吡啶基卟啉的合成及表征

楊立國，夏祥林，盧文欣

(1 安陽工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，河南 安陽 455000；2 山東科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，山東 青島 266590)

卟啉是最常見的剛性共面共軛宏物質(zhì),有著特殊的原子組成和光學(xué)特性，對(duì)光熱穩(wěn)定性很強(qiáng)，易切割。因此,在化工、材料、生活科學(xué)技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。另外，卟啉也是超分子化學(xué)和立體化學(xué)中的主要研究領(lǐng)域之一。因?yàn)槠鋵?duì)位置改變、結(jié)構(gòu)變動(dòng)等外部影響產(chǎn)生了敏感的電和光反應(yīng),所以經(jīng)常被用于形成立體選擇性分子識(shí)別系統(tǒng)的手式光探測器單元。尤其是在共價(jià)結(jié)構(gòu)的雙卟啉結(jié)構(gòu)中,預(yù)設(shè)的半剛性型腔設(shè)計(jì)不但提高了主客體之間的選擇性，也同時(shí)使客體所誘導(dǎo)的異構(gòu)作用主要體現(xiàn)為二種卟啉單元的相對(duì)位移和運(yùn)動(dòng)方向的改變[3-8]。

早期人們從含有卟啉的自然物質(zhì)中,獲得、分離、提純卟啉。目前獲取卟啉的途徑,主要有化學(xué)結(jié)構(gòu)改造法、自然提取法和全合成法。盡管目前的研究作者可以對(duì)從自然物質(zhì)中獲得的卟啉進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造,但是受其自身結(jié)構(gòu)特征的影響。當(dāng)然還有卟啉本身的生物活性等因素影響。因此,目前研究人員主要通過全合成的方法獲得具有特定結(jié)構(gòu)和功能的卟啉[9-14]。

卟啉及其衍生物的合成一直受到廣大研究愛好者的青睞。目前，獲得具有特殊官能團(tuán)的卟啉的策略主要分為兩部分：(1)具有特殊官能團(tuán)的醛與吡咯直接縮合得到目標(biāo)產(chǎn)物；(2)合成卟啉前體，然后通過suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)[15]、Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)[16]、Diels-Alder反應(yīng)[17]等反應(yīng)對(duì)卟啉進(jìn)行后修飾。

為了研究卟啉的合成方法，本文合成表征了吡啶基卟啉化合物1，并通過核磁共振譜、熒光光譜和紫外光譜手段對(duì)其進(jìn)行了表征。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

丙酸;二氯甲烷;對(duì)甲酰基苯甲酸甲酯;吡咯;甲醇;四氫呋喃;氫氧化鈉固體;濃鹽酸;4-(1-羥乙基)吡啶;DMF;三乙胺。

Varian Mercury 400 (400 MHz)型核磁共振儀;Perkin-Elmer 2400 II 型元素分析儀;Nicolet-460 型紅外光譜儀(KBr壓片, 掃描范圍400-4000 cm-1);Bruker Smart-1000 CCD型X射線單晶衍射儀。

1.2 化合物1的合成

1.2.1 酯基卟啉的合成

圖1 酯基卟啉合成反應(yīng)過程Fig.1 Synthesis of ester-based porphyrin

量取240 mL丙酸(b.p.141 ℃)并用油浴鍋加熱至145 ℃，使用電子天平精確稱取對(duì)甲酰基苯甲酸甲酯(4.0136 g，0.0245 mol)，待丙酸回流后加入。再用40 mL丙酸溶解吡咯(1.8613 g，0.0278 mol)于恒壓滴液漏斗緩慢滴加至三口燒瓶，經(jīng)過30 min滴加完成，由于吡咯見光易發(fā)生聚合反應(yīng)，所以我們?cè)诜磻?yīng)期間使用用黑塑料袋裹住恒壓滴液漏斗和三口燒瓶見光的部分來制造避光環(huán)境。經(jīng)過連續(xù)反應(yīng)40 min后靜置并且冷卻至室溫，向三口燒瓶瓶延緩緩慢滴加甲醇不能激起表面。三口燒瓶內(nèi)液體過多需要轉(zhuǎn)移至多個(gè)500 mL圓底燒瓶中再加入甲醇(比如用料加倍的反應(yīng))，靜置過夜待產(chǎn)品析出。隔天進(jìn)行抽濾、烘干作為淋洗劑，硅膠粉為吸附劑對(duì)干燥后的藥品進(jìn)行柱層析分離，將分離后的液體進(jìn)行旋蒸，再將旋蒸出來的藥品烘干即得四(4-酯基苯基)卟啉。該制備重復(fù)進(jìn)行了四次，第二次到第四次的原料用量是第一次的1.5倍，第一次得產(chǎn)物0.6592 g，第二次得產(chǎn)物1.2227 g，第三次得產(chǎn)物0.7295 g，第四次得產(chǎn)物1.4836 g。

1.2.2 羧基卟啉的合成

圖2 羧基卟啉反應(yīng)過程Fig.2 Synthesis of carboxylic porphyrin

用四(4-酯基苯基)卟啉制備四(4-羧基苯基)卟啉：將制備的四(4-酯基苯基)卟啉溶于100 mL THF，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分之十的氫氧化鈉水溶液120 mL，在60 ℃下下反應(yīng)4天，直至沉淀全部溶于水后冷卻至室溫，減壓旋蒸出多余的四氫呋喃溶液，倒出水溶液邊攪拌邊滴加濃鹽酸將pH調(diào)至6～7，然后邊抽濾邊水洗，所得藥品即為潮濕的四(4-羧基苯基)卟啉，最后將藥品進(jìn)行烘干后得到四(4-羧基苯基)卟啉。

