（物理化学专业论文）新型金属卟啉的合成与分子识别研究.pdf

内容摘要 内容摘要 卟啉化学是化学、物理、生命材料和信息等领域学科交叉的研究热点，在 生物无机化学、配位化学和主客体化学等领域都具有重要意义，对它的研究一 直是倍受关注的课题。并且由于金属卟啉在生物化学中的重要地位，使其在仿 生化学研究中具有非常特殊的重要意义。本论文设计合成并研究了尾式金属卟 啉对咪唑类客体的分子识别，并应用理论化学工具，进行了深入的探讨和研究。 主要内容如下： 1 合成了三种新型的s a l e n 半体修饰的尾式自由卟啉及其金属锌配合物， 采用紫外可见光谱、核磁共振波谱、以及红外光谱等手段对它们进行了 表征。合成了两种新型卟啉s a l e n 配合物，并采用1 h n m r 进行了表征。 2 研究了s a l e n 半体修饰的尾式锌卟啉对含氮类客体小分子的分子识别行 为。用紫外一可见光谱滴定法测定了识别体系的缔合常数，研究了各种 因素对主客体体系缔合能力的影响。实验结果表明，主客体结构以及温 度等均对缔合能力有明显的影响。讨论了不同主体对同一客体以及不同 客体对同一主体识别过程的平衡常数大小顺序是电子效应和空间效应 综合作用的结果。 3 采用模拟退火方法研究了三种尾式卟啉与n 甲基咪唑识别体系的最低 能量构象。研究发现，尾式锌卟啉主体与n 一甲基咪唑客体缔合体系的 最低能量顺序与相应的体系的平衡常数顺序一致。 4 合成了一种铜卟啉配合物，并测定了其单晶结构。对利用这种配合物作 为单元的空间配位体系进行了构建尝试。 关键词：金属卟啉，分子识别，光谱滴定，构象分析，合成表征 a b s t r a c t a b s t r a c t p o r p h y r i nc h e m i s t r yh a sa l r e a d yb e e ni m p o 血m ti nm a n yi m e r s e c t i o n a li n v e s t i g a t i o n s s u c ha sc h e m i s t r y ，p h y s i c s ，l i f em a t e r i a la n di n f o r m a t i c s m e t a l l o p o r p h y r i n sa r eo f g 陀a ts i g i l i 矗c a n c ei nt h ef i e l do fb i o i n o 玛a 1 1 i cc h e m i s t c o o r d j n a t j o nc h e m i s t r ya n d h o s t - g u e s tc h e m i s t r y s t u d i e so nm e 乜l l o p o r p h y r i n sh 鲫ea l w a y sb e e nam a i np o i n t a sa ni m p o r t a ncr o l ei nb i o c h e m i s n y ，m e t a l l o p o r p h y r i n sh a v eb e e nu s e di nb i o n i c s t u d i e so fc o n s e q u e n c e m o l e c u l a rr e c o g n i t i o no ft a i l e d m e t a l l o p o r p h y r i n sh a sb e e n s y n m e s i z e d 柚ds c u d i e di n 吐1 i st h e s i s ，a 1 1 dm e o r e t i cc h e m i s t r yh a sb e e np e r f o r m e dt o j n v e s t i g a t e t h em a i nc o m e n ti ss h o w na sf o l l o w s ： 1 t h r e en e w 丹e ea 1 1 dz i n cp o r p h ”i n sm o d i f i e db yh a l f - s a l e ns t r u c t u r ew e r e s y m h e s i z e d 柚dc h a r a d e r i z e db yu v - v i s ，1 hn m ra n di rs p e c t m m 1 、v on e w p o r p h y r i n - s a l e nc o m p o u i l d sw e r es y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e db y1 hn m r s p e c t r u r l l 2 t h em o l e c u l a rr e c o 印i t i o n so fn 哪e t h y li m i d a z o l eb