金属叶绿素衍生物的制备及光谱研究进展

刘淑萍，刘 岩

（河北联合大学 化学工程学院，河北 唐山 063009）

化学与化工研究

金属叶绿素衍生物的制备及光谱研究进展

刘淑萍，刘 岩

（河北联合大学 化学工程学院，河北 唐山 063009）

过渡金属Cu、Fe、Co、Ni、Zn、Mn的可溶性盐类以及稀土金属La、Ce、Pr、Nd、Sm氧化物在HClO4中溶解后在一定条件下与脱镁叶绿素合成过渡/稀土金属叶绿素；过渡金属叶绿素皂化可形成可溶性过渡金属叶绿酸盐；可溶性过渡金属叶绿酸盐又可与某些金属离子反应形成难溶性的过渡金属叶绿酸盐。通过研究这些金属叶绿素配合物的Fourier变换红外光谱、紫外可见光谱（UV-Vis）并与脱镁叶绿素或脱镁叶绿酸对比，对其谱图的数据进行了分析。

金属叶绿素衍生物；制备；光谱；研究进展

叶绿素广泛存在于高等植物、藻类以及细菌叶绿素中，叶绿素自然状态稳定性较差，光、热、酸、碱、酶及氧可造成叶绿素的分解。铜、铁、锌等离子取代叶绿素中心的镁离子而生成的脂溶性金属叶绿素衍生物，或金属离子与脂溶性金属叶绿素皂化后形成的金属叶绿酸钠/钾的羧基结合生成的金属叶绿酸盐，或金属离子与脱镁叶绿酸钠/钾反应生成的脱镁叶绿酸盐沉淀都叶绿素稳定。本文总结了金属叶绿素衍生物的制备过程及其光谱性质。

1 金属叶绿素衍生物的类型

金属叶绿素衍生物是由叶绿素分子中卟啉环内金属离子的取代或环外金属离子的成盐所形成的一类化合物，包括：（1）金属叶绿素，按中心金属元素的不同可分为过渡金属叶绿素和稀土金属叶绿素两大类，如铜叶绿素、铈叶绿素[1]等；（2）金属叶绿酸盐，如铁叶绿酸钠/钾、铁叶绿酸锌[2]等；（3）脱镁叶绿酸盐，如脱镁叶绿酸钙[3]。金属叶绿素衍生物热、光的稳定性和抗氧化性都较叶绿素强。

2 金属叶绿素衍生物的制备及吸收光谱

过渡金属叶绿素为脂溶性，而过渡金属叶绿酸钾/钠盐为水溶性，二者的区别在于制备过程中是否经过皂化阶段。

2.1 脂溶性过渡金属叶绿素的制备

将叶绿素(Chla)a、b在盐酸和丙酮混合溶液中反应数小时，加入石油醚萃取叶绿素，双蒸水洗石油醚色素多次除去水溶性杂质，浓缩石油醚色素，经烘箱干燥得脱镁叶绿素[4]。

将脱镁叶绿素（H2Chla）溶于氯仿等有机溶剂中，将醋酸锌等金属盐溶于甲醇中，将此两种溶液混合，在一定温度下，通惰性气体N2反应一定时间，即得到翠绿色的叶绿素Zn(Zn-Chla)[5-6]，其它过渡金属Cu(II)、Fe(III)、Co(II)、Ni(II)、Mn(III)与脱镁叶绿素的合成条件与Zn-Chla基本相同，只是溶剂与反应时间略有差异。具体情况见表1。

表1 过渡金属叶绿素a的合成条件[7-9]

2.2 水溶性过渡金属叶绿酸钾/钠盐的制备

制备脂溶性过渡金属叶绿素之后，氢氧化钠/钾与脂溶性过渡金属叶绿素的酯部位经过皂化反应生成可溶性过渡金属叶绿酸盐，如叶绿素铜钠盐[10]、叶绿素锌钠盐[11]、叶绿素锌钾盐[12]、叶绿素铁钠盐[13]、叶绿素钴钠盐[14]，叶绿素锰钠盐[15]、叶绿素铬钠盐[16-17]等。

