【正文】 5] Taoufik Rohand, ., Efficient synthesis of aryldipyrromethanes in water and their application in the synthesis of corroles and dipyrromethenes. ARKIVOC, 2021: p. 307324. 完成期限： 2021 年 6 月 5 日 指導教師簽章： 專業(yè)負責人簽章： 2021 年 12 月 24 日摘要 I 摘 要 A3B 型不對稱卟啉在烴類化合物催化氧化、 DNA 分子識別、光電器件設計等領域中具有廣泛的應用。實驗設計幾種典型的 A3B 型卟啉并計算出它的產率，對產物進行紫外，氫核磁的光譜鑒定等。 各專業(yè)完整優(yōu)秀畢業(yè)論文設計圖紙 （插入學校圖標） 本科生畢業(yè)論文（設計） 題目（中文） 二吡咯甲烷合成 A3B 型卟啉的路線研究 （英文） A Study on the Route of Synthesis A3B Type Porphyrin Using Dipyrromethanes 院 系 環(huán)境與能源工程學院 專 業(yè) 應用化學 姓 名 XXX 學 號 XXXXXXXXX 指導老師 XXX 提交時間 年 月 日 2021 年 5 月 北京工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文）任務書 題目 二吡咯甲烷合成 A3B 型卟啉的路線研究 專業(yè) 應用化學 學號 XXXXX 姓名 XXX 主要內容、基本要求、主要參考資料等： 主要內容 研究用二吡咯合成卟啉的新方法，并用此方法合成 A3B 型卟啉。 基本要求 了解 并熟悉實驗操作，對實驗流程有清晰的思路。 主要參考資料 [1] Fernando Fungo, ., Synthesis of porphyrin dyads with potential use in solar energy conversion. J. Mater. Chem, 2021(10): p. 645177。其合成方法一 般 采用 Litter 等對 Alder 法的改進方法，即在丙酸 介質 中兩種醛與吡咯以 3:1:4 的比例反應制得。 而 Macdonald 型 [2+2] 法采用二吡咯甲烷合成 A3B 型卟啉具有反溶度低，使用高毒性且昂貴的醌類化合物作為氧化劑等特點。 即 的 5(4甲基苯基 )二吡咯甲烷、 的 4甲基苯甲醛和 1mmoLl 的 R基取代苯甲醛溶于 35mL 的乙酸和 15mL 的硝基苯混合溶劑中，在 110℃進行 得到光譜產率約為 10%的 A3B 型卟啉。 對得到的 A3B 型卟啉進行紫外光譜、核磁氫譜 對其結構進行鑒定和表征。卟啉化合物由于其母體卟吩具有剛性為主兼有柔性的大環(huán)共軛結構，因而，具有一定芳香性，穩(wěn)定性好，光譜響應寬，對金屬離子絡合能力強，一般都為具有高熔點的深色結品。 卟吩環(huán)中 4 個吡咯環(huán)的 8個β位和 4個中位的氫原子均可被其他基團所取代，從而生成各種類型的卟啉衍生物，同時卟吩環(huán)中氮原子上的 H 原子被金屬離子取代后又可形成種類繁多的金屬卟啉配合物其通用結構式如圖 11： 圖 11 金屬卟啉配合物通用結構式 Structures of Metal porphyrin plexes R1~R8為取代吡咯， 5,10,15,20也被稱為 α， β， γ， δ位 , 一般為苯基或取代苯基。在眾多卟啉化合物中， A3B型不對稱卟啉化合物（如圖 1）具有諸多優(yōu)點：在卟吩外環(huán)單點修飾，可簡單高效地研究卟啉中位取代基對卟啉物理化學性質的影響，進而精確調控金屬卟啉的各種性能 [2]；將卟啉 ―嫁接 ‖到載體上及其他功能化合物，最低程度減小對卟啉性能的影響，最大限度將金屬卟啉裸露于載體上，發(fā)揮卟啉的功能特性 [3]；或者利用卟啉電化學特性、空間位阻等進行進一步修飾 [4]；通過金屬配位鍵， B鏈含有孤對電子的雜原子（ N、 O、 S等）的不對稱金屬卟啉可實現(xiàn)自組裝 [5,6]，甚至傳統(tǒng)有機合成難以勝任的多卟啉陣列結構，可以利用 B側鏈含有特殊功能的位點特異性原子或基團，與其他金屬離子 [7]或者配位體 [8]組裝為大分子或者超分子等等。他們在生命過程中，對氧的傳遞（血紅蛋白）、貯存（肌紅蛋白）、活化（細胞色素 P450）和光合作用（葉綠素）等起著重要的作用，是一類 活性極高，選擇性突出的生物催化劑， 被稱之為“生命的染料 ( Pigment of Life) ” 。卟啉化學的研究也有迅速的發(fā)展。 [10] 1． 2． 1 在有機合成化學方面的應用 四苯基卟啉和一氯二乙基鋁反應生成四苯基卟啉氯化鋁，它遇水、醇、羧酸、胺等活潑氫化合物時，氯原子可被取代，生成卟啉鋁化合物，它們可引發(fā)環(huán)氧、內酯等環(huán)化物開環(huán)聚合 [11]。其反應特點是：①鏈引發(fā)反應比鏈增長反應快得多；②所得產物相對分子質量隨轉化率線性增加；③聚合體相對分子質量是窄分布的， MWD(相對分子質量分布 )為 ~ ；④ 100%轉化時，產物平均聚合度與理論值符合很好。 此外它還可引發(fā)酸酐等活性聚合物聚合并進行嵌段共聚合，還能使酸酐、二氧化碳聚合。而且四苯基卟啉烷氧基鋁在光照下可引發(fā)甲基丙烯酸甲酯等烯類單體進行活性聚合。 1979年童沈陽首次介紹了卟啉這種超高靈敏度試劑在分析 化學中的應用?；瘜W推進劑與高分子材料雖然卟啉化合物是一種靈敏度高、穩(wěn)定性好的金屬離子顯色劑，已應用于痕量金屬離子的分光光度分析、熒光分析、磷光分析，但卟啉顯色劑對金屬離子的選擇性較差，且多數(shù)是非水溶性的，測定時需加表面活性劑或掩蔽劑。 由文獻 [12]可知。為達到對核酸的定位斷裂，將適當?shù)暮怂嶙R別劑組裝于金屬卟啉上，將有望設計出高性能的核酸定位斷裂劑，這不僅是對金屬卟啉研 究領域的擴展，同時對癌癥的基因治療、大片段基因的分子識別、基因免疫印跡分析等都具有重要意義 [13,14]。