ym o d i 矗e dz i n cp o r p h y r i n s w e r es t u d i e d t h ea s s o c i a t i o nc o n s t a n t so ft l l es y s t e m sw e r em e a s u r e db yo f u v - v i st i t r a t i o n ，a 1 1 da 懿c tf a c t o r so fa s s o c i a t i o nc o n s t a n t sw e r ed i s c u s s c d ， w h i c hi n c l u d e 也es t c r e oc o 蚯g l l r a t i o no f h o s ta i l dm ee l e c t r o ne f f e c t ，g u e s t m o l e c u l e sa i l dt e m p e r a t u r e t h em i n i m a le n e r g yc o n f o r n l a t i o n sa n db i n d i n g m o d eo f h o s t g u e s ts y s t e m sw e r eo b t a i n e db ys i m u l a t e da n n e a l i n g ， 3 t h em 0 1 e c u l a rr e c o g n i t i o no fn m e t l l y li m i d a z 0 1 eb yt h et a i l e dz i n cp o r p h y r i n s w a sa l s os t u d i e db ys i m u l a t e da n n e a l i n g 。弧eo r d e r so fl o w e s te n e r g yv a l u e so f t h eh o s t - g u e s ts y s t e m sw e r ec o n s i s t e n tw i mt h eo r d e ro ft h ea s s o c i a t i o nc o n s t a l l t o ft h e s es y s t e m s 4 ac o p p e rp o r p h y r i nc o m p o u n dw a ss y n 1 e s i z e da n di t ss i n g l ec r y s t a ls t r u c t u r e w a sa n a l y z e d k e y w o r d s ：m e t a u o p o r p h y r i n s ， m o l e c u l a rr e c o g n “i o n ，s t r u c t u r ea n a l y s i s ， s i m u l a t e da n n e a l i n g i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子皈，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 仇灵确 学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章 第一章序论 卟啉( p o r p h y r i n s ) 是在卟吩( p o r p h y r i n ) 环上带有取代基的一类化合物的总称。 卟吩是一种具有共轭双键的大环四吡咯体系，分子结构如图1 1 所示。卟吩分子 中四个吡咯环的八个p 位和四个m e s o 位中的氢原子均可被其它基团所取代，形 成各种各样的衍生物一卟啉。卟啉化合物与金属离子形成的配合物统称为金属 卟啉( m e t a l l o p o q p h 如n s ) 。 1 2 ) r h o d o a e t i o r h o d o c a p 图1 2 第一章 卟啉及金属卧啉广泛地存在于自然界和生物体中，如细胞色素、血红素、 叶绿素( 如图i 3 ) 【2 】等都是金属卟啉配合物。金属卟啉在生物化学上具有非常重要 的地位口j 。只要改变卟啉环上取代基、调节四个氮原子的给电子能力、引入不同 的中央金属离子，或者改变不同亲核性的轴向配体，即会使金属卟啉具有不同 的性质，因而也具有不同的功能。长期以来，人们己合成出多种具有特殊立体 构型的卟啉配合物，如栅栏状卟啉【4 】、帽型卟啉1 5 j 、拖尾卟啉【6 】、拖尾栅栏式卟 啉i ，j 、带状卟啉1 8 j 、王冠卟啉驯等等。 细胞色素 血红素图1 3 叶绿素 卟啉化合物是一类特殊的大环共轭芳香体系，自然界中存在许多天然卟啉 及其金属配合物。因为天然卟啉化合物具有特殊的生理活性，所以人工合成卟 啉来模拟天然卟啉化合物的各种性能一直是人们感兴趣和研究的重要课题 ”“” 。