吡啶基卟啉的合成及表征

杨立国，夏祥林，卢文欣

(1 安阳工学院化学与环境工程学院，河南 安阳 455000；2 山东科技大学化学与生物工程学院，山东 青岛 266590)

卟啉是最常见的刚性共面共轭宏物质,有着特殊的原子组成和光学特性，对光热稳定性很强，易切割。因此,在化工、材料、生活科学技术等应用领域都有着广泛的应用前景[1-2]。另外，卟啉也是超分子化学和立体化学中的主要研究领域之一。因为其对位置改变、结构变动等外部影响产生了敏感的电和光反应,所以经常被用于形成立体选择性分子识别系统的手式光探测器单元。尤其是在共价结构的双卟啉结构中,预设的半刚性型腔设计不但提高了主客体之间的选择性，也同时使客体所诱导的异构作用主要体现为二种卟啉单元的相对位移和运动方向的改变[3-8]。

早期人们从含有卟啉的自然物质中,获得、分离、提纯卟啉。目前获取卟啉的途径,主要有化学结构改造法、自然提取法和全合成法。尽管目前的研究作者可以对从自然物质中获得的卟啉进行结构改造,但是受其自身结构特征的影响。当然还有卟啉本身的生物活性等因素影响。因此,目前研究人员主要通过全合成的方法获得具有特定结构和功能的卟啉[9-14]。

卟啉及其衍生物的合成一直受到广大研究爱好者的青睐。目前，获得具有特殊官能团的卟啉的策略主要分为两部分：(1)具有特殊官能团的醛与吡咯直接缩合得到目标产物；(2)合成卟啉前体，然后通过suzuki-Miyaura偶联反应[15]、Sonogashira偶联反应[16]、Diels-Alder反应[17]等反应对卟啉进行后修饰。

为了研究卟啉的合成方法，本文合成表征了吡啶基卟啉化合物1，并通过核磁共振谱、荧光光谱和紫外光谱手段对其进行了表征。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

丙酸;二氯甲烷;对甲酰基苯甲酸甲酯;吡咯;甲醇;四氢呋喃;氢氧化钠固体;浓盐酸;4-(1-羟乙基)吡啶;DMF;三乙胺。

Varian Mercury 400 (400 MHz)型核磁共振仪;Perkin-Elmer 2400 II 型元素分析仪;Nicolet-460 型红外光谱仪(KBr压片, 扫描范围400-4000 cm-1);Bruker Smart-1000 CCD型X射线单晶衍射仪。

1.2 化合物1的合成

1.2.1 酯基卟啉的合成

图1 酯基卟啉合成反应过程Fig.1 Synthesis of ester-based porphyrin

量取240 mL丙酸(b.p.141 ℃)并用油浴锅加热至145 ℃，使用电子天平精确称取对甲酰基苯甲酸甲酯(4.0136 g，0.0245 mol)，待丙酸回流后加入。再用40 mL丙酸溶解吡咯(1.8613 g，0.0278 mol)于恒压滴液漏斗缓慢滴加至三口烧瓶，经过30 min滴加完成，由于吡咯见光易发生聚合反应，所以我们在反应期间使用用黑塑料袋裹住恒压滴液漏斗和三口烧瓶见光的部分来制造避光环境。经过连续反应40 min后静置并且冷却至室温，向三口烧瓶瓶延缓缓慢滴加甲醇不能激起表面。三口烧瓶内液体过多需要转移至多个500 mL圆底烧瓶中再加入甲醇(比如用料加倍的反应)，静置过夜待产品析出。隔天进行抽滤、烘干作为淋洗剂，硅胶粉为吸附剂对干燥后的药品进行柱层析分离，将分离后的液体进行旋蒸，再将旋蒸出来的药品烘干即得四(4-酯基苯基)卟啉。该制备重复进行了四次，第二次到第四次的原料用量是第一次的1.5倍，第一次得产物0.6592 g，第二次得产物1.2227 g，第三次得产物0.7295 g，第四次得产物1.4836 g。

1.2.2 羧基卟啉的合成

图2 羧基卟啉反应过程Fig.2 Synthesis of carboxylic porphyrin

用四(4-酯基苯基)卟啉制备四(4-羧基苯基)卟啉：将制备的四(4-酯基苯基)卟啉溶于100 mL THF，然后加入质量分数百分之十的氢氧化钠水溶液120 mL，在60 ℃下下反应4天，直至沉淀全部溶于水后冷却至室温，减压旋蒸出多余的四氢呋喃溶液，倒出水溶液边搅拌边滴加浓盐酸将pH调至6～7，然后边抽滤边水洗，所得药品即为潮湿的四(4-羧基苯基)卟啉，最后将药品进行烘干后得到四(4-羧基苯基)卟啉。

