水溶性金属-有机配合物阵列的合成

摘要

提出了一种合成含预定金属中心序列的水溶性多金属肽阵列的潜在通用方法。

摘要

我们展示了一种合成水溶性多金属肽阵列的方法，该阵列包含预定序列的金属中心，如 Ru(II)、Pt(II) 和 Rh(III)。该化合物被称为水溶性金属有机配合物阵列（WSMOCA），其制备过程包括两个步骤：1）通过传统的溶液化学方法合成相应的金属配合物单体，这些单体含有 9-芴甲氧羰基（Fmoc）保护的氨基酸片段；2）在表面功能化的聚合物树脂上，按照多肽固相合成的原始方法并加以适当改进，将这些单体依次与其他水溶性有机结构单元进行偶联。通过质谱分析在第二阶段代表性偶联步骤中对反应过程进行追踪，证实了金属中心按照预定序列选择性地构建在肽链骨架上。在第二阶段结束时从树脂上裂解下来的 WSMOCA 在水性介质中具有一定的溶解度，其溶解度依赖于 pH 值和/或盐含量，这一特性有利于该化合物的纯化。

引言

复杂分子结构的可控合成一直是合成化学中的一个重要课题。从这一角度来看，以可设计的方式合成多核异金属配合物仍然是无机化学领域中值得挑战的研究方向，原因在于目前常用于制备单核金属配合物的配体-金属化方法可能导致多种可能的结构产物。尽管迄今为止已有若干多核异金属配合物的实例被报道^1,2,3，但其合成过程往往依赖尝试与错误或步骤繁琐，因此有必要发展一种适用于多种结构的简便合成方法。

为解决这一问题，我们于2011年报道了一种新的合成方法^4,5，该方法利用固相多肽合成方案⁶，将含有Fmoc保护氨基酸片段的各种单核金属配合物依次偶联，从而构建多金属肽阵列。由于多肽合成具有连续性，通过控制这些金属配合物单体偶联反应的次数和顺序，可合理设计出具有特定序列的多金属中心结构。此后，该方法进一步实现了模块化，通过将两个较短的阵列通过共价连接相结合，可构建出多种更大和/或支化的阵列结构⁷。

本文将以近期报道的WSMOCA（1⁸ CAS RN 1827663-18-2；图1）作为代表性示例，展示此类多金属肽阵列的典型合成方法。尽管本实验方案描述的是某一特定阵列的合成，但相同的操作步骤适用于多种不同序列的合成，包括异构体⁹。我们期望本方案能够激励更多研究人员参与到序列可控化合物的研究中来，目前该领域所研究的分子通常为生物大分子，而基于金属配合物的物种则鲜有报道。

方案

1. 金属配合物单体的制备（2 CAS RN 1381776-70-0，3 CAS RN 1261168-42-6，4 CAS RN 1261168-43-7；图1）

1. 单体2的制备
   1. 将有机前体（5⁹ CAS RN 1381776-63-1；图1）（380 mg，0.48 mmol）和[Ru(p-cymene)Cl₂]二聚体（224 mg，0.37 mmol）与搅拌子一起加入100 ml单颈圆底烧瓶中。
   2. 向混合物中加入甲醇（MeOH）（25 ml），将冷凝管连接至烧瓶接口，在控温油浴中于65 °C下搅拌悬浮液3小时。
   3. 将反应混合物冷却至室温，并通过滤纸减压抽滤该悬浮液。
   4. 用MeOH彻底洗涤滤纸上的残留物，直至滤液目视无色，然后在减压下干燥残留物。
   5. 将残留物与4'-(4-甲苯基)-2,2':6',2"-三联吡啶（216 mg，0.68 mmol）及搅拌子一起加入100 ml单颈圆底烧瓶中。
   6. 向混合物中加入MeOH（22.5 ml）和水（2.5 ml），将冷凝管连接至烧瓶接口，在70 °C下搅拌悬浮液16小时。
   7. 将反应混合物冷却至室温，过滤悬浮液。
   8. 在减压下干燥滤纸上的残留物，并将其溶于二甲基亚砜（DMSO）（3 ml）中。
   9. 将DMSO溶液缓慢加入过量的乙酸乙酯（EtOAc）中。
   10. 过滤所得悬浮液，用EtOAc洗涤滤纸上的残留物，并在减压下干燥。
2. 单体3的制备
   1. 将有机前体（6⁴ CAS RN 1261168-39-1；图1）（360 mg，0.50 mmol）和Pt(环辛-1,5-二烯)Cl₂（195 mg，0.52 mmol）与搅拌子一起加入100 ml单颈圆底烧瓶中。
   2. 向混合物中加入MeOH（15 ml），将冷凝管连接至烧瓶接口，在65 °C下搅拌悬浮液12小时。
   3. 将反应混合物冷却至室温，过滤悬浮液。
   4. 用MeOH彻底洗涤滤纸上的残留物，并在减压下干燥。
3. 单体4的制备
   1. 将有机前体（6；图1）（360 mg，0.50 mmol）和RhCl₃·3H₂O（137 mg，0.52 mmol）与搅拌子一起加入100 ml单颈圆底烧瓶中。
   2. 向混合物中加入MeOH（50 ml），将冷凝管连接至烧瓶接口，在氮气（N₂）气氛下于65 °C搅拌悬浮液12小时。
   3. 将反应混合物冷却至室温，过滤悬浮液。
   4. 用MeOH彻底洗涤滤纸上的残留物，并在减压下干燥。

