手性卟啉的合成及其手性识别

周忠强，杜瑞

（中南民族大学 化学与材料科学学院，武汉 430074）

卟啉及卟啉衍生物是一类生物体中比较常见的化合物，在各种生命活动中扮演着十分重要的角色，如氧气运输、超分子构成、植物的光合作用、分子识别检测及酶催化等［1］.在过去的几十年里，手性卟啉作为重要的手性配体在手性识别领域有着广泛的应用［2］.最近的研究表明：卟啉具有配位空间大、识别位点多等优点；而非对称的手性卟啉配体具有更高的不对称度，其手性诱导作用更为显著，它们相应的金属配合物具有更高的对映选择性，在手性识别领域扮演着重要的角色.当金属卟啉作为受体时，卟啉环中心的配位金属离子起到了路易斯酸的作用，能够与路易斯碱结合，可用来识别氨基酸、氨基醇、吡啶、二胺和核酸等含N化合物［3］.

本文以L-亮氨酸（图1）和（1R，2R）-环己二胺（图2）为手性源，合成了两个新型手性卟啉，并对其手性识别性能进行了研究.

图1 主体1a的合成路线Fig.1 Synthetic route of host 1a

图2 主体1b的合成路线Fig.2 Synthetic route of host 1b

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

熔点用X-4数字显微熔点仪测定；NMR用Bruker AvanceⅢ400型核磁共振波谱仪测定，TMS作内标；紫外光谱用Jasco公司V-750分光光度计测定；圆二色谱用Jasco公司J-1500圆二色谱仪测定.所用试剂均为市售分析纯或化学纯试剂.5-（4-氨基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉（mATPP）按文献［4-6］方法合成.

1.2 化合物的合成

1.2.1 双均苯四甲酰化亮氨二酸（2）的合成

参考文献［7］，在250 mL圆底烧瓶中加入10.9 g（50 mmol）均苯四甲酸酐、13.1 g（100 mmol）L-亮氨酸及150 mL乙酸/吡啶（体积比为3∶2）的混合溶液，室温下反应2 h后升温至120℃回流20 h.反应结束后，蒸去溶剂，所得固体加入适量甲醇洗涤，过滤得粗产品.进一步用DMF重结晶得纯产品13.635 g，产率为61%.熔点：304~306℃（文献［7］值：294~294℃）.1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ13.35（s，2H），8.32（s，2H），4.85（dd，J=11.4，4.4 Hz，2H），2.21~2.11（m，2H），1.91~1.82（m，2H），1.49（d，J=6.3 Hz，3H），0.87（dd，J=8.2，6.6 Hz，12H）.

1.2.2 均苯四甲酰化亮氨酸类手性二卟啉（4）的合成

参考文献［8］，在25 mL圆底烧瓶中加入67 mg（0.15 mmol）化合物2和2 mL二氯亚砜，室温下反应1 h后升温回流3 h.反应结束后，蒸去过量的二氯亚砜，并加入5 mL无水二氯甲烷溶解.将上述酰氯溶液缓慢加入到冰水浴冷却的溶有200 mg（0.30 mmol）mATTP和0.1 mL无水三乙胺的5 mL无水二氯甲烷溶液中，室温反应过夜.反应结束后，蒸去溶剂，柱层析分离（二氯甲烷洗脱），得182 mg紫色粉末，产率 为73%.1H NMR（400 MHz，CDCl3）：δ8.85（s，16H），8.50（d，J=8.2 Hz，4H），8.21（d，J=7.3 Hz，16H），7.96（d，J=8.3 Hz，4H），7.76（dd，J=15.0，7.3 Hz，19H），5.35~5.27（m，2H），2.70（s，2H），2.19（s，2H），1.70（s，2H），1.12（d，J=6.6 Hz，12H），-2.79（s，4H）.13C NMR（100 MHz，CDCl3）：δ166.9，166.3，142.1，138.7，137.1，136.9，135.1，134.5，134.5，127.7，126.6，120.1，119.3，119.1，118.3，58.5，55.4，37.7，25.6，23.0，21.5，18.4.UV-Vis（CH2Cl2）：λmax421.0，517.5，554.0，591.5，648.0 nm.

