meso-四(对羟基苯基)卟啉的合成*<br/>——一个本科开放性实验

meso-四(对羟基苯基)卟啉的合成*
——一个本科开放性实验

2012-09-25张逸苏优拉覃丽娟唐笛胡清陆旭芳吴炎彬夏晨骆雪芳李嘉宾

大学化学 2012年5期

张逸苏优拉覃丽娟唐笛胡清陆旭芳吴炎彬夏晨骆雪芳李嘉宾

(中国药科大学无机化学教研室分析化学教研室药学基础化学实验中心江苏南京 211198)

卟啉是一类重要的大环化合物，在自然界和生命体中广泛存在，如叶绿素(镁卟啉)、血红素(铁卟啉)、维生素B12(钴卟啉)和细胞色素P450等。由于卟啉和金属卟啉具有独特的化学结构与性质，近年来在仿生学[1]、药物化学[2]、分析化学[3]、光物理与化学[4]、材料化学[5]、电化学[6]、催化化学[7]等领域得到广泛的研究与应用，促进了卟啉合成化学的迅速发展。

图1 几种卟啉化合物的结构

取代四苯基卟啉化合物是卟啉化学研究的重要模型化合物，常见的有：meso-四苯基卟啉(meso-tetraphenylporphyrin,以下简称TPP)和meso-四(对羟基苯基)卟啉(meso-tetra(p-hydroxyphenyl) porphyrin，以下简称THPP)等，结构式见图1。该类化合物最初由Rothemund[8]合成，后经Adler[9]、Lindsey[10]、郭灿城[11]、潘继刚[12]、Petit A[13]等学者改进，产率已有较大提高。现应用最多的是Adler法，即取代苯甲醛和吡咯在丙酸介质中回流，一步缩合制得。该法操作比较简单，不需要Rothemund法采用的封管反应器；也不需要Lindsey法中必需的无水无氧操作和价格相对昂贵的试剂，适合在开放性实验中采用。在武汉大学夏春兰等人发表的有关卟啉综合性实验的文章中，正是按照Adler法合成了对羟基取代的四苯基卟啉(即THPP)[14]。

我们依据上述文献，在开放性实验中，开展了THPP的化学合成。通过多次尝试，发现按照文献方法合成THPP的产率很低且重现性较差，仅有5%～10%。特别是反应后出现大量黑色焦油状物质，给分离纯化带来困难。针对以上问题，我们从机理和实验操作入手开展了以下工作。

通过SciFinder文献检索，我们了解到在过去的40年中，不断有学者对合成四苯基卟啉的反应机理进行研究和推测，但迄今还没有完整确切的机理报道。在众多研究中，我们认为比较合理的机理是：苯甲醛与吡咯先可逆地生成聚合度(n)不定的开链多聚物，然后环合形成中间体卟啉原(porphyrinogen)，再经多次氧化脱氢，得到目标物TPP[10,15]。其中由卟啉原生成TPP和TPC(meso-四苯基二氢卟啉)是竞争性的氧化反应，TPP是主要产物(图2)。当体系中存在合适的氧化剂时，TPC又被逐渐氧化成TPP，故产品中常含有少量的TPC[16]。

图2 TPP合成法的可能机理

我们推测THPP的合成中也存在类似TPC的二氢卟啉中间产物，即THPC(meso-四(对羟基苯基)二氢卟啉)，结构式见图 1。因此，寻找合适的氧化剂可能是提高Adler法合成包括THPP在内的取代四苯基卟啉化合物产率的有效方法之一。近期章艳、李忠芳等分别报道了以DMSO和硝基苯作为氧化剂可提高THPP的产率(DMSO：35%[17]；硝基苯：39.68%[18])。

在深入了解反应机理的同时，我们按指导教师要求，进一步提高了对柱层析、TLC分析、核磁解析、溶剂纯化等单元操作的熟练程度，并更加合理地安排实验时间以提高效率。

在此基础上，我们确定了以DMSO或硝基苯为氧化剂的两种反应体系为研究对象。通过预实验的摸索和比较，我们统一以混酸为催化剂和溶剂、调碱调酸后柱层析为后处理方法，然后依次研究反应温度、回流时间和酸的用量对产率的影响，最终确定THPP合成反应的适宜条件。