过渡金属叶绿酸盐的制备流程[18]：

另一种制备方法是先将叶绿素皂化之后酸化脱镁和过渡金属取代，成为过渡金属叶绿酸盐[19-20]。

两种制备方法的区别在于工艺中的皂化阶段的顺序不同。

3 金属叶绿素衍生物的光谱性质

研究叶绿素衍生物的分析手段包括紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）谱、Fourier红外光谱（FT-IR）。通过分析过渡金属叶绿素的UV、IR相对于脱镁叶绿素的谱图变化，可判断金属离子是否进入到叶绿素中心位置，通过磁圆二色光谱（MCD）等谱图以及扩展X射线吸收精细结构光谱分析叶绿素衍生物的分子结构信息，可判断过渡金属叶绿素的单/双分子结构。

3.1 脂溶性过渡金属叶绿素

过渡金属叶绿素一般多为单分子层[21]结构。图1为叶绿素的结构示意图。

图1 叶绿素结构示意图

表2 过渡金属叶绿素紫外可见-吸收光谱[7,9]

表3 过渡金属叶绿素固体络合物的主要红外谱带及其指认 cm-1

当过渡金属离子进入叶绿素卟啉环内形成相应的配合物后，其分子的对称性增加，Q带的吸收峰个数减少，Soret带发生移动，这是卟啉形成相应配合物的光谱特征。如表2所示，不同的过渡金属叶绿素相对于脱镁叶绿素Soret带和Q带存在区别，其中Fe、Co叶绿素相对于脱镁叶绿素Soret带和Q带变化不大，而Cu、Zn、Ni叶绿素Soret带发生红移，Q带发生紫移。当中心金属离子不同时，其Q带的峰宽亦不同，其大致顺序为H2Chla＜Mg-Chla，Zn-Chla，Mn-Chla＜Cu-Chla，Ni-Chla＜ Co-Chla，Fe-Chla，这与以前报道[22]基本相符，初步表明过渡金属进入到了叶绿素卟啉环的中心位置。

过渡金属叶绿素IR光谱可用于分析过渡金属取代叶绿素中心镁元素后基团的变化情况。表3为过渡金属叶绿素IR吸收光谱数据[7,9]。

由表3可知，在1 700～1 500 cm-1处H2Chla-a（包括C═N，C═C）有三个尖锐的吸收峰，而形成过渡金属叶绿素后三个吸收峰变小或消失，可能是由于金属与脱镁叶绿素配位后，配位中心的对称性提高所致[23]。1 620 cm-1处为脱镁叶绿素骨架振动（C═N，C═C）吸收峰而过渡金属叶绿素吸收峰峰位置均向高频方向移动，其中Cu-Chla位移达58 cm-1。1 577 cm-1处为脱镁叶绿素骨架振动吸收峰，Co-Chla在此处吸收峰向高频方向移动，Cu、Zn、Fe、Ni、Mn叶绿素均向低频方向移动，说明不同的金属对叶绿素结构的影响存在差异。

过渡金属离子进入脱镁叶绿素中心后过渡金属叶绿素的酯羰基最大吸收波长位置基本不变。但是过渡金属叶绿素吸收强度相比脱镁叶绿素a有所下降，这与李赛君[24]的结果一致，表明过渡金属离子进入卟啉环后对C＝O偶极大小有较大影响。

叶绿素吡咯环的1 100 cm-1的N-H面外摇摆是相对较强的吸收谱带，在形成过渡金属叶绿素后这些吸收峰几乎消失，这说明过渡金属已经配位到卟啉大环中。在2 920 cm-1处为脱镁叶绿素C-H的伸缩振动，而过渡金属离子配位到脱镁叶绿素中心后峰形和最大吸收峰峰位置与叶绿素相比变化不大（最大位移为叶绿素铜、锌22 cm-1），说明过渡金属离子对C─H影响较小。

