金属卟啉配合物的化学研究进展

⾦属卟啉配合物的化学研究进展

卟啉及⾦属卟啉配合物的研究进展⽂献综述 XXX

（XX ⼤学化学化⼯学院 江苏，XX 215654 ） 摘要：卟啉是以卟吩为核⼼⾻架的⼀类化合物的总称。 近年来⾦属卟啉在⽣物

化学、医学、分析化学、合成化学、材料科学等领域有着⼴泛的应⽤。论述了卟啉及⾦属卟啉化合物的结构、性质、主要的⼏

种合成⽅法及其应⽤。

关键词：卟啉; ⾦属卟啉; 合成

前 ⾔

⾦属卟啉配合物的合成和应⽤⼀直是许多化学家研究的热点课题, 它涉及到有机合成、催化化学、配位化学、分析和固体化学

等领域

[ 1-4], 尤其在超分⼦化合物的设计和组装领

域发挥了独特的作⽤[ 5-7] 。在已报道的多种⼈⼯合成超分⼦中, 卟啉作为主体分⼦具有

其刚性结构, 周边官能团的⽅向和位置可较好地得到控制, ⽽且卟啉分⼦有较⼤的表⾯, 对其轴向配体周围的空间和相互作⽤⽅

向的控制余地较⼤[ 8, 9]

。同时,⾦属卟啉作为主体,

通过⾦属原⼦与客体分⼦之间的配位作⽤, 以及主体和客体分⼦之间的分⼦间弱相互作⽤等客体进⾏分⼦识别, 形成复合物, 并

且冠醚环能够⾼选择性地测定Na + 、K + 、Ca 2+ 、Mg 2+

等具有⽣理意义的碱⾦属和碱⼟⾦属离⼦[10] 。利⽤冠醚的⾼选择性这⼀特征和卟啉环⽣⾊

基对周围环境细微变化的⾼灵敏响应, 设计出冠醚修饰的卟啉超分⼦并应⽤于分⼦识别是近年来成为卟啉主体的分⼦识别和检

测技术研究的热点课题之⼀

[11]。 1 ⾦属卟啉化合物的结构与性质

1.1 卟啉及⾦属卟啉的结构

卟吩环( 如图1) 是含4个吡咯环的18 原⼦、18 电⼦⼤体系的平⾯型分⼦, 是⾼度的芳⾹体系, 结构⼗分稳定。4个吡咯环之间的

碳( 5,10,15,20) 被称作中位(meso) 碳,其余8个可被取代的碳称作外环碳。当在α,β,γ,δ 位置上分别接上R 1, R 2, R 3, R 4 取代

基则形成⼀系列卟啉。当卟吩环没有取代基时其结构近似于平⾯型[12],但当卟吩环接上取代基时,其结构易受取代基的影响⽽

变形。若卟啉分⼦中⼼4个氮原⼦质⼦化,由于质⼦的空间位阻和静电斥⼒使吡咯环与分⼦平⾯产⽣偏离,如质⼦化的四苯基卟

啉,吡咯环与分⼦平⾯偏离33。[13]

。

当卟啉环氮上的2 个质⼦被⾦属取代后即形成了⾦属卟啉(如图2)。⼀般来说, 卟啉环中的4个氮原⼦都能与⾦属离⼦成键。随

着⾦属离⼦半径的不同,⾦属可以在卟啉环平⾯内, 即位于卟啉环的中⼼, 也可以位于卟啉环的平⾯外 。前者被称为“ 平⾯内型

⾦属卟啉化合物”, 后者则被称为“平⾯外型⾦属卟啉化合物。”

图1 卟啉环图2 ⾦属卟啉

1.2 卟啉及⾦属卟啉化合物的性质

卟啉及⾦属卟啉化合物的物理性质: 它们都是⾼熔点、深⾊的固体, ⼤多数不溶于⽔, 但能溶于矿酸⽽且⽆树酯化作⽤,溶液有萤

光,不溶于碱,对热⾮常的稳定。卟啉化合物最显著的化学特性是易与⾦属离⼦⽣成1：1的配合物卟啉, 与周期表中各类⾦属元

素( 包括稀⼟⾦属元素)的配合物都已经得到。⾦属卟啉化合物由于⾦属离⼦与卟啉基之间的成键具有可变性和M-N键的反应活

性较⾼, 加之卟啉环本⾝⼜能发⽣⼀些典型的芳⾹性取代反应, 决定⾦属卟啉化合物具有许多独特的反应性质。例如配体交换反

应、络合反应、活化⼩分⼦、氧化反应、还原反应等。

2 卟啉及⾦属卟啉化合物的合成

卟啉的形成过程就是4分⼦吡咯和4分⼦芳醛的缩合反应,其反应历程⼤致如下[14]:卟啉化合物的合成主要是构造卟吩核。合成的卟啉化合物中最具代表性的当属四苯基卟啉( TPP),其合成⽅法主要有以下⼏

