張逸 蘇優(yōu)拉 覃麗娟 唐笛 胡清 陸旭芳 吳炎彬 夏晨 駱雪芳 李嘉賓

(中國(guó)藥科大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室 分析化學(xué)教研室 藥學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心 江蘇南京 211198)

卟啉是一類重要的大環(huán)化合物，在自然界和生命體中廣泛存在，如葉綠素(鎂卟啉)、血紅素(鐵卟啉)、維生素B12(鈷卟啉)和細(xì)胞色素P450等。由于卟啉和金屬卟啉具有獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，近年來在仿生學(xué)[1]、藥物化學(xué)[2]、分析化學(xué)[3]、光物理與化學(xué)[4]、材料化學(xué)[5]、電化學(xué)[6]、催化化學(xué)[7]等領(lǐng)域得到廣泛的研究與應(yīng)用，促進(jìn)了卟啉合成化學(xué)的迅速發(fā)展。

圖1 幾種卟啉化合物的結(jié)構(gòu)

取代四苯基卟啉化合物是卟啉化學(xué)研究的重要模型化合物，常見的有：meso-四苯基卟啉(meso-tetraphenylporphyrin,以下簡(jiǎn)稱TPP)和meso-四(對(duì)羥基苯基)卟啉(meso-tetra(p-hydroxyphenyl) porphyrin，以下簡(jiǎn)稱THPP)等，結(jié)構(gòu)式見圖1。該類化合物最初由Rothemund[8]合成，后經(jīng)Adler[9]、Lindsey[10]、郭燦城[11]、潘繼剛[12]、Petit A[13]等學(xué)者改進(jìn)，產(chǎn)率已有較大提高?，F(xiàn)應(yīng)用最多的是Adler法，即取代苯甲醛和吡咯在丙酸介質(zhì)中回流，一步縮合制得。該法操作比較簡(jiǎn)單，不需要Rothemund法采用的封管反應(yīng)器；也不需要Lindsey法中必需的無水無氧操作和價(jià)格相對(duì)昂貴的試劑，適合在開放性實(shí)驗(yàn)中采用。在武漢大學(xué)夏春蘭等人發(fā)表的有關(guān)卟啉綜合性實(shí)驗(yàn)的文章中，正是按照Adler法合成了對(duì)羥基取代的四苯基卟啉(即THPP)[14]。

我們依據(jù)上述文獻(xiàn)，在開放性實(shí)驗(yàn)中，開展了THPP的化學(xué)合成。通過多次嘗試，發(fā)現(xiàn)按照文獻(xiàn)方法合成THPP的產(chǎn)率很低且重現(xiàn)性較差，僅有5%～10%。特別是反應(yīng)后出現(xiàn)大量黑色焦油狀物質(zhì)，給分離純化帶來困難。針對(duì)以上問題，我們從機(jī)理和實(shí)驗(yàn)操作入手開展了以下工作。

通過SciFinder文獻(xiàn)檢索，我們了解到在過去的40年中，不斷有學(xué)者對(duì)合成四苯基卟啉的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究和推測(cè)，但迄今還沒有完整確切的機(jī)理報(bào)道。在眾多研究中，我們認(rèn)為比較合理的機(jī)理是：苯甲醛與吡咯先可逆地生成聚合度(n)不定的開鏈多聚物，然后環(huán)合形成中間體卟啉原(porphyrinogen)，再經(jīng)多次氧化脫氫，得到目標(biāo)物TPP[10,15]。其中由卟啉原生成TPP和TPC(meso-四苯基二氫卟啉)是競(jìng)爭(zhēng)性的氧化反應(yīng)，TPP是主要產(chǎn)物(圖2)。當(dāng)體系中存在合適的氧化劑時(shí)，TPC又被逐漸氧化成TPP，故產(chǎn)品中常含有少量的TPC[16]。

圖2 TPP合成法的可能機(jī)理

我們推測(cè)THPP的合成中也存在類似TPC的二氫卟啉中間產(chǎn)物，即THPC(meso-四(對(duì)羥基苯基)二氫卟啉)，結(jié)構(gòu)式見圖 1。因此，尋找合適的氧化劑可能是提高Adler法合成包括THPP在內(nèi)的取代四苯基卟啉化合物產(chǎn)率的有效方法之一。近期章艷、李忠芳等分別報(bào)道了以DMSO和硝基苯作為氧化劑可提高THPP的產(chǎn)率(DMSO：35%[17]；硝基苯：39.68%[18])。

