熒光探針-羧基卟啉化合物的合成方法中藥學(xué)專業(yè)

1、熒光探針-羧基卟啉化合物的合成工藝研究目 錄熒光探針-羧基卟啉化合物的合成方法摘要: 目的 卟啉是一類主要由四個(gè)吡咯互連而成的大環(huán)化合物。在各種生物體內(nèi)以及能量轉(zhuǎn)移的相關(guān)重要細(xì)胞中都廣泛存在。卟啉因?yàn)槠浯蟓h(huán)芳香性結(jié)構(gòu)，而擁有可以選擇性絡(luò)合金屬離子的作用及生物化學(xué)活性，因此在21世紀(jì)廣泛的應(yīng)用于材料科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)等熱門學(xué)科。通過(guò)羧基卟啉的合成研究，可為其光動(dòng)力治療和化學(xué)治療進(jìn)一步研究做準(zhǔn)備。方法 通過(guò)Adler-Longo法合成酯基卟啉，然后酸化成羧基卟啉化合物。結(jié)果 分離純化得到純的目標(biāo)產(chǎn)物。結(jié)論 通過(guò)兩步法可以合成得到羧基卟啉化合物。關(guān)鍵詞：羧基卟啉；熒光探針；Adler

2、-Longo法IIFluorescent probes - Methods for synthesizing carboxyl porphyrin compoundsAbstract：Ojective:Porphyrins are macrocyclic compounds that aremainly interconnected by four pyrrole groups.It is widely found in various organisms and related important cells for energy transfer.Because of its macroc

3、yclic aromatic structure, porphyrin possesses the function of selectively complexing metal ions and biochemical activity.Therefore, it has been widely used in the 21st century for popular sciences such as material science, life science, energy science, and information science.The synthesis of carbox

4、yl-porphyrins can be used as a further preparation for photodynamic therapy and chemotherapy.Methods: Synthesis of ester-based porphyrins by the Adler-Longo method and subsequent acidification to carboxy porphyrins.Results：Separation and purification to obtain pure desired product.Conclution: Synthe

5、sis of carboxy porphyrin compounds by a two-step process.Keywords: Carboxyporphyrin;Fluorescent probe;Adler-Longo method1 前言卟啉porphyrin化合物的本質(zhì)是一類特殊的含氮雜環(huán)大環(huán)共軛芳香體系,這是一種大共軛體系結(jié)構(gòu)，而且環(huán)上各原子都處于一個(gè)平面內(nèi)。其母體化合物稱為卟吩(por-phin，C20H14N4)，而卟啉即是有取代基的卟吩衍生物。 因?yàn)檫策衔飿?gòu)造特別，從而使得它具備優(yōu)越的物理性質(zhì)、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、良好的電子緩沖性及光學(xué)特征，并且在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)有很強(qiáng)的光

6、捕獲特性，可以作為一類優(yōu)秀的有機(jī)光電材料。因此常用在氣體傳感器、人工模擬光合作用、生物大分子探針、光動(dòng)力學(xué)醫(yī)療、生物模擬氧化反應(yīng)的催化劑等領(lǐng)域1。本文通過(guò)改善Adler-Longo法合成出5,10,15,20-四(4-甲氧基羧基苯基)卟啉(TPPCOOMe)，再通過(guò)酸化TPPCOOMe合成5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TPPCOOH)，以研究羧基卟啉的合成方法。1.1 卟啉的結(jié)構(gòu)特性卟吩環(huán)進(jìn)行取代后的衍生物稱為卟啉，它是由4個(gè)吡咯通過(guò)次甲基在- 位連接形成大環(huán)共軛結(jié)構(gòu)的一類化合物。卟啉分子具有18個(gè) 電子，并且同時(shí)滿足 4 n +2 規(guī)則 ，具有芳香性，當(dāng)吡咯環(huán)內(nèi)的氮上質(zhì)子被金

7、屬離子取代后即形成金屬卟啉配位物2。 圖1-1 卟吩的分子結(jié)構(gòu)示意圖（IUPAC命名法）圖1-2 卟啉的分子結(jié)構(gòu)示意圖因?yàn)樵谶策肿又芯哂卸鄠€(gè)反應(yīng)活性位點(diǎn)，所以卟啉化合物可被設(shè)計(jì)合成多種結(jié)構(gòu)和賦予特殊的性質(zhì)，如具有很強(qiáng)的熒光性等。而卟啉特有的多樣性，可修飾性，則會(huì)對(duì)卟啉化合物的熒光性產(chǎn)生影響。因此可以通過(guò)對(duì)卟啉化合物的熒光強(qiáng)度的測(cè)定判斷卟啉環(huán)的電子轉(zhuǎn)移，從而進(jìn)行定性定量作用。因?yàn)檫策鴵碛猩鲜龇N種特性，所以現(xiàn)在在能量捕獲和傳遞、光信息存儲(chǔ)、光催化劑、非線性光學(xué)材料等方面卟啉化合物有著廣泛的應(yīng)用。 1.2 熒光探針概述 熒光分子探針是指以熒光光譜法和分子識(shí)別結(jié)合為基礎(chǔ)，通過(guò)一定的識(shí)別基團(tuán)和檢測(cè)目標(biāo)

8、結(jié)合，然后通過(guò)相應(yīng)的熒光信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，讓分子識(shí)別信息轉(zhuǎn)換為某些熒光特性的變化，如熒光壽命、熒光量子產(chǎn)率激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)、熒光強(qiáng)度、熒光量子產(chǎn)率，激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)等3-5 ；因?yàn)闊晒獾牟ㄩL(zhǎng)變化，強(qiáng)度變化更容易被檢測(cè)出來(lái)，因此熒光探針現(xiàn)在已經(jīng)成為一種常見(jiàn)的檢測(cè)方法。圖1-3 熒光探針的結(jié)構(gòu)模型1.2.1 熒光探針的結(jié)構(gòu)熒光探針是由三個(gè)部分組成的，分別是識(shí)別基團(tuán)，熒光基團(tuán)和連接基團(tuán)(如圖1-3所示)。識(shí)別基團(tuán)(receptor)是作為探針設(shè)計(jì)時(shí)十分重要的一個(gè)部分，探針的選擇性主要是由識(shí)別基團(tuán)決定了。識(shí)別基團(tuán)通和待測(cè)物質(zhì)一般是通過(guò)非共價(jià)鍵相連接的，例如德華力，-堆積作用，金屬配位作用以及氫鍵。而在近年來(lái)，

