新型卟啉化合物的合成、表征及性质研究

宋晓畔

摘要：卟啉（porphyrin）是生物体内的一种具有大共轭环状结构的化合物，卟啉类化合物以其特殊的结构和性能，引起了科学界的广泛兴趣。卟啉及金属卟啉化合物具有特殊的结构和性质，在很多领域都得到了广泛的应用。本文设计、合成了多种卟啉化合物。通过红外光谱等测试手段表征了化合物的结构。用Adler法合成了五种含羟基的苯卟啉化合物：四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉（a1）、四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉锌（a2）， 四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉铜（a3）， 四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉镍（a4）， 四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉猛（a5）通过红外光谱等方法对其结构进行了表征。

关键词：卟啉 吡咯 合成 性质

引言

卟啉是生物体内一种具有大共轭环状结构的化合物，其基本骨架是由四个吡咯环通过次甲基相连接形成的环状共扼大分子，即卟吩。卟吩具有芳香性，闭合的环内含有18个π电子。通常吡咯环上的5，10，15，20位称为中位（meso-），四个氮原子分别占据21，22，23，24位，卟吩环相对于吡咯β位的位置也称为卟吩的β位。当卟吩的大共轭环上的氢原子部分或全部被其他基团取代时，所得的一类衍生物就是卟啉（porphyrin），其中心的四个氮原子可以与金属离子结合生成非常稳定的有机配合物及金属卟啉。

一般来说，天然卟啉化合物是吡咯碳上的氢原子被取代，而人工合成的卟啉化合物大部分是meso位被取代。当meso位被取代基取代后，卟啉化合物的性质有了一定的改变。卟啉分子具有最完全的电子离域性的大π键，此种结构使卟啉化合物与其同系物有很高金属卟啉及其衍生物在生物体系中广泛存在，对氧的传递（血红蛋白）、贮存（肌红蛋白）、活化（细胞色素）、电子传递（细胞色素）、酶催化（过氧化酶）和光合作用（叶绿素）等方面起着十分重要的作用[1]。它在生物系统中极其重要的生物功能已被人们所认识，长期以来，生物化学家和化学家们对金属卟啉配合物的研究倍加关注，对其进行了各种生物功能模拟研究。人们通过对卟啉配合物的研究，试图了解了这类化合物的生物功能、产生机理、作用条件，并模拟各种反应合成类似化合物，再将它们的特殊性质和功能应用于各个科技领域，推动科学发展，为此己经做了大量工作。卟啉及金属卟啉都是高熔点、深色的固体， 多数不溶于水， 溶于氯仿等有机溶剂， 溶液有荧光，对热非常稳定。由于卟啉具有独特的结构及性能，近年来在材料化学、医学、生物化学、分析化学、能源化学和地球化学等领域都有着广泛的应用。

在材料化学方面，金属卟啉配合物在光电材料方面用途广泛，可用于液晶材料和非线性光学材料等。卟啉具有很强的发光特性，尤其是与过渡金属配位后发出很强的磷光，而这种磷光又可被O2猝灭，所以被用作光敏器件的磷光材料[2]。卟啉类化合物因为光敏性好、性能稳定和易于修饰等优点成为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、电子或离子（称为介体mediator）操纵的器件。在分子器件中，卟啉可以作为卟啉分子导线、卟啉分子开关、卟啉超分子天线、卟啉光能转化器、光控制输入输出器、光电子闸门、癌治疗荧光探针和生物传感器等。

卟啉具有强的荧光和在肿瘤细胞中容易聚集，在医学研究中可作为检测癌症的光敏剂和抗癌药物。随着人们对卟啉类物质的不断深入研究，以卟啉类光敏剂为核心的光动力疗法也逐渐成为继手术、放疗和化疗之外的第四种成熟的癌症治疗方法。光动力疗法的基础是先给予肿瘤组织有选择性摄入作用的光敏剂，然后用一定波长的光照射瘤区，由光敏剂诱发光动力效应，产生单线态氧活性物质，它们与生物分子中的氧化敏感基团作用，导致其氧化失活，最终引起肿瘤细胞死亡而显示治疗作用。目前应用在人类临床试验和已批准使用的所有光敏剂全部是卟啉类化合物，主要有如下几种：血卟啉、苯并卟啉衍生物、短肽链修饰的卟啉衍生物、糖基卟啉衍生物、糖肽卟啉衍生物、核苷卟啉衍生物、类固醇卟啉衍生物、硼烷卟啉衍生物、meso-四（间-羟基苯基）二氢卟吩（m-THPC）]和肽菁类等。

