配位体间的芳环堆积作用

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第361页（3515字）

以往对配合物的研究，较多地注意配体中配位原子的性质及配体中取代基团对配位原子的影响。

较少注意两个配体间的相互作用。70年代中期，随着生物配位化学的崛起，人们发现一个十分重要的现象，即在那些含有芳环配体的三元混配配合物中相当普遍地存在着配体间的芳环堆积作用，它有两个显着的特点，一是参与堆积作用的是属于配体中那些非配位基团部份；二是堆积作用能显着地增加配合物的稳定性。1974年，瑞士Basel大学的锡其尔(H．Sigel)首次报道［Cu(bpy)(ATP)］^2－分子中的电荷迁移作用，认为该配合物中因bpy的一个吡啶环与ATP^4－中的嘌呤环发生部分堆积，使其稳定常数logK从0．91增至6．96。

ATP^4－是生物体内代谢过程不可缺少的物质，因此配体间堆积现象便吸引着生物无机化学家们的浓厚兴趣。

其中以H．Sigel和日本的雅马赫两学派工作最为系统，涉及的金属有M²⁺(M=Cu、Zn、Co、Ni、Mn、Pd、Pt、Mg和Ca)，研究领域也迅速扩展到核苷酸、黄苷以及一系列氨基酸方面，有的并同药物作用联系起来，某些堆积配合物的单晶结构亦有研究。引起人们兴趣的是在许多氨基酸体系中还存在着烷基侧链与芳环二氨间的所谓“疏水堆积”作用。

配体发生堆积作用有严格条件的，当金属离子把配体A和B拉在自己周围并形成一定的空间结构后，A和B的非配位基团在空间条件容许下便有可能发生堆积，并存在着开放型和堆积型两种异构体间的平衡，如

K_I代表MAB(op)向MAB(st)转变的趋势，有的亦可用堆积型异构体百分数%st来表示。由于K_I直接测定很困难，故常需选定一种不存在或假设不发生堆积作用体系的配合物作为参考标准，于是便可用pH电位滴定法求得其余有堆积作用配合物的K_I和%st值。例如〔Cu(phen)(CA)〕⁺中当CA^－为甲酸根或乙酸根时就不会存在。

芳环堆积作用的本质是一种电子效应，借助核磁共振氢谱的方法可以获得更为直观的信息，如Pd²⁺与一系列二肽和二胺形成的混配合物中，由于芳环堆积产生的环流效应，使¹HNMR谱吸收峰发生了明显的高场位移，通过对化学位移△δ值的计算可获得分子内堆积异构体的百分数。O．Yamauchi等对Pd(bpy)(tyr-glu)和Pd(en)(tyr-glu)两个配合物进行¹HNMR的比较研究，由于酪氨酸(tyr)上与OH相邻的C₃原子恰好位于和Pd²⁺配位的bpy中N原子上方，堆积作用使C₃上的H原子电荷在1HNMR谱上明显地高场位移，而另一配合物中的乙二胺(en)因不存在芳环，就观察不到上述现象的产生。在作者研究的Pd²⁺－A(phen，bpy，trp)－UTP^4－体系以及Pt(bpy)(en)(AMP)形成的四元混配合物中同样存在着因堆积而导致氢谱高场位移的情况。

电子光谱和CD光谱亦可用来研究堆积作用，但相对使用较少。

迄今已对配体间堆积现象得出一些重要的规律，主要表现在以下4个方面：(1)芳环的大小。

配体间芳环的大小对堆积作用有决定性的影响，下表是几种Zn(Ⅱ)配合物的K_I和%st值，这种堆积顺序的变化，完全和参与堆积的芳环大小顺序相一致：

Phen＞bpy＞trp和ATP＞ITP＞UTP。堆积作用有时还必须考虑参与堆积芳环的匹配性，例如Cu(Phen)(UTP)^2－和Cu(bpy)(UTP)^2－，前者有堆积异构体57%，后者为55%。

