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基于胶体分散液和自组装寡肽的弱定向液晶介质用于核磁共振各向异性参数的测定 精选

已有 3243 次阅读 2024-2-5 11:39 |个人分类:AMR Account|系统分类:论文交流

中南民大秦四勇-兰大雷新响:基于胶体分散液和自组装寡肽的弱定向液晶介质用于核磁共振各向异性参数的测定

近日,中南民族大学秦四勇副教授和兰州大学雷新响教授的AMR述评文章“Weak Alignment Liquid Crystal Media from Colloidal Dispersion and Self-assembled Oligopeptide for Anisotropic NMR”在线发表。文章着重讨论了利用自上而下的二维层状液晶(氧化石墨烯和MXene)和自下而上的自组装寡肽液晶的制备、表征,及其在作为弱定向介质用于获取有机分子各向异性核磁共振参数(残留偶极耦合和残留化学位移各向异性)领域的应用,并总结了这两类介质各自的应用优势、发展前景以及未来面临的挑战。

关键词:石墨烯液晶;MXene液晶;寡肽自组装;RDC;RCSA;结构解析

Given the feature of inherent anisotropy, lyotropic liquid crystals (LLCs) have been documented as excellent candidates to act as alignment media.

When used as alignment media, 2D colloidal dispersion showed a striking feature of no background signals.

Oligopeptides, due to their mature synthesis strategy, structural designability, and robust self-assembly ability, have been exploited to create supramolecular alignment media in different solvents.

01 文章内容简介

有机分子的立体结构解析对于有机合成以及天然药物的开发至关重要。核磁共振各向异性参数如残留偶极耦合(RDCs,residual dipolar couplings)和残留化学位移各向异性(RCSAs,residual chemical shift anisotropies)包含了丰富的三维结构信息,可用于分子的构型及优势构象解析,为常规NMR方法提供了重要的补充。然而,为了能有效获取被测分子核磁共振各向异性参数,需要提供特殊的弱定向介质来限制分子的运动,诱导其产生取向。因此,构建简便实用的定向介质对于有机分子立体结构的解析具有重要意义。

本文主要评述了团队近期围绕二维胶体分散液和自组装寡肽构建的两类液晶定向介质的制备、表征及其在获取有机分子各向异性核磁共振参数领域的应用。基于二维片层结构作为定向介质具有无背景信号的特性,提出制备二维层状结构材料作为定向介质用于核磁共振各向异性参数的测定,首先实现了氧化石墨烯液晶在提取RDC的应用。由于氧化石墨烯液晶与芳香化合物之间具有较强π-π堆积作用导致液晶介质失去定向能力,通过对石墨烯表面进行聚合修饰以减弱其π-π作用,构建了聚合物修饰的氧化石墨烯液晶用于芳香化合物RDC的精确测量。鉴于制备石墨烯液晶介质需要通过多次溶剂置换策略除去体系中的非氘代试剂,此过程不仅繁琐,同时成本较高。因此,我们进一步开发了MXene液晶介质。MXene液晶不仅保持无背景信号的优势,同时可通过冻干-再分散的方式快速形成液晶介质,制备简单,且无需修饰可直接用于测量芳香化合物的RDC。

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由于通过自上而下制备方法获得的二维胶体液晶介质主要适用于D2O和有机-D2O混合溶剂体系,进一步利用自下而上的组装策略制备了寡肽液晶,以拓展定向介质的多样性以及与分析物的相容性。成功构建了首个与甲醇兼容的AAKLVFF寡肽定向介质,验证了其用于RDC和RCSA提取的准确性。鉴于肽结构的多样性以及优异的自组装性质,随后设计了一系列两亲性寡肽,实现了在D2O、CD3OD和DMSO-d6等溶剂中液晶介质的构建,扩展了被测底物的范围,丰富了液晶介质的种类。最后,总结了两类液晶介质在未知分子结构解析中的具体应用。此外,我们展望了二维胶体分散液和寡肽液晶用于核磁共振各向异性参数获取的发展前景以及可能面临的挑战。

