第11卷第5期 大学化学 1996年10月 人体中的非酶促协同化学反应 李宝山 (西安医科大学710061) 摘要人体皮肤中所含7~脱氢胆笛醇在阳光照射下转变为维生素D的反应机理是，由两个 连续的协同反应组成：(1)T脱氢胆甾醇分子中的环己二烯开环转变为开链共轭三矯，(2)预钙化 醇分子内发生1,7氢迁移反应。在温和的生理条件下要发生非酶促反应，过环状过渡态按协同 方式进行反应，当为大自然的最佳选择。 酶促反应是生物化学反应的基本类型，以其高效性及高度专一性为特点。作为生物催化剂 的酶，在温和的生理条件下所具有的催化活性，是任何人工催化剂无法比拟的。但是，在人或生 物体中也存在着无催化反应-一一协同反应。此类反应涉及到较为复杂的有机分子，无须催化剂 却能在人或生物体温和条件下发生反应，究竞受什么因素支配、循何种规律进行反应？本文将 以人们所熟悉的D族维生素的生成为例，就其反应机理进行简要阐述。 维生素D系抗佝偻病维生素，对骨骼的生长起重要作用，其中以维生素D:和维生素D 作用为最强。人体皮肤中含有T-脱氢胆甾醇，在阳光照射下即可转变为维生素D。 7一脱氧胆酬 维生素D 以上反应实际上是由两个连续的协同反应组成：第一步是7-脱氢胆甾醇的B环开环 第二步是预钙化醇中相应的角甲基上一个H原子的迁移反应。 A B 钙化 31 1994-2009 China Academic Journal Electromc Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.ne
第 11 卷 第 5 期 大 学 化 学 1996 年 10 月 人体中的非酶促协同化学反应 李 宝 山 (西安医科大学 710061) 摘要 人体皮肤中所含 72脱氢胆甾醇在阳光照射下转变为维生素D3 的反应机理是, 由两个 连续的协同反应组成: (1) 72脱氢胆甾醇分子中的环己二烯开环转变为开链共轭三烯; (2) 预钙化 醇分子内发生 1, 72氢迁移反应。在温和的生理条件下要发生非酶促反应, 通过环状过渡态按协同 方式进行反应, 当为大自然的最佳选择。 酶促反应是生物化学反应的基本类型, 以其高效性及高度专一性为特点。作为生物催化剂 的酶, 在温和的生理条件下所具有的催化活性, 是任何人工催化剂无法比拟的。但是, 在人或生 物体中也存在着无催化反应——协同反应。此类反应涉及到较为复杂的有机分子, 无须催化剂 却能在人或生物体温和条件下发生反应, 究竟受什么因素支配、循何种规律进行反应? 本文将 以人们所熟悉的D 族维生素的生成为例, 就其反应机理进行简要阐述。 维生素D 系抗佝偻病维生素, 对骨骼的生长起重要作用, 其中以维生素D 2 和维生素D 3 作用为最强。人体皮肤中含有 72脱氢胆甾醇, 在阳光照射下即可转变为维生素D 3。 以上反应实际上是由两个连续的协同反应[1 ]组成: 第一步是 72脱氢胆甾醇的B 环开环, 第二步是预钙化醇中相应的角甲基上一个 Ρ2H 原子的迁移反应。 31 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
所谓协同反应，是指旧键断裂和新键形成同时发生的反应。关于此类反应的机理，曾经使 人们长期困惑不解，W oodw ard-Hoffim ann最先揭示出这个秘密一原来，支配协同反应进程 的是分子轨道的对称性。以上两个反应(I式和Ⅱ式)均需通过一个环状过渡态，这样的过渡 态能垒较低，在温和的生理条件下，经光照，反应即可完成。 1. 电环化开环 I式是7-脱氢胆甾醇分子中的环己二烯开环转变成开链共轭三烯（预钙化醇）的反应，其 逆反应 关环，通称为电环化反应。现仅就关环反应简介如下 C如 环状过渡态 根据福井谦一的“前线轨道理论” (MO)),当化合物进行反应时，起决定作用 888888- 的是前线轨道，即能量最高、有电子占据的分 8888界84 子轨道(HOMO)和能量最低、电子未占的分子 轨道LUM0),前者易给出电子而后者易接受 LUMO- 8具月88界-，十4owo 电子，因此在化学反应中前线轨道是最活跃的 分子轨道。由开链共轭三烯转变为环己二烯， oo18888骨8女干 作为单分子反应起决定作用的只是前线轨道 中的HOMO。