1 仪器与试剂

仪器：TU-1901型紫外-可见分光光度计，Bruker AV300型核磁共振仪，Elementar Vario EL-Ⅲ元素分析仪，X-5型数显显微熔点测定仪，ZNHW-Ⅱ型电子控温仪，85-1型电磁搅拌器， RE-5299型旋转蒸发仪， SHB-ⅢA型循环水式真空泵。

试剂：4-羟基苯甲醛，C.P.，国药集团化学试剂有限公司；吡咯，C.P.，上海科丰化学试剂有限公司，使用前常压蒸馏；丙酸，A.R.，上海凌峰化学试剂有限公司，使用前常压蒸馏；二甲基亚砜，A.R.，上海凌峰化学试剂有限公司；无水乙醇，A.R.，南京化学试剂有限公司；柱层析硅胶(200～300目)，薄层层析硅胶GF254，青岛海洋化工有限公司。

2 实验步骤

2.1 以DMSO为氧化剂(以下简称DMSO组)

在250mL四颈瓶中加入对羟基苯甲醛3.66g(30mmol)，72mL丙酸和3.6mL DMSO，搅拌，加热，在反应液温度为128～131℃时用注射器匀速加入新蒸吡咯2.2mL(30mmol)，溶液由黄色变成红棕色、黑褐色、黑色。加毕，控温130℃回流反应90min。反应结束后，冷却至室温，抽滤，将蓝黑色不溶物转移至烧杯中加入约100mL 5%的NaOH溶液直至溶液呈墨绿色。抽滤，除去黑色不溶物，将滤液转移至烧杯中滴加浓盐酸调溶液pH=6～7。抽滤，得紫黑色固体黏状物，真空干燥6h得紫黑色粉末6.7g。

2.2 以硝基苯为氧化剂(以下简称硝基苯组)

将70mL正丁酸、10mL乙酸和30mL硝基苯的混合溶液加入带有回流冷凝管、机械搅拌器和恒压滴液漏斗的250mL三颈瓶中，加热回流30min后加入对羟基苯甲醛3.66g(30mmol)并使其溶解。缓慢滴加吡咯2.2mL(30mmol)溶于20mL硝基苯的溶液，20min滴毕，反应液颜色由亮黄色变为棕黑色，控温在150℃下回流40min。停止加热，冷至室温后转入冰箱冷冻室(-18℃),放置10h，抽滤得蓝黑色固体，粗品转移入烧杯中，加入5%NaOH溶液约75mL，加热搅拌直至固体不再溶解，趁热过滤，滤液用浓盐酸调至pH=6，此时有蓝紫色黏稠物析出，再用浓氨水调pH至7，抽滤得蓝紫黑色黏稠状固体，真空干燥10h得黑灰色颗粒3.9g。

3 产物表征

对所得产物用1H-NMR、MS、IR、元素分析、UV-Vis进行了表征，结果如下：

1H-NMR(500MHz,DMSO-d6),δ:9.91(s,4H,OH),8.86(s,8H,pyrrole-H),7.99(d,J=8.3Hz,8H,o-H,benzene),7.20(d,J=8.3Hz,8H,m-H,benzene),-2.87(s,2H,NH);MS(ESI),m/z:679.2[M+H]+;IR(KBr),ν/cm-1:3319,3064,3029,1650,1587,1553,1471,1345,1263,986,802;元素分析,计算值:C44H30N4O4:C 77.88,H 4.42,N 8.26;实测值:C 77.50,H 4.54,N 8.04;UV-Vis(EtOH,3×10-6mol/L),λmax/nm(10-3ε/mol-1·L·cm-1):420(214.9),517(9.7),556(7.5),592(3.5),651(3.8)。

4 结果与讨论

4.1 氧化剂对产率的影响

如前述可能的机理，适当的氧化剂可以促使反应中间体转化成产品。实验证明，与空气为氧化剂的纯丙酸体系相比，在反应体系中加入DMSO或硝基苯后,产率显著提高(产率由实验初期的约10%提高至30%以上)。

DMSO组：DMSO可将THPC氧化成THPP，因而产品中不含THPC(按照文献[19]中的公式计算，THPC含量应为0，而在对照组不加DMSO的实验产物中，THPC含量在3%左右)；此外，DMSO可抑制黑色吡咯低聚物的生成，还能够即时结合反应生成的水，促使反应向着生成THPP的方向进行[17]。