在生物化学方面，卟啉是血红素，细胞色素和叶绿素的生物大分子核心部分。利用人工合成的金属卟啉配合物对血红蛋白、血红素和细胞色素等生物大分子功能进行模拟一直是人们研究的主要目的。例如，通过合成各种具有不同金属离子或不同取代基以及具有不同轴向配位的金属卟啉衍生物已经实现了对过氧化物酶、过氧化氢酶、细胞色素等的模拟。人工合成的模拟物可以克服天然纯化物的缺点，因此利用人工合成的金属卟啉配合物来模拟酶，对酶促反应机理（如氧的传递、光合作用、酶催化等）的模拟研究在理论上和实际运用上都具有重要意义此外，为了更接近生物体内环境，一些大分子也被引入，如卟啉或金属卟啉与环糊精的包结可作为一类新的人工酶模型。

在分析化学方面，卟啉类试剂早在20世纪50年代就作为贵金属银的光度分析显色剂而得到应用。到70年代由于卟啉化合物与金属离子配合物Soret谱带的选用及表面活性剂引入，试剂可溶性及其测定金属离子的灵敏度大大改善，卟啉试剂被广泛应用于光度法测定许多过渡金属离子。金属卟啉配合物可制备ISE膜，并可被电聚到硅氧烷、石墨、银电极上。

在能源方面，随着石油资源的枯竭，原油价格上升。汽车尾气的大量排放，环境污染日趋严重，可持续性绿色能源及其利用转换技术的开发迫在眉睫。作为高效清洁能源转换系统的金属空气电池（MAB）是一类特殊的燃料电池，它们在电动车上的发展潜力引起了国际上的广泛重视。其中金属卟啉是空气电极最有希望的催化剂，它能有效促进H2O2分解，使电池的工作电压提高，增加放电容量[3]。金属卟啉配合物具有高的共轭结构和化学稳定性，对分子氧还原表现出良好的电催化活性，近几年来成为氧还原电催化剂的研究热点。

此外，在利用太阳能方面，卟啉的应用也很重要。人们研究光能转换主要是模拟自然界绿色植物的光合作用。卟啉是优良的光敏剂，能够有效吸收太阳能，将其转化为电能（光电转化）、化学能（光化学转化）等，如卟啉作为光敏剂在染料敏化太阳能电池研制方面显示了优良的性能。

本文尝试合成了金属卟啉化合物，并通过IR进行了表征。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

仪器：WRS-1A数字熔点仪，上海精密仪器有限公司；RE-52AA型旋转蒸发仪，上海亚荣生化厂；SHB-III循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；DM型直热电热套，山东鄄城永兴仪器厂；D260型电热恒温真空干燥箱，上海医疗器械七厂；Nicolet Nexus 470 FT-IR红外光谱仪（KBr压片，波谱范围4000-400 cm-1）。

试剂：吡咯 （新蒸）、2，6-二甲基苯酚、六次甲基四胺、多聚甲醛、浓盐酸、碳酸钾、硅胶（200-300）、醋酸锌、醋酸铜、醋酸镍、醋酸锰、无水硫酸镁、冰醋酸、丙酸、无水乙醇、无水甲醇、三氯甲烷、乙酸乙酯、石油醚（60-90）、四氢呋喃。

1.2 合成步骤

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

1.2.1.1 3，5-二甲基-4-羟基苯甲醛的制备

称取6.1085g（0.0500 mol）2，6-二甲基苯酚溶于100 mL冰醋酸中，室温搅拌下分批加入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，溶液为浑浊液，加热，控制温度在90℃-120℃，30min后多聚甲醛全部溶解，此时溶液为淡黄色，继续加热50min后，取出一滴管的反应液于25mL烧杯中，加入2mL浓HCl，搅拌混合均匀，再加入10mL冰水，若出现大量沉淀则停止加热，否则继续反应到出现沉淀量最大为宜，将反应液冷却到70℃后，加入10mL浓HCl，继续加热维持温度在120℃以下，反应50min，停止加热，冷却至室温后，倒入200mL冰水中，析出大量的白色产物，减压抽滤，用水洗涤滤饼三次，放入真空干燥器中干燥，粗产品用冰醋酸重结晶，得到白色针状固体，m.p.114.6℃，产率88 %。

