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卟啉与金属卟啉化合物 研究概况 命名与结构 天然存在 合成方法 应用 研究概况 统计结果 出版年 主题=(porphyrin) OR 主题=(porphyrins) OR 主题=(metalloporphyrin) OR 主题=(metalloporphyrins) Web of Science SCI 2010.9.1 研究概况 统计结果来源出版物 主题=(porphyrin) OR 主题=(porphyrins) OR 主题=(metalloporphyrin) OR 主题=(metalloporphyrins) 2010.9.1 早在30年代就有人从事卟啉化学的研究, 它们现已被广泛用于分析化学、配位化学、 仿生、医学、催化等许多领域。近年来, 各国 科学家对它们的研究更深入和活跃, 了解这类 化合物在生命过程中的作用, 将有助于我们更 好地开发和利用它们。 命名与结构 卟吩(porphine) 卟啉(porphyrin) 金属卟啉(metalloporphyrin) 相互关系 中位碳或外环碳被取代 与金属离子结合 卟啉的骨架 命名与结构 卟吩(porphine) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 中位(meso)碳 外环碳 IUPAC编号法 命名与结构 1 23 4 5 6 7 8 Fisher编号法 命名与结构 环外双键 命名与结构 互变异构 天然存在 血红素 (heme) 血红素a 存在于细胞色素a、细胞色素氧化酶等 天然存在 血红素b 存在于血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素b等 天然存在 血红素c 蛋 白 质 分 子 存在于细胞色素c等 半胱氨酸 天然存在 其它含有血红素的蛋白质： 过氧化氢酶(catalase, CAT) 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD) 天然存在 叶绿素 (chlorophyll, Chl) RCH3，叶绿素a；RCHO，叶绿素b 叶绿醇 光合作用(photosynthesis) 天然存在 叶绿素： 叶绿素a、b、c、d、e； 细菌叶绿素(bacteriochlorophyll, Bchl; a, b等) 合成方法 1.Rothemund法 四苯基卟啉最早由Rothemund 合成出来。其 方法是将等摩尔的苯甲醛和吡咯以及吡啶溶剂置 于密封容器中，在150反应24 48 小时，能 得到产率很低的四苯基卟啉，并且在此条件下， 能用来作反应物的取代苯甲醛极少。 Rothemund 法是最早合成卟啉化合物的方 法。该法反应时间长，所需反应条件苛刻，且 要求反应器密闭隔氧，底物浓度较低；后处理 非常麻烦，反应收率低，仅有极少数芳醛可用 于合成卟啉，因此该法逐渐为后人所改进。 2.Adler法 1967 年Adler 和他的助手采用苯甲醛和吡 咯在回流(141)的丙酸中反应，反应时间为 30min，冷却，过滤，滤饼分别以甲醇和热水洗 涤，真空干燥，得蓝紫色四苯基卟啉晶体。此 方法不必将反应器密封，产率达到20%。用该方 法合成时，反应原料除苯甲醛，还可用取代苯 甲醛合成四苯基卟啉的衍生物。 此法是目前应用最广泛的中位取代四苯 基卟啉的合成方法，操作简单，原料浓度可 较大。Adler法大大丰富了合成中位四苯基卟 啉化合物的内容。 3.Lindsey法 1987 年Lindsey 进一步改进了四苯基卟啉的 合成。采用苯甲醛和吡咯在氮气的保护下，在二氯 甲烷中，以三氟化硼合乙醚络合物（(C2H5)2OBF3 ）催化，室温下反应生成卟啉原，然后以二氯二氰 基苯醌（DDQ）或四氯苯醌（TCQ）将卟啉原氧化得 到最终产物卟啉，产率可达30%。但是该方法反应 原料浓度较低，以吡咯计仅为10-2molL，且反应步 骤较多，反应条件较苛刻，难以进行大量合成。 4.微波合成法 1992 年法国化学家PetitA 及其合作者首次 报道了固相微波合成TPP，产率为9.5%。1996 年 ，胡文祥等用微波湿法合成TPP。继后，刘云、胡 希明等也分别探讨了不同溶剂、不同催化剂条件 下TPP 的微波合成，但前者操作较繁琐，后者的 产率较低（14%以下）。陈年友等报道了以硝基苯 为溶剂，氯乙酸为催化剂，以195W 功率的微波辐 射6min，四苯基卟啉的产率为36%，且操作简单， 反应条件温和，反应时间短，粗产物较易分离纯 化。 5.其他合成方法 八乙基卟啉 应用 卟啉化合物在自然界广泛存在，由于卟啉 化合物具有独特的结构、性能和特殊的生理 活性，卟啉化合物在医学、生物化学、材料 化学、合成化学、分析化学、能源利用等很 多方面具有良好的应用前景，人们对卟啉化 合物的合成及应用已经进行了深入研究。 1.