02 AMR:请问您选择该领域的初心是?

作者团队:

近年来,有机分子的结构解析方法与技术越来越丰富,但结构的错误匹配屡见不鲜,对其后续研究与应用造成极其不利的影响。核磁共振波谱在有机化合物的结构鉴定与分析中有着不可取代的地位,其中,核磁共振各向异性参数可以提供分子中原子空间排列信息,它与分子内原子的空间排列有关,能够反映有机分子的构造、构型以及优势构象。而核磁共振各向异性参数的获取需要定向介质为分析物提供各向异性环境。鉴于普通的聚合物凝胶介质存在制样耗时较长、需要特殊装置以及聚合物液晶介质制备较为复杂、可能存在背景信号等问题,我们希望通过构建制备简单、性能优异的定向介质用于有机分子的立体结构的解析,助力立体化学和药物研究的快速发展。

03 AMR请和大家分享一下这个领域

可能会出现的研究机会!

作者团队:

到目前为止,对于二维片层液晶材料,只有氧化石墨烯和MXene被开发用于制备定向介质,且只能与水和二甲基亚砜等强极性溶剂兼容。通过对层状材料进行有机化修饰,降低其极性,从而开发与甲醇或氯仿等其他溶剂兼容的二维层状介质具有较大的发展空间。对于寡肽液晶,通过肽序列结构的调控,虽已制备多种寡肽能在不同溶剂中自组装形成定向介质,但其设计理论尚未形成。此外,由手性氨基酸形成的肽具备手性鉴别的潜力,但目前已报道的手性肽液晶介质性能较差。因此,构建性能优异的手性肽液晶介质具有较好的应用前景。

04 AMR您对该领域的发展有何愿景?

作者团队:

化学空间理论上无限大,目前美国化学文摘(CA)收录注册的化合物已超过1.6亿个,已有超过一亿个有机分子被合成制备,其中绝大部分是药物化学研发的结果。剑桥晶体学数据中心CCDC注册的结构刚刚突破106万(存储含有C-H 键的有机小分子及其与金属的配合物晶体结构数据,不含生物大分子)。对于难于结晶的分子,近年来晶体海绵法(crystalline sponge method)、冷冻电镜(Cryo-EM)等技术相继被开发用于有机分子的结构测定,成为前沿研究热点。但是对于无定形及低晶格能的非结晶分子,上述方法仍然捉襟见肘,难于应付,而这类分子的比例约大于75%。核磁共振是一种卓越的、具有原子分辨率的分析技术,在有机分子结构鉴定中占举足轻重的作用,其在精确构象分析方面是单晶衍射与电镜所无法比拟的。核磁共振各向异性参数 RDC和RCSA 不仅可以反映分子的整体结构轮廓,也可以用于局部片段的确定;并且与核磁共振共振其它参数成正交,对于解析人员来说具有非偏向性,对于验证分子结构的正确性意义非凡。因此,期望能有更多的人才聚焦这个领域,投身到定向介质的开发与核磁共振各向异性参数的应用中来,加速其在有机分子的构成、构型、构象分析中应用。

