5，10，15，20－四［4－（2，3－环氧丙氧基）苯基］卟啉的合成与表征

王苗苗，刘耀军，王园，王耀辉，赵洪池

（河北大学 化学与环境科学学院，河北 保定 071002）

卟啉类化合物因其特殊的化学结构而具有荧光特性，不仅可以应用于光电材料［1］、分析化学［2］和医药化学［3］，又在生命科学领域具有很好的应用前景，例如应用于肿瘤检测诊断［4］和光动力学疗法的光敏剂［5］，用来检测癌细胞的增长，为癌症的治疗提供了新方法，临床上已经用来治疗皮肤癌、支气管癌、食道癌和膀胱癌等［6］.

卟啉是以具有平面结构的卟吩为基本结构的共轭环状分子，卟吩环上的氢原子被其他原子或基团部分或者全部取代后得到的一系列衍生物统称为卟啉.卟啉内部的氮原子可与不同的金属离子相结合形成金属卟啉，其中5，10，15和20位为α位，而2，3，7，8，12，13，17和18位为β位［7］.卟吩具有易于修饰的独特大环结构，若卟吩环上的氢原子被不同的取代基取代，制备的卟啉衍生物具有不同的功能，因而具有不同的应用价值［7］.

在实验室中，合成卟啉的方法一般被称为Rothemund法［8］或Adler法［9］.与Rothemund法相比，Adler法具有操作简单和产率较高等优点.本实验采用Adler 法合成了5，10，15，20－四（4－羟基苯基）卟啉（THPP）；然后利用Ryu［10］报道的方法（4，4′－二羟基二苯基乙酮和环氧氯丙烷（ECH）反应，制备了4，4′－二羟基二苯基乙酮缩水甘油醚），将THPP与ECH 反应合成了5，10，15，20－四［4－（2，3－环氧丙氧基）苯基］卟啉（TEPPP），TEPPP的合成在文献中报道很少.由于环氧基团的活性较高，易与多种有机化合物发生反应（如羧酸、酸酐和胺类等），也可发生聚合反应（如开环聚合或共聚合），因此，TEPPP是一种重要的合成中间体，对其修饰可以制备多种卟啉类衍生物.本文对TEPPP的结构和性质进行了表征与研究.

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

AVANCE III 600MHz超导核磁共振波谱仪（NMR）（Bruker，德国）；Varian 640－IR 型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）（Varian，美国）；UV－2550型紫外分光光度计（UV－Vis）（Shimadzu，日本）；RF－5301PC 型荧光分光光度计（Shimadzu，日本）；C－MAG HS7型加热磁力搅拌器和ETS－D5型接触式温度计（IKA，德国）；R－1001N 型旋转蒸发仪和DL－400型循环冷却器（郑州长城科工贸有限公司，中国）.

对羟基苯甲醛，正丙酸，均为分析纯，天津市光复精细化工研究所；吡咯，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；硝基苯，ECH，均为分析纯，天津市福晨化学试剂厂；冰乙酸，分析纯，天津市光复科技发展有限公司；二氯甲烷，无水乙醇，浓氨水（NH3·H2O），均为分析纯，天津市华东试剂厂；异丙醇，分析纯，天津市进丰化工有限公司；氢氧化钠，分析纯，天津市标准科技有限公司；N，N－二甲基甲酰胺（DMF），分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；柱层层析硅胶（40～70μm，试剂级），青岛谱科分离材料有限公司；氘代氯仿（CDCl3），北京博雅大北科技开发公司，体积分数＞99.8%；所用水均为去离子水.

1.2 合成原理

首先由对羟基苯甲醛和吡咯在正丙酸、冰乙酸和硝基苯混合溶剂中合成THPP［11］，然后以THPP 与ECH 为原料，在异丙醇中以氢氧化钠为催化剂合成了TEPPP.其合成路线如图1所示.