由于卟啉化合物独特的结构、优越的物理化学及光学特征，使得卟啉化 合物在仿生学、材料化学、药物化学、光物理与化学、分析化学【1 5 、有机化 学等领域都具有十分广阔的应用前景，正吸引着人们对卟啉化学进行不断深入 研究【1 6 】。 第一节卟啉化合物的合成进展 a l d e r _ l o n g o 法和l i n d s e y 合成法【1 8 】是合成卟啉化合物的两种经典的方 法。在此基础上，许多化学工作者提出了不少针对性强的具体改进方法。 s h a i l u g a 【h a s a m 等对所有的卟啉( 包括m e s o ，p 一取代的各种卟啉化合物) 的合 成方法作了比较全面的综述，下面介绍最近十年来有关卟啉化合物的重要合成 方法的新进展 6 第一章 1 1 1 【2 + 2 】合成 2 + 2 合成亦称m a c d o n a l d 方法，在文献 1 9 中已有较详尽的介绍。该法可 方便的合成具有两重对称轴的四苯基卧啉，也称t m s 一卟啉，还可合成中位是四 个不同芳基取代的卟啉。如g r y k o 等人【2 0 】合成了具有2 个s c n 基团的四苯基卟 啉化合物( 图1 4 ) 。该卟啉的s c n 基团进一步与电活性表面连接，为卟啉的电 化学研究提供模型体系。 c h o a + s c n 1 1 2 卟啉的官能团化 ! ：呈生：旦兰型呈! 旦 m e c n 2 d d q ，7 图1 4 在卟啉周边取代基上官能团化的目的通常是为了合成结构更复杂的卟啉化 合物，过去人们用此法合成了尾式( t a i l e d ) 、带式( s t r a p p e d ) 、袋式( p o c k e t ) 和帽式( c a p e d ) 卟啉化合物；或者制备连有特殊功能官能团的卟啉复合体，这 些复合体的结构复杂，往往是开拓卟啉的应用领域和探究成熟的应用实体的模 型化合物：同时，引入一个好的基团有利于反应在温和条件下进行。卟啉苯环 上的氨基和羟基是两种十分重要的官能团，如在羟基上引入2 一巯基苯并噻唑 2 “、 丫啶酮【2 2 l 等一些有特殊性质的大分子或杂环化合物，一直是人们研究卟啉的仿 生学热点。c l a r k e 等人【2 3 】将卟啉苯环取代基上的_ n h a c 转化为一n c s ，异硫氰基 团在无氧条件下能有效地与多肽上的氨基或聚苯乙烯树脂反应。b e a v i n g t o n 等【2 4 】 对m e s o 一卤代苯卟啉的b 一位官能团化，生成m e s o 一卤代苯卟啉一一二酮，它是合成 共轭键连的二- 聚卟啉十分有用的合成块。随着卟啉合成化学的发展，卟啉的官 能团化已成为合成双卟啉及多聚卟啉的一种颇为成熟的方法。 7 s c n 第一章 1 1 3 双卟啉( 低聚卟啉) 的合成 对卟啉的研究以前只限于吡咯环，最近许多研究工作着手卟啉的连接和扩 展【2 ”。双( 低聚) 卟啉是指卟【 i 单体通过共价键相连的大分子。按连接体的结 构特征分类可分为两大类型j ( 1 ) 柔性“开放”型卟啉。最常见的是两个卟啉环 的m e s o 一苯基以共价柔性单键多位点键连成“面对面”型双卟啉。( 2 ) “刚性” 双卟啉。所谓“刚性”，是因为连接体为乙炔基、苯基、乙烯基等自身是共轭体 系的基团；或者两个卟啉单体的卟盼核上的碳与碳直接键连的双卟啉。 共轭键连的双卟啉合成方法有： 1 钯催化交叉偶合法( p d c a t a l y z e dc m s s c o u p l i n g ) 【2 6 】 钯催化交叉偶合法是碘一卟啉和炔基一卟啉单体偶合成以炔基为连接体的双 卟啉的一种重要的合成方法。该法已广泛地应用于全部以碳元素为原料的炔类 材料( a i l c a r b o n b a s e dm a t e r i a l s ) 。 2 m c m u r r y 反应”合成法【2 7 】 该法通过以下步骤实现：金属卟啉一1 s m e i e r 甲酰化一m e s o 一甲酰基一金属 卟啉一t i c l ( d m e ) 1 5 z n c u 还原偶合一c i s - ，仃a n s 一的双卟啉异构体。 3 缩合法【2 8 】 对称和不对称的共面的芳香基键连的双卟啉，如1 ，2 一亚苯基、亚连苯基、 蒽等为连接体的双卟啉，都可方便地由该法合成。 直接键连的双卟啉合成法有： 1 化学氧化法 2 9 】 化学氧化法所用的氧化剂有d d q 和银盐，一般以锌卟啉为合成的前体。 2 电化学氧化法【3 0 1 p t 网为工作电极，自由碱卟啉氧化生成相应的双卟啉，c u ”、p d 、n i “等卟啉配合物区域选择性地生成m e s o b 键连的双卟啉。 3 “m c m u r r v 法【2 7 j 如文献 2 7 所述。见图1 5 8 第一章 n 奄澎r 1 j - 1 i + 2 d d q 图1 5m c m u r r y 反应合成m e s o m e s o 键连的双卟啉 4 “有机锂试剂”合成p ” 5 ，1 5 一二取代自由碱卟啉与有机锂试剂在酸酐反应条件下反应，形成5 ，l o ， 1 5 三取代的卟啉阴离子，加入d d q 氧化直接得到( 5 ，5 ) 键连的双卟啉。