如果把UTP^4－换成ATP^4－，则前者为92%，后者却仅为86%。产生这种差异的原因在于UTP^4－中的嘧啶环较ATP^4－中的嘌呤环为小，它能与较小的芳环(bpy中的吡啶环)发生较佳堆积，而较大的嘌呤环只可与较大的phen环才能匹配堆积。另外，芳环堆积还与配体结构有密切关系，在Cu²⁺－phen－PCA体系中(PCA为），当n=0～2时，其堆积度随n增大而增加(由21%增至49%)，n=3～4时的堆积异构体分别降至28%和34%，这是因为phen与PCA上芳环堆积受着PCA的(－CH₂)链的调节，n值太小或太大，都会导致PCA芳环偏离与phen环的接触机会。(2)溶剂效应。目前研究的体系除水以外尚有乙醇和二噁烷溶剂，一般说来，有机溶剂的存在会促进分子中堆积异构体的形成，因为有机溶剂使溶液的极性降低，金属离子的水合作用减弱，从而增强配体对金属离子的亲合性。

但当有机溶剂超过某一限度时，它们有可能将参与堆积的两个芳环分隔开来并使之单独溶剂化，此时金属离子水化层进一步变小，开式异构体形成几率增加，堆积异构体随之降低。H．Sigel等在对Cu²⁺、Zn²⁺－phen－PCA体系分别在水、乙醇和二噁烷溶剂中的研究充分证明了这一点。不过，溶剂效应对堆积作用的影响是比较复杂的，研究结果有时常有例外。

(3)金属离子的作用。金属离子对配体间堆积作用十分重要，若金属离子在两个配体间起桥联作用，表明两个配体均已配位在其周围，将会可能提供堆积需要的有利空间，如Zn(phen)(PCA)⁺在80%(v／v)二噁烷中堆积异构体已占27%，而在Zn(phen)(BzOH)²⁺中由于Zn²⁺没有在两个配体phen与BzOH间架桥，其在上述体系中堆积异构体仅占0．1%。

应当指出，金属离子的配位物几何构型对堆积作用有着重要的影响，在Cu²⁺和Zn²⁺与bpy和苯甲酸(Bz)及其衍生物形成的混配配合物Cu(Zn)(bpy)(Bz)⁺分子中，两种配合物的堆积型异构体几乎相等，前者为34%，后者为32%，但在苯甲酸的对位上有甲基(MBz)或硝基(NBz)时，Zn²⁺的配合物中%st几无变化，而Cu²⁺配合物中却大幅度分别降到24%和15%，这主要是受着Cu²⁺的平面构型和Zn²⁺的四面体或八面体构型不同的立体因素支配的结果。

这种情况在作者研究的Cu²⁺(Co²⁺、Ni²⁺)－phen－PCA体系中同样亦被清楚地观察到。

(4)温度的影响。温度升高对堆积作用是不利的。

这在Pd²⁺和一系列二肽与芳环二胺组成的混配配合物的稳定性随温度升高而降低的实验所证实，这里有两方面的原因，一是堆积作用的能量贡献较小，如芳环堆积时的自由能变化，即使像配合物Cu(phen)(HtrpOH)中的phen环与HtrpOH(5－羟基－L－色氨酸)中吲哚环间堆积的ΔG°是－12．7kJ·mol^－1。另一方面是与二肽分子中氨基酸的几何构象有关，随着温度的升高，氨基酸分子中与芳环二胺间的优势堆积构象与劣势堆积构象间的相互转化加速，这一现象的产生便直接导致配体间堆积作用的减弱。

配体间堆积是正常的自然现象，是生物分子自组织的重要基地，也是生物分子结构有序性的重要表现之一。迄今的研究虽然大部分还处于模拟阶段，并且在确定堆积度时选用开式异构体参考标准方面仍无精确的方法，常是要用多种方法联用加以比较。但金属离子(包括必需的和有害的)在生物体内的地位已经毋庸置疑，因此研究混配配合物分子内配体间的堆积作用，对于搞清金属离子在生物体内的作用机制、存在形态以及模拟配合物处于生物识别位置上的立体化学等无疑仍是十分重要。此外，配体间的疏水堆积作用亦是一个重要问题，这方面的报道正在逐渐增多，其中蛋白质分子中的疏水堆积占有很重要的地位，特别是氨基酸分子中烷基支链化程度对疏水堆积十分有利，有关这方面的研究需要继续深入。

。【参考文献】：

1 Mitchell P R, et al. Helv Chim Acta, 1979,62:1723-1735

2 SigelH. Stability, Coord Chem, 1980,20,15-45

3 YamauchiO, et al. J Am Chem Soc, 1985,107:5938-5945

4 Odani A, et al. Inorg Chem, 1986,25:62-69

5 龚钰秋，等．科学通报，1990，35∶915～918；1991；36∶1231～1233

(杭州大学龚钰秋教授撰)