种。

2.1 Rothemund 法

四苯基卟啉最早是由Rothemund[ 15, 16]合成出来的。它主要是以醛类化合物和吡咯为原

料, 以吡啶和甲醇为溶剂,在封⼝的玻璃管中反应,⽔浴条件下在90~ 95℃反应30min。然后将反应液降温后过滤,⽤蒸⽓加热滤

液以除去甲醇;真空浓缩,然后倒⼊醚中,过滤后再⽤蒸馏⽔多次洗涤滤液,然后再⽤50%⼄酸萃取2次。最后,将含有醚的溶液⽤饱

和NaHSO3 萃取3次后,⽔洗⾄中性。⽤盐酸、⼄酸钠、氢氧化钠及硫酸钠以Willstatter 法浓缩, 使卟吩析出。Rothemund法合成卟啉的过程如下：

该⽅法的缺点是反应时间长,反应条件苛刻,要求反应器密闭隔氧,底物浓度较低,⽽且后处理⾮常⿇烦, 反应收率也⽐较低,仅有极

少数的芳醛可⽤于合成卟啉。

2.2 Adler-Longo 法

1967 年Adler 和他的助⼿们改进了Rothmund 等的合成⽅法[17], 提⾼了卟啉的产率,

他认为合成卟啉的产率主要取决于溶液的酸碱性、溶剂种类、反应温度和反应物浓度等因素。他们采⽤苯甲醛和新蒸的吡咯在

丙酸中回流( 141 ℃) 反应30 min, 冷却⾄室温后过滤, 分别⽤甲醇和热⽔洗涤滤饼, 得蓝紫⾊晶体。真空⼲燥后, TPP收率为20% 。采⽤这种⽅法, 约有70 多种醛类化合物和吡咯反应合成了卟啉化合物。

Adler-Longo法可能的反应机理为：

总的来说, Adler-Longo 法的优点是: 操作⽐较简单,实验条件也不很苛刻, 同时反应路线⽐较成熟, 反应产率也相对较⾼;当选⽤

适当⽐例的2种醛合成卟啉时,还可以获得不对称的官能团化卟啉。但是Adler-Longo 法也有⼀定的缺陷:⾸先,⼀些对酸敏感的

含取代基的苯甲醛不能⽤作原料;其次,带有强吸电⼦基的苯甲醛在进⾏合成卟啉时产率特别的低;⽽且由于底物浓度⾼及反应温

度较⾼, 反应时容易⽣成⼤量的焦油,使纯化⽐较困难;另外,反应中的副产物四苯基⼆氢卟啉与四苯基卟啉分离较困难。

2.3 Lindsey 法

1987 年Lindsey [18] 提出⼀种新的合成卟啉的⽅法, 整个反应分2步进⾏,⾸先得到卟啉合成的中间体(卟啉原),再加⼊氧化剂将

其氧化成卟啉。具体实验操作是苯甲醛和吡咯在N 2 的保护下, 以CH 2Cl 2 为溶剂, ⽤BF 3- ⼄醚作催化剂, 室温下反应⽣成卟

啉原, 然后再以DDQ 或四氯苯醌(TCQ)等作氧化剂氧化合成四苯基卟啉(TPPH 2),其合成卟啉的收率可达30%-40%。

Lindsey 法合成卟啉的过程如下：

Lindsey 法的优点是: 该法的反应温度⽐较低,⼀般不会产⽣焦油状的副产物, ⽽且⽬标产物的分离提纯也显得⽐较容易; 同时, 温

和的反应条件也允许反应物先经过⼀定的化学修饰, 如连上⼀些敏感的基团。 但是这种合成⽅法也有⼀定的缺限:第⼀,该反应

条件⽐较苛刻, 需要⽆⽔⽆氧操作,⽽且这个反应不能⼀步⽣成四苯基卟啉,必须在反应过程中外加氧化剂,从⽽使实验操作变得

复杂;第⼆,⼀些含取代基的苯甲醛如对硝基苯甲醛与吡咯形成的低聚物, 在CH 2C 12中不溶解,不能进⼀步转化为产物,因⽽该法

不能⽤于这些卟啉的合成;第三,该种⽅法要求反应物的浓度也⽐较低,以吡咯计仅为0。01mol/L, 且最⼤反应容积为1 L, 放⼤后

效果不好, 因此, 这个反应也不利于⼤批⽣产。

2.4 微波诱导法

近些年,除了上述在溶液中制取卟啉及⾦属卟啉化合物外,卟啉的合成还向微波诱导法的⽅向发展。1992年法国化学家Petit 等[19]

将苯甲醛、吡咯的混合液吸附在⽆机酸性固体

载体上,利⽤载体酸性催化剂作⽤,在微波诱导下合成了TPP,产率为9。5%。胡希明等[ 20]