该法的 优点是产率高，能够很方便地合成m e s o 位是带不同取代基的双卟啉化合物。 卟啉化合物，尤其是低聚卟啉的合成的发展，为研究卟啉的性质和应用提 供了新颖的模型体系。可以预计，随着新种类的卟啉化合物的不断合成和性质 研究的不断深入，卟啉化合物的应用必将走向成熟。 第二节卟啉的分子识别研究进展 2 1 世纪的前沿课题之是生命科学，卟啉作为生物大分子，将会越来越受 到科学工作者的关注，其作为功能分子在分子中的应用将会更为广泛。下面着 重讨论卟啉在分子识别方面的进展。 分子识别是主客体化学的一个重要研究方面，原指生物体大分子之间的专 一结合现象，是生物体系高度组织化过程赖以进行的一个基本作用方式，对于 9 第奄 酶促反应、免疫反应和蛋白质等许多生物化学过程具有十分重要的意义。配合 物的分子识别是指带有某种官能团并具有特定空间构象的配体与有机分子或生 物分子之间的不同程度的专一结合现象，例如b 型和z 型d n a 的识别就可以通 过型和人型的邻菲罗啉金属配合物的选择性插入而实现【5 5 j 。 主客体相互作用和识别必须满足如下的条件【5 6 】：主体空问的大小和形状要 与客体分子相吻合；主体内腔表面的基团与客体表面的基团之间存在着互补关 系，即通过氢键、正负离子之间的静电引力、芳香团中离域键间的耳电子重叠作 用、疏水作用等弱的分子间相互作用力来维系和稳定主客体间缔合的状态。如 果同时存在两个结构相似的底物分子，则它们将互相竞争与主体的缔合。这种 作用是酶的抑制作用以及药物分子专一性作用的基础。因此其研究内容主要是 设计合成既具有一定结合部位，又具有一定识别部位的分子5 7 】。冠醚、环糊 精【5 9 1 、卟啉【6 0 1 等都是常见的主体分子。 作为生物体生命基元分子的基本组成结构，卟啉类化合物在完成其生物功 能的同时，即是对客体分子进行了手性识别，因而研究卟啉的分子识别就更加 接近于生命活动的真实过程，这对于探索生命研究的奥秘也就具有突出重要的 意义。而卟啉作为一种识别能力很强的主体化合物，主要是因为它具有以下几 个方面的优点： a n 电子共轭的平面结构。该结构很适合作为设计立体结构分子的框架。 b 较大的表面。对轴向配体周围的空间体积和相互作用方向的控制余地较 大。 c 种类多样性。它具有四个m e s o 位和八个b 一吡略位置可用以立体分子设计。 基于以上优点，卟啉可对多种有机和生物分子，如氨基酸、核苷、d n a 、 糖类等进行识别。 1 2 1 对氨基酸的分子识别研究 氨基酸是生命体系中蛋白质的主要组成部分，对氨基酸及其衍生物的分子 识别一直是主客体化学领域中的重要课题6 “。这不仅是由于它具有重要的生物 意义，还因为其独特的结构也使其非常适合作为被识别的客体1 6 2 】。氨基酸的羧 基和氨基与卟啉主体活性中心之间以轴向配位键、氢键等连接，或是其它静电 作用力。如库仑力、偶极偶极相互作用力等等。氨基酸分子a 一碳上的基团也可 1 0 第一章 以与主体分子之间通过v md e rw 砌s 作用力、静电相互作用、疏水作用、空间 排斥能等结合起来，从而参与形成一个新的识别点，如图1 6 所示。氨基酸作为 客体的主客体体系为分子识别研究提供了一个理想的化学工具，通过它我们可 以系统地探讨识别体系的功能和分子间的相互作用。 以卟啉作为主体分子对氨基酸酯的分子识别是近几年来的热点之一。当金 属卟啉作为主体分子时，卟啉环中的金属离子起到1 e w i s 酸的作用，可以结合 l e 、v i s 碱如氨基酸酯，其中锌卟啉是一类最常用的主体。 僦；黜：能翟孰。吨r 、h ，1 黜潲。? 器热。， v a nd e rv 帕a l si n l e r a d i o n - - “，1c o u l o m b i ci n l e r a d i o n ， 豢端紫僦弋良篓糕：烹黼离e t c r n h 。r ， o e f c 图1 6 氨基酸酯多点识别示意图 t a d a s h im i z u t a l l i 和h i s d l l o b uo g o s h i 等人合成了以下类型的卟啉【6 3 】： 驽c 蛩奄 ( t r a n s ) m ) 12 图1 7 作为主体分子的锌卟啉 以图1 7 中的主体锌卟啉分子对多种氨基酸酯进行识别，通过对平衡常数的测 量得出结论，由于主体1 上羟基基团的存在，与氨基酸酯中羰基的氧原子结合 形成氢键，因此1 与氨基酸酯的结合能力要大过2 。核磁共振1 hn m r 和圆二色 光谱c d 实验结果进一步证实了主客体分子之间氢键的存在。而在对亮氨酸甲酯 和天门冬氨酸甲酯这类带有两个羰基的氨基酸酯的识别中发现存在更多的氢 键，并且结合常数更大，因此认为体系中结合位点越多，则结合速度越快，结 合能力也越强。结合过程如图所示： 第一章 图1 8 主体锌卟啉与a s p 一( o m 如的三点识别示意图 对于芳香族的氨基酸酯，由于芳环堆积稳定作用的存在，它们与主体之问 的结合较脂肪族氨基酸酯为强，因其在氯仿中的溶解度较低，故研究的体系非 常有限。