冠醚-肽轮烷

《Angewandte Chemie International Edition》：Crown Ether–Peptide Rotaxanes

金属-free活性模板合成制备了24冠-8-多肽轮轴化合物，通过甘氨酸残基锚定形成三种位异构体，并验证了其动力学稳定性和酶解保护效应。

　　这项研究围绕一种名为“冠醚-肽旋转体”（crown ether-peptide rotaxanes）的新型分子结构展开，旨在通过一种无需金属催化剂的活性模板反应（active template synthesis）合成这类机械互锁分子。旋转体是一种特殊的分子结构，其中一个小环（称为“轮轴”）被线性分子（称为“轴”）所贯穿，形成一种“线性-环”相互嵌套的结构。这种结构在自然界中并不存在，但具有潜在的生物活性和化学稳定性，因此其合成对药物开发、材料科学以及分子识别等领域具有重要意义。

冠醚是一种具有空腔结构的环状分子，通常由氧原子构成，能够与某些带电的分子（如金属离子或特定的氨基酸）形成稳定的复合物。在本研究中，科学家们使用了一种特定的冠醚——24-冠-8（24C8），并将其与不同的肽分子结合，以构建旋转体结构。与传统的合成方法不同，这项研究避免了在轴上引入额外的非酰胺模板位点，从而简化了合成过程，并且拓宽了可合成肽的范围。

研究的核心在于，如何利用24C8的空腔结构来实现对旋转体的精准控制。科学家们发现，当将24C8与含有甘氨酸的肽链结合时，由于甘氨酸侧链的结构较为简单，不会对冠醚的空腔造成阻碍，从而允许冠醚在特定的甘氨酸残基上稳定地锁定。这种锁定机制使得不同位置的冠醚可以形成不同的构型异构体（positional isomers），并且这些异构体可以通过核磁共振（NMR）和串联质谱（tandem mass spectrometry）等手段进行区分。通过这种方法，研究人员成功合成了三种不同的七肽旋转体，其冠醚分别锁定在不同的甘氨酸残基上，并验证了其结构的多样性。

在实验过程中，研究人员使用了多种化学策略来构建这些旋转体。首先，他们通过活性模板反应，将24C8与特定的激活酯（activated ester）和含有甘氨酸的二肽进行反应，以生成冠醚-三肽旋转体。这一反应在非极性溶剂如甲苯中进行，以加速反应速率。随后，通过在轴的N端和C端进行延伸，研究人员进一步构建了更长的七肽旋转体。这种策略使得他们能够合成出具有不同冠醚位置的旋转体异构体，并通过高分辨率质谱和NMR技术确认了其结构。

此外，研究还探讨了这些旋转体的化学性质和稳定性。实验表明，虽然冠醚对整个肽轴的酶解降解没有显著的抑制作用，但它对冠醚锁定区域附近的三个到四个氨基酸残基提供了显著的保护。这种保护效应可能源于冠醚与周围氨基酸之间的氢键作用，从而降低了这些残基被酶攻击的可能性。这一特性与天然存在的“环肽”（如某些环状抗菌肽）类似，这些天然环肽也通过其结构特点获得了较好的代谢稳定性和免疫原性。

通过串联质谱（MS/MS）和碰撞诱导解离（CID）分析，研究人员进一步揭示了冠醚在旋转体中的作用机制。结果显示，当冠醚被锁定在轴的某个位置时，它能够显著影响该区域的化学稳定性，使其在质谱分析中不易发生断裂。这一特性为旋转体在生物医学研究中的应用提供了新的可能性，因为其结构可能有助于维持分子的完整性，从而提高其在体内的稳定性和活性。

本研究不仅拓展了旋转体的合成方法，还为构建具有特定功能的机械互锁分子提供了新的思路。通过调整轴的组成和冠醚的锁定位置，科学家们可以设计出具有不同化学和生物特性的分子结构，这在药物开发和分子工程领域具有广泛的应用前景。此外，这项研究也为进一步探索其他类型的机械互锁分子（如猫烯、笼状分子等）奠定了基础，使得未来可以开发出更多基于肽的合成分子，以模拟天然分子的功能并实现其在生物系统中的应用。

总的来说，这项研究展示了一种高效、通用的合成方法，能够制备多种冠醚-肽旋转体，并揭示了这些分子在结构和功能上的独特特性。其成果不仅为理解机械互锁分子的合成机制提供了新的视角，也为未来开发新型生物活性分子和材料提供了重要的理论支持和实验基础。