“量身定制”的血红素类分子探针的设计与应用

Molecular probes are important and powerful tools in detection and analysis of certain components in biological and environmental samples. And heme is a natural metal complex with diverse physical and chemical properties. This project aims to design and synthesize three different sorts of ‘tailor-made’ probes with heme as centre, and use them in application of sample analysis from biological and environmental sources. The designed probes include β-cyclodextrin containing heme probes, thiol-reactive moiety containing heme probes, and ligand containing heme probes. They are designed to detect organic pollutants, active thiol compounds, and heavy metal ions, respectively. The practical samples will also be tested in this project.

分子探针是协助科学工作者在分子水平上对生命活动及环境样品中特定成份进行微量分析与实时检测的重要手段和有力工具。而血红素则是一种拥有许多物理和化学特性的天然金属配合物。本项目旨在以血红素为核心，设计合成三类有特定功能的“积木式”分子探针工具并应用于环境样品和生物样品的分析。这三类分子探针分别是：(1) 针对有机污染物，设计合成的末端为β-环糊精的血红素类分子探针。(2) 针对活性巯基，设计合成的末端为马来酰亚胺等巯基活性反应基团的血红素类分子探针。(3)针对重金属离子，设计合成末端为配体结构的血红素类分子探针。在此基础上，本项目试图对上述几类分子探针的功能开展研究，并试图将其应用于实际生物样品和环境样品的分析检测，以期达成为有机分析与生物分析提供良好的分子工具。

本项目针对不同应用，“量身定制”设计制备了多种基于血红素的分子探针，并考察了其性能；筛选并发展一种反应活性高、适应性广的血红素衍生物活性前体，可用于后续血红素类功能分子的衍生合成。.在对末端为金属配位基团的血红素衍生物进行研究中，发现其与多种过渡金属结合能力强，可形成稳定的配合物。研究中考察了血红素及其配合其他金属的衍生物的催化性能，并将其应用于人工金属酶的构建和催化性能研究：1.建立了一种简便有效的实现硫叶立德[1, 2]-Stevens重排和Sommelet-Hauser重排反应的选择性的血红素催化体系。2.发展了高效能的人工金属辅基Cu@hemin作为水相催化剂及以其为核心的人工杂化DNA酶Cu@hemin@DNA G-quadruplex，两者达到高效催化的催化剂用量分别为0.05 mol%和0.01 mol%。人工杂化DNA酶底物适应性强，且拥有一定的不对称选择性。3.发展了高效人工杂化DNA酶Cu@hemin@OD1催化的重氮化合物与吡咯及吲哚的C‒H插入反应，以高产率得到了吡咯的双侧C‒H插入产物，并对其反应的底物适用范围作了考察。通过分子模拟对人工杂化DNA酶Cu@hemin@DNA G-quadruplex的空间结构做了初步的探究。.该项目成果有望为构建基于血红素的新型功能分子（分子探针、催化剂等）提供了新思路和新方法，所发展的人工杂化DNA酶高效催化反应可能有进一步研究意义和应用价值。