9、還發(fā)現(xiàn)一些反應(yīng)型的識(shí)別基團(tuán)待測(cè)物質(zhì)也可以和識(shí)別基團(tuán)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。熒光基團(tuán)(fluorophore)是可以將上述的識(shí)別基團(tuán)所識(shí)別的信息轉(zhuǎn)換成熒光信號(hào)的部分，它一般會(huì)具有較大的共扼體系以及剛性平面結(jié)構(gòu)，常用的一些熒光基團(tuán)包括了卟啉類、氟硼二吡咯類、香豆素類、氟硼二吡咯類、萘酰亞胺類、吲哚箐類、萘酰亞胺類、羅丹明類等。每一類熒光基團(tuán)所具有的光學(xué)性質(zhì)都是不一樣的，探針的穩(wěn)定性和靈敏度則是由熒光基團(tuán)所決定。連接基團(tuán)(Clinker)起到將識(shí)別基團(tuán)熒光基團(tuán)和熒光基團(tuán)連接起來(lái)的作用，從而進(jìn)行到信號(hào)轉(zhuǎn)移，連接方式主要分為非共扼連接和共扼連接兩種方式。但是有的時(shí)候熒光探針并不具備明顯的鏈接基團(tuán)，而是熒光基團(tuán)

10、與識(shí)別基團(tuán)直接相連6。1.2.2 卟啉類熒光探針的研究進(jìn)展熒光指示劑一般都是一些具有芳香性結(jié)構(gòu)的分子。它們因?yàn)榫哂心軌蛟谔囟ǖ牟ㄩL(zhǎng)的激發(fā)下產(chǎn)生熒光或者使熒光淬滅的能力，因而在進(jìn)行定性或者定量研究時(shí)，人們就可以通過(guò)熒光的強(qiáng)弱和其熒光峰的變化情況來(lái)進(jìn)行判斷檢測(cè)物質(zhì)。熒光探針的分析方法因?yàn)榫哂衅浜?jiǎn)單，方便，易于操作的優(yōu)點(diǎn)，而在重金屬的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和原位檢測(cè)上被廣泛應(yīng)用。并且有望于在中藥的質(zhì)量監(jiān)測(cè)時(shí)的對(duì)于重金屬指標(biāo)給予更加準(zhǔn)確，方便，有效的檢測(cè)手段7。在1991年Czolk等人通過(guò)在堿性環(huán)境中利用四(對(duì)磺酸基)卟啉成功做出了對(duì)Cu2+具有高選擇性的傳感器。同樣利用四(對(duì)磺酸基)卟啉Plaschke等人做出

11、了能對(duì)Hg2+進(jìn)行熒光測(cè)定的溶膠-硅膠膜。而在1994年Yatsimirsky等學(xué)者利用動(dòng)力學(xué)熒光法似的糞卟啉(coproprorphyrin)在IBS緩沖液中測(cè)定了Zn2+和Cu2+。之后Igarashi同樣利用糞卟啉在草酸鹽-雙氧水體系中也成功地水中的Cu2+。在1999年Li等人的研究表明在氫氧化鈉的溶液中，四(3，5-二溴-4-羥基苯卟啉)能夠和鉛離子形成2：1的黃色配合物。目前這種方法已經(jīng)在臨床樣本測(cè)定中得到應(yīng)用。因?yàn)檫策?Porphyrin)化合物具有更好的光穩(wěn)定性，非常好的光學(xué)性質(zhì)，大的Stokes位移，高的熒光量子產(chǎn)率，相對(duì)長(zhǎng)的激發(fā)(400nm)和發(fā)射(600nm)波長(zhǎng)(長(zhǎng)的激

12、發(fā)發(fā)射波長(zhǎng)能大大降低背景熒光的影響)等優(yōu)點(diǎn)，所以可以作為一類理想的熒光基團(tuán)。同時(shí)也因?yàn)榫哂羞@些特點(diǎn)，所以卟啉及其衍生物適合用做設(shè)計(jì)新的熒光探針的潛在熒光基團(tuán)8。 熒光卟啉目前主要應(yīng)用于陽(yáng)離子的監(jiān)測(cè)，陰離子的監(jiān)測(cè)，中性物質(zhì)的監(jiān)測(cè)，生物分子的監(jiān)測(cè)和氣體小分子的監(jiān)測(cè)9。四苯基卟啉(TPPH2)是最早用于發(fā)光材料的化合物，因?yàn)槠渚哂休^大的剛性芳香結(jié)構(gòu)，卟啉環(huán)內(nèi)的電子流動(dòng)性好且最大發(fā)射波長(zhǎng)處于365nm處附近，半高寬比較窄，小于70nm，所以可以得到飽和的紅光發(fā)射，其一般在CIE色度圖的邊緣，接近標(biāo)準(zhǔn)紅色的角落位置。因此TPPH2此比常見(jiàn)的紅光染料分子DCM和DCJTB的色度純度更高。1996年Burr