1.2.1.2 5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉a1的制备 在100 mL三颈烧瓶中加入0.75 g （0.0050 mol）3，5-二甲基-4-羟基苯甲醛和30 mL丙酸，加热搅拌至微沸，回流后，滴加0.335g （0.0050 mol）新蒸馏的吡咯和10mL丙酸的混合溶液，10min内滴加完毕，继续回流30min，停止加热，冷却至室温后放至冰箱内静置过夜，抽滤，用无水乙醇洗涤沉淀两次，真空干燥得蓝紫色固体，将粗产品用四氢呋喃溶解，以200-300目的硅胶作固定相，用乙酸乙酯/石油醚=2：3的混合溶剂为淋洗剂进行柱层析，收集紫色主要色带，旋干溶剂，真空干燥得亮紫色固体。Yield： 21.8 %

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

在50mL圆底烧瓶中加入0.15g（0.2mmol）5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉和25mL的三氯甲烷，搅拌下滴加5mL含0.1 g（0.4 mmol）醋酸锌的甲醇溶液，搅拌加热回流，TLC跟踪至反应完全，约2h，反应完后减压旋转蒸干溶剂，将产物溶于二氯甲烷中，用水洗涤两次，MgSO4干燥后旋干，真空干燥得紫色产物。Yield： 83.04%

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

在50 mL圆底烧瓶中加入0.706g（1.0 mmol）5，10，15，20-四

（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉和25mL的三氯甲烷，搅拌下滴加5 mL含0.430 g（2.0 mmol）醋酸铜的甲醇溶液，搅拌加热回流，TLC跟踪至反应完全，约2h，反应完后减压旋转蒸干溶剂，将产物溶于二氯甲烷中，用水洗涤两次，MgSO4干燥后旋干，真空干燥得紫色产物。Yield： 94.08 %

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

在50 mL圆底烧瓶中加入0.706 g（1.0mmol）5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉和25mL的三氯甲烷，搅拌下滴加5 mL含0.430 g（2.0mmol）醋酸镍的甲醇溶液，搅拌加热回流，TLC跟踪至反应完全，约2h，反应完后减压旋转蒸干溶剂，将产物溶于二氯甲烷中，用水洗涤两次，MgSO4干燥后旋干，真空干燥得紫色产物。Yield： 94.68%

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

在50mL圆底烧瓶中加入0.706 g（1.0 mmol）5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉和25mL的三氯甲烷，搅拌下滴加5 mL含0.430 g（2.0mmol）醋酸锰的甲醇溶液，搅拌加热回流，TLC跟踪至反应完全，约2 h，反应完后减压旋转蒸干溶剂，将产物溶于二氯甲烷中，用水洗涤两次，MgSO4干燥后旋干，真空干燥得紫色产物。Yield： 87.41 %

2 结果与讨论

3 结论

在实验过程中，通过对不同条件下反应进行情况及后期处理的对比，可得出以下结论：

（1）在卟啉的合成过程中以回流30min为宜，用新蒸的吡咯缓慢的加入可以制得较高纯度的卟啉。

（2）在卟啉的纯化过程中，淋洗液的比例应严格控制，否则得不到目标产物或产物不纯。

该实验在课题组前期工作的基础上，以合成5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉锌（铜、镍、锰）为目标产物，经过了5，10，15，20-四（3，5-二甲基-4-羟基苯基）卟啉中间步骤，纯化得到最终产物，由红外光谱表征，确认该化合物物为目标产物。

参考文献：

[1] 刘育， 尤长城， 张衡益. 超分子化学[M]. 卟啉及其配合物在分析化学中应用进展. 2001， 131-131.

[2] 陈红样，严煤，孙文博.卟啉非线性光学材料研究进展[J]. 化工新型材料. 2002， 30（1l）： 35-38.

[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.