2. 水溶性金属-有机配合物阵列1的制备

1. TG Sieber 树脂的 Fmoc 去保护
   1. 将购买的 TG Sieber 树脂（135 mg）与搅拌子置于一个底部带有排水口并配有玻璃滤器和两通活塞的 10 ml 双颈烧瓶中（图 2a）。将三通活塞和玻璃塞连接至烧瓶的接口。
   2. 使用真空管线将烧瓶内部气氛置换为 N₂，然后用无水级二氯甲烷（CH₂Cl₂）（1 ml）溶胀树脂（图 2b）。
   3. 依次加入无水级二甲基甲酰胺（DMF）（3 ml）和哌啶（1 ml），室温下搅拌反应 2.5 小时。
   4. 通过底部排水口过滤除去溶液。依次用无水级甲醇（MeOH）（3 ml，搅拌 3 分钟）和无水级 CH₂Cl₂（3 ml，搅拌 3 分钟）交替洗涤树脂三次，再用无水级 CH₂Cl₂（3 ml，搅拌 3 分钟）洗涤四次（图 2c）。
   5. 将步骤 2.1.4 中所得所有溶液合并，并用乙腈（CH₃CN）稀释至总体积为 50 ml。取 1 ml 该溶液转移至光程为 1 cm 的石英比色皿中，再用 CH₃CN（2 ml）稀释。
   6. 根据哌啶-二苯并富烯加合物在 299 nm 处的消光系数（6,234）¹⁰ 及步骤 2.1.5 所得溶液的光谱吸光度（a），利用以下公式计算去保护的 Fmoc 基团的摩尔数（f µmol）：
      f = 0.05 × 10⁶ × 3 × a / 6234
2. Ru 单体 2 的负载
   1. 在 N₂ 气氛下，向洗涤后的树脂中依次加入无水级 CH₂Cl₂（2.5 ml）、Ru 单体 2（64.9 mg，53.2 µmol）、1-羟基苯并三唑-1-基-1,1,3,3-四甲基脲六氟磷酸盐（HBTU）（30.3 mg，79.8 µmol）、无水级 DMSO（2.5 ml）和 N,N-二异丙基乙胺（iPr₂NEt）（20 µl），室温下搅拌反应 12 小时（图 2d）。
   2. 通过底部排水口过滤除去溶液。用无水级 DMSO（3 ml，搅拌 5 分钟）洗涤树脂三次，再用无水级 MeOH（3 ml，搅拌 3 分钟）和无水级 CH₂Cl₂（3 ml，搅拌 3 分钟）交替洗涤三次，最后用无水级 CH₂Cl₂（3 ml，搅拌 3 分钟）洗涤三次。
   3. 在 N₂ 气氛下，向洗涤后的树脂中依次加入无水级 CH₂Cl₂（5 ml）、苯甲酸酐（0.28 g，1.5 mmol）和 N-甲基咪唑（0.10 ml，1.5 mmol），室温下搅拌反应 2 小时。
   4. 通过底部排水口过滤除去溶液。用无水级 CH₂Cl₂（3 ml，搅拌 3 分钟）和无水级 MeOH（3 ml，搅拌 3 分钟）交替洗涤树脂三次，再用无水级 CH₂Cl₂（3 ml，搅拌 3 分钟）洗涤三次。
   5. 重复步骤 2.1.3–2.1.6 的操作，以定量测定所负载的 Ru 单体 2 的摩尔数。
3. Fmoc 和侧链叔丁基（tBu）保护的（L）-谷氨酸（Glu）的负载（7 CAS RN 71989-18-9；图 1）
   1. 在 N₂ 气氛下，向洗涤后的树脂中依次加入无水级 CH₂Cl₂（4.5 ml）、Glu·H₂O（39.4 mg，88.8 µmol）、HBTU（50.5 mg，133.2 µmol）、无水级 DMSO（0.5 ml）和 iPr₂NEt（50 µl），室温下搅拌反应 12 小时（图 2e）。
      ​注：从步骤 2.3 到 2.7，Glu·H₂O 和 HBTU 的用量逐步减少，以保持其与树脂上反应性 -NH₂ 官能团的化学计量比恒定。
   2. 重复步骤 2.2.2–2.2.4 的操作。
   3. 取少量树脂放入三氟乙酸（CF₃CO₂H）（2.5 µl）、三乙基硅烷（Et₃SiH）（0.5 µl）和 1,2-二氯乙烷（47 µl）的混合液中。超声处理 0.5 小时，所得溶液用于质谱分析^4,7,8,9（图 3a）。
   4. 重复步骤 2.1.3–2.1.6 的操作，以定量测定所负载的 Glu 的摩尔数。
4. Pt 单体 3 的负载
   1. 在 N₂ 气氛下，向洗涤后的树脂中依次加入无水级 DMSO（4.5 ml）、Pt 单体（32.9 mg，33.3 µmol）、HBTU（18.9 mg，50.0 µmol）、无水级 CH₂Cl₂（0.5 ml）和 iPr₂NEt（20 µl），室温下搅拌反应 12 小时（图 2f）。
   2. 重复步骤 2.2.2–2.2.5 的操作，以定量测定所负载的 Pt 单体 3 的摩尔数。
5. Glu 的负载