13、ow等科學(xué)家用TPPH2混合8-羥基喹啉鋁(Alq3)制備出發(fā)光波長(zhǎng)為635nm的有機(jī)發(fā)光器件。在第二年中Hamada報(bào)道到了可以利用鋅卟啉(ZnTPP)制備的三層有機(jī)電致發(fā)光器可以發(fā)射出635nm的紅光。在之后Baldo等人又利用了八乙基卟啉鉑(PtOEP)三線態(tài)發(fā)光制造出了高效率的紅色磷光發(fā)光器件。而在我國(guó)的卟啉在熒光上的應(yīng)用主要表現(xiàn)在2004年薄志山等學(xué)者將聚芴和卟啉鏈接在一起，合成出具有很高發(fā)光效率的卟啉化合物以及2005年北京大學(xué)裴堅(jiān)等人通過(guò)將熒光染料(Truxene)連接在卟啉環(huán)上，合成出了具有高熒光量子產(chǎn)率的卟啉化合物。因此在目前面對(duì)著紅光材料依舊存在的色度不夠純，亮度低，發(fā)光效

14、率低等問(wèn)題的情況下，對(duì)熒光量子產(chǎn)率高的卟啉的合成研究依舊具有重大的意義。1.3 Adler-Longo法合成卟啉化合物Adler-Longo法12是Alder和Longo兩位學(xué)者在Rothemund法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了反應(yīng)試劑，反應(yīng)時(shí)間，金屬陽(yáng)離子以及反應(yīng)溫度等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)吡咯和苯甲醛縮合合成卟啉環(huán)的各種影響，并且提出了關(guān)于TPP合成的反應(yīng)機(jī)理。Adler等人認(rèn)為該反應(yīng)中苯甲醛和吡咯在酸的催化下脫水縮合生成鏈狀化合物。并且鏈狀化合物會(huì)繼續(xù)縮合，直到聚合單元的數(shù)目為4的時(shí)候時(shí)就有可能縮合為環(huán)狀的卟原(Tetraphenylchlorin，TPC)。然后卟啉原被環(huán)境中的氧氣氧化脫水生成四苯基卟啉(

15、TPP)。本法是通過(guò)采用等物質(zhì)的量的苯甲醛和吡咯為反應(yīng)物，在空氣之中以丙酸作為反應(yīng)溶劑，回流(141)反應(yīng)三十分鐘。反應(yīng)完成后，將反應(yīng)物冷卻，過(guò)濾,然后用甲醇和熱水進(jìn)一步過(guò)濾并進(jìn)行洗滌，得到四苯基卟啉晶體。Adler-Longo法反應(yīng)的條件相對(duì)簡(jiǎn)單，適合克級(jí)合成。卟啉的產(chǎn)率比Rothemund法提高了20%。而且采用丙酸法合成卟啉可以選擇醛的種類有很多,所以使得這種方法的不僅僅局限于某種或某幾種特定的醛，從而可以合成出多種卟啉化合物，從而有利于其推廣。但是這種方法也具有其本身的不足之處，盡管合成的四個(gè)中位取代基相同的卟啉化合物時(shí)具有很高的產(chǎn)率，但是對(duì)于合成非對(duì)稱的卟啉產(chǎn)率會(huì)比較低。而對(duì)于和酸敏

16、感的苯甲醛則不能夠參加反應(yīng)，并且在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生許多焦油雜質(zhì)，不容易純化，提取純凈的卟啉化合物 10-13。圖1-4 Adler-Longo法1.4選題意義 卟啉是一種被譽(yù)為生命色素的化合，在生物體內(nèi)和能量轉(zhuǎn)移的細(xì)胞中它都廣泛存在，例如如動(dòng)物體內(nèi)的血紅素和血藍(lán)素以及植物體內(nèi)的維生素B12和葉綠素，它們都是一些氧化呼吸的關(guān)鍵物質(zhì)。同時(shí)因?yàn)檫策慕Y(jié)構(gòu)具有其特殊性和物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，所以其在檢測(cè)，催化，分析，醫(yī)療等方面應(yīng)用廣泛。同時(shí)也在植物學(xué)，動(dòng)物學(xué)，醫(yī)藥學(xué)，甚至信息科學(xué)，能源科學(xué)等領(lǐng)域凸顯出廣泛的應(yīng)用前景。目前在醫(yī)藥領(lǐng)域中，卟啉主要是作為光敏劑廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥領(lǐng)域的抗癌藥物中去，例如血卟啉

17、衍生物(HPD)和光敏素 Photofrin II都是經(jīng)典的卟啉抗癌藥物。但是由于卟啉的合成成本較高，難度較大，因此對(duì)于研究卟啉的合成工藝，降從而低合成難度和合成成本，是具有重要的現(xiàn)實(shí)意義14-15。本文主要用經(jīng)典Adler-Longo法以研究羧基卟啉的合成方法并對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行產(chǎn)率分析，核磁共振氫譜表征確定結(jié)構(gòu)。2 材料與儀器2.1 材料與試劑表2-1 主要實(shí)驗(yàn)材料與試劑材料/試劑名稱規(guī)格廠商吡咯冰乙酸四氫呋喃丙酸無(wú)水乙醇4-甲?；郊姿峒柞ゼ状见}酸乙酸乙酯石油醚分析純A.R.分析純A.R.化學(xué)純C.P.分析純A.R.分析純A.R.分析純A.R.分析純A.R.分析純A.R.分析純A.R.分析純

18、A.R.上海麥克林生化科技股份有限公司天津市富宇精細(xì)化工有限公司天津市百世化工有限公司天津市百世化工有限公司天津市富宇精細(xì)化工有限公司上海思域化工有限公司天津市百世化工有限公司廣州化學(xué)試劑廠天津市富宇精細(xì)化工有限公司天津市富宇精細(xì)化工有限公司2.2 實(shí)驗(yàn)儀器表2-2 主要實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)廠商集熱式恒溫加熱磁力攪拌器循環(huán)水式真空泵電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀真空干燥箱萬(wàn)分之一分析天平 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)核磁共振儀 DF-101SSHZ-D(III)GZX-9140MBEN-1100DZF-6032AUY220UV1000Bruker AvanceIII400鞏義市予華儀器責(zé)任有限公司鞏義市予