图1 THPP和TEPPP的合成路线Fig.1 Synthesis routes of THPP and TEPPP

1.3 制备方法

1.3.1 THPP的合成

将30mL正丙酸、30mL硝基苯和30mL冰乙酸加入到250mL三颈烧瓶中，然后放入135 ℃油浴中，磁力搅拌下10min内滴加3.67g对羟基苯甲醛和20mL正丙酸的混合液.然后在15min内滴加2.10mL吡咯和20mL硝基苯的混合液，溶液由黄色变为黑色，保持温度在135 ℃继续反应40min.反应结束后，得墨绿色液体，冷却，放置，过夜，抽滤，并用少量水洗涤得粗产品墨绿色粉末.将粗产品溶于100mL 的5% 氢氧化钠溶液中，抽滤以除去不溶物，得蓝黑色液体，将其转移到烧杯中，滴加浓盐酸直到有大量沉淀析出，溶液浑浊，pH 值为6～7，然后加入浓氨水将溶液调至中性，静置片刻后再次抽滤，得蓝紫色粘状物，干燥后得蓝紫色固体1.77g，硅胶柱层析分离，以无水乙醇为洗脱剂，收集第1色带，旋转蒸发除去溶剂，得1.67g蓝紫色晶体THPP，产率33%.

1.3.2 TEPPP的合成

将0.68g的THPP、20g的ECH 和20mL异丙醇加入到100mL三颈烧瓶中，然后放入90℃油浴中，磁力搅拌下1h内滴加20%氢氧化钠水溶液1.62g，继续反应5h后停止反应.将反应液加入到120mL氯仿中，水洗3次萃取并收集有机相（下层），无水硫酸钠干燥12h，浓缩后得粗产品，硅胶柱层析分离，以二氯甲烷／乙醇（500／15，V／V）的混合溶剂为洗脱剂，收集第1色带，旋转蒸发至干得0.42g紫色粉末TEPPP，产率47%.

1.4 样品结构表征

核磁共振谱图（NMR）采用德国Bruker公司的AVANCE III 600 MHz核磁共振波谱仪测定，溶剂为CDCl3.傅里叶变换红外光谱（FTIR）采用美国Varian公司的Varian 640－IR 型傅里叶变换红外光谱仪测定，KBr压片法制样，扫描500～4 000cm－1，扫描次数32次.紫外可见图谱（UV－Vis）采用日本Shimadzu公司的UV－2550紫外可见分光光度计进行测定.将THPP与TEPPP分别配制成1×10－5mol／L 的DMF溶液进行测试.荧光图谱采用日本Shimadzu公司的RF－5301PC荧光分光光度计进行测定.将THPP与TEPPP分别配制成1×10－5mol／L的DMF溶液，测试条件：室温，激发波长λex为400nm，样品池为1cm×1cm×4cm，狭缝宽度5×5nm，扫描415～800nm.

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

图2是TEPPP的红外谱图.3 319cm－1处为卟啉N―H 键伸缩振动吸收峰，1 605cm－1和1 505cm－1处为苯环骨架振动吸收峰，1 349cm－1处为卟啉环C＝N 键伸缩振动吸收峰，1 287cm－1处为环氧化物环的骨架振动吸收峰，1 246cm－1处为芳香族醚C― O―C 键不对称伸缩振动吸收峰，916cm－1处是环醚C―O―C键不对称伸缩振动吸收峰［12－14］.FTIR 的测试结果说明已经成功制备了TEPPP.

2.2 NMR分析

图3和4分别为TEPPP 的1H NMR 和13C NMR 谱图.1H NMR（600 MHz，CDCl3）：δHf8.85～8.90（8H，s，CH），δHd8.12～8.17（8H，d，o－C6H4OC3H5O），δHe7.30～7.35（8H，d，m－C6H4OC3H5O），δHg－2.73（2H，s，－NH），以上均为卟啉结构的氢质子化学位移峰.此外在2.94～4.58内的5个峰为环氧基团氢质子化学位移峰，δHa2.94～2.98（4H，m，oxirane ring CH2），δHa3.05～3.10（4H，t，oxirane ring CH2），δHb3.57～3.61（4H，m，oxirane CH），δHc4.26～4.31（4H，q，－O－CH2－oxirane ring），δHc4.52～4.58（4H，d d，－O－CH2－oxirane ring）；δHa，δHb和δHc处的细节图与文献［15］相符合.对δHa，δHa，δHb，δHc和δHc的位移峰积分，峰面积比为1:1:1:1:1，与TEPPP 中环氧基团的不同氢原子数比一致.13C NMR（150 MHz，CDCl3，δ）：44.88，50.32，69.10，112.88，119.63，135.20，135.60，158.35.