基态共轭三烯华是HOMO,在 十888888中十 光照条件下共轭三烯处于激发态，华则为HO MO(见图1)。当华两端碳原子的p轨道顺旋 8具8888中1 (向同一方向旋转)时，位相相同的两瓣可重叠 基态 澈发态 (并重新杂化)形成σ键，即生成环己二烯。 图1共轭三烯π型轨道及电子排布 协同反应都是一步完成的反应，根据微观 可逆性原理，其正反应和逆反应均通过相同的过渡态，按相同的机理进行。7-脱氢胆甾醇在光 照条件下转化为预钙化醇，正是上述环化反应的逆反应。 2.0H迁移 反应式Ⅱ（预钙化醇一维生素D)实际上是庚三烯饱和碳上的H原子跨越七个碳原 子，转移到6m共轭体系另一端碳原子上的过程，故称为1,7H迁移反应。 这一反应可看成是 H,C-H 环状过渡态 1994.7009 China Academie rnal Electronic Publishing House.All rights reserved http:/.cnki.net
所谓协同反应, 是指旧键断裂和新键形成同时发生的反应。关于此类反应的机理, 曾经使 人们长期困惑不解,W oodw ard2Hoffm ann 最先揭示出这个秘密——原来, 支配协同反应进程 的是分子轨道的对称性[2 ]。以上两个反应(É 式和Ê 式) 均需通过一个环状过渡态, 这样的过渡 态能垒较低, 在温和的生理条件下, 经光照, 反应即可完成。 11 电环化开环 É 式是 72脱氢胆甾醇分子中的环己二烯开环转变成开链共轭三烯(预钙化醇) 的反应, 其 逆反应——关环, 通称为电环化反应。现仅就关环反应简介如下: 图 1 共轭三烯 Π型轨道及电子排布 根 据 福 井 谦 一 的“前 线 轨 道 理 论” (FM O ) [3 ] , 当化合物进行反应时, 起决定作用 的是前线轨道, 即能量最高、有电子占据的分 子轨道(HOM O ) 和能量最低、电子未占的分子 轨道(LUM O ) , 前者易给出电子而后者易接受 电子, 因此在化学反应中前线轨道是最活跃的 分子轨道。由开链共轭三烯转变为环己二烯, 作为单分子反应起决定作用的只是前线轨道 中的HOM O。基态共轭三烯 Ω3 是HOM O , 在 光照条件下共轭三烯处于激发态, Ω4 则为HO 2 M O (见图 1)。当 Ω4 两端碳原子的 p 轨道顺旋 (向同一方向旋转) 时, 位相相同的两瓣可重叠 (并重新杂化) 形成 Ρ 键, 即生成环己二烯。 协同反应都是一步完成的反应, 根据微观 可逆性原理, 其正反应和逆反应均通过相同的过渡态, 按相同的机理进行。72脱氢胆甾醇在光 照条件下转化为预钙化醇, 正是上述环化反应的逆反应。 21 Ρ2H 迁移 反应式Ê (预钙化醇 维生素D 3 ) 实际上是庚三烯饱和碳上的 Ρ2H 原子跨越七个碳原 子, 转移到 6Π共轭体系另一端碳原子上的过程, 故称为 1, 72H 迁移反应。这一反应可看成是 32 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
庚三烯分子内两个组分（即C一Hσ轨道与共轭三烯π型轨道）的相互作用，按前线轨道理论， 应是两组分前线轨道之间的作用。由图2可见，基态CH成键轨道σ是HOMO,反键轨道σ 为LUMO。若将激发态（在光照条件下）共轭三烯的π型轨道4作为HOMO,以基态CHG 轨道作LUMO。当反应发生时，借助于前线轨道华但OMO)与σLUMO)之间的电子授受 H原子即沿π体系的同一侧面迁移，氢原子的s球形轨道与C,p轨道的一个瓣同位相重叠 形成新的CHσ键，π体系遂即重新组合。因此，这一反应称为1,7H同面迁移。这样，预钙 化醇就转变为维生素D。 ®酒￥十Hoa0 0十“。十 HOMO 藏发 图2匠轨道及电子排布 麦角甾醇系植物甾醇，也是通过相同的方式转变为维生素D。 HO HO 麦角留醇 维生素D 对任何化学反应而言，当反应发生时反应物分子总是力求寻找最易通过的途径，即满足两 个最重要的条件(1)能量最低，(2)分子中的原子排布避免受到大的空间阻碍。不难看出，在 温和的生理条件下要发生无催化反应，通过环状过渡态按协同方式进行反应，当为大自然的最 佳选择。