1.2.3 主体1a的合成

参考文献［8-9］，在50 mL圆底烧瓶中加入50 mg（0.03 mmol）化合物4和25 mg（0.14 mmol）乙酸锌，并加入30 mL氯仿/甲醇（体积比为2∶1）得混合溶液.70℃回流10 min，反应结束.蒸去溶剂，所得粗产品经快速柱层析（二氯甲烷洗脱），得紫色粉末51 mg，产 率 为94.6%.UV-Vis（CH2Cl2）：λmax430.0，564.0，601.0 nm.

1.2.4 双均苯四甲酰化环己二胺（5）的合成

参考文献［10］，在100 mL的三颈烧瓶中加入2.86 g（13.10 mmol）均 苯 四 甲 酸 酐 和40 mL的AcOH，在70℃下加入溶有0.187 g（1.64 mmol）的（1R，2R）-环己二胺的20 mL AcOH溶液，剧烈搅拌.然后将所得反应混合物在120℃的氩气氛围下搅拌12 h，反应结束后减压除去溶剂.将粗残余物进行柱层析（二氯甲烷/乙酸乙酯，0%~50%乙酸乙酯），得到白色粉末0.414 g，产率为49%.1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ7.97（s，2H），7.87（s，2H），4.82（d，J=10.2 Hz，2H），2.22（s，2H），1.92~1.83（m，4H），1.38（s，2H）.

1.2.5 环己二胺类手性二卟啉（6）的合成

参考文献［8］，在25 mL的三颈烧瓶中加入41 mg（0.08 mmol）化合物5，150 mg（0.24 mmol）mATPP和2 mL的无水DMF，氩气保护下在150℃反应.反应结束后，减压蒸去多余的DMF，残留物进行柱层析（二氯甲烷洗脱），得到紫黑色粉末74 mg，产率为53.2%.1H NMR（600 MHz，CDCl3）：δ8.92~8.78（m，13H），8.36（d，J=8.3 Hz，4H），8.20（dd，J=4.9，3.0 Hz，10H），7.83（d，J=8.3 Hz，4H），7.77~7.72（m，14H），5.13~5.06（m，2H），2.70~2.58（m，2H），2.04（td，J=24.1，20.8，9.7 Hz，5H），1.70~1.58（m，3H），-2.81（s，4H）.13C NMR（150 MHz，CDCl3）：δ165.8，165.2，142.5，142.0，142.0，135.1，134.5，130.6，127.7，126.7，126.6，124.2，120.4，120.3，118.3，51.9，28.8，24.8.UV-Vis（CH2Cl2）：λmax421.0，517.5，554.0，591.5，648.0 nm.

1.2.6 主体1b的合成

参考文献［9］，在50 mL圆底烧瓶中加入50 mg（0.029 mmol）化 合 物6，25 mg（0.14 mmol）乙 酸锌，并加入30 mL氯仿/甲醇（体积比为2∶1）的混合溶液.70℃回流10 min，反应结束.蒸去溶剂，将粗产品快速柱层析（二氯甲烷），得紫色粉末52 mg，产率为96.9%.UV-Vi（sCH2Cl）2：λmax430.0，564.0，601.0 nm.

1.3 光谱测试样品制备

参考文献［11］，每次测量前所有溶液均现场配制.称取一定质量的手性二卟啉主体1a和1b，配制成10-4mol·L-1的二氯甲烷溶液，同时将各种客体分别配制成10-3mol·L-1的二氯甲烷溶液.测量时，取2 mL的主体溶液于样品管中，加入适量客体，混匀后避光放置4 h，待反应体系达到平衡后，即可开始测量.

