【文章內(nèi)容簡介】 基酸分子之間的作用有以下幾種類型，即金屬離子與氨基之間的配位作用，氨基酸中的氨基與卟啉取代基 之間的氫鍵作用。人工設(shè)計合成的卟啉化合物，可有手性識別中心，并提供必要的立體構(gòu)型以實(shí)現(xiàn)氨基酸分子的識別。由文獻(xiàn) [10]可知。 1． 2． 5 作為生物體內(nèi)氧化過程的模型 作為單加氧酶的模型，卟啉化合物的研究與應(yīng)用主要在以下方面 [16]：①對烷烴進(jìn)行單加氧化 (如氧化環(huán)己烷為環(huán)己醇和環(huán)己酮 )；②對烯烴進(jìn)行環(huán)氧化 (如氧化苯乙烯為苯基環(huán)氧乙烷或氧化丙烯為甲基環(huán)氧乙烷 )；③對萘酚進(jìn)行氧化 [17](如制 2羥基 1,4萘醌 )；④對木質(zhì)素、污染物及含硫、含氮等雜原子化合物的氧化，同時也可用于藥物的代謝；⑤對 D N A 進(jìn)行氧化從而使其裂解，以判明 D N A 的結(jié)構(gòu)。 作為單加氧酶的模擬物，金屬卟啉化合物的催化活性是以其共軛大π鍵電子體系和金屬原子價態(tài)的改變?yōu)榛A(chǔ)的。在研究中，人們得出以下結(jié)論：①具有疏水結(jié)合部位的金屬卟啉，如環(huán)糊精 金屬卟啉化合物及冠醚 金屬卟啉化合物等具有良好的催化性能 [18]。②卟啉化合物間位苯環(huán)上的取代基團(tuán)對金屬卟啉化合物的催化性能有兩方面影響，即對氧源中氧的脫離活性有影響，對卟啉化合物的穩(wěn)定性有影響。如位阻型金屬卟啉化合物 (即在四苯基卟啉的苯基鄰位上引入了適當(dāng)?shù)娜〈?)對烷烴的羥基化和烯烴的環(huán)氧化顯示出特殊的選擇性和穩(wěn)定性。 1． 2． 6 在材料科學(xué)方面的應(yīng)用 由于金屬卟啉化合物作為一種功能性客體，引入夾層化合物中后，賦予許多優(yōu)良的性能，因此在光電材料方面用途廣泛，可 用于磁性材料、非線性光學(xué)材料等。而且卟啉能與許多金屬形成金屬有機(jī)液晶，現(xiàn)今發(fā)現(xiàn) C u 、 C d 、 Z n 、 C o 金屬卟啉都具有液晶性能，如 2,3,7,8,12,13,17,18八辛硫基四氮雜卟啉 (II)在 ~℃有穩(wěn)定的介晶相，液晶態(tài)為六角柱狀相。由文獻(xiàn) [19]可知。 卟啉具有很強(qiáng)的吸光特性，尤其是與過渡金屬絡(luò)合后，使其能發(fā)射出很強(qiáng)的磷光，而這種磷光又可被 O2猝滅，所以被用作壓敏器件的磷光材料 [20]。謝騰峰等人 [21]的研究表明，Pd卟啉及其衍生物有非常強(qiáng)的磷光輻射，痕量氧對其磷光輻射有明顯的猝滅作用，利用 Pd卟啉的這種功能特性可研制高效能的生物氧傳感器。 1． 2． 7 在地球化學(xué)中的應(yīng)用 石油卟啉由葉綠素、血紅素降解得到，并基本完整地保存在古代沉積物中，因此又被稱為生物標(biāo)志物。石油卟啉中多以鎳、氧釩絡(luò)合物的形式存在，較穩(wěn)定，因而成為地球化第 1 章 緒論 5 學(xué)的分子化石。按含側(cè)鏈不同 ，石油卟啉可分為初卟啉 (ETIO)和脫氧初卟啉 (DPEP)。在石油成熟過程中， ETIO 和 DPEP 的比例發(fā)生變化，平均碳數(shù)減少。因此，分析石油卟啉的組成、類型、含量等，對獲得地球化學(xué)信息有重要意義 [22]。 因此人們對卟啉的研究一直比較重視。諾貝爾化學(xué)獎獲得者 Lehn 等提出超分子概念以后。引起人們對超分子研究極大興趣，而對作為具有超分子特性的卟啉研究更趨活躍。 以 卟啉和金屬卟啉為原料的新行業(yè) 正在不斷地興起，對卟啉和金屬卟啉的需求量也越來越大，但是低的合成收率和高的合成成本已成為卟啉及金屬卟啉應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸之一，導(dǎo)致其在放生催化反應(yīng)、模擬光合作用體系、制作分子器件磁性材料和抗腫瘤藥物等方面的應(yīng)用收到極大的限制。