核酸催化化学是以核酸催化性能及应用研究为主题的化学、生物、生命科学等多学科交叉前沿领域。它是生物催化化学的重要分支，并且与生命科学密不可分。DNA固有的手性结构是构建DNA杂化催化剂的有效骨架，可用于有价值的对映选择性转化。2005年，Roelfes等利用天然双螺旋DNA为生物骨架和非手性铜配合物组装成DNA杂化催化剂，成功实现将DNA的手性转移到目标产物中（G. Roelfes, B. L. Feringa,Angew. Chem. Int. Ed.,2005,44, 3230）。2012年，李灿等利用G-四链体DNA为生物骨架和Cu(II)离子组装成人工G4DNA金属酶，通过调变G-四链体的构型，实现了产物绝对构型的调控（C. Li et al.,Angew. Chem. Int. Ed.,2012, 51, 9352）。虽然DNA杂化催化剂在水相不对称合成方面已经取得了一些重要的研究结果，然而DNA杂化催化剂的构筑策略比较单一并且其催化机理解析困难仍是制约该领域深入发展及应用拓展的瓶颈问题。
我院功能材料表界面化学研究团队的核酸催化研究小组长期致力于寡核苷酸的不对称催化性能研究，发现天然环二腺苷酸（c-di-AMP）杂化催化剂（Angew. Chem. Int. Ed.,2020,59, 3444;Eur. J. Org. Chem.,2020,2020, 4417;J. Org. Chem.,2023,88, 189.）以及三磷酸腺苷（ATP）杂化催化剂（Nat. Commun.,2020,11, 4792;Green Chem.,2021,23, 9876.）均表现出优异的不对称催化性能。在此基础上王长号教授课题组提出了一种Ag+离子调控DNA杂化催化剂的组装策略，构筑了含有C-Ag+-C碱基对的i-motif DNA杂化催化剂，实现了水相中Diels-Alder反应的高效不对称催化，结合谱学表征和理论计算建立了i-motif DNA不对称催化模型。主要研究内容如下：
（1）催化剂设计和优化
图1.催化剂的构筑
相比双螺旋DNA，富含胞嘧啶的单链DNA可以折叠成i-motif结构，它具有可变的胞嘧啶-胞嘧啶碱基对（图1a），这为设计新型DNA杂化催化剂提供了调控途径。研究表明，相较于半质子化的C:C+碱基对构成的i-motif DNA，加入Ag+离子形成C-Ag+-C碱基对的i-motif DNA与铜离子组装成i-motif DNA(Ag+)/Cu2+催化剂，催化了Diels-Alder反应，获得了较好的转化率和对映体选择性。相比已报道的双螺旋DNA和G-四链体DNA的不对称催化，i-motif DNA(Ag+)/Cu2+表现出更优异的催化活性和对映体选择性。此外，i-motif DNA(Ag+)/Cu2+对一系列α,β-不饱和烯酮类底物具有普适性，最优反应底物的ee值可以达到95%（图1b）。
（2）催化剂表征
图2. i-motif DNA与金属物种相互作用的谱学技术表征
随后，利用不同的谱学技术表征了i-motif DNA与金属物种的相互作用。紫外可见光谱（UV-Vis）和圆二色光谱（CD）表明Ag+与i-motif DNA相互作用且促进了i-motif结构形成，活性中心Cu2+离子的加入并未改变i-motif DNA(Ag+)的手性结构（图2a-d）。核磁氢谱滴定实验表明C:C+碱基对的质子被Ag+离子取代，形成了C-Ag+-C碱基对（图2e）。荧光光谱熔点曲线实验则表明C-Ag+-C碱基对的形成提高了i-motif结构的稳定性（图2f）。
（3）催化机理研究
图3. i-motif DNA与金属离子相互作用的热力学表征，i-motif DNA(Ag+)/Cu2+的精细结构及其可能的催化机理
为了进一步探究金属离子与i-motif DNA的结合细节，作者利用等温滴定量热法（ITC）研究了i-motif DNA与金属离子的结合数和热动力学过程（图3a-b）。Ag+与i-motif DNA的结合数接近6，表明i-motif DNA中形成了六个C-Ag+-C碱基对。负焓变化（ΔH）和负吉布斯自由能变化（ΔG）有利于C-Ag+-C碱基对的形成，负熵变（∆S）表明C-Ag+-C碱基对形成导致DNA从无序结构转变为紧凑的i-motif结构。Cu2+与i-motif DNA(Ag+)的结合数为1，结合碱基突变实验结果说明Cu2+优先与未配对的环区碱基结合形成i-motif DNA(Ag+)/Cu2+催化剂。最后，利用DFT理论计算探究了i-motif DNA(Ag+)/Cu2+的精细结构及其可能的催化机理。提出了i-motif DNA杂化催化剂的可能精细配位结构，其中Cu2+与DNA中A18碱基的N7原子、相邻脱氧核苷酸的两个磷酸氧原子结合（T16P-O和A17P-O）形成稳定结构（图3c）。i-motif DNA(Ag+)/Cu2+与烯酮类底物1a相互作用形成手性中间体，环戊二烯优先进攻Re面，产物的绝对构型与实验一致（图3d）。
综上所述，本研究构筑了含Ag+的i-motif DNA杂化催化剂，实现了基于i-motif DNA的高效不对称催化，建立了i-motif DNA不对称催化模型，为设计可调变的DNA杂化催化剂提供了一种新的策略，所建立的i-motif DNA不对称催化模型有望应用于其他反应类型。此外，含有Ag+的i-motif DNA具有独特的四链体结构可为筛选特异性i-motif配体提供靶点。
相关工作以“Efficient Silver(I)-Containing i-Motif DNA Hybrid Catalyst for Enantioselective Diels–Alder Reactions”为题发表在Angewandte Chemie上，2022级物理化学专业博士研究生董星辰和硕士研究生邱子洋为文章共同第一作者，王长号教授为唯一通讯作者，我校为唯一通讯单位。感谢陈亚芍教授和党静霜副教授在课题设计和理论计算方面的有益讨论，感谢中科院大连化物所贾国卿副研究员和周文琴博士在核磁测试方面的帮助。感谢国家自然科学基金委、中央高校基金和陕西师范大学对工作的经费支持。
论文信息：
Efficient Silver(I)-Containing i-Motif DNA Hybrid Catalyst for Enantioselective Diels–Alder Reactions
Xingchen Dong,+Ziyang Qiu,+Zixiao Wang, Jiaqi Li, Weijun Qin, Jingshuang Dang, Wenqin Zhou, Guoqing Jia, Yashao Chen and Changhao Wang*
Angew. Chem. Int. Ed.,2024, DOI: 10.1002/anie.202407838
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202407838