3.2 水溶性过渡金属叶绿酸钾/钠盐

过渡金属叶绿酸盐的UV、IR光谱数据见表4、5。其中铁叶绿酸钠、钴叶绿酸钠、锰叶绿酸钠IR谱未见报道。

表4 过渡金属叶绿酸钠盐紫外-可见吸收光谱

由表4可知，脱镁叶绿素（H2Chla）与过渡金属叶绿酸钠Soret带最大吸收峰位都在405 nm左右。Q带最大吸收峰位在660 nm左右，仅叶绿酸Cu、Zn钠盐在630 nm，这可能由于不同金属的离子半径、离子价态及外层电子排布对叶绿素结构的影响不同造成的。

表5 过渡金属叶绿酸钠盐主要红外谱带及其指认 cm-1

过渡金属进入到叶绿素卟啉环后叶绿素羰基吸收强度下降，而由表5可知，叶绿素皂化后结构中羰基（C7，C9，C10）吸收峰消失，这应该是过渡金属叶绿素皂化后的主要产物为过渡叶绿酸三钠盐，羰基消失，H2Chla在1 620 cm-1的C═C共轭振动吸收峰在过渡金属叶绿酸钠盐中消失，说明形成过渡金属酸钠盐对卟啉环的骨架振动存在影响。

3.3 难溶过渡金属叶绿酸盐

可溶性铁叶绿酸钠盐在一定条件下与某些金属离子反应，生成具有双金属离子的叶绿酸盐沉淀。刘淑萍[2]合成出来的铁叶绿酸锌的IR谱图与脱镁叶绿酸相比，在1 500～1 000 cm-1的卟啉环的骨架振动存在区别，且呈无明显尖峰、有精细结构、强度明显变小的谱图，这可能是Fe、Zn离子的共同作用使得铁叶绿酸锌分子对称性增加偶极矩变小的缘故，说明此类金属叶绿酸盐对叶绿素骨架振动影响较大。铁叶绿酸锌的与脱镁叶绿酸IR谱图见图2。

3.4 脱镁叶绿酸盐

目前脱镁叶绿酸盐包含脱镁叶绿酸钠、脱镁叶绿酸钙[3]和脱镁叶绿酸锌[25]，后两种为难溶性的脱镁叶绿酸盐。脱镁叶绿酸钙是由蚕沙经皂化提取叶绿酸钠、萃取、加酸脱镁、制备脱镁叶绿酸钠、与钙盐反应、分离纯化而合成的。脱镁叶绿酸锌与脱镁叶绿酸钙类似，只是在与钙盐反应阶段换为与锌盐反应。脱镁叶绿酸、脱镁叶绿酸锌IR光谱图见图2。

图2 难溶过渡金属叶绿酸盐IR光谱

1 120 cm-1、1 440 cm-1、1 580 cm-1处分别为脱镁叶绿酸的N─H、共轭C═C、C═N吸收峰，形成脱镁叶绿酸锌后吸收强度明显下降或消失，说明侧链的锌元素对脱镁叶绿酸锌结构影响较大。脱镁叶绿酸在1 700 cm-1无吸收峰，说明叶绿素在皂化阶段破坏了叶绿素戊酮环羰基的结构。

3.5 稀土金属叶绿素衍生物的制备

脱镁叶绿素的制备及提取见文献[4]，将稀土金属（La、Ce、Pr、Nd、Sm）氧化物在HClO4中溶解后，驱赶酸至近干，配制成金属盐-丙酮溶液，脱镁叶绿素a的丙酮溶液在80 ℃与之混合，待丙酮挥发完全后得到绿色的稀土叶绿素a[26]。