进

⼀步研究了微波诱导合成TPP 的机理及影响因素,合成了TPP,其产率可达13%左右。刘云等[ 21] 以⼆甲苯为溶剂,⽤硝基苯甲

酸为催化剂,使苯甲醛和吡咯在微波炉中反应20min,也制得了卟啉化合物,产率达到了42% 。

微波诱导法与传统的⽅法相⽐,微波法的优点是反应简便迅速,微波加热可以使反应速度⼤⼤加快,可以提⾼⼏倍、⼏⼗倍甚⾄上

千倍[22]。3 卟啉及⾦属卟啉配合物的应⽤

3.1 ⾦属卟啉催化氧化

卟啉类⾦属配合物和Salen ⾦属络合物均具有与酶活性中⼼相似的结构, 可以进⾏⼀些类似⽣物体内的催化氧化过程 。不同结

构的卟啉和席夫碱仿⽣催化剂的催化活性差异⾮常⼤, 因此如何通过有效的分⼦设计, 合理地调变其结构以提⾼其仿⽣催化活

性, ⼀直是仿⽣催

化领域⾮常吸引⼈的⼯作。

Suslick 等[23]

研究了⼀系列⽴体保护配位的锰卟啉催化烷烃氧化反应,发现四-(2,4,

6-苯基)苯基锰卟啉具有良好的选择性。郭灿城等[24-25]

研究了不同取代基铁卟啉、双⾦属

卟啉、⼄酰糖基卟啉等对PhIO 氧化环⼰烷的催化作⽤,发现单锰、单铁、双锰、双铁卟啉配合物都对环⼰烷氧化反应具有催化

作⽤, 并且双锰、双铁卟啉⽐单锰、单铁卟啉具有更好的催化稳定性和催化产率。袁霞等[26] 发现, Cosalen/NaY 催化剂具有

将环⼰烷⼀步氧化为⼰⼆酸的能⼒, ⽽且在使⽤过程中没有明显的活性组分流。

3.2 ⾦属卟啉配合物作为抗癌光敏剂

卟啉是⼀类由四个吡咯环通过次甲基相连形成的共轭⾻架⼤环化合物。它不仅具有独特的⽣理活性，⽽且与癌细胞有独特的亲

和⼒，在医学上作为抗癌光敏剂。光敏剂是⼀种本⾝(或其代谢产物)能选择的浓集于要作⽤细胞的化学物质，它在适当波长光

的激发下能产⽣光动⼒效应⽽破坏靶细胞。卟啉类光敏药物的设计与合成及其在肿瘤光动⼒疗法中的应⽤研究是新的热点。

3.3 ⽣物化学⽅⾯

作为单加氧酶的模型，卟啉化合物的研究与应⽤主要在以下⽅⾯[27]：(1)对烷烃进⾏单加氧化(如氧化环⼰烷为环⼰醇和环⼰

酮)；(2)对烯烃进⾏环氧化(如氧化苯⼄烯为苯基环氧⼄烷或氧化丙烯为甲基环氧⼄烷)；(3)对萘酚进⾏氧化[28]（如制2-羟基-1,4萘醌)；(4)对⽊质素、污染物及含硫、含氮等杂原⼦化合物的氧化，同时也可⽤于药物的代谢：(5)对DNA 进⾏氧化从⽽使

其裂解，以判明DNA 的结构．

作为单加氧酶的模拟物，⾦属卟啉化合物的催化活性是以其共轭⼤霄键电⼦体系和⾦属原⼦价态的改变为基础的．在研究中，

⼈们得出以下结论：(1)具有疏⽔结合部位的⾦属卟啉，如环糊精．⾦属卟啉化合物及冠醚．⾦属卟啉化合物等具有良好的催

化性能[28]。卟啉化合物问位苯环上的取代基团对⾦属卟啉化合物的催化性能有两⽅⾯影响，即对氧源中氧的脱离活性有影

响，对卟啉化合物的稳定性有影响。如位阻型⾦属卟啉化合物(即在四苯基卟啉的苯基邻位上引⼊了适当的取代基)对烷烃的羟

基化和烯烃的环氧化显⽰出特殊的选择性和稳定性。

3.4 分析化学⽅⾯

⼈们在化学仿⽣学的启⽰下，于20世纪50年代后期将卟啉化合物作为试剂⽤于分析化学中[29]。1979年童沈阳⾸次介绍了卟

啉这种超⾼灵敏度试剂在分析化学中的应⽤。由于卟啉化合物具有很⼤的平⾯共轭结构，颜⾊深，与许多⾦属离⼦可⽣成l ：l

的配合物，在400--500 nm 处有强的吸收带，摩尔吸光系数⼀般在2×105-5×105 m 2

／mol ，可测定Cu 、z n 、Cd 、Hg 、Pb 、Mn 、Mg 、Pd 、Co 、Fe 等多种离⼦。

虽然卟啉化合物是⼀种灵敏度⾼、稳定性好的⾦属离⼦显⾊剂，已应⽤于痕量⾦属离⼦的分光光度分析、荧光分析、磷光分

析，但卟啉显⾊剂对⾦属离⼦的选择性较差，且多数是⾮⽔溶性的，测定时需加表⾯活性剂或掩蔽剂。新型尾式卟啉如尾式卟

啉．吡啶(三⼄胺)

季铵盐化合物[30]，具有较好的表⾯活性和选择性，可很⽅便地⽤于⾦属离⼦的分析。