植根深远的咔咯化学*

陈 瑜

（陕西中医药大学 基础医学院，陕西 咸阳712046）

研究表明，咔咯（Corrole）结构是由4 个吡咯共轭环相连而形成的新型类卟啉大环化合物，其分子结构与卟啉及酞菁等有着一定的相似性。吡咯的结构对称性比卟啉差的原因是，咔咯分子比卟啉环少一个成环20 位的碳原子，故其分子的内腔较之于卟啉要小些。但由于咔咯分子是具有较大电荷密度的大环体系，且分子中具有3 个易发生酸式解离的亚胺基，故能稳定结合具有较高氧化态的金属离子，从而形成稳定的有机金属配合物，故使其应用广泛。世界上第一篇关于咔咯方面的研究论文是“咔咯化学之父”Johnson 在1960 年首次发表的。近20 年来，随着人们对咔咯类化合物的性能、应用、合成等研究的不断深入，使其得到长足的发展，目前，已形成为一门新兴的热门边缘学科——咔咯化学。由于咔咯具有和其它大环化合物一样可络合金属离子（客体分子或离子）的环内孔腔，故其在21 世纪的新兴热门学科如催化科学、医药学、纳米科学、材料科学、生命科学、信息科学、环境科学及能源科学等领域彰显出广阔的应用前景。不仅如此，咔咯类物质在工业、农业、国防及医药学等领域也凸显出重要的应用价值。

1 新型咔咯类衍生物的合成及在催化科学中的应用

1.1 新型5,10,15-三（对硝基苯基）咔咯的合成及应用

研究表明，咔咯作为类卟啉化合物中一类重要的物质，在催化、光、电、磁等各方面都有潜在的应用价值。目前，贫电子咔咯在电化学领域的研究已成为催化水裂解产氢产氧的研究热点[1,2]。为此，赣南师范大学的陈海等人采用一锅煮合成法（Paolesse 合成法），即在醋酸溶剂中以HAc 溶液作为催化剂，以硝基苯和咔咯反应得到贫电子的5,10,15-三（对硝基苯基）咔咯衍生物[3]，期望其能成为催化水裂解产氢产氧的催化剂。该研究将在催化科学、材料科学、能源科学及合成化学中得到应用。

1.2 新型咔咯金属配合物的合成及催化作用

由结构特征可知，咔咯因其结构与卟啉相似，在催化性能上表现出很多类似卟啉的催化性能[4,5]。但由于咔咯中心孔腔小于卟啉，因而又表现出一些与卟啉不同的性质。为了物尽其用，华南理工大学的熊明峰等人合成了Mn、Fe、Co、Cu 等多种咔咯的金属配合物，并测试了其催化性能。实验表明，其金属咔咯配合物能催化的反应有：烯烃的氧化、环丙烷化、氮杂环丙烷化、C-H 键的胺化和烷基化等。基于之前他们对卟啉配合物催化交叉脱氢偶联反应（CDC反应）的研究，他们测试了多种金属配合物对CDC反应的催化性能，发现锰咔咯和铁咔咯对CDC 反应的催化性能较好，这是因为金属咔咯配合物在有机溶剂中的溶解性大大优于无机金属盐催化剂，因而能高效均相的催化CDC 反应。而且由于金属卟啉配合物的在配位位点上，只有轴向的配位位点，所以对催化CDC 反应来说，不但具有很高的选择性，且不会发生氧化加成和还原消去等一些反应[6]。故其优势在于催化反应的专一性和高效性。

1.3 新型铁咔咯配合物的合成及电催化产氢作用

研究表明，一些铂催化剂可以很好地催化水制氢，但由于自然丰度低和高成本的限制,故不能广泛应用于实际工业生产中。目前，在寻找丰富的地球金属催化剂方面已经取得了许多进展，许多过渡金属配合物如铁、铜、钴和镍配合物均能使H2产生[7]。众所周知,金属咔咯由于其合适的氧化还原活性，可以催化许多反应。金属咔咯最初被证明能在均相溶液中或吸附到电极表面上催化H2生成[8]。为此，华南理工大学的钟雅倩等人探究了铁咔咯配合物（Fe-TFPC）在电催化产氢方面的效果。经电化学工作站测试可知，电催化峰电流强度随醋酸浓度的增加而增大，故表明该配合物具有良好的电催化产氢性能[9]。该研究将在催化科学、能源科学、材料科学及合成化学中得到应用。

1.4 新型锰咔咯金属配合物的合成及应用

咔咯是一类结构与卟啉类似的大环化合物。与卟啉结构不同的是，咔咯少了一个“meso”位的亚甲基，环内具有更小的空腔，能够稳定更高价态的金属离子。因此，作为配体，咔咯具有比卟啉更优良的性能。相较于卟啉氮氧化合物，咔咯氮氧化合物的研究不局限于铁咔咯。在众多金属咔咯化合物中，金属锰咔咯在催化及生物方面有突出的应用前景[10,11]。为此，华南理工大学的万贝等人以5,10,15-三（五氟苯基）咔咯（MnIIITPFC）和三价锰盐作用，合成了取代的5,10,15-三（五氟苯基）咔咯（MnIIITPFC）金属化合物[12]，实验表明，该锰咔咯金属配合物对有机反应如烯烃的氧化、环丙烷化、氮杂环丙烷化、C-H 键的胺化和烷基化等具有良好的催化作用，且能够参与氮循环和哺乳动物生理学的关键过程。该研究将在催化科学、材料科学、生命科学及生物化学的研究中得到应用。

