1、嘧啶并4,5-d嘧啶核苷的复杂的自组装超分子结构1. 内容介绍超分子自组装是不仅是生物结构的化学根源之一，但也引起不同的工业领域的注意。本文通过动态光散射，扫描电显微镜，差示扫描量热法，核磁共振和 X-射线分析，研究嘧啶并4,5-d嘧啶核苷的复杂的花形的超分子结构的形成的机理。一旦除去糖类的羟基，不同的花形上层结构可形成。这些工作表明复杂的自组装确实可以通过单个分子的分层的非共价相互作用达到。如果与其他化学物质结合，通过单体的分子识别构建的奇异结构，表明在其他领域的潜能。我们设计并合成了一系列 Janus-型嘧啶并4,5-d嘧啶核苷,它结合遗传密码字母-胞嘧啶、双齿腺嘌呤、胸腺嘧啶核苷、尿嘧啶
2、核苷。讨论 ：一些 Janus-型核苷类似物的抗病毒和抗肿瘤活性研究过程中，我们发现化合物 1 在不同溶液可以形成一个美丽的花形结构。本文研究了花形核苷的超结构，包括在原子水平上的内相互作用、修改后的结构和它的分子识别性能如何影响超结构。从 DLS, NMR 和 SEM 的实验结果表明一个两阶段的机制（从微球到一个完整的花形状态）花形超分子结构的各向异性生长。DSC 提供热力学参数，如双相过程。因此，为形成这样复杂的形态，第一非特异性氢键一起抱紧单个分子形成核，成长为一个微球，一旦它们相互接近就开始识别过程。为了形成特定的碱基对，糖基键周围的正确构象被要求，进一步影响糖的褶皱。因此，所有羟基再
3、次被重新排列在一个固定的空间方向，以形成能量有利复杂氢键网络，而使整个系统的微调形成支化花形超分子结构。X-ray 证明单晶的原子级别的相互作用包括复杂氢键介导的网络。这些信息对理解所有的力和这种复杂的超分子结构的连通性是至关重要的。这种结构是在含水环境中的氢键系统的一个很好的例子，由于水分子的竞争很难形成。我们还进行了 XRPD 实验，这把在从花形的溶液状态中制备的粉末和单晶状态结构测出的实验图案与所计算出的图案相比较。结果表明在快速冷却的花形溶液总采用相同的药物相互作用的单晶状态。相关的化合物 3 和 4 类似的花形形态通过修改羟基再生证明使用这种新型化合物的构建复杂超分子结构拥有独特的内
4、部工作，同时证实了有关单个分子之间的关系的疑虑结构参数和最终超分子组装的形状，同时证实了我们对单分子的结构参数和最终超分子组装的形状之间的关系的疑问。这个信息也非常有助于我们构建或将来功能化这样复杂形状的结构。核苷的最强大的特性是其独特的碱基对识别，这是 DNA / RNA 的复制和转录的基础。这些识别性能也应用于当前的情况下建立相当有趣的混合形态，这可能会极大地扩大其用途。总之，一个复杂的花形的超分子结构的两阶段形成过程通过各种技术得到证明。X-ray 揭示了精密氢键网络。这样复杂形状的上部结构可以通过修改某些官能团能够构造和扩大成相关的化学物质。核苷也可发挥重要的作用， ，与杂环和糖及其三
5、维构象灵活性的富化学的结合，以制造在超分子自组装面积更复杂的化学结构。图 1. SEM 图像和化合物 1 和 2 的分子结构。 （a）化合物 1 在水中的自组装花形超分子结构（b ）化合物 2 在水中的自组装微球结构，分子结构表明腺嘌呤和胸腺嘧啶两面氢键受体 - 供体基序：箭头 A 表示氢受体，箭头 D 为供体。比例尺：(a) 10mm; (b) 5mm.图 2.SEM 图表示花形上层结构的形成过程。(ag)不完整的微米化的中间体 14 小时内观察这是在一个非常类似的方式模仿自然花朵盛开的花蕾(h,i)14 小时后观察的全开的微米花（h,背面；I,前面）.比例尺(a c) 5mm; (di)
6、10mm。.图 3.两个单体构象和碱基对图案间的结构。(a)构象异构体 A 采用反构象 N 型（3 -内）糖褶皱和 5-OH 在 ap位置（b）构象异构体 B 采用高-反构象 S 型（3 外）糖褶皱和 5-OH 在 sc 位置,2-OH 和 N1B 的分子内氢键显示为绿色。(c) 化合物 1 的两种可能的碱基对的基序。 （d）固态 1 的反向 WatsonCrick 碱基对，连接 A和 B 一起的重复氢键单元整个组装突出颜色是绿色，原子编码如下：红色，氧气;蓝色，氮;灰，碳;白，氢。图 4.化合物 1 的复杂氢键网络。 （1 ）化合物 1 的整体多层超分子结构（b）构象 A 和 B 的相互作用