19、華儀器責(zé)任有限公司上海博迅實(shí)業(yè)有限公司上海愛(ài)朗儀器有限公司上海一恒科學(xué)儀器有限公司廣州儀興儀器儀表有限公司上海天美科學(xué)儀器有限公司瑞士布魯克拜厄斯賓有限公司3 實(shí)驗(yàn)方法3.1 實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)的基于經(jīng)典Adler-Longo法，用對(duì)甲酰基苯甲酸甲酯和吡咯在丙酸(130)反應(yīng)合成出5，10，15，20-四(4-甲氧基羧基苯基)卟啉(TPPCOOMe,M=846.9)。再通過(guò)洗滌，除雜質(zhì)，提純，將較為純化的TPPCOOMe用鹽酸酸化，合成出5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉(TPPCOOH)。合成流程圖如下：圖3-1 合成路線圖3.2 實(shí)驗(yàn)前處理吡咯的純化：吡咯在貯存過(guò)程中易受光的作用而聚

20、合形成高聚合物，其顏色也由透明或淡黃色轉(zhuǎn)變?yōu)樽睾谏瑢?duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)造成較大影響。因此需將吡咯進(jìn)行減壓蒸餾純化，減少對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。 操作：取適量吡咯置于圓底燒瓶中，85下減壓蒸餾得透明液體，為新蒸吡咯。石油醚和乙酸乙酯：本實(shí)驗(yàn)所取石油醚以及乙酸乙酯皆為粗品，雜質(zhì)較多，在洗滌除雜過(guò)程中容易帶入新的雜質(zhì)，并且在梯度洗脫時(shí)影響洗脫劑的比例確定。操作：將乙酸乙酯或石油醚置于圓底燒瓶中，常壓蒸餾除去雜質(zhì)，得重蒸石油醚以及重蒸乙酸乙酯。3.3 合成路線3.3.1 TPPCOOMe的制備在500 mL三頸燒瓶中，稱取對(duì)甲?；郊姿峒柞?6.9g，0.042mol)溶于丙酸(100mL)中。在磁力攪拌下加熱，待到

21、溫度升高到120時(shí)將新蒸吡咯(3.0mL，0.043mL)逐滴加入丙酸溶液中，約20分鐘滴加完畢，回流反應(yīng)12小時(shí)。反應(yīng)完成后，將混合物冷卻到室溫，放入冰箱過(guò)夜析出晶體。通過(guò)抽濾收集沉淀物，用乙酸乙酯少量多次進(jìn)行洗滌，直至固體由黑色變?yōu)樽仙?，濾液在365nm紫外-可見(jiàn)光下顯紅色熒光停止洗滌，在烘箱中干燥12小時(shí)。3.3.2 TPPCOOH的制備將上一步所得的酯TPPCOOMe(0.75g)加入50mL的四氫呋喃和甲醇混合物中(v:v=1:1)中攪拌,將氫氧化鈉(2.40g，60.00mol)溶于25mlL水中，冷卻后慢慢加入到反應(yīng)瓶中去。將該混合物回流反應(yīng)24小時(shí)。將其冷卻到室溫，旋蒸出去四氫

22、呋喃和甲醇。再將混合物加熱，補(bǔ)充水分直到固體完全溶解。慢慢加入HCl(1mol/L)酸化，同時(shí)用pH試紙測(cè)試酸堿度，使其在酸性環(huán)境中，直到不再有沉淀析出，通過(guò)過(guò)濾收集沉淀物，用水洗滌至濾液不再呈酸性，真空干燥。3.4 產(chǎn)品的純化3.4.1 TPPCOOMe純化取少量粗產(chǎn)物溶于乙酸乙酯，通過(guò)TLC確定洗脫劑(石油醚：乙酸乙酯)體積比例。后選用外徑3.5cm，柱高30cm的玻璃層析柱，然后用200300目的柱層析硅膠干法裝柱約7cm。收集目標(biāo)產(chǎn)物洗脫液(驗(yàn)證方法：所收的集洗脫液，可365nm紫外-可見(jiàn)光下顯粉紅色熒光。)在40 45下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，得初步干燥產(chǎn)物。取少量溶于乙酸乙酯，用TLC初步判斷純

23、化程度，再以氘代氯仿為溶劑，送核磁共振氫譜，掃描128次。表3-1 TPPCOOMe的洗脫洗脫液體積比（石油醚:乙酸乙酯）Rf值第一次第二次第三次5:13:11:10.80.70.63.4.2 TPPCOOH純化因?yàn)槲⑷苡谝宜嵋阴?，且用乙酸乙酯和石油醚混合液不易將產(chǎn)物洗出，因此采用通過(guò)洗滌除雜的方法純化TPPCOOH。通過(guò)TLC大致雜質(zhì)與產(chǎn)物分離度較大時(shí)的混合液的體積比例，分別用混合液（石油醚和乙酸乙酯）體積比2:1和1:1進(jìn)行洗滌除雜。取少量溶于乙酸乙酯，用TLC初步判斷純化程度，再以氘代DMSO為溶劑，送核磁共振氫譜，掃描128次。3.4.3 紫外-可見(jiàn)光譜圖檢測(cè)樣品的前處理取一定量的卟啉

24、類化合物，以DMF作為溶劑，配制成濃度約為1.010-5mol/L的溶液，以石英比色皿(規(guī)格：12.5mm12.5mm45mm)作為樣品池。掃描范圍：800.0 200.0nm，掃描間隔：0.5nm，測(cè)得紫外吸收光譜。3.4.4 核磁共振氫譜圖樣品前處理將產(chǎn)物置于真空干燥箱中，干燥12小時(shí)，充分除去殘留溶劑。后將樣品溶于氘代試劑中，取澄清溶液轉(zhuǎn)移至核磁管，且溶液液面高度應(yīng)達(dá)到5cm并蓋緊管帽，送核磁氫譜，掃描128次。4 結(jié)果與結(jié)論4.1實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率的計(jì)算4.1.1 TPPCOOMeTPPCOOMe的產(chǎn)率Yp=np實(shí)/n理= m實(shí)/M1/( n理)= 1.9g/846.5g/mol1/(40.04

