2002年度:物理有机化学前沿领域两个重要方面-有机分子簇集和自由基化学的研究
发布时间:2015-11-25 14:00

物理有机化学前沿领域两个重要方面-有机分子簇集和自由基化学的研究

2002年度国家自然科学奖一等奖

疏水亲脂相互作用(HLI, Hydrophobic Lipophilic Interaction)是分子间主要的弱相互作用之一,也是导致宇宙间生命现象形成的基本作用力之一。深入了解HLI对研究生命科学、理解生命现象及某些生理、病理过程有根本性的意义,在有机合成、化合物分离和超分子化学中也有重要的地位。而有机分子的簇集和自卷是研究HLI最基本和最简单的模型,它们直接影响受物分子的反应性和生物功能,所以用物理有机化学的概念和方法来研究它们,是研究HLI最好的途径之一,并且可以用这一简单的理论模型来研究模拟生命现象中的某些物理和化学变化过程,如我们已发现动脉粥样硬化斑块的组成和胆固醇酯类化合物的共簇集倾向性直接有关。而解簇集概念的提出和有效解簇剂的研究又为治疗动脉粥样硬化疾病的药物分子设计提供有益的启示。因此这是物理有机化学前沿领域及和生命科学有关的十分重要的研究方面之一。

有机化合物结构性能关系的研究是物理有机化学的核心内容之一。但在自由基化学结构性能关系研究中,长期以来存在两个未解决的重要问题,即一是没有一套与取代基极性无关,真正反映取代基自旋离域能力的参数s ·。二是如果取代基自旋离域效应存在,那为什么很多自由基反应不需要自旋离域参数s ·,只要极性参数s x 就可以得到很好相关?我们通过取代三氟苯乙烯体系的研究,真正拆分了取代基的极性和自旋离域效应,建立了一套迄今种类最多、最可靠的取代基自旋离域参数sJJ·,成功应用于自由基反应和波谱参数的相关分析中,并用双参数方程的ρ+/ρJJ· 比值作为取代基极性和自旋离域效应相对权重的判别尺度,将自由基反应分为四类,成功解决了长期困扰自由基化学界如何评估这两种效应的重大问题。

主要科学技术内容:蒋锡夔先生和同事自八十年代初起深入系统地开展了物理有机化学前沿领域两个重要方面--有机分子簇集和自由基化学的研究,他们选用了有机分子的簇集和自卷现象作为研究疏水亲脂相互作用的简单和基本模型,在发展了临界簇集浓度(CAgC)和临界共簇集浓度(CoCAgC)定量测定的基础上,用水解动力学和荧光探针等方法对影响有机分子簇集、共簇集、自卷曲等的分子结构因素、溶剂效应、盐效应和温度等进行了详细和系统的研究,取得了一系列创新成果。特别是他们提出了静电稳定化簇集体,解簇集和溶剂促簇能力等一系列重要的创新概念,这些概念对理解分子间的弱相互作用具有重要的理论意义,同时还对有机合成反应的设计和理解有机分子在生命体内的作用等有重要的指导作用。如他们首先提出只有带有相反电荷的长链碳氢分子可以在疏水亲脂相互作用和静电作用下形成静电稳定化簇集体(ESAg),ESAg是此类有带有相反电荷的表面活性剂组成的+/-混合胶束的前体或预胶束,测定了不同阶段的簇集数。这是对疏水亲脂相互作用理论和胶束化学的重要发展。

利用分子自卷的概念,他们首次成功地合成了17元大环,并发现由分子自卷引起的“大环邻基参与” 催化加速羧酸酯水解反应速度和共簇集接近效应促进分子内激基缔合物形成的过程。更为有意义的是通过分子自卷引起的胆固醇脂类化合物的“链可卷效应”研究,他们首先提出引起动脉粥样硬化疾病的罪魁祸首胆固醇脂和甘油三脂类化合物的共簇集倾向性直接和它们在动脉粥样硬化斑块中的组成有关。这是首次用物理有机化学的概念,在分子水平上来解释生命过程中的现象。

解簇集概念的提出和应用是他们对疏水亲脂相互作用理论的又一重要发展。他们提出一定结构的有机分子可以分散或破坏已经形成的有机分子簇集体,这一解簇集现象可以通过它们对簇集体探针的动力学行为和荧光光谱行为的影响来进行研究。他们提出了解簇集的机制,获奖后根据这一机制的推理,他们研究了各种不同结构的化合物的解簇集效率,找到了一系列有效的解簇剂。这对治疗动脉粥样硬化疾病药物的分子设计具有重要的理论启示意义。

在这一领域中的创新研究内容还包括建立了许多簇集和相关因素的线性关系,涉及链长、温度和溶剂促簇能力(SAgP)。还研究了在疏水亲脂相互作用下,有机簇集体的共簇集接近效应促进加速电子转移、能量传递、荧光淬灭和分子识别等过程。

自由基化学是他们的又一重要的研究内容。在自由基化学结构性能关系研究中的一个重要问题,即建立真正反映取代基自旋离域能力的参数sJJ·上取得了突破,在取代三氟苯乙烯19F 核磁共振参数的基础上,他们建立了相对独立的反映取代基极性效应影响的参数σmb,并通过对45个温度下取代三氟苯乙烯热环化二聚反应动力学参数的研究,建立了32个不同类型取代基的真正反映取代基自旋离域能力的参数sJJ·sJJ·是当今国际上取代基个数最多,种类最广,并经多种方法验证,准确可靠的s·类参数。在他们严格规定的研究自由基反应的有关标准下,这一 sJJ· 参数成功地应用于6类自由基加成反应(73个化合物)、3类自由基攫取反应(40个化合物)的动力学参数的相关分析中,并对UV光谱的υmax值(17152个化合物)、EPR谱的aN值(225个化合物)、荧光光谱的发射能ΔE值(550个化合物)和氧化还原势(223个化合物)等参数的成功地进行了相关分析。在此基础上,他们提出了在自由基化学的相关分析中,用双参数相关方程的系数的比值(ρ+/ρJJ·)作为取代基极性效应和自旋离域效应贡献大小相对权重的判别尺度,将自由基反应分为四种类型。成功解决了长期困扰自由基化学界的一个问题,即如何评估取代基自旋离域和极性两种效应对自由基反应的影响。这一工作被国际同行认为是一里程碑式的工作,多次被国内外文章引用。

完成人:蒋锡夔(中国科学院上海有机化学研究所),计国桢(中国科学院上海有机化学研究所),张劲涛(中国科学院上海有机化学研究所),范伟强(中国科学院上海有机化学研究所),史济良(中国科学院上海有机化学研究所)


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