因此，通過對卟啉化合物的合成方法及合成規(guī)律進(jìn)行研究，可以了解這類化合物的產(chǎn)生機(jī)理、作用條件到模擬各種反應(yīng)、合成類似化合物，再將他們的特殊性質(zhì)和功能應(yīng)用于各個領(lǐng)域，推動科學(xué)發(fā)展。 1． 3 卟啉化合物的合成 自 1929 年 Fisher 和 Zeile 首次合成了血晶素之后，人們對卟啉類化合物的 合成進(jìn)行了廣泛的研究。 Rothemund 在 1935 年將苯甲醛和吡咯于 150 ℃下回流 24～ 48 h 后首次合成了四苯基卟啉 ( TPP) 。但該方法合成產(chǎn)率低，而且在此條件下能用作反應(yīng)物的取代苯甲醛也很有限； Adler 等人在 1967 年改進(jìn)了 Rothemund 的方法，采用丙酸作溶劑，將苯甲醛和吡咯在 141 ℃ 下回流，得到四苯基卟啉。但由于該法在酸性介質(zhì)中合成，易生成副產(chǎn)物四氫卟啉 ( TPC)而造成目標(biāo)產(chǎn)物與副產(chǎn)物不易分離； 1987年， Lindsey 進(jìn)一步改進(jìn)了上述四苯基卟啉的合成方法，該合成方法產(chǎn)率 較高，達(dá) 30～ 40% 左右，其缺點(diǎn)是反應(yīng)過程需要 N2保護(hù)，合成步驟復(fù)雜。我國郭燦城小組采用 DMF 作溶劑，無水 AlCl3作催化劑，產(chǎn)率可達(dá)30% ，該合成方法不生成副產(chǎn)物 TPC，適用范圍廣。在前人工作的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外一些研究小組對卟啉的合成方法也在不斷地改進(jìn)和完善。根據(jù)卟啉種類的不同我們將卟啉的合成方法歸為四類，它們是 : 對稱型卟啉合成 , 不對稱型卟啉合成 , 雙卟啉型卟啉合成和高分子型卟合成。 1． 3． 1 對稱型卟啉的合成 這 類卟啉的合成，通常用等物質(zhì)的量的吡咯和芳醛 , 在丙酸介質(zhì)中回流 20～ 30min( 以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)法 ) ， 收率為 10%～ 30% , 所得粗品中除高聚物外， 往往含有 5% ～ 10% 的二氫化卟啉 , 它可用二氯二氰基對苯醌 ( DDQ) 或二甲基亞砜 ( DMSO) 或亞硫酰氯進(jìn)行氧化脫氫，使其轉(zhuǎn)化為卟啉。進(jìn)一步的提純，常用柱層析、溶劑重結(jié)晶等手段 [23]。 1． 3． 2 不對稱型卟啉的合成 非對稱型卟啉是指在卟吩環(huán)的 5, 10, 15,20 位上有 3 個取代基相同 , 另一個取代基不同 。其合成方法有 2 種： ( 1) 直接合成法。即 2 種芳醛之和與吡咯等物質(zhì)的量反應(yīng)，一般可同時形成 6 種不同取代基的卟啉，爾后經(jīng)柱層析分離目標(biāo)產(chǎn)物。 ( 2) 利用含單羥基或單XXX大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 氨基的不對稱型卟啉再與含鹵化合物反應(yīng)。 1． 3． 3 雙卟啉的合成 雙 卟啉有 2 種類型 , 一種是柔性“開放”型的雙卟啉 , 它是 2個卟啉環(huán)端以共價柔性鍵相連接；另一種是剛性“面對面”型的雙卟啉 [ 24 ， 25] ，它是 2個卟啉環(huán)“平面”相對，“周邊”有的地方被某些基團(tuán)所連接，如 Kagan[ 24] 合成的一種雙卟啉，是 2 份 TPP 的 5, 10, 15, 20 位的苯基對位被羰氧乙氧基所連接。