3.6 稀土金属叶绿素衍生物的吸收光谱

Houssier C等人[27]研究表明叶绿素的MCD谱图可以提供叶绿素单/双分子层叶绿素分子结构的重要信息，同文献[28-29]结论一致。由此可证明稀土金属La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+等可配位到脱镁叶绿素的中心位置，并形成具有双层夹心结构的配合物。UV数据表明了稀土金属叶绿素Soret带相对于脱镁叶绿素峰峰位置变化不大但强度有所减弱，而Q带都有不同程度的蓝移，其中钕叶绿素蓝移达19 nm。同时，由IS/IQ的比值可知稀土金属叶绿素比脱镁叶绿素a具有更大的吸收近紫外光的能力。

La-Chla、Ce-Chla、Sm-Chla、Pr-Chla、Chl-a等IR谱图与H2Chla变化情况见表6。Nd-Chla的IR谱图未见报道。

表6 稀土金属叶绿素固体络合物的主要红外谱带及其指认[30-32]cm-1

如表6所示，稀土元素配位到H2Chla中心后吸收峰强度变小。稀土金属叶绿素（c7，c10）的酯羰基、（c9）的酮羰基最大吸收峰的位置相对于Chl-a均向高频方向移动，其中以钐叶绿素位移最大，过渡金属叶绿素在此几乎不变，说明稀土金属比过渡金属对羰基C═O的影响大。对于2 800～3 100 cm-1C─H伸缩振动，稀土金属叶绿素与H2Chla差异不大，仅镧、铈叶绿素向低频方向位移了十几个波数。

[1] 洪法水,魏正贵,赵贵文.稀土在天然植物铁芒萁体内结合形式的光谱学研究[J].高等学校化学学报,2001, 22(11):1790-1794.

[2] 刘淑萍,孙彩云.天然叶绿素铁锌盐的制备方法[P]. CN101045730,2007-10-03.

[3] 陶海鹏,李晓勇.脱镁叶绿酸钙的制备[J].华西药学杂志,2002,17(2):120.

[4] 袁晓华,杨中汉.植物生理生化实验[M].北京:高等教育出版社,1983:148.

[5] SCHEER H. Chlorophylls[M]. Boca Raton, Fla: CRC Press, 1991.

[6] Yamashita H, Inoue H. Determination of zinc(II) chlorophylls and derivatives by high performance liquid chromatography with fluorometric detection[J]. Anal Sci, 1991, 7(11): 1371-1374.

[7] 焦杰英,李赛君,陈健,等.过渡金属叶绿素的合成和光谱研究[J].自然科学进展,1999,9(5):406.

[8] 王梦亮,常如波,刘滇生.金属细菌叶绿素的合成及其对肿瘤细胞的抑制作用[J].药物学报,2005,40(10):920-923.

[9] 李君赛,王立波,吴瑾光.叶绿素a锰(III)和叶绿素a锰(II)的合成和光谱[J].光谱学与光谱分析,1997,17(4):55-59.

[10] 童晓滨,谢妤,宋卫军.雷竹叶叶绿素铜钠盐的制备及其光谱研究[J].化学工程师,2008,152(5):21-24.

[11] 童晓滨,宋卫军,谢妤.雷竹叶叶绿素锌钠的制备及其光谱分析[J].武夷学院学报,2008,27(2):30-33.

[12] 孙彩云,王巍杰,刘淑萍.蚕沙制备叶绿素锌钾盐的工艺研究[J].化学与生物工程,2005(5):33-34.

[13] 王丽娟,钱学仁.竹叶叶绿素铁钠的制备及性质研究[J].林产化学与工业,2005,25(3):89-92.

[14] 凌敏,李培尊,李明利.蚕沙叶绿素钴钠盐的制备及其稳定性研究[J].食品科技,2009,34(8):221-223.

[15] 李培尊.蚕沙叶绿素锰钠盐的制备及其稳定性研究[J].广东化工,2012,39(7):58-59.

[16] 苏秀荣,贾寿华,宋少芳.叶绿素铬钠盐的制备及其理化性质[J].食品科技,2007,28(6):142-145.