0 9 0 s 1 1 i 等人的实验结果表明氨基酸酯中的多余羰基并未引起配合常数 数量级的增加。 由于分子手性在自然界生命活动中起到了极为重要的作用，甚至可以认为 人类的生命本身就依赖于手性识别，因此手性是生物分子的一个重要特征。人 们在对氨基酸的手性识别方面做了大量的工作。由于氢键、静电作用、空间排 斥等弱相互作用要固定在特定的位置和方向并不容易，因此手性识别需要更加 精密的分子设计。 t a d a s l l im i z u t a l l i 和h i s a l l o b uo g o s l l i 等人合成了另一类锌卟啉配合物，具有 c 2 对称性的手性分子【洲，该类分子中含有三个识别基团：z n 离子，o h 基团和 c h 2 c 0 2 m e 基团，实验结果指出z 1 1 离子和o h 基团分别通过金属- n 键的配位作 用和氢键作用使主体和客体牢牢的结合形成配合物。而第三个识别基团， c h 2 c 0 2 m e 基团对l 一氨基酸酯来说是次要的空间排斥作用位点，而对于d 一氨基 酸酯却是主要的空间排斥作用位点，特别是对d s e r - o b z l 而言。 图1 9 具有c 2 对称性的手性卟啉衍生物 1 2 黪 o蕊 码一h蓬h码篡h 第一章 此外，1 9 9 5 年两人还报导合成了如下所示构型的卟啉【6 2 】 图1 1 04 - 硝基苯桥联的手性卟啉及其内消旋体 o g o s h i 指出此类受体可以使用四苯基卟啉作为基础卟啉骨架，在苯环上引 入功能性分子，甚至包括手性的分子也可以引入卧啉受体。这种分子设计非常 具有弹性，使得卟啉人工受体可以系统性地大量合成。而且对引入基团分子的 改变可以很容易影响对氨基酸的作用。 计亮年在2 0 0 0 年报导合成对羧基卟啉，采用核磁手段检测并提出一种与 o g o s h j 不同的主客体结合模式【6 5 】。 这种结合模式指出氨基酸酯上的n h 2 基团没有和卟啉中心的z n 离子结合形 成配位键，而是与侧链羧基的氢原子形成氢键作用。与z n 离子发生配合作用的 是氨基酸羧基上的氧原子。 图1 1 1 对羧基卟啉与氨基酸乙酯的结合模式 第一章 1 2 2 对核酸( d n a 、r n a ) 及碱基小分子( 嘌呤、嘧啶) 的分子识别 由于卟啉是血红素、细胞色素和叶绿素等生物大分子的核心部分，其金属 配合物具有切割d n a 和核酸酶的活性【6 6 1 。卟啉化合物还是核酸结构研究和核酸 动力学研究的非常好的探针。因此与核酸的相互作用是近几年来的研究热点， 它关系到新型生物化学手段的发展和新型药物的设训6 7 】。由于核酸的骨架一磷 酸链是带负电的，因此各种金属配合物阳离子与其键联，决定小分子的亲核性 和选择性因素在新型特征和治疗试剂的合理设计中相当重要【6 8 】。很多研究报道 了阳离子卟啉化合物的合成及核酸的相互作用。一般来说，这些带电的卟啉化 合物都是通过氮原子来实现的，其中研究最多的是t m p y p 及其衍生物【6 9 】，如图 1 1 2 所示： r r t m n v r n = - - o + ；：! ：卜n + n n e 。 t m p y pr -r n + m e t 御r 肛 o ( c h 2 ) 。n + m e 。 图1 1 2 阳离子卟啉化合物t m p y p 及其衍射物 一般情况下，如果在卟琳化合物溶液中加入核酸后，卟啉化合物的吸收光 谱除有很强的减色效应之外还有很明显的红移，这是卟啉化合物插入核酸的 个重要的证据。这是由于卟啉化合物插入核酸后卟啉大环的电子云密度受核酸 碱基上的电子云影响而发生改变引起的。不同的核酸与不同的卟啉化合物的作 用模式各不相同，已报道过的卟啉化合物与核酸的结合主要有三种机理：插入 模式、简单的外部结合及在d n a 表面自堆积时的外部结合，如图1 1 3 所示： 1 4 第一章 ( b ) ( c )( d ) 图1 1 3 卟啉化合物与核酸作用模式示意图( a ) 插入模式，( b ) 简单的外部结合，( c ) 在d n a 表 面自堆积时的外部结合，( d ) 部分插入模式。( 黑方块代表卟啉化合物，梯形代表核酸螺旋。) 自七十年代末r j f i e l 与其同事发现了四( 4 n 甲基吡啶) 卟啉能够嵌入牛胸 腺核苷1 7o 】以来，人们对卟啉与核苷d n a 的相互作用进行了深入的研究。尽管 卟啉与核苷之间的相互作用的许多方面已被研究者们阐明，但核苷碱基与卟啉 金属中心的直接轴向配位研究却仍没有十分清楚的信息资料。h i s a i l o b u0 2 0 s h i 等人报道铑卟啉对核苷碱基，特别是腺素产生非常强烈的亲和力7 3 1 ，但主体分 子对差异极大的客体也是毫无选择性的强烈键合，并且结合常数非常大，表明 结合过程几乎是不可逆的。因此不管是怎样的作用模式，铑卟啉无法对这些客 体进行识别。 