（高分子化学与物理专业论文）卟啉在超支化聚酰胺酯溶液中的光谱研究.pdf

、 j f t j ul - 。 河北大学 学位论文独创性声明 i l f i i t lljlltll jiiijii l l r l tl l l l l l l l l r r l l l 0 y 1817 6 7 5 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的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教 育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 作者签名：l 叁亟l 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。 本学位论文属于 l 、保密日，在：鎏年笸月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方格内打“ ) 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为( 呻堪靠放勰( 础市 ) 法蠹野二乏害翻私 的学位论文，是我个人在导师( 舀融指导并与导师合作下取得的研究成果，研 究工作及取得的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资 助下完成的。本人完全了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的 各项法律、行政法规以及河北大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大 学的书面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内 容。如果违反本声明，本人愿意承担相应法律责任。 作者签名： i 垦呸 日期：二竺互年月上日 导师签名： 基) 卟啉( t m o p p ) ，用b b r 3 水解t m o p p 得到了中位四( 4 羟基苯基) h i - 啉( t h p p ) 并对其结构进行了表征。 本文对中位一四( 4 一羟基苯基) 卟啉( t h p p ) 在超支化聚( 酰胺一酯) ( h b p ) 水溶液 中的紫外可见光谱和荧光光谱进行了初步研究。结果表明：与聚z , - - 醇和超支化单体相 比，h b p 有效破坏了卟啉的j 一聚集状态，形成了h b p 包埋t h p p 体系，使卟啉的荧光强 度增强了约5 0 0 倍。在酸性介质中，由于h b p 的加入卟啉s o r e r 吸收带4 2 4 n m 处出现游 离碱卟啉( h ：t h p p ) 的特征吸收，并发现4 3 3 n m 处的等吸收点，说明卟啉在h b p 酸性介 质中呈现平衡状态：h ：t h p p ；h t h p p 继续升高溶液中卟啉浓度，因h b p 包埋t h p p 体系中卟啉浓度局部过高，导致了浓度淬灭现象的发生。另外，h b p 中性水溶液对卟啉 的包埋效果最好 关键词超支化聚( 酰胺一酯) 中位四( 4 羟基苯基) 卟啉 紫外一可见吸收光谱 荧光光谱 w a ss y n t h e s i z e df r o mm e s o - t e t r a k i s ( 4 - m e t h o x y p h e n y l ) p o r p h y r i nw h i c hw a ss y n t h e s i z e df r o m 4 - m e t h o x y b e n z a l d e h y d ea n dp y r r o l ei nt h ec o n d i t i o no fm f l u x i n gi np r o p i o n i ca c i d w eh a d c h a r a c t e r i s e dt h et w op o r p h 妒n sb y1 h n m r , u va n df l u o r e s c e n c es p c t r o s c o p y e l e c t r o n i ca b s o r p t i o na n df l u o r e s c e n c es p e c t r u mo fm e s o t e t r a k i s ( 4 - h y d r o x y p h e n y l ) p o r p h y r i ni nh y p e r b r a n c h e dp o l y ( a m i d e - e s t e r ) ss o l u t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a ss h o w nt h a t j a g g r e g a t i o no fp o r p h y r