新型卟啉化合物的合成、表征及性質研究

宋曉畔

摘要：卟啉（porphyrin）是生物體內的一種具有大共軛環狀結構的化合物，卟啉類化合物以其特殊的結構和性能，引起了科學界的廣泛興趣。卟啉及金屬卟啉化合物具有特殊的結構和性質，在很多領域都得到了廣泛的應用。本文設計、合成了多種卟啉化合物。通過紅外光譜等測試手段表征了化合物的結構。用Adler法合成了五種含羥基的苯卟啉化合物：四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉（a1）、四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉鋅（a2）， 四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉銅（a3）， 四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉鎳（a4）， 四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉猛（a5）通過紅外光譜等方法對其結構進行了表征。

關鍵詞：卟啉 吡咯 合成 性質

引言

卟啉是生物體內一種具有大共軛環狀結構的化合物，其基本骨架是由四個吡咯環通過次甲基相連接形成的環狀共扼大分子，即卟吩。卟吩具有芳香性，閉合的環內含有18個π電子。通常吡咯環上的5，10，15，20位稱為中位（meso-），四個氮原子分別占據21，22，23，24位，卟吩環相對于吡咯β位的位置也稱為卟吩的β位。當卟吩的大共軛環上的氫原子部分或全部被其他基團取代時，所得的一類衍生物就是卟啉（porphyrin），其中心的四個氮原子可以與金屬離子結合生成非常穩定的有機配合物及金屬卟啉。

一般來說，天然卟啉化合物是吡咯碳上的氫原子被取代，而人工合成的卟啉化合物大部分是meso位被取代。當meso位被取代基取代后，卟啉化合物的性質有了一定的改變。卟啉分子具有最完全的電子離域性的大π鍵，此種結構使卟啉化合物與其同系物有很高金屬卟啉及其衍生物在生物體系中廣泛存在，對氧的傳遞（血紅蛋白）、貯存（肌紅蛋白）、活化（細胞色素）、電子傳遞（細胞色素）、酶催化（過氧化酶）和光合作用（葉綠素）等方面起著十分重要的作用[1]。它在生物系統中極其重要的生物功能已被人們所認識，長期以來，生物化學家和化學家們對金屬卟啉配合物的研究倍加關注，對其進行了各種生物功能模擬研究。人們通過對卟啉配合物的研究，試圖了解了這類化合物的生物功能、產生機理、作用條件，并模擬各種反應合成類似化合物，再將它們的特殊性質和功能應用于各個科技領域，推動科學發展，為此己經做了大量工作。卟啉及金屬卟啉都是高熔點、深色的固體， 多數不溶于水， 溶于氯仿等有機溶劑， 溶液有熒光，對熱非常穩定。由于卟啉具有獨特的結構及性能，近年來在材料化學、醫學、生物化學、分析化學、能源化學和地球化學等領域都有著廣泛的應用。

在材料化學方面，金屬卟啉配合物在光電材料方面用途廣泛，可用于液晶材料和非線性光學材料等。卟啉具有很強的發光特性，尤其是與過渡金屬配位后發出很強的磷光，而這種磷光又可被O2猝滅，所以被用作光敏器件的磷光材料[2]。卟啉類化合物因為光敏性好、性能穩定和易于修飾等優點成為分子器件研究的理想模型化合物。分子器件是指在分子水平上由光子、電子或離子（稱為介體mediator）操縱的器件。在分子器件中，卟啉可以作為卟啉分子導線、卟啉分子開關、卟啉超分子天線、卟啉光能轉化器、光控制輸入輸出器、光電子閘門、癌治療熒光探針和生物傳感器等。

卟啉具有強的熒光和在腫瘤細胞中容易聚集，在醫學研究中可作為檢測癌癥的光敏劑和抗癌藥物。隨著人們對卟啉類物質的不斷深入研究，以卟啉類光敏劑為核心的光動力療法也逐漸成為繼手術、放療和化療之外的第四種成熟的癌癥治療方法。光動力療法的基礎是先給予腫瘤組織有選擇性攝入作用的光敏劑，然后用一定波長的光照射瘤區，由光敏劑誘發光動力效應，產生單線態氧活性物質，它們與生物分子中的氧化敏感基團作用，導致其氧化失活，最終引起腫瘤細胞死亡而顯示治療作用。目前應用在人類臨床試驗和已批準使用的所有光敏劑全部是卟啉類化合物，主要有如下幾種：血卟啉、苯并卟啉衍生物、短肽鏈修飾的卟啉衍生物、糖基卟啉衍生物、糖肽卟啉衍生物、核苷卟啉衍生物、類固醇卟啉衍生物、硼烷卟啉衍生物、meso-四（間-羥基苯基）二氫卟吩（m-THPC）]和肽菁類等。