r 图11 4 锌卟啉与有机碱的新结合模式 0 9 0 s h i 认为，该类复合物的形成是基于酸碱之间的相互作用，即r h ( i i i ) 这 一l e w i s 酸与核苷上碱基n 原子这一b 砷1 1 s t e d 碱之间的相互作用。其它的金属 卟啉同样也应该能够作为碱基的受体。实验事实表明，锌卟啉确实与腺苷、鸟 苷、胞苷等形成了配合物。但是与铑卟啉不同的是锌卟啉与核苷形成配合物的 蚕量 三一 塞雾 第一章 过程是可逆的，它们只能在非极性溶剂如氯仿、苯中结合，其平衡常数介于1 0 2 1 0 4 之间。这些配合物形成过程中另一个有趣的现象是，当锌卟啉平面同一侧上有 两个羟基时，它与腺嘌呤类衍生物形成1 ：2 的复合物。锌卟啉之所以能够作为 “二齿受体”，是因为它同时利用了氢键和配位点( 如图1 1 4 所示) ，这充分显 示了用卟啉作人工受体的优点，受体的许多重要特性诸如与客体的亲和力，和 配合物的形成模式等都可以通过对卟啉结构略作修饰而简便系统地得以调整。 1 2 3 对糖类的分子识别 近年来，采用合成的主体对中性或离子型客体进行分子识别引起了化学家的 兴趣，由于受到合成主体在溶剂中的氢键作用，并且识别的客体在含水介质中 的溶解性很小等原因，因此对糖类的识别方面成功的例子不多【7 3 1 。糖类与氨基 酸、核苷碱基一样，在生命科学中占有重要的地位。有关卟啉对糖类分子识别 的研究工作也有很重要的意义【“j 。x 射线衍射研究表明，甘露糖蛋白质复合物 中甘露糖分子与氨基酸侧链通过氢键连接。为了模拟这样的氢键结构，t a d a s h i m a z u t a n i 等人设计了带有两个氢键结合点和一个l e 、i s 酸位置的卟啉分子( 图 1 1 5 ) ，用于对糖客体分子( 图1 1 6 ) 的分子识别【7 5 】： 显而易见，卟啉是一个对于研究分子识别非常具有吸引力的分子。现代合成 技术和手段为设计卟啉主体分子提供了多种途径和广阔的自由度。值得指出的 是，卟啉独特的光谱特征，如n m r ，e s r ，u v - v i s 和发射光谱使我们非常容易 地检测主客体之间的分子识别。 图1 1 5 锌卟啉主体对糖的分子识别 c h识 粥繇h 旧h d 1 6 yh 图1 1 6 糖客体分子 x = c i h l 7 0 ，y 2 hr = b e n z o y l x 叫。y 。c i h i or = a c e t y l 第一章 第三节金属卟啉在其他方面的研究进展 随着对金属卟啉体系认识的深入以及分子拓扑学概念的引入，卟啉配位聚 合物体系也逐渐被引入材料化学研究的范围之中。对于卟啉以及金属卟啉化合 物的研究是多方面的，不同体系之间性质、结构差异较大。大体上可以将卟啉 体系划分为两种，即单卟啉分子体系与多卟啉分子体系。 由于两种体系的特点不同，因此对其研究的侧重点有所不同。单分子卟啉 体系中只含有一个卟啉分子，更多的体现出的是卟啉分子的特性，更多的属于 主客体识别化学、生物有机化学的研究范围。而多分子卟啉体系则通过各种键 形成一维、二维乃至三维的结构，并且呈现宏观光学、电学等物理性质，因此 逐渐成为材料化学研究的热点。 1 3 1 单分子卟啉体系 单分子卟啉体系指的是含有一个卟啉或者金属卟啉作为主体结构的分子或 超分子体系。在这类体系中，由于卟啉作为主体结构，因此整个分子或者超分 子体系所体现的性质受卟啉结构本身的影响较大。通过改变卟啉环上的取代基 的位置或类型，或者改变卟啉环中心的金属离子，或者改变超分子中的客体分 子，均可使整个分子或者体系的性质发生变化。在过去的一段时间，对这一类 型体系的研究重点集中于不同种类分子的合成及表征；作为主体分子对不同客 体分子的识别以及质子交换和光采集等性质的研究。 1 3 2 多分子卟啉体系 多分子卟啉体系指的是含有两个及两个以上的卟啉分子或金属卟啉分子的 多分子体系。近年来在各种研究中出现的多为各种多分子卟啉聚合物。这些不 同的聚合物可以分为以共价键相连的卟啉多聚物以及以多种非共价键( 氢键、 中心金属离子配位键等) 连接形成的聚合物两种类型。卟啉多聚物大都具备一 些宏观的物理特性，如非线性光学性能、光一电转换性能以及电学性能等，因 而也多被用于材料科学的研究。 1 共价键相连卟啉多聚物 共价键相连卟啉多聚物是在m e s o m e s o 位直接相连的卟啉多聚物基础上， 1 7 第一章 通过对单体取代基的修饰而得到的。此类线性卟啉多聚物在光电能量转换以及 电传导方面具有特殊的性能。 图1 1 8 在研究中人们发现，除了一维的线性聚合物，具有分叉状结构的二维卟啉多聚 物同样具有独特的光学性质。 图1 1 9 1 8 第一章 2 多卟啉非共价键聚合物 多卟啉非共价键聚合物一般是通过氢键、配位键等非共价键来连接卟啉单 体或卟啉单体与介质分子的。而这些连接方式均可得到线性的聚合物。此类聚 合物由轴向配位连接而成。由于电荷分散于卟啉环的核心与配位的金属原子间， 分子内产生偶极矩。而受较强配位能力的配体的作用，金属离子就会产生脱离 卟啉环平面的趋势，造成偶极矩加大，从而使体系具有独特的铁电性质。 另一类利用中心金属原子的轴向配位作用形成的线性聚合物是一种层叠式 的二聚体。