i nw a se f f e c t i v ed i s s t a c k e db yh y p e r b r a n c h e dp o l y ( a m i d e - c s t e r ) i n t h en e u t r a l p h o s p h a t eb u f f e r s o l u t i o nw h i c hl e a d e dt ot h ef o r m a t i o no ft h eh b p e _ r n b e d d i n g - t h p ps y s t e ma n dw i t ht h ea d d i t i o no fp o l y ( a m i d e e s t e r ) s ，t h ef l u o r e s c e n c e e m i s s i o nw a sr e m a r k a b l ye n h a n c e da b o u t5 0 0t i m e s i nt h ea c i dm e d i a , t h ep e a l cl o c a t i n ga t 4 2 4m nw a sa t t a c h e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i cs o r e tb a n do fp o r p h y r i n ( h 2 t h p p ) i nt h ep r e s e n c e o fh b ei tw a si n t e r e s t i n gt oa p p e a rt h ei s o s b v s t i cp o i n ta t4 3 4r i m , w h i c hi m p l i e dt h e d i s s o c i a t i o ne q u i l i b r i u m 弱f o l l o w ：h 2 t h p p # h t h p p 2 + b yr i s i n gt h ec o n c e n t r a t i o no f t h p p ：f l u o r e s c e n c ee m i s s i o nw a ss h a r p l yr e d u c e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h p pw a s h i g h e rt h a n1 l0 5 m o f l i tw a sa t t r i b u t e dt oc o n c e n t r a t i o no ft h p pw a st o oh i g ht oa v o i d c o n c e n t r a t i o nq u e n c h i n g i na d d i t i o n , h b pd i s p l a y e dt h eb e s te m b e d d i n ge f f e c ti nn e u t r a l s o l u t i o n k e y w o r d s ：h y p e r b r a n c h e dp o l y ( a m i d e - e s t e r ) s ；m c s o - t c t r a k i s ( 4 - h y d r o x y p h e n y l ) p o r p h y r i n ； a b s o r p t i o ns p e c t r u m ；f l u o r e s c e n c e 目录 第1 章绪论1 1 1 弓f 言”l 1 2 超支化聚合物的研究现状2 1 2 1 超支化聚合物的合成2 1 2 2 超支化聚合物的结构表征及性能特点2 1 2 3 超支化聚合物的表征3 1 2 4 超支化聚合物的应用4 1 3 卟啉的研究现状5 1 4 卟啉化合物的合成5 1 5 卟啉化合物的应用7 1 6 本文研究的主要内容及意义1 1 第2 章卟啉和超支化聚( 酰胺一酯) 的合成及表征1 2 2 1 引言o o oo o g “gg og ooo 0 1 2 2 2 实验部分1 3 2 2 1 原料与仪器q o ooo oooo 1 3 2 2 2 表征方法1 4 2 2 3 中位一四( 4 一羟基苯基) 卟啉( t h p p ) 的合成1 4 2 2 4 水溶性单体的合成o oo o0 1 5 2 2 5 超支化( 酰胺一酯) ( h b p ) 的合成1 5 2 2 6 卟啉一超支化( 酰胺一酯) 共聚物的合成1 6 2 3 结果与讨论1 7 2 3 1 卟啉化合物1 hn m r 的表征1 7 2 3 2 水溶性单体的表征1 9 2 3 3 超支化聚( 酰胺一酯) 的表征1 9 2 3 4 卟啉一超支化( 酰胺一酯) 共聚物的表征2 0 2 3 5 超支化聚( 酰胺一酯) 的溶解性2 1 i i i 目录 2 4 结论2 1 