1.2.3 吡啶基卟啉的合成

四(4-羧基苯基)卟啉與4-(1-羥乙基)吡啶的反應(yīng)：將四(4-羧基苯基)卟啉(40.0 mg，0.0506 mmol)，(62.9 mg，0.5108 mmol)，EDC(39.0 mg，0.2031 mmol)，DMAP(98.5 mg，0.8074 mmol)加入到反應(yīng)瓶中，緩慢抽真空，再通入氮?dú)猓缓蠓磸?fù)進(jìn)行抽真空和掃氮?dú)猓_保反應(yīng)體系中只有氮?dú)猓偌尤?0 mL DMF，接上冷凝管和油封。反應(yīng)一天后進(jìn)行薄層色譜分析，以CH2Cl2和甲醇的混合溶液為延展劑，對(duì)四(4-羧基苯基)卟啉和反應(yīng)體系分別點(diǎn)板，發(fā)現(xiàn)四(4-羧基苯基)卟啉不動(dòng)，反應(yīng)體系向前移動(dòng)，由此得出結(jié)論原料發(fā)生了反應(yīng)。

圖3 吡啶基卟啉的反應(yīng)過程Fig.3 Syntesis of pyridine-based porphyrin

2 結(jié)果與討論

2.1 四(4-羧基苯基)卟啉的表征分析

通常情況下在核磁共振氫譜中是為了檢測羧基上的氫是一個(gè)活潑的氫，一般是觀察不到羧基上的氫的化學(xué)位移，只有在大環(huán)電子流的影響下，自由配體外的環(huán)質(zhì)子的吸收峰很高，其化學(xué)位移約為-2.80 ppm,外環(huán)質(zhì)子的吸收峰出現(xiàn)在6～9 ppm。將干燥的四羧基四苯基卟啉(TCPP) 樣品溶于氘代二甲基亞砜[(CD3)2SO, DMSO-D6]中,以四甲基硅烷(TMS)為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行核磁共振氫譜(HNMR)表征。圖4為TCPP的1HNMR圖譜。在1HNMR中，羧基上的氫非常活潑，其化學(xué)位移很難觀察到。其中8.2～8.4 ppm之間為多重峰，是苯環(huán)間位和鄰位的16個(gè)H的峰，8.6～8.8 ppm 之間是多重峰，是吡咯環(huán)上8個(gè)H的峰。上訴證明四羧基四苯基卟啉(TCPP) 已成功制備。

圖4 四羧基卟啉的氫譜Fig.4 1H spectra of carboxylic porphyrin

2.2 吡啶基卟啉的核磁表征

圖5 吡啶基卟啉的氫譜Fig.5 1H spectra of pyridine-based porphyrin

圖5為吡啶基卟啉的1H核磁共振氫譜，在圖5中可以明顯看出吡咯環(huán)上的8個(gè)氫的吸收峰，另外在7.0～9.0 ppm之間有許多重峰，經(jīng)過積分計(jì)算后為32個(gè)氫的吸收峰，正對(duì)應(yīng)四個(gè)苯環(huán)上的16個(gè)氫的吸收峰與吡啶環(huán)上的16個(gè)氫吸收峰。因此可以看出吡啶基卟啉制備成功。

2.3 吡啶基卟啉的熒光光譜表征

由圖6吡啶基卟啉的熒光光譜圖分析如下，因?yàn)檫策Y(jié)構(gòu)的熒光發(fā)射光譜是由分子第一激發(fā)單線態(tài)S1到S0的躍遷產(chǎn)生，基本都是由Q(0-0)和Q(0-1)兩個(gè)譜帶組成。本產(chǎn)品在653 nm處出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)吸收峰，在715.6 nm處有一個(gè)較弱的吸收峰。由熒光光譜圖數(shù)據(jù)得符合四苯基卟啉結(jié)構(gòu)。

圖6 吡啶基卟啉的熒光譜圖Fig.6 Fluorogram of pyridine-based porphyrin

2.4 吡啶基卟啉的熒光光譜表征

判斷卟啉壞的生成。卟啉的特征吸收帶：一個(gè)Soret帶Q帶的四個(gè)峰。通過對(duì)樣品的紫外可見光譜圖進(jìn)行分析，即可知道卟啉環(huán)生成與否。相比于其他檢測手段，這種方法更為簡單有效。圖中有明顯的一個(gè)Soret帶強(qiáng)吸收峰與四個(gè)Q帶弱吸收峰，所以本實(shí)驗(yàn)合成具有卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物。

圖7 吡啶基卟啉紫外可見光光譜圖Fig.7 UV-visible spectra of pyridine-based porphyrin

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)通過將甲酰基苯甲酸甲酯與吡咯直接縮合的方法成功合成了四酯基苯基卟啉，后面通過在堿性條件下水解后在經(jīng)過經(jīng)過濃鹽酸酸化得到了目標(biāo)產(chǎn)物之一的四羧基卟啉。吡啶基卟啉的合成本質(zhì)是羧酸與羥基的酯化反應(yīng)，不過特殊的是反應(yīng)是1:4不是1:1，所以在反應(yīng)中我們投入了更多的4-(1-羥乙基)吡啶來促進(jìn)反應(yīng)充分進(jìn)行，成功合成出吡啶基卟啉。本科課題合成的吡啶基卟啉、四羧基卟啉都是卟啉類化合物的基礎(chǔ)材料，可以在其中引入不同的金屬離子，和對(duì)其進(jìn)行不同程度的修飾使其獲得特殊性能，為其在識(shí)別領(lǐng)域的研究提供理論基礎(chǔ)。