1.2.3 吡啶基卟啉的合成

四(4-羧基苯基)卟啉与4-(1-羟乙基)吡啶的反应：将四(4-羧基苯基)卟啉(40.0 mg，0.0506 mmol)，(62.9 mg，0.5108 mmol)，EDC(39.0 mg，0.2031 mmol)，DMAP(98.5 mg，0.8074 mmol)加入到反应瓶中，缓慢抽真空，再通入氮气，然后反复进行抽真空和扫氮气，确保反应体系中只有氮气，再加入10 mL DMF，接上冷凝管和油封。反应一天后进行薄层色谱分析，以CH2Cl2和甲醇的混合溶液为延展剂，对四(4-羧基苯基)卟啉和反应体系分别点板，发现四(4-羧基苯基)卟啉不动，反应体系向前移动，由此得出结论原料发生了反应。

图3 吡啶基卟啉的反应过程Fig.3 Syntesis of pyridine-based porphyrin

2 结果与讨论

2.1 四(4-羧基苯基)卟啉的表征分析

通常情况下在核磁共振氢谱中是为了检测羧基上的氢是一个活泼的氢，一般是观察不到羧基上的氢的化学位移，只有在大环电子流的影响下，自由配体外的环质子的吸收峰很高，其化学位移约为-2.80 ppm,外环质子的吸收峰出现在6～9 ppm。将干燥的四羧基四苯基卟啉(TCPP) 样品溶于氘代二甲基亚砜[(CD3)2SO, DMSO-D6]中,以四甲基硅烷(TMS)为内标进行核磁共振氢谱(HNMR)表征。图4为TCPP的1HNMR图谱。在1HNMR中，羧基上的氢非常活泼，其化学位移很难观察到。其中8.2～8.4 ppm之间为多重峰，是苯环间位和邻位的16个H的峰，8.6～8.8 ppm 之间是多重峰，是吡咯环上8个H的峰。上诉证明四羧基四苯基卟啉(TCPP) 已成功制备。

图4 四羧基卟啉的氢谱Fig.4 1H spectra of carboxylic porphyrin

2.2 吡啶基卟啉的核磁表征

图5 吡啶基卟啉的氢谱Fig.5 1H spectra of pyridine-based porphyrin

图5为吡啶基卟啉的1H核磁共振氢谱，在图5中可以明显看出吡咯环上的8个氢的吸收峰，另外在7.0～9.0 ppm之间有许多重峰，经过积分计算后为32个氢的吸收峰，正对应四个苯环上的16个氢的吸收峰与吡啶环上的16个氢吸收峰。因此可以看出吡啶基卟啉制备成功。

2.3 吡啶基卟啉的荧光光谱表征

由图6吡啶基卟啉的荧光光谱图分析如下，因为卟啉结构的荧光发射光谱是由分子第一激发单线态S1到S0的跃迁产生，基本都是由Q(0-0)和Q(0-1)两个谱带组成。本产品在653 nm处出现一个强吸收峰，在715.6 nm处有一个较弱的吸收峰。由荧光光谱图数据得符合四苯基卟啉结构。

图6 吡啶基卟啉的荧光谱图Fig.6 Fluorogram of pyridine-based porphyrin

2.4 吡啶基卟啉的荧光光谱表征

判断卟啉坏的生成。卟啉的特征吸收带：一个Soret带Q带的四个峰。通过对样品的紫外可见光谱图进行分析，即可知道卟啉环生成与否。相比于其他检测手段，这种方法更为简单有效。图中有明显的一个Soret带强吸收峰与四个Q带弱吸收峰，所以本实验合成具有卟啉环结构的化合物。

图7 吡啶基卟啉紫外可见光光谱图Fig.7 UV-visible spectra of pyridine-based porphyrin

3 结 论

本实验通过将甲酰基苯甲酸甲酯与吡咯直接缩合的方法成功合成了四酯基苯基卟啉，后面通过在碱性条件下水解后在经过经过浓盐酸酸化得到了目标产物之一的四羧基卟啉。吡啶基卟啉的合成本质是羧酸与羟基的酯化反应，不过特殊的是反应是1:4不是1:1，所以在反应中我们投入了更多的4-(1-羟乙基)吡啶来促进反应充分进行，成功合成出吡啶基卟啉。本科课题合成的吡啶基卟啉、四羧基卟啉都是卟啉类化合物的基础材料，可以在其中引入不同的金属离子，和对其进行不同程度的修饰使其获得特殊性能，为其在识别领域的研究提供理论基础。