第3 章卟啉在超支化聚( 酰胺一酯) 溶液中的紫外一可见吸收光谱和荧光光谱研究2 2 3 1 引言2 2 3 2 实验部分2 2 3 2 1 原料与仪器2 2 3 2 2 溶液配置2 3 3 3 结果与讨论2 3 3 3 1 卟啉在p h = 7 0 中性溶液中的光谱分析2 3 3 3 2 卟啉在p h = 3 0 酸性溶液中的光谱分析2 8 3 3 3p h 值对卟啉溶解度的影响3 2 3 4 结论3 2 参考文献3 3 致谢”4 1 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 上世纪九十年代以来，高度支化聚合物的研究引起了国内外学者的广泛重视，并因 其新奇的结构、独特的性能和潜在的应用前景成为高分子研究领域的热门课题之一【l 一。 高度支化聚合物分为树枝状大分子( d 锄“m 盯) 和超支化聚合物( h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r ) 两大类( 如图f i g1 ) 两者许多物理性质和化学性质十分相近【7 9 1 例如在分子 链的末端有大量的活性官能团，具有良好的溶解性和较高的反应活性等。与相应的线型 分子相比，它们的熔体和溶液都具有低黏度，无链缠结、不结晶等特点【1 0 1 3 1 。如果严格 控制聚合条件，经过保护、去保护步骤，并在每次繁衍之后都细致地提纯，最后可得到 树枝状聚合物。树枝状聚合物具有“完美一支化的规整结构( 支化度d b = i ) ，高度的三 维有序，且分子量分布均一，如图l a 所示。如果对聚合反应不加控制则可得到多分散 性的超支化聚合物，如图l b 所示 酗一r 帅“( b ) l 姗掣易“窨 弋 、r b 图l 树枝状聚合物( a ) 和超支化聚合物( b ) 结构示意图 f i g 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fd e n d r i m e r ( a ) a n dh y p e b r a n c h e dp o l y m e r ( b ) 与树枝状聚合物相比，超支化聚合物无需仔细分离提纯，可直接由本体聚合制备， 成本较低，制备简单，有利于大规模合成，具有很大的应用潜力。因此近年来国内外学 者对超支化聚合物的研究表现了很大地兴趣【i 钔。目前研究工作仍以合成及表征为主，有 关的理论研究也开始逐渐增多，其实际应用大多处于发展阶段f ”】。 卟啉( p o r p h y r i n s ) 是卟吩( p 0 巾h i n e ) 外环带有取代基的同系物和衍生物的总称，当其 氮上两个质子被金属离子取代后即成金属卟啉配合物( m c t a l l o p o r p h y r i n s ) ： ， 认 b b b 麓0 b 户k r丫，h-旧多套 b 一 b文殳卜b f叭卜： 图3 卟吩的共振异构体 f i g 3t h er e s o n a n c e i s o m e r s o fp o r p h i n e 卟啉是一种具有特殊结构的化合物，具有抗癌、抗性病等功效，并参与0 2 、c 0 2 传 输和光合作用等复杂的生物物理过程【1 6 1 。人们通常用化学方法人工合成水溶性的卟啉分 子来模拟复杂的生命过程【限1 9 1 。近年来，由于确认了光合作用中反应中心的原始电子给 体是一对叶绿素分子( 一种卟啉衍生物) ，使得各类卟啉光谱性能、光致电子转移、电 荷分离和二聚体的合成的研究成为光化学研究的热门话题【2 0 l 。 1 2 超支化聚合物研究现状 1 2 1 超支化聚合物的合成 根据文献报道，超支化聚合物可以通过两种方法来制备【2 。第一种是单体自聚法 ( s m m ) ，即超支化聚合物是通过a b n 型或者潜在a b n 型单体自身聚合而得。s m m 法 可以细分为：( 1 ) a b n 型单体聚合法；( 2 ) 开环聚合法；( 3 ) 质子转移聚合( e t a ) 法；( 4 ) 自缩 合乙烯基法( s c v a ) 法。第二种是两种单体共聚法( d m m ) ，即超支化聚合物是通过两种 单体发生共聚反应来制备，根据单体种类和反应机理的不同，可以把d m m 法分为两种 类型：( 1 ) a 2 + b n ( n 2 ) 型；( 2 ) 偶联单体法。 1 2 2 超支化聚合物的结构表征及性能特点 第1 覃绪论 超支化聚合物有着独特的结构，一方面这种分子由a b n 型单体( n 通常等于2 或3 ) 参与构筑，而不是由构成一般线形聚合物的a b 型单体构筑，这样的单体构成使其具有 超支化的结构。 超支化聚合物的结构总体可分三部分，最内部的是有多个反应活性点的初始核，初 始核上有n c 个反应活性官能团。常见的初始核有氨( n c = 3 ) 、乙二胺( n c ：2 ) 、三羟甲 基丙烷( n c - - 3 ) 、季戊四醇( n c = 4 ) 等。往外是支化单元构成的内层，由n b ( 官能度) 2 的单体交替在外面接枝，每完成反应增长一代( p s e u d o g e n e r a t i o n ，以下简称g ) 。