在深入了解反應(yīng)機(jī)理的同時(shí)，我們按指導(dǎo)教師要求，進(jìn)一步提高了對(duì)柱層析、TLC分析、核磁解析、溶劑純化等單元操作的熟練程度，并更加合理地安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間以提高效率。

在此基礎(chǔ)上，我們確定了以DMSO或硝基苯為氧化劑的兩種反應(yīng)體系為研究對(duì)象。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)的摸索和比較，我們統(tǒng)一以混酸為催化劑和溶劑、調(diào)堿調(diào)酸后柱層析為后處理方法，然后依次研究反應(yīng)溫度、回流時(shí)間和酸的用量對(duì)產(chǎn)率的影響，最終確定THPP合成反應(yīng)的適宜條件。

1 儀器與試劑

儀器：TU-1901型紫外-可見分光光度計(jì)，Bruker AV300型核磁共振儀，Elementar Vario EL-Ⅲ元素分析儀，X-5型數(shù)顯顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀，ZNHW-Ⅱ型電子控溫儀，85-1型電磁攪拌器， RE-5299型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀， SHB-ⅢA型循環(huán)水式真空泵。

試劑：4-羥基苯甲醛，C.P.，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；吡咯，C.P.，上?？曝S化學(xué)試劑有限公司，使用前常壓蒸餾；丙酸，A.R.，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，使用前常壓蒸餾；二甲基亞砜，A.R.，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇，A.R.，南京化學(xué)試劑有限公司；柱層析硅膠(200～300目)，薄層層析硅膠GF254，青島海洋化工有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 以DMSO為氧化劑(以下簡(jiǎn)稱DMSO組)

在250mL四頸瓶中加入對(duì)羥基苯甲醛3.66g(30mmol)，72mL丙酸和3.6mL DMSO，攪拌，加熱，在反應(yīng)液溫度為128～131℃時(shí)用注射器勻速加入新蒸吡咯2.2mL(30mmol)，溶液由黃色變成紅棕色、黑褐色、黑色。加畢，控溫130℃回流反應(yīng)90min。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，抽濾，將藍(lán)黑色不溶物轉(zhuǎn)移至燒杯中加入約100mL 5%的NaOH溶液直至溶液呈墨綠色。抽濾，除去黑色不溶物，將濾液轉(zhuǎn)移至燒杯中滴加濃鹽酸調(diào)溶液pH=6～7。抽濾，得紫黑色固體黏狀物，真空干燥6h得紫黑色粉末6.7g。

2.2 以硝基苯為氧化劑(以下簡(jiǎn)稱硝基苯組)

將70mL正丁酸、10mL乙酸和30mL硝基苯的混合溶液加入帶有回流冷凝管、機(jī)械攪拌器和恒壓滴液漏斗的250mL三頸瓶中，加熱回流30min后加入對(duì)羥基苯甲醛3.66g(30mmol)并使其溶解。緩慢滴加吡咯2.2mL(30mmol)溶于20mL硝基苯的溶液，20min滴畢，反應(yīng)液顏色由亮黃色變?yōu)樽睾谏?，控溫?50℃下回流40min。停止加熱，冷至室溫后轉(zhuǎn)入冰箱冷凍室(-18℃),放置10h，抽濾得藍(lán)黑色固體，粗品轉(zhuǎn)移入燒杯中，加入5%NaOH溶液約75mL，加熱攪拌直至固體不再溶解，趁熱過濾，濾液用濃鹽酸調(diào)至pH=6，此時(shí)有藍(lán)紫色黏稠物析出，再用濃氨水調(diào)pH至7，抽濾得藍(lán)紫黑色黏稠狀固體，真空干燥10h得黑灰色顆粒3.9g。

3 產(chǎn)物表征

對(duì)所得產(chǎn)物用1H-NMR、MS、IR、元素分析、UV-Vis進(jìn)行了表征，結(jié)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,計(jì)算值:C44H30N4O4:C 77.88,H 4.42,N 8.26;實(shí)測(cè)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 結(jié)果與討論