在生物化學方面，卟啉是血紅素，細胞色素和葉綠素的生物大分子核心部分。利用人工合成的金屬卟啉配合物對血紅蛋白、血紅素和細胞色素等生物大分子功能進行模擬一直是人們研究的主要目的。例如，通過合成各種具有不同金屬離子或不同取代基以及具有不同軸向配位的金屬卟啉衍生物已經實現了對過氧化物酶、過氧化氫酶、細胞色素等的模擬。人工合成的模擬物可以克服天然純化物的缺點，因此利用人工合成的金屬卟啉配合物來模擬酶，對酶促反應機理（如氧的傳遞、光合作用、酶催化等）的模擬研究在理論上和實際運用上都具有重要意義此外，為了更接近生物體內環境，一些大分子也被引入，如卟啉或金屬卟啉與環糊精的包結可作為一類新的人工酶模型。

在分析化學方面，卟啉類試劑早在20世紀50年代就作為貴金屬銀的光度分析顯色劑而得到應用。到70年代由于卟啉化合物與金屬離子配合物Soret譜帶的選用及表面活性劑引入，試劑可溶性及其測定金屬離子的靈敏度大大改善，卟啉試劑被廣泛應用于光度法測定許多過渡金屬離子。金屬卟啉配合物可制備ISE膜，并可被電聚到硅氧烷、石墨、銀電極上。

在能源方面，隨著石油資源的枯竭，原油價格上升。汽車尾氣的大量排放，環境污染日趨嚴重，可持續性綠色能源及其利用轉換技術的開發迫在眉睫。作為高效清潔能源轉換系統的金屬空氣電池（MAB）是一類特殊的燃料電池，它們在電動車上的發展潛力引起了國際上的廣泛重視。其中金屬卟啉是空氣電極最有希望的催化劑，它能有效促進H2O2分解，使電池的工作電壓提高，增加放電容量[3]。金屬卟啉配合物具有高的共軛結構和化學穩定性，對分子氧還原表現出良好的電催化活性，近幾年來成為氧還原電催化劑的研究熱點。

此外，在利用太陽能方面，卟啉的應用也很重要。人們研究光能轉換主要是模擬自然界綠色植物的光合作用。卟啉是優良的光敏劑，能夠有效吸收太陽能，將其轉化為電能（光電轉化）、化學能（光化學轉化）等，如卟啉作為光敏劑在染料敏化太陽能電池研制方面顯示了優良的性能。

本文嘗試合成了金屬卟啉化合物，并通過IR進行了表征。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

儀器：WRS-1A數字熔點儀，上海精密儀器有限公司；RE-52AA型旋轉蒸發儀，上海亞榮生化廠；SHB-III循環水式多用真空泵，鄭州長城科工貿有限公司；DM型直熱電熱套，山東鄄城永興儀器廠；D260型電熱恒溫真空干燥箱，上海醫療器械七廠；Nicolet Nexus 470 FT-IR紅外光譜儀（KBr壓片，波譜范圍4000-400 cm-1）。

試劑：吡咯 （新蒸）、2，6-二甲基苯酚、六次甲基四胺、多聚甲醛、濃鹽酸、碳酸鉀、硅膠（200-300）、醋酸鋅、醋酸銅、醋酸鎳、醋酸錳、無水硫酸鎂、冰醋酸、丙酸、無水乙醇、無水甲醇、三氯甲烷、乙酸乙酯、石油醚（60-90）、四氫呋喃。

1.2 合成步驟

1.2.1 5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉a1的合成

1.2.1.1 3，5-二甲基-4-羥基苯甲醛的制備

稱取6.1085g（0.0500 mol）2，6-二甲基苯酚溶于100 mL冰醋酸中，室溫攪拌下分批加入7.0095 g（0.0500 mol）六次甲基四胺至全溶，再分批加入2.2525 g多聚甲醛，溶液為渾濁液，加熱，控制溫度在90℃-120℃，30min后多聚甲醛全部溶解，此時溶液為淡黃色，繼續加熱50min后，取出一滴管的反應液于25mL燒杯中，加入2mL濃HCl，攪拌混合均勻，再加入10mL冰水，若出現大量沉淀則停止加熱，否則繼續反應到出現沉淀量最大為宜，將反應液冷卻到70℃后，加入10mL濃HCl，繼續加熱維持溫度在120℃以下，反應50min，停止加熱，冷卻至室溫后，倒入200mL冰水中，析出大量的白色產物，減壓抽濾，用水洗滌濾餅三次，放入真空干燥器中干燥，粗產品用冰醋酸重結晶，得到白色針狀固體，m.p.114.6℃，產率88 %。