2 结果与讨论

2.1 主体1a、1b的光谱性质

1a和1b在二氯甲烷溶液中的紫外光谱结果见图3.如图3所示：主体1a和1b的最大吸收波长都在420 nm处，这是因为主体结构都为手性锌卟啉；但两者的吸光度有明显的差异，说明不同的立体结构对紫外-可见光吸收有影响.

图3 主体1a和1b的UV-Vis和CD图谱（c=1×10-6 mol·L-1，溶剂为二氯甲烷）Fig.3 UV-Vis spectra and CD spectra of host 1a and 1b（c=1×10-6 mol·L-1，in dichloromethane）

浓度对1a和1b的UV-Vis的影响结果见图4.由图4可知：二氯甲烷溶液中，在2×10-7~1.6×10-6mol·L-1的浓度范围内，主体1a和1b能够很好的符合Lambert-Beer定律，所以在研究过程中，主体1a和1b的合理浓度应该低于1.6×10-6mol·L-1.

图4 不同浓度的主体1a、1b的UV-Vis光谱及吸光度曲线（溶剂为二氯甲烷）Fig.4 UV-Vis spectra and absorbance curve of host 1a and 1b in different concentration（in dichloromethane）

2.2 主体1a、1b对对映体的手性识别

本文选取了11种手性小分子作为客体分子，共4个大类，即α-羟基羧酸、氨基醇、手性二胺和手性二醇（图5）.

图5 客体分子结构Fig.5 Molecule structure of guest

锌卟啉对氨基和羧基都有良好的识别能力，影响这一识别反应的主要因素是电子效应和空间位阻效应［12］.当锌卟啉作为主体时，卟啉环中的锌离子起到路易斯酸的作用，易与路易斯碱结合，可以用来识别氨基醇、二胺等含N化合物，而羧酸中还有羰基结构，易与金属离子发生配位作用，所以也能与锌卟啉结合.除手性二醇类客体外，主体1a和1b与客体混合后，紫外最大吸收波长均出现一定程度的位移.再结合CD光谱可以看出（图6），主体1a和1b对手性二胺有很好的手性识别能力，而对其他的α-羟基羧酸、氨基醇、手性二醇无明显的手性识别能力.在图6（a）、图6（b）中，主体1a与手性二胺结合之后，CD图谱分别近似地呈镜像关系，这说明1a对二胺类对映体有着良好的手性识别能力.而图6（c）、图6（d）中，主体1b与手性二胺混合后，图像上Cotton效应与主体1b类似［13］，说明主体1b与二胺结合后的构象保持不变，相对于主体1b的光谱，1b与环己二胺混合物以及1b与二苯基乙二胺混合物的CD光谱发生了明显的红移，说明手性二胺客体分子已被主体1b捕获，并且进入到了两个锌卟啉环之间，所有的这些都表明了主体1b对手性二胺对映体有一定的手性识别能力［14-15］.

图6 主体1a和1b与手性二胺的CD光谱（1a浓度为2×10-6 mol·L-1，1b浓度为1×10-6 mol·L-1，溶剂为二氯甲烷；客体均为10-5 mol·L-1，溶剂为二氯甲烷）Fig.6 CD spectra of host 1a and 1b in the presence of chiral diamine（1a：2×10-6 mol·L-1 in dichloromethane；1b：1×10-6 mol·L-1 in dichloromethane；guest：10-5 mol·L-1 in dichloromethane）