4.1 氧化劑對(duì)產(chǎn)率的影響

如前述可能的機(jī)理，適當(dāng)?shù)难趸瘎┛梢源偈狗磻?yīng)中間體轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)證明，與空氣為氧化劑的純丙酸體系相比，在反應(yīng)體系中加入DMSO或硝基苯后,產(chǎn)率顯著提高(產(chǎn)率由實(shí)驗(yàn)初期的約10%提高至30%以上)。

DMSO組：DMSO可將THPC氧化成THPP，因而產(chǎn)品中不含THPC(按照文獻(xiàn)[19]中的公式計(jì)算，THPC含量應(yīng)為0，而在對(duì)照組不加DMSO的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)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，還能夠即時(shí)結(jié)合反應(yīng)生成的水，促使反應(yīng)向著生成THPP的方向進(jìn)行[17]。

硝基苯組：一方面，硝基苯有氧化作用，能促進(jìn)反應(yīng)中間體向產(chǎn)物轉(zhuǎn)化。另一方面，產(chǎn)物不溶于硝基苯，直接析出，有利于產(chǎn)物的分離，TLC分析顯示濾液中幾乎不含產(chǎn)物。

4.2 后處理方法對(duì)產(chǎn)率的影響

我們?cè)谄渌麠l件不變的前提下嘗試了4種后處理方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 純化方法比較

4.3 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

DMSO組：其他反應(yīng)條件同實(shí)驗(yàn)步驟中2.1所述，加完吡咯后控制溫度回流2h[17]，考察反應(yīng)溫度對(duì)THPP產(chǎn)率的影響。從圖3可以看出，反應(yīng)溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率的影響較大。一方面，從縮合反應(yīng)機(jī)理的角度講升高溫度對(duì)反應(yīng)有利；但另一方面，反應(yīng)溫度過高時(shí)容易生成大量的黑色焦油狀物質(zhì)而使后處理難度增大，產(chǎn)率降低。所以，適宜的反應(yīng)溫度應(yīng)在130℃左右。

硝基苯組：類似DMSO組中的分析(圖3)。適宜的反應(yīng)溫度為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組的適宜溫度高于DMSO組，推測(cè)可能是硝基苯發(fā)揮氧化作用所需的溫度高于DMSO。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響1 硝基苯組；2 DMSO組

4.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響

溫度控制在4.3所得適宜反應(yīng)溫度，考察時(shí)間對(duì)THPP產(chǎn)率的影響。在反應(yīng)開始階段，隨著時(shí)間增加，產(chǎn)率提高較快，當(dāng)反應(yīng)到一定時(shí)間后產(chǎn)率達(dá)到最大值。反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，產(chǎn)率反而有所降低。這是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，副反應(yīng)增多，特別是黑色焦油狀物增多，增加了產(chǎn)物分離提純的難度，導(dǎo)致產(chǎn)率下降。從圖4可知兩個(gè)體系的適宜反應(yīng)時(shí)間分別為：90min(DMSO組)和60min(硝基苯組)。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響1 硝基苯組；2 DMSO組

4.5 丙酸用量對(duì)產(chǎn)率的影響

在DMSO組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，考察丙酸用量對(duì)產(chǎn)率的影響。其他反應(yīng)條件與2.1相同，130℃下反應(yīng)90min，控制丙酸與DMF的體積之和為72mL，改變丙酸的用量，所得結(jié)果如圖5?？梢姰?dāng)丙酸用量小于54mL時(shí)，產(chǎn)率明顯降低；當(dāng)丙酸用量大于54mL時(shí)才有較理想的產(chǎn)率。

圖5 丙酸用量對(duì)產(chǎn)率的影響(DMSO為氧化劑)

5 注意事項(xiàng)

(1) 硝基苯是受公安部門管制的易制爆試劑且毒性較強(qiáng)，其使用及溶劑殘留都需要特別注意。該試劑的領(lǐng)取、使用和退庫(kù)都需要有詳細(xì)記錄和專人管理。另外，柱層析操作需用到大量有機(jī)溶劑，應(yīng)當(dāng)在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，并及時(shí)回收。

(2) 本合成實(shí)驗(yàn)采用油浴加熱，介質(zhì)為甲基硅油，控溫采用調(diào)壓器和控溫儀結(jié)合的方式，反應(yīng)內(nèi)溫為130～155℃時(shí)，相應(yīng)油浴溫度范圍為135～165℃。