   1. 在 N₂ 气氛下，向洗涤后的树脂中依次加入无水级 CH₂Cl₂（4.5 ml）、Glu·H₂O（27.8 mg，62.9 µmol）、HBTU（35.8 mg，94.4 µmol）、无水级 DMSO（0.5 ml）和 iPr₂NEt（50 µl），室温下搅拌反应 12 小时。
   2. 重复步骤 2.3.2–2.3.4 的操作（图 3b）。
6. Rh 单体 4 的负载
   1. 在 N₂ 气氛下，向洗涤后的树脂中依次加入无水级 DMSO（4.5 ml）、Rh 单体 4（21.8 mg，23.3 µmol）、HBTU（13.3 mg，35.0 µmol）、无水级 CH₂Cl₂（0.5 ml）和 iPr₂NEt（20 µl），室温下搅拌反应 12 小时（图 2g）。
   2. 重复步骤 2.2.2 的操作。
   3. 重复步骤 2.6.1 的操作。
   4. 重复步骤 2.2.2–2.2.5 的操作，以定量测定所负载的 Rh 单体 4 的摩尔数。
7. Glu 的负载
   1. 在 N₂ 气氛下，向洗涤后的树脂中依次加入无水级 CH₂Cl₂（4.5 ml）、Glu·H₂O（20.4 mg，46.0 µmol）、HBTU（26.2 mg，69.0 µmol）、无水级 DMSO（0.5 ml）和 iPr₂NEt（50 µl），室温下搅拌反应 12 小时。
   2. 重复步骤 2.3.2–2.3.4 的操作（图 3c）。
8. 2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙酸（TEG 酸）的负载（8 CAS RN 16024-58-1；图 1）
   1. 在 N₂ 气氛下，向洗涤后的树脂中依次加入无水级 CH₂Cl₂（3 ml）、TEG 酸（14 µl，91.0 µmol）、HBTU（51.7 mg，136.5 µmol）、无水级 CH₂Cl₂（2 ml）和 iPr₂NEt（50 µl），室温下搅拌反应 12 小时。
   2. 通过底部排水口过滤除去溶液。用无水级 DMSO（3 ml，搅拌 5 分钟）洗涤两次，再用无水级 MeOH（3 ml，搅拌 3 分钟）和无水级 CH₂Cl₂（3 ml，搅拌 3 分钟）交替洗涤三次，最后用无水级 CH₂Cl₂（3 ml，搅拌 3 分钟）洗涤三次。
9. 固相合成结束后的树脂裂解
   1. 用乙醚（4 ml，搅拌 5 分钟）洗涤树脂三次，真空干燥后，用无水级 CH₂Cl₂（1 ml，搅拌 5 分钟）溶胀树脂。
   2. 向悬浮液中加入 CF₃CO₂H（0.1 ml）、Et₃SiH（20 µl）和 1,2-二氯乙烷（1.9 ml）的混合液，室温下搅拌反应 12 小时。
   3. 通过底部排水口过滤除去溶液，向树脂中加入新的 CF₃CO₂H（0.1 ml）、Et₃SiH（20 µl）和 1,2-二氯乙烷（1.9 ml）混合液，室温下搅拌反应 1 小时。
   4. 重复步骤 2.9.3，直至溶液目视无色（图 2h）。
   5. 合并步骤 2.9.2–2.9.4 所得的所有溶液，通过质谱分析其成分^4,7,8,9（图 3d）。
   6. 通过蒸发除去溶液中的挥发性物质，将残留物溶解于 CF₃CO₂H（0.2 ml）、Et₃SiH（40 µl）和 1,2-二氯乙烷（3.8 ml）的混合液中。
   7. 室温下搅拌 24 小时，通过质谱分析所得溶液的成分^4,7,8,9，以确认化合物 1 侧链上 tBu 基团的完全去保护（图 3e）。
   8. 通过蒸发除去溶液中的挥发性物质。
10. 化合物 1 的纯化
    1. 将步骤 2.9 所得的固体残留物在 CH₂Cl₂ 中超声处理，倾出溶液。重复此过程，直至倾出液目视无色。
    2. 通过质谱分析所得固体残留物的成分^4,7,8,9。
    3. 用 MeOH（100 µl/10 mg）超声洗涤残留物，倾出溶液，通过质谱分析所得固体残留物的成分^4,7,8,9。
    4. 将残留物（1 mg）在 CH₃CN（90 µl）和水（10 µl）的混合液中超声溶解，将所得溶液与磷酸盐缓冲液（800 µl，10 mM，pH = 7.4）混合。超声处理后，于 37 °C 孵育 24 小时。
    5. 用 1,2-二氯乙烷（500 µl）、CH₃CN（20 µl）和 CF₃CO₂H（20 µl）的混合液萃取上清液中的有色物质。通过质谱分析萃取物^4,7,8,9（图 3f）。
    6. 重复萃取，直至水相目视无色。合并有机相，通过蒸发除去挥发性物质。