最外面 一层是表面官能团区，因此超支化聚合物有着很高的表面官能团密度。由于空间位阻的 作用，超支化分子呈现球状结构，且分子内存在着不规则的孔隙。 超支化聚合物同线型聚合物相比有很好的溶解性，这与其结构有密切的关系。超支 化分子高度支化，这使得聚合物缺少结晶性；而超支化聚合物的支化结构不完全，使超 支化聚合物分子内有缺陷，因此溶剂能够嵌入分子内的孔隙中。这两个因素协同作用促 使超支化聚合物溶解性提高。超支化高分子结构的另一个重要特征是其分子表面存在大 量的末端基，这有可能促使超支化聚合物溶解性的提高。例如，w o o l e y 合成的超支化 聚酯能溶于n a o h 水溶液，主要是由于分子表面大量的端羟基提高了聚合物在碱性水溶 液中的溶解性【2 2 1 。 1 2 3 超支化聚合物的表征 目前超支化聚合物的表征主要集中在结构表征、分子量和分子量分布及支化度的测 定等方面。超支化聚合物化学结构的表征主要利用波谱分析( 红外光谱、核磁等) 、元 素分析来完成【2 3 1 。红外光谱从特征基团峰的变化可说明原有化学键的断裂和新化学键的 生成，利用元素分析实验值与计算值的差别可以估计所得支化大分子的纯度。核磁谱图 是反应机理和历程的重要佐证。分子量及其分布的测定主要采用凝胶渗透色谱法，但传 统的凝胶渗透色谱以线性聚苯乙烯为标样，测得的超支化聚合物的分子量比实际值小得 多【2 4 j 。若超支化分子含有大量极性端基，还会与柱填充物反应，以致于它们会被不可逆 地吸入填充材料的多孔结构，从而损坏柱填充物。激质辅助激光脱附电离飞行时间质谱 ( m a l d i t o f ) 1 2 s 】是一种新的能够比较精确地反映超支化聚合物的实际分子量的测定 方法。 支化度是表征聚合物结构的重要参数。支化度的测定主要依靠核磁共振波谱法 3 洞北大学理学硕士学位论文 ( n m r ) 【2 6 】。最近文献还有报道利用光散射( l s ) 【2 刀、电喷雾质谱( e s i m s ) 【2 引、激 光飞行质谱( m a i d i t o s m s ) 【2 9 】等实验手段研究超支化聚合物结构。 对于结构中外围具有某些特定基团的支化大分子而言，可结合双键标定、氨基标定、 羧基标定等化学分析获得反应程度、产物纯度、分子结构缺陷等信息。电子显微镜可以 观察分子的形状、大小及聚集态。 超支化聚合物粘度通常采用乌式粘度计利用逐步稀释法来测定。杨海洋等研究发 现因吸附作用致使的偏差完全可以通过实验方法的改进来解决，即先测定不同浓度下高 分子溶液的流出时间，用纯溶剂清洗粘度计3 - - 5 次后，再测定纯溶剂的流出时间，这 样可消除吸附作用对溶液粘性行为的影响。 超支化分子结构链构象的理论研究也有文献报道【3 。f l o r y 3 2 1 最早用概率统计方法 给出了a b g 型超支化聚合物的各种平均分子量及其分布。l e s c c a n e c 3 3 】建立了一种数学模 型，并利用计算机进行模拟，讨论回转半径与分子量的关系。g e n n e s 3 4 1 通过统计模型研 究提出所有链末端都排列在分子表面，并在分子外圈形成一最大密度层的数学模型。以 上理论研究分别有部分实验事实证明。 1 2 4 超支化聚合物的应用 超支化聚合物的结构直接决定聚合物的性能。超支化聚合物具有三维准球形高度支 化结构，因此其流变性较好，能够改善材料的加工性能，而且分子外围含有大量末端基， 可以通过改性获得所需要性能的材料。尤其是在那些传统线性分子无力顾及的范围，超 支化聚合物更可以显示出它优良的性能，为此科学家们已进行了大量研究工作 3 5 3 8 1 。 超支化聚合物在药物载体化学、感光材料、纳米材料以及催化领域具有广泛的应用 前景。l i u i 3 9 】等合成的超支化聚合物的“核 分子1 ，1 ，卜三羟基苯基乙烷高度憎水，可 以较好地与憎水药物相容；分子外围的聚乙二醇长链亲水性较好，增加了憎水药物在极 性介质中的溶解性。若控制超支化分子的尺寸和外形，可以控制缓释药物在体内的分布。 若设计可与缓释放药物产生物理交联( 例如氢键) 的超支化大分子，水解后能够产生具 有生物相容性的小分子药物。k l e e 4 0 等合成了末端异丁酸基与端甲基丙烯酰基超支化分 子，发现光固化过程中超支化分子的黏度为2 0 0 3 6 4p a s ，体积收缩率为1 9 - - - 3 6 。 而加入钡硅酸铝玻璃纤维后，端甲基丙烯酰基超支化分子光固化后，体积收缩率仅为 0 5 ，并且固化速度快，对人体无毒副作用，可作为光固化牙科材料。t a o 4 1 j 等以超支 4 第1 章绪论 化聚咔唑作为电子传导层，以聚 9 一十四烷基一3 ，6 ( 二丁烯二炔基) 咔唑的主链聚合物为 孔隙传导层，制备t x 2 层光发射二极管；z h a o 4 2 1 等利用超支化聚( 胺一酰胺) 作为制备 纳米材料的“纳米反应池一，如通过超支化分子内部的空隙还原c u 2 + 为c u + 粒子，也就是 使在超支化分子内部的c u 2 + 被化学法还原成粒径为4 - - - 6 4 n m 的团簇：m i l l e r 4 3 】等将合成 的超支化聚( 酰胺一胺) 用阳离子萘二亚胺修饰后，在水溶液中或甲酰胺中用硫代硫酸 钠还原为阴离子，在氩气保护下使水分挥发，即生成导电的超支化聚合物粉末。