25、2)mol = 21%TPPCOOH的產(chǎn)率：Yp=n實(shí)/n理= m實(shí)/MTPPCOOH1/n理= 0.6g/800.9g/mol1/(0.75g/842.9g/mol)= 84.1%4.2 核磁共振氫譜（1H-NMR）結(jié)果 利用 NMR 技術(shù)對(duì)2種目標(biāo)化合物進(jìn)行1H-NMR 表征并獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。利用軟件MestReNova對(duì)核磁共振結(jié)果進(jìn)行處理，結(jié)果見(jiàn)附錄B、表4-1、表4-2。表4-1 TPPCOOMe 1H-NMR數(shù)據(jù)分析/ppm峰數(shù)H數(shù)對(duì)應(yīng)H的位置8.828.448.294.14-2.81sddss888122pyrr-Ho-Phm-Ph-CHNH表4-2 TPPCOOH 1H-NMR數(shù)

26、據(jù)分析/ppm峰數(shù)H數(shù)對(duì)應(yīng)H的位置8.368.86ms168o&m-Phpyrr-H4.3 紫外-可見(jiàn)光譜（UV-VIS）結(jié)果卟啉化合物本身就具備了很深的顏色，因此在可見(jiàn)光區(qū)是有固定的吸收波長(zhǎng)，當(dāng)卟啉環(huán)發(fā)生取代之后，其吸收波長(zhǎng)和吸收峰強(qiáng)度只會(huì)發(fā)生小的變化。并且卟啉分子具有對(duì)稱機(jī)構(gòu)，因此卟啉環(huán)的電子對(duì)它的吸收或發(fā)射光譜起到主要的影響作用，中心離子對(duì)它的的影響作用較小。卟啉類化合物的電子光譜理論中五軌道模型指出，卟啉化合物的紫外光譜的產(chǎn)生，是由于一個(gè)較內(nèi)層的占據(jù)軌道，2個(gè)最高占據(jù)軌道(HOMO)和2個(gè)最低占據(jù)軌道(LUMO)的單態(tài)-*電子躍遷造成；在四苯基卟啉的紫外-可見(jiàn)光譜的數(shù)據(jù)中可以清楚的變現(xiàn)

27、出卟啉自由堿的吸收特征：電子從高占據(jù)分子軌道(第五軌道)躍遷到最低空分子軌道，因此會(huì)在420附近會(huì)有一個(gè)強(qiáng)吸收峰，稱之為Soret帶(B帶)，它的摩爾系數(shù)會(huì)很高，達(dá)到21055105 mol-1/cm-1之間。而在可見(jiàn)光去中會(huì)出現(xiàn)四個(gè)帶，分別位于516，551，589和648nm處，稱之為Q帶，摩爾吸光系數(shù)的范圍較窄，一般在1.21042104mol-1/cm-1 ，Q帶可分為兩組，主要由于四個(gè)前線軌道和第五軌道的電子躍遷產(chǎn)生的16-19。TPPCOOMe和TPPCOOH的紫外-可見(jiàn)光譜圖和數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄A、表4-3。表4-3 卟啉衍生物的紫外-可見(jiàn)光譜數(shù)據(jù)Soret帶（max/nm）Q帶 （ma

28、x/nm）TPPCOOMeTPPCOOH414.0412.5510.5510.5545.5545.0586.0584.0641.5640.0從表4-3數(shù)據(jù)可以看出，TPPCOOH較之TPPCOOMe其Soret帶以及Q帶都發(fā)生了紅移(red shift)。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因：羥基上含有未共用的電子對(duì)與苯環(huán)形成p-共軛。共軛結(jié)構(gòu)增大后，電子能夠活動(dòng)的范圍擴(kuò)大，從而使施加到電子上的束縛力減弱，電子更容易被激發(fā)，因此使得形成的吸收光的波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。此外，因?yàn)楣曹楏w系中電子云密度從密向疏流動(dòng)，所以羥基上氧原子的電子云向苯環(huán)流動(dòng)，增加了苯環(huán)的電子云密度，屬于供電性的共軛效應(yīng)(+C)。在此體系中

29、，誘導(dǎo)效應(yīng)和共軛效應(yīng)的作用相反，但在此種情況下，p-共軛效應(yīng)比誘導(dǎo)效應(yīng)強(qiáng)，總的結(jié)果使苯環(huán)的電子云密度增加，使得引入羥基后，卟啉衍生物的特征吸收峰紅移較明顯。5 結(jié)論 本文概述了卟啉化合物特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，常用的合成方法，研究進(jìn)展及其在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。本課題選用Adler-Longo法先一步合成出TPPCOOMe，然后再通過(guò)酸化合成出TPPCOOH。根據(jù)紫外-可見(jiàn)光譜的結(jié)果數(shù)據(jù)可知，兩個(gè)產(chǎn)物都有明顯的特征峰，即Soret帶和 Q 帶兩個(gè)譜帶，初步推斷產(chǎn)物均是卟啉類化合物是目標(biāo)產(chǎn)物。根據(jù)核磁共振氫譜的數(shù)據(jù)可知，已成功合成兩種目標(biāo)產(chǎn)物，并證實(shí)其結(jié)構(gòu)與目標(biāo)卟啉化合物結(jié)構(gòu)一致。13參考文獻(xiàn)1 方瑞琴,

30、苑號(hào)坤, 張冉. 卟啉合成實(shí)驗(yàn)的探索與改進(jìn)J.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2017, 15 (02): 60-62+91. 2 劉雙雙, 魯建峰, 王鳴魁. 卟啉及其光電化學(xué)研究進(jìn)展J. 電化學(xué), 2016, 22 (04): 40-355. 3 Balzani, V. Supermolecular Photochemistry-ForwordJ, New J. Chem. 1996, 20, 723-724.4 Ramarnurthy, V, Schanze, K. S. Optical Sensors and Switches, Molecular and Supermolecular Photoc