因此，一般認(rèn)為“開放”型比“面對面”型的卟啉容易合成， 且“開放”型卟啉的催化活性比單卟啉好，摩爾吸光系數(shù)也較大 [ 26 ] 。本文僅介紹“開放”型雙卟啉的合成，它通常利用雙鹵代化合物將含單 — OH 基或單 — NH2 基的卟啉連接起來。 1． 3． 4 高分子卟啉的合成 將 含氨基或吡啶基的卟啉引入含氯的高分子母體， 可得高分子卟啉。 總體 來說， 一鍋卟啉合成法 為現(xiàn)行最為普遍的卟啉合成方法，它 體現(xiàn)了動態(tài)共價化學(xué)反應(yīng)的特征，醛和吡咯以自組裝方式生成的各式卟啉配體，其合成方法缺乏通用性，因此，對于不同種類的卟啉配體，需要對其合成條件進(jìn)行探索以求最佳合成條件。 Ghosh[27]指出酸催化吡咯與醛縮合是自組裝的過程。吡咯與醛的比例、有無溶劑 及 溶劑種類 、氧化性終止條件、催化劑種類及用量、反應(yīng)溫度將影響主產(chǎn)物的種類。目前尚無一種詳盡的機(jī)理用于指導(dǎo)卟啉配體合成，因此優(yōu)化合成條件對于不同種類卟啉配體的合成尤為重要。王蘭芝、孫志成等深入研究混合溶劑法合成四苯基金屬卟啉，總結(jié)近百種卟啉化合物的合成條件。 目前 應(yīng)用比較廣泛的合成中位不對稱卟啉的方法是在 Adler 法和 Lindsey 法基礎(chǔ)上發(fā)展起來得以混合醛代替單一醛的合成法，但是產(chǎn)率較低，產(chǎn)物分離困難?；旌先軇┓ê铣蛇策衔铮瑮l件較溫和，操作簡便，產(chǎn)率較高。常規(guī)手段合成卟啉配體化合物需要較長時間加熱回流，導(dǎo)致原 料芳醛、吡咯極易發(fā)生氧化、聚合等副反應(yīng) , 使分離提純困難 , 產(chǎn)率很低。借助微波輔助方法合成不對稱卟啉化合物，可以使反應(yīng)操作簡便，副產(chǎn)物少，收率高，產(chǎn)品容易提純，反應(yīng)速度快，目前是比較理想的綠色合成方法之一。 以 A3B型 不對稱卟啉及其衍生物為模型，可逐步解決金屬卟啉仿生催化體系尚存問題并深入的探討研究，因此 A3B型 不對稱卟啉的合成、衍生化、催化氧化應(yīng)用研究具有很重要的理論和實(shí)際意義。 1． 4 A3B 型 不對稱卟啉化合物 1． 4． 1 A3B 型 不對稱卟啉配體的合成 20世紀(jì) 30年代 Rothemund首先 合成了四苯基卟啉 (TPP)，但收率很低，反應(yīng)條件難控制。近百年來，卟啉類化合物的合成方法不斷改進(jìn)，產(chǎn)物收率大大提高，其合成方法學(xué)不第 1 章 緒論 7 斷取得新進(jìn)展。到目前為止， A3B型 卟啉類化合物的合成主要以吡咯或者取代吡咯與相應(yīng)的醛類或者各種取代醛為原料，根據(jù)反應(yīng)方式的不同可以將卟啉類化合物合成方法系統(tǒng)地分為 Little法、 Lindsey法、 2+2合成法、 3+1合成法、線性四烷基吡咯合成法、 meso修飾法和微波合成法。 Little 法 1967年 Adler[28] 以丙酸為溶劑，苯甲醛和吡咯接觸空氣回流 30min，得到 TPP。 Little法 [2932]源于 Adler法，使用兩種醛或多種醛代替單一醛與吡咯縮合分離得到不對稱卟啉化合物，合成反應(yīng)路徑如下（圖 13）： 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750AbsoranceWav elen gth /nm te tr a ( 4 m e th ylp h e n yl) p o r p h yr in 5 (4 c a r b o x yp h e n y l) 1 0 ,1 5 ,2 0 (4 m e th y lp h e n yl ) p o r p h y r in 5 (4 n it r o p h e n yl ) 1 0 ,1 5 ,2 0 (4 m e th ylp h e n yl ) p o r p h y r in 圖 13 Little法合成卟啉反應(yīng)路徑 Reaction route of porphyrin synthesis from Little method Little法源于 Adler法，同樣存在著以下的不足： （ 1） 四苯基二氫卟啉（ TPC,Dolphin[33]證明 TPC是 TPP的還原產(chǎn)物）副產(chǎn)物須進(jìn)一步通過柱層析分離去除。