(3) 用本文所述方法合成的THPP中含有少量丙酸或丁酸，可將產(chǎn)品溶解在盡量少的良溶劑(如DMF)后再傾入大量不良溶劑(如水)中攪拌析晶，經(jīng)過濾、真空干燥即得不含丙酸或丁酸的樣品。

(4) 產(chǎn)品顏色可能為藍(lán)色、藍(lán)紫色、紫色。由于核磁譜無明顯差異，推測(cè)產(chǎn)品顏色可能與晶形有關(guān)。

6 結(jié)語

利用改進(jìn)的Adler法合成了THPP，通過IR、MS、1H-NMR、元素分析和UV-Vis光譜表征了產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)；初步理清了影響產(chǎn)率的主要因素，并使產(chǎn)率由實(shí)驗(yàn)初期的5%～10%提高到35%，達(dá)到了文獻(xiàn)報(bào)道的水平，產(chǎn)品的純度和產(chǎn)率的穩(wěn)定性較實(shí)驗(yàn)初期均有顯著提高。

在實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷中，我們觀察并了解到卟啉在仿生合成、金屬催化、顯色劑、光電材料等領(lǐng)域的應(yīng)用前景和研究近況，激發(fā)了對(duì)化學(xué)問題進(jìn)行研究探索的興趣；同時(shí)也深刻體會(huì)到“創(chuàng)新”的艱難和不易：小組同學(xué)在開放實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，用了近一個(gè)學(xué)期的業(yè)余時(shí)間完成此項(xiàng)工作，雖合成產(chǎn)率有顯著提高，達(dá)到文獻(xiàn)水平，但在方法上并沒有新的突破，說明我們現(xiàn)階段在知識(shí)和能力上離方法創(chuàng)新的要求還有一定的差距。

在經(jīng)歷了該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，每個(gè)成員在文獻(xiàn)調(diào)研、合成反應(yīng)的單元操作、結(jié)構(gòu)鑒定及分析儀器的使用、討論交流以及論文撰寫等方面都有了進(jìn)步，為將來從事并投身于科研工作增強(qiáng)了自信、打下了比較扎實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 劉展良,黃錦江,勞彩玲,等.中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1996(4):42

[2] Ali H,Lier J E.ChemRev,1999,99:2379

[3] Biesaga M,Pyrzynska K,Trojanowicz M.Talanta,2000,51(2):209

[4] Li J,Lindsey J S.JOrgChem,1999,64:9101

[5] Anderson H L.ChemCommun,1999(23):2323

[6] Wanger R W,Lindsey J S,Seth J,etal.JAmChemSoc,1996,118:3996

[7] Wang J W,Meng F H,Zhang L F.Organometallics,2009,28(7):2334

[8] Rothemund P.JAmChemSoc,1935,57:2010

[9] Adler A D,Longo F R,Finarelli J D.JOrgChem,1967,32(2):437

[10] Lindsey J S,Schreiman I C,Hsu H C.JOrgChem,1987,52(5):827

[11] 郭燦城,何興濤,鄒綱要.有機(jī)化學(xué),1991,11(4):416

[12] 潘繼剛,何明威,劉輕輕.有機(jī)化學(xué),1993,13(5):533

[13] Petit A,Loupy A,Maillard P,etal.SynComm,1992,22(8):1137

[14] 夏春蘭,盧衛(wèi)兵,鄧立志,等.大學(xué)化學(xué),2004,19(1):47

[15] Adler A D,Longo F R,Shargalie W.JAmChemSoc,1964,86:3145

[16] 何明威,潘繼剛,劉輕輕.山西大學(xué)學(xué)報(bào),1993,16(1):68

[17] 章艷,高保嬌.合成化學(xué),2008,16(1):86

[18] 李忠芳,王宇新,王亞權(quán).山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,17(1):1

[19] Badger G M,Ward A D.AustJChem,1964,17(6):1028

[20] 童沈陽,趙鳳林,孫國(guó)斌.分析化學(xué),1987,15(12):1068

[21] 王君文.卟啉及金屬卟啉的合成.山西大學(xué)碩士學(xué)位論文,1998