31、hemistry, New York, Marcel Dekker, Inc. 2001.75 陳玉婷. 基于卟啉和硼氟熒光染料的新型熒光探針的設(shè)計(jì)、合成及熒光性質(zhì)研究D. 山東大學(xué), 2011.6 何湘柱. 基于卟啉、三芳基咪唑的Hg(2+)熒光探針研究D. 湘潭大學(xué), 20157 陳雷, 張燚, 王良. 重金屬離子熒光探針的應(yīng)用及研究進(jìn)展J. 化學(xué)世界, 2016, 57 (09): 601-608.8 陳雷, 張燚, 王良. 重金屬離子熒光探針的應(yīng)用及研究進(jìn)展J. 化學(xué)世界, 2016, 57(09): 601-608.9 方正輝, 靳珍, 萬(wàn)其中, 張曉兵. 基于卟啉衍生物的熒光分子探

32、針研究進(jìn)展J.化學(xué)傳感器, 2010,30 (02): 10-15。10 張?jiān)銎? 新型羧基卟啉和卟啉配合物的合成、表征以及催化性能研究D. 西北大學(xué), 2016. 11 Rothemund, P. Menotti, A. R. J. Am. Chem. Soc. 1941, 63: 267-270.12 Adler A D, Longo F R, Shergalis W. Mechanistic investigation of porphyrin synthesesJ. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86(15): 31453149. 13 吳彬. 卟啉衍生物的合成及其與

33、DNA相互作用的研究D. 廣東藥學(xué)院, 2009. 14 何百寅. 中藥氧化卟啉原及合成卟啉新方法研究D.廣州中醫(yī)藥大學(xué), 2011.15 Zsolt Valicsek,Ott Horvth. Application of the electronic spectra of porphyrins for analytical purposes: The effects of metal ions and structural distortionsJ. Microchemical Journal,2013,107.16 呂向菲, 胡南江, 趙冉, 等. 不同取代基卟啉熒光探針對(duì)痕量Cu(2+)

34、和Zn(2+)離子的識(shí)別研究J. 陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 31 (05): 84-88.17 宋熙熙, 金鑫, 宗乾收等. 卟啉衍生物與功能性蛋白作用的光譜學(xué)性質(zhì)研究J. 應(yīng)用化工, 2015, 44 (09): 1674-1676.18 陳聲芳. 卟啉低聚物的合成及光譜性質(zhì)研究D. 重慶大學(xué), 2012.19 鄭文琦. 卟啉化合物的合成及其光學(xué)、電化學(xué)和順磁共振性質(zhì)的研究D. 吉林大學(xué), 200720 葉文麗. 系列四苯基卟啉腙衍生物的合成及其光學(xué)性質(zhì)的研究D. 鄭州大學(xué), 2017.15綜 述卟啉的合成研究1 卟啉結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)卟啉(porphyrin)是一類由四個(gè)吡咯類

35、亞基的-碳原子通過(guò)次甲基鍵合形成的一類大分子化合物。其母體為卟吩，擁有雙18電子和原子的大體系剛性平面型分子，是由四個(gè)吡咯分子和四個(gè)次甲基(一共20個(gè)碳和4個(gè)氮原子)僑聯(lián)起來(lái)的共軛大環(huán)，具有芳香性。卟吩結(jié)構(gòu)擁有2個(gè)環(huán)外雙鍵，分別在B環(huán)和D環(huán)，如圖1-1。圖1-1 卟吩的分子結(jié)構(gòu)示意圖卟吩具有兩種互變結(jié)構(gòu)，所以通過(guò)對(duì)位的N-H官能團(tuán)離域，在中間的2個(gè)自由基能夠被金屬原子取代，在配位作用下可以形成廣泛的金屬卟啉衍生物。圖1-2 卟吩的分子互變結(jié)構(gòu)因?yàn)檫策哂刑赜械慕Y(jié)構(gòu)，所以卟啉也擁有獨(dú)特的性能，例如卟啉類化合物具有了平面結(jié)構(gòu)的共軛性，高度的化學(xué)穩(wěn)定性，還有電子緩沖性，光電磁性，立體構(gòu)型的多樣性和自

36、組裝的特性。因而卟啉化合物擁有豐富電化學(xué)和光化學(xué)性質(zhì)，如今被廣泛應(yīng)用在新世紀(jì)的各種熱門學(xué)科，如信息科學(xué)、能源科學(xué)、分子機(jī)器、分子器件、分子開(kāi)關(guān)、分子識(shí)別、光存儲(chǔ)器件、光導(dǎo)材料等尖端領(lǐng)域1-32 卟啉衍生物的合成方法卟啉的合成研究早在上世紀(jì)30年代已經(jīng)開(kāi)始。卟啉化合物的人工合成最早是由Rothemund等人完成的。在1935年他提出以吡啶，甲醇等為溶劑，在酸性條件下，將吡咯和苯甲醛置于分管中加熱高溫(150)反應(yīng)24-48小時(shí)，成功合成出四苯基卟啉，從而開(kāi)啟了人工合成卟啉化合物的研究旅程。由于歷史原因，我國(guó)對(duì)于卟啉化合物研究開(kāi)始得晚一些，1979年這種高靈敏度的化學(xué)試劑才在我國(guó)被童沈陽(yáng)學(xué)者介紹在