（ 2）反應(yīng)結(jié)束后體系中存在的焦油增加了分離純化的難度。（ 3）該反應(yīng)體系不利于以含有對酸敏感官能團(tuán)的醛類為原料合成相應(yīng)的卟啉化合物。 國內(nèi) 眾多學(xué)者對 Adler法進(jìn)行探索和改進(jìn)，可適用于 Little法。潘繼剛等 [34]用少量有機(jī)酸和極性溶劑代替丙酸，副產(chǎn)物明顯減少， TPP收率高達(dá)到 50%。李忠芳等 [35]采用混合溶劑法，乙酸、丙酸、硝基苯（比例為 2:2:1）為溶劑，回流 1h， 5,10,15,20四對羥基苯基卟啉的收率高達(dá) %。何宏山等 [36]以二甲苯作溶劑 ,氯乙酸作催化劑，對 5(2羥基苯XXX大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 基 )10,15,20三苯基卟啉的合成條件進(jìn)行優(yōu)化和探索。李廣年 [37]、計亮年 [38]師同順 [39]、 王靜秋 [40]、劉東志 [41]、劉國發(fā) [42]等應(yīng)用 Little法對不對稱卟啉的合 成及應(yīng)用進(jìn)行深入研究，趙勝芳 [43]、陳年友 [44]等將微波加熱應(yīng)用于 Little法。 Lindsey 法 1987年， Lindsey[45]以二氯甲烷為溶劑， BF3乙醚為催化劑合成卟啉原（ Porphyrinogen，卟啉原 Dolphin[33]），然后使用氧化劑對卟啉原進(jìn)行氧化得到對稱四苯基卟啉。同時 Lindsey應(yīng)用組合化學(xué) (binatorial chemistry)，將兩種不同的醛 (ACHO和 BCHO)與吡咯縮合可得到收率符合一定統(tǒng)計學(xué)規(guī)律六種卟啉的混合物。這六種混合物包括A4/A3B/cisA2B2/transA2B2/AB3/B4。合成路徑如圖 14所示： 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750AbsoranceWav elen gth /nm te tr a ( 4 m e th ylp h e n yl) p o r p h yr in 5 (4 c a r b o x yp h e n y l) 1 0 ,1 5 ,2 0 (4 m e th y lp h e n yl ) p o r p h y r in 5 (4 n it r o p h e n yl ) 1 0 ,1 5 ,2 0 (4 m e th ylp h e n yl ) p o r p h y r in 圖 14 Lindsey法合成卟啉反應(yīng)路徑 Reaction route of porphyrin synthesis from Lindsey method Lindsey合成法體現(xiàn)了動態(tài)共價化學(xué)的特征，首先接近室溫條件下吡咯和醛類在 B酸或L酸的催化下生成卟啉原，該反應(yīng)可逆平衡，然后二氯二氰基對苯醌 (DDQ)或四氯苯醌(TCQ)氧化劑的氧化終止生成卟啉，此步為不可逆反應(yīng)。 該 方法的優(yōu)點(diǎn)： 合成 反應(yīng)溫度低，避免了生成焦油狀副產(chǎn)物；溫和的反應(yīng)條件使得可以使用一些敏感的基團(tuán)的芳香類醛。但是該方法同樣存在