1.2.1.2 5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉a1的制備 在100 mL三頸燒瓶中加入0.75 g （0.0050 mol）3，5-二甲基-4-羥基苯甲醛和30 mL丙酸，加熱攪拌至微沸，回流后，滴加0.335g （0.0050 mol）新蒸餾的吡咯和10mL丙酸的混合溶液，10min內滴加完畢，繼續回流30min，停止加熱，冷卻至室溫后放至冰箱內靜置過夜，抽濾，用無水乙醇洗滌沉淀兩次，真空干燥得藍紫色固體，將粗產品用四氫呋喃溶解，以200-300目的硅膠作固定相，用乙酸乙酯/石油醚=2：3的混合溶劑為淋洗劑進行柱層析，收集紫色主要色帶，旋干溶劑，真空干燥得亮紫色固體。Yield： 21.8 %

1.2.2 5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉鋅a2的合成

在50mL圓底燒瓶中加入0.15g（0.2mmol）5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉和25mL的三氯甲烷，攪拌下滴加5mL含0.1 g（0.4 mmol）醋酸鋅的甲醇溶液，攪拌加熱回流，TLC跟蹤至反應完全，約2h，反應完后減壓旋轉蒸干溶劑，將產物溶于二氯甲烷中，用水洗滌兩次，MgSO4干燥后旋干，真空干燥得紫色產物。Yield： 83.04%

1.2.3 5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉銅a3的合成

在50 mL圓底燒瓶中加入0.706g（1.0 mmol）5，10，15，20-四

（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉和25mL的三氯甲烷，攪拌下滴加5 mL含0.430 g（2.0 mmol）醋酸銅的甲醇溶液，攪拌加熱回流，TLC跟蹤至反應完全，約2h，反應完后減壓旋轉蒸干溶劑，將產物溶于二氯甲烷中，用水洗滌兩次，MgSO4干燥后旋干，真空干燥得紫色產物。Yield： 94.08 %

1.2.4 5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉鎳a4的合成

在50 mL圓底燒瓶中加入0.706 g（1.0mmol）5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉和25mL的三氯甲烷，攪拌下滴加5 mL含0.430 g（2.0mmol）醋酸鎳的甲醇溶液，攪拌加熱回流，TLC跟蹤至反應完全，約2h，反應完后減壓旋轉蒸干溶劑，將產物溶于二氯甲烷中，用水洗滌兩次，MgSO4干燥后旋干，真空干燥得紫色產物。Yield： 94.68%

1.2.5 5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉錳a5的合成

在50mL圓底燒瓶中加入0.706 g（1.0 mmol）5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉和25mL的三氯甲烷，攪拌下滴加5 mL含0.430 g（2.0mmol）醋酸錳的甲醇溶液，攪拌加熱回流，TLC跟蹤至反應完全，約2 h，反應完后減壓旋轉蒸干溶劑，將產物溶于二氯甲烷中，用水洗滌兩次，MgSO4干燥后旋干，真空干燥得紫色產物。Yield： 87.41 %

2 結果與討論

3 結論

在實驗過程中，通過對不同條件下反應進行情況及后期處理的對比，可得出以下結論：

（1）在卟啉的合成過程中以回流30min為宜，用新蒸的吡咯緩慢的加入可以制得較高純度的卟啉。

（2）在卟啉的純化過程中，淋洗液的比例應嚴格控制，否則得不到目標產物或產物不純。

該實驗在課題組前期工作的基礎上，以合成5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉鋅（銅、鎳、錳）為目標產物，經過了5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羥基苯基）卟啉中間步驟，純化得到最終產物，由紅外光譜表征，確認該化合物物為目標產物。

參考文獻：

[1] 劉育， 尤長城， 張衡益. 超分子化學[M]. 卟啉及其配合物在分析化學中應用進展. 2001， 131-131.

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[3] W. Schmidt， F. P. Montforts. Synthesis of a novel enantiomerically pure chlorine as a potential subunit for an artificial photosynthetic reaction center [J]. Account. Rap. Commu. Syn. Org. Chem.1997， 8（8）：903-904.