结果

图1展示了最终目标化合物、前体和中间体的分子结构。图2展示了树脂的图像，图3展示了在选定实验步骤中样品的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF）图谱。图2a至2h显示了在本方案第2部分反应步骤中树脂颜色和外观的变化。采用MALDI-TOF质谱法追踪反应进程，并确认目标产物按预期存在。

图1. WSMOCA、前体及中间体的分子结构。（1）目标产物WSMOCA；（2、3、

讨论

完全通过使用可轻易溶解这些化学物质的溶剂进行洗涤，未必总能彻底去除树脂中残留的不需要的化学成分。高效清洗树脂的关键技术是使其反复溶胀与收缩，从而迫使残留在树脂内部的化学物质被释放出来。因此，在本实验步骤中，树脂需用 CH 处理₂Cl₂ 并交替使用水和甲醇进行洗涤（例如， 方案 2.1.4）

由于连续进行多次非定量的偶联反应，固相合成结束时经裂解的混合物中目标阵列的量可能较少。尽管固相合成中的每一步反应通常仅进行一次，但如果需要提高相应反应步骤的整体偶联产率，则可以重复进行相同的偶联反应，如方案2.6所示。通过将同一偶联反应重复两次，可使相应偶联反应的产率提高约10%。

与固相多肽合成中常用的Fmoc保护氨基酸单体相比，带有金属配合物的单体在树脂表面进行偶联反应时，通常产率不超过80%。由于存在体积较大的金属配合物基团，空间位阻效应起到一定作用，而在单体的C端插入一个氨基酸单元有时可显著提高其偶联产率。然而，即使对单体结构进行此类修饰，仍不足以实现偶联反应的完全定量。...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
二氯(1,5-环辛二烯)铂(II)	TCI	D3592
三水合氯化铑(III)	关东化学	36018-62
磷酸盐缓冲液，片剂	西格玛-奥德里奇	P4417-50TAB
NovaSyn TG Sieber 树脂	诺华生物化学	8.55013.0005
HBTU	TCI	B1657
苯甲酸酐	关东化学	04116-30
三氟乙酸	关东化学	40578-30
三乙基硅烷	TCI	T0662
2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙酸	西格玛-奥德里奇	407003	在 3 Å 分子筛上干燥
二苯并醇	和光纯药工业	191502
N-甲基咪唑	TCI	M0508
哌啶	关东化学	32249-30
4'-(4-甲苯基)-2,2':6',2"-三联吡啶	西格玛-奥德里奇	496375
脱水级二甲基亚砜	关东化学	10380-05
脱水级甲醇	关东化学	25506-05
脱水级二氯甲烷	关东化学	11338-84
MeOH	关东化学	25183-81
二甲基亚砜	关东化学	10378-70
乙酸乙酯	关东化学	14029-81
乙腈	关东化学	01031-70
1,2-二氯乙烷	关东化学	10149-00
乙醚	关东化学	14134-00
二氯甲烷	关东化学	10158-81