催化酰胺键交换反应及其在动态共价键化学中的应用

发展新的合成方法对于产生新的结构、促进新性质和新功能的发现十分重要，本项目探索利用Lewis酸活化酰胺、氮杂环卡宾（NHCs）活化伯氨基，建立高效、温和条件下的氨基交换反应协同催化体系；运用动态共价键化学的原理和方法，利用上述催化体系，设计并合成常规动力学方法难以得到的热力学上稳定的复杂酰胺分子。本项目结合计算模拟，设计了具有特定构象和识别位点的笼状、大环酰胺分子，利用催化氨基交换反应方便地对其进行合成，拟通过NMR和单晶衍射对其在溶液和固相行为进行研究，同时开展此类分子在分子识别行为方面的研究。通过本项目的实施，希望能建立高效的针对特定底物分子的酰胺键交换反应协同催化体系，加深对酰胺键化学和动态共价键化学的理解和认识。

在本资助项目中，共进行了两个方向的研究：1. 分子内氢键介质的芳酰胺大环分子的“一锅法”高效合成；2. 基于Mn(II) T1 磁共振造影剂研究。.1. 利用芳酰胺类寡聚体高度的预组织特性可以促进大环分子体系的合成的特点，采用动力学控制的方法，“一锅法”快速成功地合成了上述刚性大环分子（产率60-70%），利用二胺和二酰氯合成了酰胺大环；利用二醛和二胺合成了亚胺大环。DFT计算模拟表明此类大环分子保持了平面刚性结构且具有1.86 nm 到 2.75 nm的孔径，具有识别较大分子的能力。.2. 结合本单位学科优势，我们同时开展了基于Mn（II）的T1磁共振造影剂研究。（1）根据Mn(II)的配位化学特点，在氮杂15-冠-5半冠醚基础上，在其骨架上引入五元或六元环，进一步增加其结构刚性；Mn-ligand 晶体结构，热力学稳定常数，弛豫效率以及动物体内成像效果显示，我们设计合成的新型Mn（II）磁共振造影剂具有较高的弛豫效率及体内稳定性，具有潜在的临床应用价值。（2）作为上述工作的延续及深入，项目负责人赴哈佛医学院Peter Caravan教授课题组访问学习一年。期间，建立了利用变温17O-NMR测定相关配合物的内配层水分子数目（q），水分子交换速率（Kex = 1/τm）及分子在溶液中旋转回复时间（τR）的方法；设计合成了适用于高场磁共振成像的高弛豫效率树状多价Mn(II)磁共振造影剂（（r1 = 6.5 s-1mM-1， 4.7 T）；（3）设计合成了基于金属离子配位自组装的高弛豫效率Mn(II)磁共振造影剂, 利用邻二酚羟基与Fe(III)，Ti(IV)等过渡金属强配位作用，含有邻二酚羟基的类EDTA-Mn可通过配位自组装的方式形成有序Mn(II)金属簇集体。该［Fe(MnEDTA)3]簇集体表现出非常高的T1弛豫效率（r1 = 9.0 s-1mM-1， 3.0 T）。