作者团队简介

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中南民族大学

化学与材料科学学院

秦四勇 副教授

秦四勇(第一作者及通讯作者),男,博士,副教授,硕士生导师。2009年毕业于黄冈师范学院,获化学专业学士学位;2009年至2014年在武汉大学硕博连读,师从卓仁禧院士和张先正教授,获高分子化学与物理专业博士学位。2014年7月-2015年3月在贵州大学材料与冶金学院工作,于2015年4月加入中南民族大学化学与材料科学学院。主要从事小分子肽自组装构建微、纳米材料及其在生物医学方面的应用。主持国家自然科学基金、湖北省自然基金、教育部学术创新项目以及武汉市知识创新专项等科研项目十余项。以第一/通讯作者在Coord. Chem. Rev.Acc. Mater. Res.Angew. Chem. Int. Ed.ACS NanoChem. Sci.SmallBiomaterialsJ. Controlled ReleaseActa Biomater.Anal. Chem.ACS Appl. Mater. InterfacesChem. Commun.NanoscaleNano Res.等国际期刊上发表有关分子自组装、药物分子结构检测、癌症/细菌的靶向治疗等学术论文40余篇,申请国家发明专利6项,授权4项。曾获得湖北省优秀博士学位论文、教育部武汉大学博士学术新人奖、中南民族大学五四青年(教工)先锋等荣誉。

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兰州大学化学化工学院

雷新响 教授

雷新响(本文通讯作者),药物化学专业,博士,三级教授,毕业于中国科学院成都生物研究所,曾在耶鲁大学从事研究工作。现就职于兰州大学化学化工学院、功能有机分子化学国家重点实验室。从事基于核磁共振共振波谱技术的药物分析、天然产物结构鉴定、活性筛选等研究工作。主持国家自然科学基金面上项目及国际合作等项目和湖北省杰青项目。以通讯作者或第一作者在JACSAngew. Chem. Int. Ed.,Nucleic Acids Res.Chem. Sci.ACS NanoACS Catal.Org. Lett.Chem. Commun.Chem.-Eur. J.Mag. Res. Chem.等期刊上发表SCI论文50余篇。任Magn. Reson. Chem.国际编委,Natur. Prod. & BioprospMagn. Reson. Lett.等编委。组织了两次国际学术会议,在全国性和国际性学术会议上做报告30余次。现任中国化学会有机分析化学专业委员会委员,湖北省药学会理事,湖北省晶体学会理事。

中南民族大学化学与材料科学学院教授 张爱清

张爱清,男,博士,教授,博士生导师,湖北省优秀教师,校学科带头人。1979-1983 华中工学院化学系,本科,获学士学位;1987-1990华中理工大学化学系,硕士研究生,获硕士学位;1994-1998华中理工大学光电子工程系, 博士研究生,获博士学位。2000-2001在韩国国立全北大学做博士后工作;1983-1987山西矿业学院基础课部任教;1990-1994 武汉汽车工业大学材料保护研究所工作;1998.4-现在中南民族大学化学与材料科学学院教授。主要从事功能性高分子材料的设计制备及其应用研究,已主持3项国家自然科学基金、1项湖北省自然科学基金重点项目、1项武汉市科技攻关项目和多项横向课题研究。目前发表SCI论文150余篇,申请国家发明专利10余项。

中南民族大学化学与材料科学学院

高分子化学与物理专业硕士研究生 赵优

赵优,女,26岁,籍贯河南。中南民族大学化学与材料科学学院高分子化学与物理专业硕士研究生。曾在ACS NanoChem. Commun.NanoscaleAnal. Chem.Acc. Mater. Res.等发表过论文六篇。研究生期间主持过一项校级创新科研基金,曾获得专业二等奖学金、第九届PMC大赛三等奖、第十届PMC大赛二等奖。主要研究方向为二维胶体分散液及其用于核磁共振各向异性参数获取。

中南民族大学化学与材料科学学院

高分子化学与物理专业硕士研究生 贺劲豪

贺劲豪,男,25岁,籍贯重庆。现就读于中南民族大学化学与材料科学学院高分子化学与物理专业硕士研究生。曾在Anal. Chem.Acc. Mater. Res.发表过论文。主要研究方向为自组装肽液晶用于核磁共振各向异性参数的提取。

扫码阅读秦四勇副教授和雷新响教授的精彩Account文章:

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Weak Alignment Liquid Crystal Media from Colloidal Dispersion and Self-assembled Oligopeptide for Anisotropic NMR

Si-Yong Qin*, You Zhao, Jin-Hao He, Ai-Qing Zhang, and Xinxiang Lei*

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00181

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