37、分析化學(xué)的應(yīng)用，自此我國(guó)對(duì)于卟啉化合物的研究的步伐越來(lái)越快，越來(lái)越多的學(xué)者投入到卟啉化合物的研究中去4-6。Rothemund法雖然成功合成出卟啉化合物，但是因?yàn)檫@種方法操作復(fù)雜，條件苛刻，產(chǎn)率底下，有大量的副產(chǎn)物生成，不易于后期的提純，且可以用于合成的醛類較少，所以限制了這種方法的推廣。后來(lái)的學(xué)者們紛紛對(duì)此方法進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，或者研究出新的合成方法。以下為合成卟啉衍生物的常見(jiàn)方法7：2.1 Adler-Longo法1936年，Rothmund5用等摩爾質(zhì)量苯甲醛和吡咯溶于吡啶，在密閉加厚的玻璃管中反應(yīng)縮合的方法得到第一個(gè)人工合成卟啉，即四苯基卟啉(TPP)。但是反應(yīng)條件苛刻而且產(chǎn)物收率非常

38、低。1967年，Adler-Longo法Alder和Longo在Rothemund法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了反應(yīng)試劑,反應(yīng)時(shí)間,金屬陽(yáng)離子以及反應(yīng)溫度等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)吡咯和苯甲醛縮合成卟啉環(huán)的各種影響，并提出了合成TPP的反應(yīng)機(jī)理。本法是用等物質(zhì)的量的苯甲醛和吡咯為反應(yīng)物，在空氣之中以丙酸為反應(yīng)溶劑，回流(141)反應(yīng)三十分鐘.反應(yīng)完成后，將反應(yīng)物冷卻，過(guò)濾,然后用甲醇和熱水進(jìn)一步過(guò)濾并進(jìn)行洗滌，得到四苯基卟啉晶體。本方法提高了實(shí)驗(yàn)的克級(jí)，還提高的了產(chǎn)率，使得產(chǎn)率可達(dá)到20%。采用丙酸法合成卟啉的醛的種類很多,所以這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不僅僅局限于某種或某幾種特定的醛，可以合成出多種卟啉化合物，從而有利于

39、其推廣。但是這種方法也具有其缺點(diǎn)，合成的四個(gè)中位取代基相同的卟啉化合物時(shí)產(chǎn)率很高，但是對(duì)于合成非對(duì)稱的卟啉產(chǎn)率較低；對(duì)于和酸敏感的苯甲醛不能參加反應(yīng)，而且在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生許多焦油雜質(zhì)，不容易純化 7-8。圖2-1 Adler-Longo法制備meso-四苯基卟啉2.2 Lindsey法1986年，Lindsey提出卟啉化合物合成的新方法。因?yàn)檫@種方法區(qū)別于Adler-Longo法的一步合成，而是分為兩部分進(jìn)行，因此稱為一鍋兩步法。第一步，將吡咯和苯甲醛溶于二氯甲烷中，采用C2H5OBF3(三氟化硼乙醚絡(luò)合物)作為為催化劑，在氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下，室溫反應(yīng)生成中間體卟啉原。隨后，將四苯基卟啉原用二氯

40、二氰基苯醌(DDQ)或四氯苯醌 ( TCQ )氧化脫氫，得到產(chǎn)物，產(chǎn)率為30%-40%左右。圖2-2 Lindsey法合成路線由于該反應(yīng)的反應(yīng)溫度較低，并且避免了強(qiáng)酸的環(huán)境，因此在反應(yīng)過(guò)程中減少了焦油狀物質(zhì)的產(chǎn)生，大大降低了產(chǎn)物提純的難度。因此通過(guò)此法可以合成一些帶有敏感基團(tuán)卟啉化合物。該方法的缺點(diǎn)是，反應(yīng)要求反應(yīng)物的濃度較低（10-2mol/L），而且實(shí)驗(yàn)試劑都較為昂貴，實(shí)驗(yàn)條件要求處于無(wú)水狀態(tài)下，所以不適用于大規(guī)模卟啉的合成。2.3 2+2模塊法所謂2+2，即兩分子二毗咯甲烷(DPM)縮合來(lái)產(chǎn)生卟啉母核。較早的報(bào)道見(jiàn)于MacDonald，所以亦稱MacDonald法。該方法是用兩分子二吡咯

41、甲烷(DPM)縮合來(lái)生成卟啉母核，但是，此類反應(yīng)要在酸催化下進(jìn)行，易使DPM裂解脫去一分子毗咯，而且毗咯自縮合會(huì)產(chǎn)生難以分離的副產(chǎn)物。Smith對(duì)2+2法做了改進(jìn)了很有意義的改進(jìn)，從吡咯出發(fā)合成位-帶輕基的DPM，相同的兩分子DPM縮合，可以得到結(jié)構(gòu)對(duì)稱的卟啉。相對(duì)于Adler-Longo法和Lindsey法來(lái)說(shuō)，2+2法靈活性和區(qū)域選擇性更大，并且在合成低聚卟啉上運(yùn)用得也很多，因而近幾年來(lái)十分流行。圖1-3 2+2法合成卟啉2.4 3+1法3+1法和2+2法相似，3+1法將一分子,-二甲酰基二吡咯和一分子含飽和碳的膽色素環(huán)合。受到2+2法的啟發(fā)，Grigg用一分子吠喃(或噻吩、吡咯)和一分子

42、膽色素合成了類卟啉化合物。與2+2法一樣，由吡咯的位甲酰基形成了卟啉meso碳，但是Grigg等得到的是兩個(gè)異構(gòu)體。3+1法需要在成功合成膽色素的前提下進(jìn)行，一般總產(chǎn)率較低，此方法能合成一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的卟啉。主要是用來(lái)擴(kuò)充卟啉的種類，還可用來(lái)合成芳香環(huán)擴(kuò)展的卟啉和類卟啉化合物。成路線見(jiàn)圖2-49-10。圖2-4 3+1法合成卟啉2.5 郭燦城法在1991年郭燦城等人研究了一種新的合成方法，他們以苯甲醛和吡咯為反應(yīng)產(chǎn)物。再以DMF為反應(yīng)溶劑，三氯化鋁為催化劑，一鍋合成四苯基卟啉。該方法反應(yīng)時(shí)間短，產(chǎn)率可達(dá)30%，無(wú)四苯基二氫卟啉副產(chǎn)物產(chǎn)生，適用取代苯甲醛的反應(yīng)。美中不足的是催化劑AlC13:會(huì)與水