7、，相邻层的部分碱基没有层叠和不同层的共价键将显示在黄色或紫色颜色（c）构象 A 和 A 之间的相互作用（d）构象 B 和 B 之间的相互作用, 总重复 20 氢键单元横过整个组件的不同层突出为绿色，原子编码如下：红色，氧气;蓝色，氮; 灰，碳;白，氢。图 5.化合物 3 和 4 的 SEM 图像和化合物 4 的单晶衍射结构（a ）化合物 3 在水中形成的螺旋花形上部结构（b）化合物 4 在水中形成的球状花形上部结构（c）化合物 4 单晶衍射结构，13 内和分子间氢键的重复单元突出是绿色，原子编码如下：红色，氧气;蓝色，氮; 灰，碳; 白，氢。比例尺（a,b）10m.结果：花形上层结构的稳定性化
8、合物 1(J-AT)形成的花形超结构直径均匀（图 1 和辅助图 1） ，它与微球体形结构完全不同。这样的花形超结构稳定长达 60 天，并在整个时期中大小和形态没有明显的变化，表明没有发生坍塌或聚集。微型花形在广泛的 PH 值是稳定的，从 3 到 11,（辅助图 2） 。像其他的的自组装体系，花形结构的形成是浓度依赖的（辅助图 3） 。图 6. 通过混合 J-AT 与其他核苷形成嵌合体形态.(a) J-AT: 腺苷(b-e) J-AT:不同比例尿苷（f ） （g ）J-AT:不同比例鸟苷（h）化合物 2(i) J-AT:J-TA 比例尺(a,gi), 5m; (bf), 10 m.当化合物 1
9、的浓度高于 0.1mgml ?1 至饱和 0.5 mg ml_1,，花形超结构可以观察到。在低浓度溶液中的微球的形成过程是通过温度改变 DLS 测量检测和颗粒上的温度流体力学半径的分布的依赖性表明在 SEM 下观察到的微球没有溶剂挥发的结果。花形超结构的形成过程调查花形超结构的形成机理，使用了时间流逝实验。从在 0 分钟和 14 小时之间的不同时间间隔取样品，可以看出，花形超结构是从微球的结构增长。(Fig. 2ag)14 小时后完整的微型花形可以看到。表明微型花形的形成也是发生在溶液中，而不是表面沉积的结果。否则，相同的形状可以在不同时间间隔观测到。间相关的 SEM图像提出花形超结构形成机理
10、。在第一阶段球状核形成， 在第二阶段的“花瓣”径向从表面突出并长大成最终全形状花，伴随球形芽的逐渐衰落。化合物 1 的单晶衍射结构构型 B 的 5-OH 和 3-OH 间的距离比构型 A 的长(图. 3a,b)。当前的 J-AT 系统被赋予相同的选项（图 3c） ，但只有反向沃森 - 克里克碱基发现单晶(Fig. 3d)。两个构象异构体发现 N11-H 和 O12 之间的分子内氢键, 这是对于 J-AT 系统的一般特性。在三维超分子水平，一种新的多层结构有复杂氢键网络形成。通过图 4a 层可以清楚看到。但相邻碱基对的层没有层叠（图 4b 和辅助图 10） ，为了清楚地显示的复杂性，我们提出了整
11、个氢键相互作用三类：A-A（图 4c） ，B-B（图 4d）和 A-B（图 4b）在不同层次的相互作用伴随一些水分子的参与。对于化合物 1 ，在整个组装中，一个非常复杂的氢键网络被无限重复形成 3D 多层超分子结构中的单晶态。显然，两碱基部分和糖残基是固有确定性因素指导三维上层建筑形状。化合物 2 只能形成微球表明 2-OH 基团在这种各向异性生长过程中发挥关键作用。花形超结构的构造化合物 3 和 4 可以形成花形超结构实了 2-OH 基团的关键作用：一旦它存在于分子中的，花形保留。不同的分子结构也导致了不同的 “花”的总体形状：3 的螺旋形式和 4 的球形花，如图 5 保留了花瓣 。在一般情
12、况下，在整个超分子组装体通过 13 氢键空间重复涉及基础和糖的部分形成（图 5c） 。化合物 1 分子识别J-AT 核苷衍生物的碱基部分具有一个腺嘌呤氢键阵列面和胸腺嘧啶阵列的另一面。除了自互补，J-AT 可竞争碱基配对与任何腺苷或尿苷/胸苷。互补或非互补的天然核糖核苷对超分子形状的影响通过将它们添加到 1 的水溶液和比较新的结构与个别正常核苷的相应的结构进行研究。我们认为这两个腺苷和尿苷能中断 1 的微状花形形成，是因为线性带状结构的延伸将被 J-AT-A 或 J-AT-U 碱基对终止。1 的花形结构完全消失在 J-AT+A (1:1)混合情况下，形成微球（图 6a）这与 J-AT 的微型花形或腺苷的纤维状结构完全不同。这意味着 J-AT 和腺苷确实杂交。出乎我们的预料，化合物 1 没有尿苷配对。当 1 当量。U 加入，微型花形保持完好（图 6b） 。当 5 当量，U 加入，观察到一个惊人的幻想有花瓣结构突出，从光滑的膜形成到尿苷。此嵌合的形态表示 1 和尿苷之间的部分碱基对（图 6c） ，J-AT核苷的具体的分子识别特性被保留下来，表明通过不同的杂交的形状，这有利于该结构通过特定的非共价相互作用进一步官能化。
