溶酶体逃逸,从而有效地抑制了靶基因的表达,提高了siRNA癌症治疗的疗效。这些应用都揭示了化学与生物学和医学等领域是密切相关的,有机化学的学习为这些领域提供了多样的分子结构和化学工具。

图4

图4   苯硼酸功能化的纳米复合物识别唾液酸实现靶向的siRNA递送[14]


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