金屬卟啉類定位斷裂劑對 DNA的作用模式主要是識別劑通過分子內氫鍵或其他非共價鍵的方式與 DNA結合，在氧化劑如 KHSO PhIO 或分子氧和還原劑的作用下，金屬卟啉形成活性中間體，該中間體對 DNA 特定區(qū)域的糖基或者堿基進行氧化，從而導致 DNA 鏈的斷裂 [15]。配體上帶有某種官能團，有特定空間構象的配合物，與 有機分子和生物分子之間也存在著不同程度的專一結合現(xiàn)象，稱為配合物的分子識別。基于此，金屬卟啉配合物可對多種有機和生物分子進行識別。氨基酸中的氨基、羧基可形成氫鍵、庫侖力、偶極 偶極作用力， ?碳上的取代基可作為另XXX大學本科生畢業(yè)論文 4 外的識別點，與主體分子間產生靜電力、范德華力、疏水作用、立體效應等。金屬卟啉化合物中含有金屬離子及氨基或羥基，因此氨基酸的分子特性使其適合作為客體分子與人工合成的主體分子 棖卟啉化合物相結合，從而達到分子識別的目的。人工設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型以實現(xiàn)氨基酸分子的識別。 1． 2． 5 作為生物體內氧化過程的模型 作為單加氧酶的模型，卟啉化合物的研究與應用主要在以下方面 [16]：①對烷烴進行單加氧化 (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對萘酚進行氧化 [17](如制 2羥基 1,4萘醌 )；④對木質素、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 進行氧化從而使其裂解，以判明 D N A 的結構。在研究中，人們得出以下結論：①具有疏水結合部位的金屬卟啉，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]。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?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。而且卟啉能與許多金屬形成金屬有機液晶，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。 卟啉具有很強的吸光特性，尤其是與過渡金屬絡合后，使其能發(fā)射出很強的磷光，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]。 1． 2． 7 在地球化學中的應用 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志物。按含側鏈不同 ，石油卟啉可分為初卟啉 (ETIO)和脫氧初卟啉 (DPEP)。因此，分析石油卟啉的組成、類型、含量等，對獲得地球化學信息有重要意義 [22]。諾貝爾化學獎獲得者 Lehn 等提出超分子概念以后。 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用和發(fā)展的瓶頸之一，導致其在放生催化反應、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用收到極大的限制。 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 合成進行了廣泛的研究。但該方法合成產率低，而且在此條件下能用作反應物的取代苯甲醛也很有限； Adler 等人在 1967 年改進了 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。我國郭燦城小組采用 DMF 作溶劑，無水 AlCl3作催化劑，產率可達30% ，該合成方法不生成副產物 TPC，適用范圍廣。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。進一步的提純，常用柱層析、溶劑重結晶等手段 [23]。其合成方法有 2 種： ( 1) 直接合成法。 ( 2) 利用含單羥基或單XXX大學本科生畢業(yè)論文 6 氨基的不對稱型卟啉再與含鹵化合物反應。因此，一般認為“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 ] 。 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。 Ghosh[27]指出酸催化吡咯與醛縮合是自組裝的過程。目前尚無一種詳盡的機理用于指導卟啉配體合成，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。 目前 應用比較廣泛的合成中位不對稱卟啉的方法是在 Adler 法和 Lindsey 法基礎上發(fā)展起來得以混合醛代替單一醛的合成法，但是產率較低，產物分離困難。常規(guī)手段合成卟啉配體化合物需要較長時間加熱回流，導致原 料芳醛、吡咯極易發(fā)生氧化、聚合等副反應 , 使分離提純困難 , 產率很低。 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、催化氧化應用研究具有很重要的理論和實際意義。近百年來，卟啉類化合物的合成方法不斷改進，產物收率大大提高，其合成方法學不第 1 章 緒論 7 斷取得新進展。 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。（ 2）反應結束后體系中存在的焦油增加了分離純化的難度。 國內 眾多學者對 Adler法進行探索和改進，可適用于 Little法。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 %。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]等應用 Little法對不對稱卟啉的合 成及應用進行深入研究，趙勝芳 [43]、陳年友 [44]等將微波加熱應用于 Little法。同時 Lindsey應用組合化學 (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)計學規(guī)律六種卟啉的混合物。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