保持主体的浓度不变，逐渐增加手性二胺客体的浓度，主体1a和1b在420 nm的吸光度值逐渐减小，在430 nm处出现了一个新的特征峰，同时也观察到了一个等吸光点，这表明主体锌卟啉逐渐消耗和轴向配合物逐渐生成的过程.当锌卟啉的中心离子Zn（Ⅱ）与手性二胺类客体结合生成轴向配合物时，由于这些亲核性较强的客体引入，中心卟啉环上的电子云密度增大［16］，分子轨道上的能量增加，激发能降低，因此跃迁吸收谱带明显向长波方向移动，即吸收峰发生红移［17］.主体1a的手性骨架是以刚性的均苯四甲酸酐为基础构建的，两端的锌卟啉环自由翻转空间较小，而主体1b的手性骨架是相对较为柔性的R，R-环己二胺，这两种结构差异会导致主体1a、1b与侧链带有苯环的手性二胺结合时CD光谱有所不同.主体1b与手性二苯基乙二胺结合时，侧链上的苯环与卟啉环之间存在一定的π-π作用［18］，所以相对于手性环己二胺，主体1b与手性二苯基乙二胺结合时的CD光谱的特征信号峰更为明显.

2.3 主体1a、1b与客体分子结合比的测定

采用Job法来测定结合比［19］，保持主体与客体混合物的总浓度不变，但是改变客体与主体的相对比例，以cm/c对吸光度作图，当达到最大吸光度时的主体和客体之比即为结合比.如图7所示，主体1a、1b与其他客体的结合比均为1∶1.

图7 主体1a、1b和R，R-环己二胺的Job曲线（c=1×10-6 mol·L-1，溶剂二氯甲烷）Fig.7 Job curves of host 1a and 1b in the presence of R，R-cyclohexanediamine（c=1×10-6 mol·L-1，in dichloromethane）

2.4 主体1a、1b与客体分子的结合常数

主体1a、1b与客体分子之间的结合常数可通过UV-Vis滴定法测定［20］.吸光度A与结合常数K之间的关系可以用公式（1）来拟合［20］：

式中：ΔA是420 nm处吸光度的变化；c为加入客体的浓度，mol·L-1；A0是主体在相应浓度下的吸光度；A是主体与客体分子结合后的吸光度.

从表1中计算结果可以得出：在低浓度下，主体1a和1b的结合常数均在104L·mol-1以上，说明主体的灵敏度高，识别作用非常明显.

表1 主体1a、1b与手性二胺的结合常数Tab.1 Binding constants of host 1a and 1b with chiral diamine

2.5 主体1a、1b定量测定手性二胺对映体混合物的组成

由上述实验结果可知，主体1a和1b在低浓度下，也可以识别出手性二胺的对映体，表现出高的选择性和灵敏度.所以，利用主体1a、1b对手性二胺对映体混合物的组成进行了定量分析（图8和图9），根据标准曲线可以测定手性二胺对映体混合物的组成.由图8和图9中可知：1a、1b与手性二胺对映体混合后，体系的ΔCD值随着对映体组成的变化而变化，由此可得到相应的标准曲线.图8中1a浓度为2×10-6mol·L-1，客体浓度C=CR+CS=4×10-5mol·L-1，环己二胺对映体混合物曲线的方差R2=0.9913，二苯基乙二胺对映体混合物曲线的方差R2=0.9969.图9中1b浓 度 为10-6mol·L-1，客 体 浓 度C=CR+CS=10-4mol·L-1，方差R2=0.9926.通过标准曲线，可以测出手性二胺对映体混合物中两个对映体组分的含量.

图8 主体1a和手性二胺混合物的标准曲线（溶剂为二氯甲烷）Fig.8 Standard curve of host 1a with chiral diamine（in dichloromethane）

图9 主体1b与手性二苯基乙二胺混合物的标准曲线（溶剂为二氯甲烷）Fig.9 Standard curve of host 1b with chiral diphenylethylenediamine（in dichloromethane）

3 结语

本文合成了5-（4-氨基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉，用L-亮氨酸和（1R，2R）-环己二胺对其进行结构修饰，合成了两种新型手性锌卟啉1a和1b.研究了1a和1b对α-羟基羧、氨基醇、手性二胺及手性二醇的手性识别性能，发现主体1a和1b仅对手性二胺有很好的手性识别作用.在低浓度下，主体1a和1b与手性二胺的结合常数均在104L·mol-1以上，选择性识别作用非常明显，可以用来定量测定手性二胺对映体混合物的组成.