在医学方面的应用 卟啉在医学上的应用有以下几方面： 卟啉类光敏药物 对肿瘤的光动力疗法 超声治疗癌症 卟啉类光敏药物 血卟啉(Hematoporphyrin，简称HP)是提 取自血液的一种有机光敏物，是最常被应用的 抗癌物。其作用机理是：在有氧的情况下，卟 啉经一定波长的光照后可吸收能量并激发出单 线态氧而杀死细胞。利用这种特性，当卟啉聚 集在癌变部位时，用某种波段的光或激光照射 病灶，便可杀死癌细胞，从而达到治疗的目的 。 研究历史 早在1908年Hausmarm就用兔的红细胞进行了 HP作用的研究，表明HP具有光敏作用；1942年 Auler和Banzer首先报道了HP在大鼠体内倾向于存 积在恶性肿瘤组织中；1948年Figge等发表了利用 HP可以诊治癌症的报告；20世纪60年代，Lipson在 光敏药物的研制上取得突破，研制出HP衍生物 (hematoporphyrin derivative，HpD)。1994年第一 个卟啉类光动力抗癌药物光敏(PS)被批准上市， 用于治疗皮肤癌、食道癌、支气管癌、膀胱癌等多 种不同的恶性肿瘤。 A paradigm 2.在生物化学方面的应用 由于卟啉在生物体内起着及其重要的作 用，是血红素、细胞色素和叶绿素等生物大 分子的核心部分，故可以用作生物体内氧化 过程的模型，而其中以模拟单加氧酶P-450 、血红蛋白及肌红蛋白最引人注目。 关于模拟单 加氧酶P-450 在具多转化底物能力的血红素蛋白中, 细 胞色素P-450意义重大, 它能催化各种有机物 和分子氧之间称之为混合功能氧化的化学反应 ，但由于它们的分子量巨大, 很难研究其催化 反应的详细机制。同时由于它们不稳定, 制备 很困难。由于铁卟啉配合物和P-450有类似的 结构性质, 人们利用它去对P-450进行模拟。 一种由咪唑的铁卟啉络合物和亚甲基丙烯酸共 价结合的模拟体系，如下所示： 模拟体系 血红蛋白或肌红蛋白的合成模型 3.在材料化学方面的应用 卟啉具有电致发光性：卟啉化合物在溶 液中具有强的荧光，利用卟啉掺杂或高分子 链中引入卟啉可以做成有机电致发光材料。 1996年，研究人员将TPP掺入Alq3中作为 发光层，利用从Alq3到TPP的能量转移获得了 纯红光发射(655nm)，其发光效率为0.07%， 发光亮度为42cd/m2。这是卟啉最早在OLED 中作为饱和红光发射材料。 四苯基卟啉(TPP) Alq3 八乙基卟啉铂(PtOEP)与TPP相比具有更 高的光致发光量子效率，在利用单线态能量 同时还利用了三线态能量发光，使器件的内 量子效率理论上突破了25%的极限。将其掺 杂于PNP中可使发光效率达到29%。 (a)Pt OEP 吉林大学的研究小组也在这方面开展了 一些工作 ，他们把四苯基羰基钌掺杂Alq3以 及把四苯基卟啉铂(PtTPP)掺杂双(酚基吡啶) 铍(BePP2)，利用主客体的能量转移获得了纯 红光器件。 郭建华，吴英，叶开齐，孙迎 辉，王悦四苯基卟啉铂电致 发光性能研究 分子科学学报 ，2005，21(1)：1-5 4.在分析化学方面的应用 在卟啉类固定相以配位作用成功分离阴 离子的基础上，将其用于氨基酸与多肽的分 离，采用ZnCPTPP键合硅胶、Fe()ProP键 合硅胶Fe()ProP键合硅胶，分离多种氨基 酸与多肽。研究人员以18种氨基酸为分离物 ，进行缓冲液类型、浓度、pH、有机修饰剂 及柱长的影响试验。在色谱条件优化的基础 上，成功分离了三肽、C-多肽、胰岛素及其 混合物。 另外，卟啉能够用于测定一些金属离子 在食品以及人体中的含量，比如锌原卟啉 (ZnPP)用于评价人体铁含量及测定铅含量。 5.在环境保护上的应用 金属类卟啉化合物对有机化合物有催化氧 化的作用其中最突出的是用以消除NO污染。 NO和O2一样, 对金属卟啉化合物也进行轴向 配位并活化, 而且比O2更为容易, 所以可以利 用这类化合物作为NO还原分解的催化剂, 来更 好地消除NO污染。 机理 ： 铁和锰的卟啉配合物与H2O2 成模拟酶体 系在乙醇中可以催化芥子气的类似物二苄基 硫醚和苯基 2氯乙基硫醚的氧化，生成 相应的砜和亚砜。 6.催化氧化 Manganese porphyrins (pink ovals) on a gold surface can react with molecular oxygen (blue circles) to form catalysts (red ovals) in which an oxygen atom is bonded to the Mn atom. The process Catalysts are formed in pairs because one oxygen molecule activates two neighbouring porphyrins. An alkene substrate (cis-stilbene 顺式 二苯乙烯 ) introduced above the gold surface is oxidized by the porphyrin catalysts to form an epoxide (cis-stilbeneoxide), regenerati