硝基苯组：一方面，硝基苯有氧化作用，能促进反应中间体向产物转化。另一方面，产物不溶于硝基苯，直接析出，有利于产物的分离，TLC分析显示滤液中几乎不含产物。

4.2 后处理方法对产率的影响

我们在其他条件不变的前提下尝试了4种后处理方法，实验结果见表1。

表1 纯化方法比较

4.3 反应温度对产率的影响

DMSO组：其他反应条件同实验步骤中2.1所述，加完吡咯后控制温度回流2h[17]，考察反应温度对THPP产率的影响。从图3可以看出，反应温度对实验产率的影响较大。一方面，从缩合反应机理的角度讲升高温度对反应有利；但另一方面，反应温度过高时容易生成大量的黑色焦油状物质而使后处理难度增大，产率降低。所以，适宜的反应温度应在130℃左右。

硝基苯组：类似DMSO组中的分析(图3)。适宜的反应温度为150℃左右，V(硝基苯):V(丁酸):V(乙酸)=5:7:1。

值得注意的是硝基苯组的适宜温度高于DMSO组，推测可能是硝基苯发挥氧化作用所需的温度高于DMSO。

图3 反应温度对产率的影响1 硝基苯组；2 DMSO组

4.4 反应时间对产率的影响

温度控制在4.3所得适宜反应温度，考察时间对THPP产率的影响。在反应开始阶段，随着时间增加，产率提高较快，当反应到一定时间后产率达到最大值。反应时间继续延长，产率反而有所降低。这是因为反应时间过长，副反应增多，特别是黑色焦油状物增多，增加了产物分离提纯的难度，导致产率下降。从图4可知两个体系的适宜反应时间分别为：90min(DMSO组)和60min(硝基苯组)。

图4 反应时间对产率的影响1 硝基苯组；2 DMSO组

4.5 丙酸用量对产率的影响

在DMSO组实验结果的基础上，考察丙酸用量对产率的影响。其他反应条件与2.1相同，130℃下反应90min，控制丙酸与DMF的体积之和为72mL，改变丙酸的用量，所得结果如图5。可见当丙酸用量小于54mL时，产率明显降低；当丙酸用量大于54mL时才有较理想的产率。

图5 丙酸用量对产率的影响(DMSO为氧化剂)

5 注意事项

(1) 硝基苯是受公安部门管制的易制爆试剂且毒性较强，其使用及溶剂残留都需要特别注意。该试剂的领取、使用和退库都需要有详细记录和专人管理。另外，柱层析操作需用到大量有机溶剂，应当在通风橱中进行，并及时回收。

(2) 本合成实验采用油浴加热，介质为甲基硅油，控温采用调压器和控温仪结合的方式，反应内温为130～155℃时，相应油浴温度范围为135～165℃。

(3) 用本文所述方法合成的THPP中含有少量丙酸或丁酸，可将产品溶解在尽量少的良溶剂(如DMF)后再倾入大量不良溶剂(如水)中搅拌析晶，经过滤、真空干燥即得不含丙酸或丁酸的样品。

(4) 产品颜色可能为蓝色、蓝紫色、紫色。由于核磁谱无明显差异，推测产品颜色可能与晶形有关。

6 结语

利用改进的Adler法合成了THPP，通过IR、MS、1H-NMR、元素分析和UV-Vis光谱表征了产物的结构；初步理清了影响产率的主要因素，并使产率由实验初期的5%～10%提高到35%，达到了文献报道的水平，产品的纯度和产率的稳定性较实验初期均有显著提高。

在实验经历中，我们观察并了解到卟啉在仿生合成、金属催化、显色剂、光电材料等领域的应用前景和研究近况，激发了对化学问题进行研究探索的兴趣；同时也深刻体会到“创新”的艰难和不易：小组同学在开放实验基础上，用了近一个学期的业余时间完成此项工作，虽合成产率有显著提高，达到文献水平，但在方法上并没有新的突破，说明我们现阶段在知识和能力上离方法创新的要求还有一定的差距。

在经历了该实验项目后，每个成员在文献调研、合成反应的单元操作、结构鉴定及分析仪器的使用、讨论交流以及论文撰写等方面都有了进步，为将来从事并投身于科研工作增强了自信、打下了比较扎实的基础。

[1] 刘展良,黄锦江,劳彩玲,等.中山大学学报(自然科学版),1996(4):42

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[11] 郭灿城,何兴涛,邹纲要.有机化学,1991,11(4):416