图2 TEPPP的FTIR 谱Fig.2 FTIR spectrum of TEPPP

图3 TEPPP的1 H NMR（CDCl3）Fig.3 1 H NMR spectrum of TEPPP（CDCl3）

2.3 紫外谱图分析

图5是TEPPP的紫外可见光吸收谱.由谱图可知，TEPPP的紫外光谱在420，517，553，590和647nm处出现吸收峰，与THPP［16］相似.卟啉类化合物在400～500nm 会出现1 个很强的特征谱带Soret带（B带），这个带被归属为卟啉π～π＊跃迁的第二电子激发态［17］.可见光区出现4个谱带（Q 带），分别在520，550，590和650nm 左右，这是由于卟吩环上共轭大π键轨道上的电子吸收能量从HOMO 激发到LUMO，即发生π～π＊跃迁所引起的，被归属为卟啉π～π＊跃迁的第一电子激发态［17］.

图4 TEPPP的13C NMR 谱图（CDCl3）Fig.4 13C NMR spectrum of TEPPP（CDCl3）

图5 TEPPP的紫外可见光吸收谱Fig.5 UV－Vis absorption spectrum of TEPPP

2.4 荧光谱图分析

图6为THPP和TEPPP的荧光光谱.由图6可知，在相同测试条件下，浓度分别为1×10－5mol／L 的THPP和TEPPP的DMF溶液分别有2个发光峰，峰位分别在662，724nm 和659，721nm 处.由3图对比看出TEPPP的荧光强度要高于THPP的荧光强度，因此，引入环氧基团后大大增强了THPP的荧光强度.以四苯基卟啉（TPP）为参比物质，利用参比法按照公式φu＝φs（Fu／Fs）（As／Au）测定THPP和TEPPP的荧光量子产率［15］，其中φu 和φs 分别为样品和参比物质的荧光量子产率，Fu和Fs分别为样品和参比物质的积分荧光强度，Au和As分别为样品和参比物质对该激发波长入射光的吸光度.要求待测样品和参比物质的DMF稀溶液在激发波长处的紫外吸光度低于0.05.TPP的φs 为0.11［18］，实验中测得Fs为17 132，THPP和TEPPP的积分荧光强度Fu分别为15 833和31 136，TPP的As为0.033，THPP和TEPPP的吸光度Au分别为0.042和0.040.经过计算得出THPP和TEPPP的荧光量子产率分别为0.08和0.16.

图6 THPP和TEPPP的荧光光谱Fig.6 Fluorescence spectra of THPP and TEPPP

3 结论

以对羟基苯甲醛和吡咯为原料在硝基苯、冰乙酸和正丙酸的混合溶剂中合成了THPP，进而在氢氧化钠的催化下THPP与ECH 反应合成了含有环氧基团的卟啉单体TEPPP，并对TEPPP 进行了FTIR 和NMR 表征，FTIR 谱图中，1 349cm－1和916cm－1处为TEPPP卟啉环中C＝N 键伸缩振动吸收峰和环氧化物环的（C―O―C键）不对称伸缩振动吸收峰.1H NMR 谱图中，在2.94～4.58内的5个位移峰峰面积比为1:1:1:1:1，与TEPPP中环氧基团的不同氢原子数比相一致.UV－Vis谱图中，TEPPP在420，517，553，590和647nm 处出现吸收峰.荧光谱图中，THPP和TEPPP分别在662，724nm 和659，721nm 处有2个发光峰，THPP和TEPPP的荧光量子产率分别为0.08和0.16.

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