该类二聚体利用空余的c o 轴向轨道与0 2 结合。其结合能力小于单 体，而这样的强度正适合于人工模拟血红蛋白的载氧功能。( 图1 2 0 ) 一些特殊的聚合物通过氢键或者是配位键的连接，可以得到含有固定尺寸 孔径的多孑l 网状结构。( 图1 2 1 ) 还有一些多卟啉分子聚合物也是采用非共价键连接的方式，但其合成方式 却使用了自组装的方式，形成金属核心的分子簇或者分子薄层。( 图1 2 2 ) m ，詈磷等 辅警铺黟蚩肾昔隅1 。 昔i 畦曼敦 l8 矿一”j h 2 p l 3 i m pc o “p i 。3 i m p 瓠陬 盟塑 ( c o “p i v 3 i m p ) 2图1 2 0 c o p i v 3 i m p ) 2 1 9 笙二童一 图1 2 l 图1 2 2 第一章 第四节理论化学 随着计算机和计算方法的不断发展，理论化学计算方法及其应用有了很大 的发展，并且在化学和生物等领域中的应用也越来越广泛，有力地推动了这些 学科的发展。本论文将理论化学作为一个工具，在实验化学的基础上，解释实 验现象，分析和讨论实验结果，并对论文中的化合物分子迸行构象上的分析， 以期从分子水平上对化合物的结构进行研究。构象分析可以借助于量子化学、 分子力学和分子动力学等方法，彻底搜寻构象空间来进行。 1 4 1 分子力学和分子动力学简介州 分子力学是基于分子经典力学的方法，分子力学计算的核心是构筑力场。 力场的势能函数一般包括键的伸缩，键角的弯曲，柔性键的内旋转，v a n d e r w a a i s 作用力，静电力等。在进行量子化学计算之前，首先要确定研究分子或体系的 构象，常用的构象分析方法有随机搜索，系统搜索以及分子动力学，而分子动 力学又包括动力平衡法和模拟退火法。 1 4 2 量子化学计算方法简介 量子化学计算又称为分子轨道法。根据量子力学原理，分子的所有性质均 可以通过解s c l l r j d i i l g e r 方程来获得【7 7 】1 7 8 】： h 甲= e 甲 其中h 为哈密顿算符，甲为波函数，e 为体系能量或成为本征值。通过计 算可以得到分子的总能量、能级、空间构型、偶极矩、电荷分布、分子静电势 及其它参数。它讨论分子或原子内的电子运动，原则上用量子化学方法计算的 结果可以从本质上解释配体与主体之间的相互作用。 量子化学进行构象分析有从头算和半经验方法【挎】。能量计算可以采用自洽 场或者微扰理论方法。常用的从头算方法包括h f ( h a r t r e e f o c k ) 、m p 2 、d f t ( 密 度泛函) 等方法。使用此方法进行计算时需要定义基组，它是一组基函数的组合， 与小基组相比，大基组使用更多的基函数，从而精确度更高，但耗费较多的计 算时间。对于有机或无机化合物，普遍采用的是6 3 1 g 基组。 2 i 第一章 第五节本论文选题依据、目的和意义 会属卟啉具有独特的物理化学性质，对它的研究可为探讨生物无机化合物 的作用机制提供有益的启发和思路。生物化学的研究表明，细胞色素、血红素 等生物大分子的辅基中存在着咪唑与金属卟啉配位的结构，其与周围的蛋白质 协同作用，共同完成一定的生命功能。对含氮类小分子识别是主客体化学f 或超 分子化学) 中的具有现实意义的研究课题。 为研究这分子识别的机制，更加深入的了解主客体化学识别体系中的驱动 力、主体与客体分子之间识别的特点以及主客体间轴向配位反应中电子转移和 能量转移的过程，我们设计和合成了多种含有席夫碱半体以及类似结构侧链取 代基修饰的锌卟啉，并用它们对几种咪唑类衍生物迸行了分子识别研究。 此外，我们采用理论化学的方法，如分子动力学和量子化学计算的方法， 对这一分子识别体系进行了机制研究，对实验事实作进一步的说明与解释，得 到了较好的效果。运用理论计算与实验相结合的方法，通过构象分析和能量计 算从本质上进一步理解金属卟啉的分子识别行为。 众所周知，卟啉化合物在实际生产中的应用是近年来对于卟啉化学领域研 究的热点，尤其是材料科学领域。通过总结文献中报导的科研成采以及对以往 工作的总结，我们发现具有侧链取代基的金属卧啉化合物往往具有比较好的非 线性光学性质。此类化合物往往具有较大的三阶非线性折射率。而这种光学特 性也是本论文合成化合物的目标之一，在后续的工作中，我们将会对文中合成 的新型尾式卟啉进行非线性光学的性质研究。 第二章 2 1 1 仪器 第二章合成与表征 第一节仪器与试剂 c ，h ，n 元素分析在p e r k i n _ e l e 脚【e r 2 4 0 元素分析仪上进行。红外光谱在 b i o r a d1 3 5f t - i r 光谱仪上进行，摄谱用k b r 压片法和石蜡糊法。核磁共振光 谱在m e r c u r yv x 3 0 0 核磁共振仅( 3 0 0 m h z ) 上进行，以四甲基硅烷( t m s ) 为内标。 紫外可见光谱在s h i m a d z uu v - 2 6 5 紫外可见光谱分光光度计上进行。