2 新型咔咯金属配合物的合成及在医药学中的应用

2.1 新型吡啶基镓咔咯的合成及在医学中的应用

从结构分析，咔咯是卟啉的类似物，其特殊的结构赋予了良好的光物理性质。相比于卟啉，咔咯对长波段可见光的吸收更强，故有望成为新一代的光动力治疗光敏剂。金属镓是继铂之后的第二种具有抗肿瘤活性的金属元素[13]。镓咔咯具有典型的双荧光性质[14]，在荧光成像、光动力治疗、光动力诊断中具有不可估量的应用前景。为此，华南理工大学的赖淑惠等人用咔咯和吡啶反应，合成了5,10,15-三（4-吡啶基）咔咯（简称Py），随后Py 再与镓盐作用，制备了5,10,15-三（4-吡啶基）咔咯（简称Py）的镓配合物（简称Ga-Py）。由于Stokes 效应，两种咔咯（Py 和Ga-Py）的发射峰均出现红移。吡啶基咔咯的发射峰位于657nm 处，其镓配合物则蓝移至633 nm 处，这与紫外吸收中Q 带（在500～750nm 范围的若干个弱吸收为Q 带）的蓝移是一致的。相对于自由咔咯，镓咔咯的荧光强度显著提高，这是因为镓咔咯的平面性更好且刚性更强[15]。该研究将在荧光成像、光动力治疗、光动力学诊断中具有广阔的应用前景。

2.2 新型对羟基咔咯的合成及在医学中的应用

科学家们已设计合成出了多种抗肿瘤药物应用于癌症治疗，其中能特异性抑制肿瘤细胞，即有细胞毒性或者细胞抑制作用的药物已成为了癌症治疗的首选方案[16]。相比于卟啉，咔咯由于合成困难作为抗肿瘤药物研究较晚，但自从上世纪末合成方法的改进，已引起了众多科技工作者的研究兴趣[17]。为此，华南理工大学的孙艳梅等人以对羟基苯甲醛和吡咯衍生物作用，合成了对羟基咔咯衍生物。随后他们还研究了对羟基咔咯与人乳腺癌细胞（MCF-7）的光动力抗癌活性，发现MCF-7 细胞与不同浓度对羟基咔咯作用后，对羟基咔咯在暗条件下对癌细胞的生长抑制作用明显弱于光照条件。他们的研究表明，对羟基咔咯是一类潜在的治疗乳腺癌的光敏剂[18]，其在抗肿瘤和癌症治疗方面具有良好的应用前景。

2.3 新型非离子型咔咯衍生物的合成及在医学中的应用

研究表明，咔咯及其衍生物在光动力治疗方面已凸显出了极大的潜力。通过修饰咔咯结构，合成理化性质稳定、选择性高和细胞毒性低的配合物是咔咯衍生物作为潜在的抗肿瘤药物，是科学家用光动力学法治疗癌症研究的一个热点[19]。之前有关抗肿瘤活性的研究大多数集中在水溶性咔咯配合物上，而对非离子型咔咯的研究报道较少。为此，华南理工大学的陈璇等人以对羟基苯甲醛和二吡咯基五氟取代苯衍生物作用，合成的单羟基取代咔咯衍生物。随后他们通过实验发现，单羟基取代咔咯衍生物能够靶向聚集在鼻咽癌细胞线粒体上，并表现出很好的抗肿瘤活性[20]。他们在研究中还发现，其meso 位取代基的对位氟原子可与亲核试剂发生取代反应，从而进一步拓宽了咔咯类化合物在生物化学领域中的应用。

2.4 新型咔咯-香豆素二元体的合成及在医学中的应用

结构分析表明，咔咯是一种结构与卟啉相似的大环化合物，与卟啉相比，咔咯表现出更高的荧光量子产率和更强烈的红光吸收[21]。由于其独特的光化学和光物理性质，咔咯及其金属配合物在光化学传感器[22]和生物医学领域有潜在的应用前景。香豆素是一种类黄酮化合物，同样具有良好的光学和生物学特性。为此，华南理工大学的程帆等人首先用4-羟基苯甲醛与1,2-二溴乙烷反应制得了4-溴代醚基芳香醛（A）。其次，他们用化合物A 与7-羟基香豆素反应合成得到了淡黄色固体芳醛基二醚键香豆素衍生物（B）。最后他们用五氟二吡咯烷烃和与化合物B 作用，合成了一种新的暗紫色固体物质咔咯-香豆素二元体（PCC）[23]。研究发现，其化合物新型咔咯-香豆素二元体在光化学传感器[23]和生物医学领域已彰显出广阔的应用前景。

3 结语

众所周知，由于植根深远的咔咯类化合物与卟啉有着相似的结构特征，故有许多相似的性能和应用前景，如在纳米材料、非线性光学材料、电化学、光化学、催化、抗肿瘤治疗、医学、模拟酶、生物物理活性、生物化学活性等方面有相似的性能和用途。同时我们坚信，随着人们对咔咯化学研究的不断深入，咔咯化学这把“万能钥匙”将会开启其在工业、农业、国防及医药学等领域更多的应用“锁”，从而绽放出更多服务于人类的艳丽之花，并结出丰硕成果。