43、反應(yīng)生成難溶于水的A1(OH)3沉淀，為后處理產(chǎn)物純化帶來(lái)麻煩11。3 卟啉衍生物的應(yīng)用研究卟啉porphyrin 化合物的本質(zhì)是一類特殊的含氮雜環(huán)大環(huán)共軛芳香體系,是一種大共軛體系結(jié)構(gòu)，并且環(huán)上各原子都處于一個(gè)平面內(nèi)。其母體化合物稱為卟吩( por- phin，C20H14N4),卟啉即是有取代基的卟吩衍生物。 因?yàn)檫策衔飺碛刑貏e結(jié)構(gòu)，從而使得它具備優(yōu)越的物理性質(zhì)、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，良好的電子緩沖性及光學(xué)特征,在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)有很強(qiáng)的光捕獲特性，可以作為一類優(yōu)秀得有機(jī)光電材料。自20世紀(jì)以來(lái)，卟啉類化合物一直是化學(xué)界學(xué)者們研究的熱點(diǎn)之一，受到廣泛關(guān)注， 因此常用在了氣體傳感器、人工模擬光

44、合作用、生物大分子探針、光動(dòng)力學(xué)醫(yī)療、生物模擬氧化反應(yīng)的催化劑等領(lǐng)域。3.1在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用卟啉類化合物作為抗癌藥物的研究十分常見(jiàn)，主要包括光動(dòng)力學(xué)治療，聲動(dòng)力學(xué)治療，以及放射增敏、卟啉鍵連抗癌藥物等；它在診斷和治療癌癥方面有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，一方面對(duì)迅速增殖的細(xì)胞有優(yōu)先積聚作用，即對(duì)癌細(xì)胞有靶向定位作用;另一方面當(dāng)激發(fā)卟啉不僅可以產(chǎn)生熒光，同時(shí)能通過(guò)能量傳遞促進(jìn)單線態(tài)氧的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)癌細(xì)胞起光氧化作用使之凋亡，而這是由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)易于修飾，并且對(duì)腫瘤組織有一定的靶向聚集作用，卟啉可以通過(guò)于藥物結(jié)合提高了抗腫瘤化合物的靶向性，還有可能降低毒副作用12。人們一般認(rèn)為，卟啉類化合物能夠選擇性地聚

45、集在腫瘤組織周圍是卟啉通過(guò)低密度脂蛋白(LDL)受體的吞噬作用與腫瘤細(xì)胞相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。研究表明，腫瘤細(xì)胞中LDL受體的基因表達(dá)異常，細(xì)胞膜表面的LDL受體數(shù)目增多，親脂性的卟啉與低密度脂蛋白結(jié)合后能更多地被腫瘤細(xì)胞識(shí)別，攝取和降解。因此卟啉類化合物可以實(shí)現(xiàn)在腫瘤細(xì)胞中選擇性積聚13。不僅如此，一些卟啉的金屬配位化合物在一定程度上還能識(shí)別DNA，它不僅能夠與相應(yīng)的一些堿基共價(jià)結(jié)合，同時(shí)還能對(duì)基因的調(diào)控與表達(dá)功能造成影響，也因此對(duì)癌細(xì)胞增值及分化的阻礙工作起了一定的促進(jìn)作用。3.2在能源方面的應(yīng)用近幾年來(lái)，氣候問(wèn)題日漸嚴(yán)重，能源短缺和全球變暖等問(wèn)題日益突出，這使得尋找和研究新的綠色能源變得十分重

46、要。太陽(yáng)能電池具備成本低、重量輕、環(huán)保性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為國(guó)內(nèi)外研究的前沿和熱點(diǎn)。卟啉化合物具有高度共扼的平面大環(huán)結(jié)構(gòu)、良好的電子緩沖特性以及光電性質(zhì)，特別其在可見(jiàn)光區(qū)與近紅外區(qū)卓越的光捕獲特性，一直以來(lái)都是太陽(yáng)能領(lǐng)域的明星化合物，尤其是在異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池中有廣泛的應(yīng)用。近幾年，葉琳化合物在異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究非常火熱，研究學(xué)者們圍繞這葉琳化合物結(jié)構(gòu)的修飾與設(shè)計(jì)，對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)電池的發(fā)展與完善，起到了極大的推進(jìn)作用14-15。3.3在其他方面的運(yùn)用卟啉類化合物除了在上述領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用外，還在許多其它方而具有良好的應(yīng)用前景。如將卟啉作為富勒烯的提取劑，不僅可以高效的將富勒烯從其粗產(chǎn)品中提取出來(lái)，還可以對(duì)富勒烯進(jìn)行手性區(qū)分。利用卟啉共扼大環(huán)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可對(duì)卟啉環(huán)進(jìn)行適當(dāng)修飾，用于分子信息存儲(chǔ)器的制作。16利用葉琳的Soret帶和Q帶對(duì)HCl氣體的敏感，可將卟啉制成HCl氣體傳感器，監(jiān)測(cè)大氣中的HCl氣體。此外卟啉化合物普遍存在于植物體和動(dòng)物體中，是不可忽視的重要物質(zhì)。正常的健康人體中存在原卟啉、尿卟啉、糞卟啉等。鐵卟啉是生物體主要色素的來(lái)源，是細(xì)胞色素和血紅蛋白等的輔基。而在植物體中，維生素B12中含有鈷卟啉，葉綠素中含有鎂卟啉，它們是植物細(xì)胞進(jìn)行光合作用過(guò)程中的關(guān)鍵因素。由于卟啉化合物與動(dòng)植物體的生命活動(dòng)密切相關(guān)，卟啉在生物化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也頗受關(guān)注。綜上所