[17] 陶海鹏,俞华珊,王爱群.铬叶绿酸钠的合成及临床试用初探[J].华西药学杂志,1999,14(2):102-103.

[18] 李丽华.以蚕砂制备叶绿素锌钠盐[J].中国医院药学杂志,1999,19(8):498.

[19] 吴贻群,卢景顺,邓素英.水葫芦叶制取叶绿素锌钠的新工艺研究[J].江西化工,2005(4):91-93.

[20] 孟会娟,邓朝丽,程义伟.叶绿素及其衍生物的制备与测试[J].现代仪器,2005(4):44-46.

[21] NonomuraY, Igarashi S, Yoshioka N, et al. Spectroscopic properties of chlorophylls and their derivatives, influence of molecular structure on the electronic state[J]. Chemical Physics, 1997, 220(15): 155-l66.

[22] 李赛君,张完白,高松,等.叶绿素镧复合物的变温磁圆二色研究[J].北京大学学报(自然科学版),1996,22(2): 182-187.

[23] Saijun Li, Hidenari Inoue. Separation and characterization of manganese(II/III) chlorophylls[J]. Anal Sci, 1991, 79(sup): 121-124.

[24] 李君赛,高松,翁诗甫,等.叶绿素镧的谱学研究[J].自然科学进展,1997,7(5):580.

[25] 孙彩云.脱镁叶绿酸锌的制备及红外光谱研究[J].唐山师范学院学报,2011,33(5):34-36.

[26] 高小霞.稀土在农业中的作用及其作用机理[M].北京:北京出版社,1997:238-240.

[27] Houssier C, Sauer K. Circular dichroism and magnetic circular dichroism of the chlorophyll and protochlorophyll pigments[J]. Chem Soc, 1970, 92(4): 779-791.

[28] William D W, Sudnick D R. Lanthanide ion probes of structure in biology. Laser-induced luminescence decay constants provide a direct measure of the number of metal-coordinated water molecules[J]. Chem Soc, 1979, 101(2): 334-340.

[29] 慈云祥,周天泽.分析化学中的配位化合物[M].北京:北京大学出版社,1986:140.

[30] 魏正贵,洪法水,赵贵文.稀土叶绿素a配合物(RE=La, Ce,Eu,Y)的合成及表征[J].稀土学报,2000,18(4):252.

[31] 洪法水,魏正贵,赵贵文,等.金属叶绿素a结构的研究[J].生物化学与生物物理进展,2001,28(3):381-385.

[32] 魏正贵,洪法水,赵贵文,等.镨叶绿素a分子结构的确定[J].高等化学学报,2000,21(3):332-334.

（责任编辑、校对：琚行松）

The Preparation and Spectrum Progress in the Study of Metal Chlorophyll Derivatives

LIU Shu-ping, LIU Yan
(Institute of Chemical Engineering, Hebei United University, Tangshan 063009, China)

Transition metal soluble salts of Cu, Fe, Co, Ni, Zinc, Mn and rare earth metal of La, Ce, Pr, Nd, Sm oxide dissolved in HClO4can react with phaeophytin under certain conditions to form the transition or rare earth metal chlorophyll derivatives. Transition metal chlorophyll can turn to soluble metal chlorophyllin salts after saponified, while soluble transition metal chlorophyllin salt can react with some metal ions forming difficult soluble transition metal chlorophyllin salt. By studying the metal chlorophyll derivatives of Fourier transform infrared spectra, ultraviolet-visible spectra and compared with pheophytin and chlorophyllin to analyze its spectra data.

metal chlorophyll derivatives; preparation; spectrum; study progress

O609.9

A

1009-9115(2014)02-0028-05

10.3969/j.issn.1009-9115.2014.02.008

2013-09-25

刘淑萍（1957-），女，河北沧州人，教授，硕士生导师，研究方向为化工原料和产品分析及应用。