藉此，常可得到高度立体专一性的产物 参考文献 1王积涛，高等有机化学，人民教育出版社，1982：234 2 Noodward R B.Ho笛mnR菱王志中等译轨道对称性守，科学出版社1978 刘宗明.分子轨道对称守恒原理及其在有机化学中的应用.高等教育出版社，1983.3斗 FDA批准的第四种抗HW感染的新药 这种由FDA批准的第四种抗HW感染和ADS病的新药名叫Stavudine,化 学学名为2,3脱二氢-3脱氧胸苷或简称d4T。该药由B risto lM yers Squbb公 司经销，商标为ZCri结构式见右图。PDA认为该药在患有HN感染的成人对已 批准的另三种抗HW药即Zidovudine(AZT),Didanosine(ddD和Zalcitabn HO (ddC)无法接受时可以使用。d4T也是一种可阻碍爱滋病病原的HN病毒复制的 核苷，结构上与AZT相似，只是用C=℃键取代了后者糖中C但)N:CH:而己. 其主要副作用为外部神经症状，如产生疼痛、颜抖或麻痹的感觉等。 [Cham ical&Eng ineering N ow,1994Juy422]宋琦 33 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All righis reserved htip://www.cnki.ne
庚三烯分子内两个组分(即C—H Ρ 轨道与共轭三烯 Π型轨道) 的相互作用, 按前线轨道理论, 应是两组分前线轨道之间的作用。由图 2 可见, 基态C—H 成键轨道 Ρ 是HOM O , 反键轨道 Ρ 3 为LUM O。若将激发态(在光照条件下) 共轭三烯的 Π型轨道 Ω4 作为HOM O , 以基态C—H Ρ 3 轨道作LUM O。当反应发生时, 借助于前线轨道 Ω4 (HOM O ) 与 Ρ 3 (LUM O ) 之间的电子授受, H 原子即沿 Π体系的同一侧面迁移, 氢原子的 s 球形轨道与 C7 p 轨道的一个瓣同位相重叠, 形成新的C—H Ρ 键, Π体系遂即重新组合。因此, 这一反应称为 1, 72H 同面迁移。这样, 预钙 化醇就转变为维生素D 3。 图 2 ΡC—H轨道及电子排布 麦角甾醇系植物甾醇, 也是通过相同的方式转变为维生素D 2。 对任何化学反应而言, 当反应发生时反应物分子总是力求寻找最易通过的途径, 即满足两 个最重要的条件(1) 能量最低, (2) 分子中的原子排布避免受到大的空间阻碍。不难看出, 在 温和的生理条件下要发生无催化反应, 通过环状过渡态按协同方式进行反应, 当为大自然的最 佳选择。藉此, 常可得到高度立体专一性的产物。 参 考 文 献 1 王积涛 1 高等有机化学 1 人民教育出版社, 1982: 234 2 W oodw ard R B, Hoffm an R 著. 王志中等译. 轨道对称性守恒 1 科学出版社, 1978 3 刘宗明 1 分子轨道对称守恒原理及其在有机化学中的应用 1 高等教育出版社, 1983: 34 FDA 批准的第四种抗 H IV 感染的新药 这种由 FDA 批准的第四种抗H IV 感染和A IDS 病的新药名叫 Stavudine, 化 学学名为 2′, 3′2脱二氢23′2脱氧胸苷或简称 d4T。该药由B risto l2M yers Squibb 公 司经销, 商标为 Zerit。结构式见右图。FDA 认为该药在患有H IV 感染的成人对已 批准的另三种抗 H IV 药即 Zidovudine (A ZT ) , D idano sine (dd I) 和 Zalcitabine (ddC) 无法接受时可以使用。d4T 也是一种可阻碍爱滋病病原的H IV 病毒复制的 核苷, 结构上与A ZT 相似, 只是用 C C 键取代了后者糖中 C (H )N 3CH 2 而已。 其主要副作用为外部神经症状, 如产生疼痛、颤抖或麻痹的感觉等。 [Chem ical & E ng ineering N ew s, 1994; July 4: 22 ] 宋 琦 33 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net