质谱使用 v g z a b h s 和l c qa d v a l l t a g e 型l c m s ( t h e r n l o f i 衄i g a l l 公司生产) 质谱仪，分 别使用快原子轰击法和e i 源测定。构象搜索采用s y b y l 6 9 1 软件，力场为标准 t r i p o s 力场，全部在s g i h l d i g o ( i i ) 工作站上完成。 2 1 2 试剂及试剂处理 本论文所使用试剂全部列于表2 1 中。 表2 1 第二章 试剂处理方法除特别注明外均参照试剂处理手册进行。 吡咯：使用前须蒸馏，取1 3 0 馏分。 邻苯二胺：用1 的亚硫酸氢纳水溶液重结晶，加入少量活性炭脱色热过滤，于 冷水中冷却抽滤，得白色片状晶体。 碳酸钾：于马沸炉中4 0 0 烘两小时。 第二章 2 2 1 化合物的合成 第二节尾式卟啉的合成及表征 2 2 1 1 2 4 一二羟基苯甲醛的制各”“ 向2 5 0m l 三口圆底烧瓶中加入3 0m l ( o 4m 0 1 ) n n 一二甲基甲酰胺( d m f ) ， 然后缓慢滴加1 lm l ( o 1 2m 0 1 ) 三氯氧磷，温度维持1 5 。c 2 0 。c 。再滴加1 12 ( o 】m o 】) 间苯二酚的乙醚的溶液，温度维持3 0 ，搅拌4 小时。用饱和碳酸 氢钠溶液调p h 至中性，在此温度下继续搅拌3 0 分钟，然后加稀盐酸调p h 至4 。 将溶液倒入分液漏斗中，用1 5 0m l 乙醚萃取三遍。所得的乙醚层用水洗至中性。 用旋转蒸发仪旋蒸除去乙醚，所得固体用水重结晶两次，得到无色针状晶体2 ，4 二羟基苯甲醛，收率6 0 。 d m f p o c h o h 。 o h o h 图2 ，12 ，4 - 二羟基苯甲醛的合成 2 2 1 22 一羟基一4 旷溴代己烷苯甲醛的合成 取2 7 8 烈2 0m m 0 1 ) 2 ，4 一二羟基苯甲醛，2 ，og ( 2 0m m 0 1 ) 碳酸氢钟，6 6g ( 2 2 m m 0 1 ) 1 ，6 一二溴己烷于圆底烧瓶中，加入1 4 0 m l 丙酮，避光加热回流7 2 小时。 蒸去溶剂后，固体用水洗两遍，经硅胶柱分离提纯( 二氯甲烷：石油醚= i ：2 l ：o ) ， 所得产品用乙醇重结晶，得到白色针状晶体。 + b “c h 2 ) 6 b r 竺旦生：二兰一h 。 a c e t o n 矗r e n 似 图2 22 - 羟基4 - o 溴代己烷苯甲醛的合成路线 第二章 2 2 1 3 系列4 - o 一溴代己烷s a i e n 半体及4 4 o - 溴代己烷 s a i e n 配合物的合成 称取3 0 1 m g ( 1 m m 0 1 ) 的2 一羟基4 一溴代己烷苯甲醛和2 1 6 m g ( 2 m m 0 1 ) 的邻 苯二胺( 或等摩尔量的对苯二胺或苯胺) ，置于圆底烧瓶中，加入5 0 m l 重蒸三 氯甲烷，室温下搅拌约6 小时8 1 】。蒸去溶剂后，经硅胶柱分离半体及全体并提 纯( 用三氯甲烷做淋洗剂) ，所得产品均为淡黄色粉末。 o f c + 瓮 h 2 ) 6 b rh 2 n n o h c 。h 0 飞 耳 o + n h 2 囝 n + o h b r ( h 2 c ) 8 s a i e n 半体i is a l e n 配合物i i 州彳飞 一 ( c h 2 ) 6 b r 0 h s a l e n 半体i i i 图2 3系列4 o 溴代己烷s a l e n 半体及全体的合成 2 6 、扪 一 万r 洲时 ，莎。一 一 ： 一 。声。 9n 第二章 2 ，2 1 4 4 p 溴代己烷s a le n 半体修饰的尾式卧啉的合成 取6 3 0 m gh p t p p ( 1 m m 0 1 ) 和3 9 1 m g4 o - 溴代己烷s a l e n 半体i ( 1 咖0 1 ) ( 或等摩尔量的4 0 溴代己烷s a l e n i i 或4 o 溴代己烷s a l e i l i i i ) 置于圆底烧瓶 中【8 2 】，加入5 0 m l 重蒸d m f 做溶剂【8 3 】，约5 9 k 2 c 0 3 做干燥剂，避光搅拌7 2 小 时。反应停止后减压蒸馏除去d m f ，然后溶于三氯甲烷中，水洗，干燥，使用 硅胶柱提纯。得到紫色固体，产率1 4 r e n u x 7 2 h d m f d 心 + 签。 2 c ) 6 0 r e n u x 7 2 h d m f r c n “7 2 h d h 伍 图2 44 o - 溴代己烷s a l e n 半体修饰的尾式卟啉的合成 2 7 第二章 2 2 1 6 4 4 o - 溴代己烷s a l e n 配体修饰的尾式双卟啉的合成 取6 3 0 m g h p t p p ( 1 m m 0 1 ) 和3 3 7 m g4 o 溴代己烷s a j e n 配体i ( o 5 m m 0 1 ) ( 或等摩尔量的配体i i 或配体i i i ) 置于圆底烧瓶中f 8 2 】，加入5 0 血l 重蒸d m f 做溶剂【8 ”，约5 9