z h u l 4 4 1 等合成了含磷聚氨酯丙烯酸酯超支化分子，u v 光照后其限制氧化指数大于2 7 0 在磷 质量分数达到0 7 5 时，磷和氮原子产生最佳协同效应，加入磷可以促进形成紧凑的烧 集团，从而保护底层聚合物分子避免进一步燃烧。 1 3 卟啉的研究现状 卟啉化合物是一类特殊的大环共轭芳香体系。在自然界中存在许多天然的卟啉或似 卟啉及其金属配合物，如血卟啉、叶绿素、维生素b 1 2 、细胞色素p - 4 5 0 、过氧化氢酶等。 天然卟啉具有特殊的生理活性。人工模拟天然化合物的各种性能一直是人们感兴趣和研 究课题【4 5 4 钔。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、药物化掣4 们、电化学、光物理与化学、分析化学 s o l 、有机化 学以及新兴的化学生物学等领域都具有广阔的应用前景，正吸引着人们对卟啉化学不断 地深入研究。 事实上，人们对光化学方法进行了许多探索，开发了许多光化学体系。卟啉由于其 良好的光吸收性能【5 i 巧3 】和具有氧化还原电位，在这些光化学体系中扮演了重要的角色 【5 4 5 5 1 。自上个世纪8 0 年代以来，双卟啉及其低聚物的合成、卟啉光物理和光化学及其 应用也已成为现代卟啉化学研究的重要领域【蹦3 1 。目前这方面的研究工作主要集中在： ( 1 ) 模拟光合作用体系【4 8 ，5 7 】；( 2 ) 制备以卟啉为母体的分子器件f 6 i ( m o l o c u l a rd , i c c ) ： ( 3 ) 作磁性材料【，位1 和非线性光学材料【5 9 6 3 1 。已有的研究成果表明，双卟啉及低聚卟 啉的应用前景十分诱人。 1 4 卟啉化合物的合成方法 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( t e t r a p h e n y l p o r p h y r i n ，t p p ) ，其合成方法主要有以下几种： 1 4 1r o t h e m u n d 法 5 河北大学理学硕士学位论文 卟啉化合物最早由r o t h e m u n d 合成【6 4 , 蜘，该法在此后的一段时间内一直是合成卟啉 化合物的经典方法。它以醛类化合物( 甲醛、乙醛、苯甲醛等) 和吡咯为原料，以吡啶和 甲醇为溶剂，在封口的玻璃取3 次后，水洗至中性。用盐酸、乙酸钠、氢氧化钠及硫酸 钠以w i l l s t a t t e r 法浓缩，使卟吩析出，收率以吡咯计算，用l g 毗咯可得纯卟啉l m g 。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。 1 4 1a dio r 法 a d l e r 对合成卟啉的方法进行了改进，在1 9 6 4 年提出了卟啉生成的反应机理【6 6 l ： 他认为吡咯与苯甲醛在酸催化下脱水生成链状化合物，当聚合单元的数目为4 时，链状 化合物在氧气氛围中被氧化环合生成四苯基卟啉。在得到了卟啉合成的机理研究成果 后，a d l e r 和他的助手们于1 9 6 7 年改进t r o t h e m u n d 等人的合成方法【6 7 1 ，提高了卟啉产率， 其产率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。但由于反应条 件的限制，一些对酸敏感的含取代基的苯甲醛不能用作原料，而用带有强吸电基的苯甲 醛进行合成时产率特别低，而且由于底物浓度高及反应温度高，反应生成大量焦油， 纯化较困难( 特别是对于不结晶或不沉淀的卟啉来说) 。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。 1 4 1lin d s e y 法 1 9 8 7 年，在研究环合平衡反应和卟啉的生物合成的基础上，l i n d s e y 罅 7 1 】提出了如 下假设：当吡咯和苯甲醛反应时，生成的卟啉在热动力学上是稳定的；吡咯和苯甲 醛都是活性分子，因此该反应无需高温；达到反应平衡的条件相当温和，这对于含有 不同取代基的苯甲醛而言，都可得到高产率的卟啉。基于以上假设，他改进了传统四苯 基卟啉的合成方法。1 9 9 4 年l i n d y 研究了在高浓度下的反应( 大于0 1 m o f l ) ，实验采用 一步法，即将原料、氧化剂、催化剂同时加入，产率可达1 0 一2 0 ；采用两步法，即 先加催化剂，反应后再加氧化剂，产率为2 0 3 0 。 1 4 1 微波激励法 1 9 9 2 年法国化学家p e t i t 提出了一种新的合成方法：将吡咯和苯甲醛吸附于无机载体 硅胶上，利用载体的酸性催化作用，在微波激励下合成四苯基卟啉。反应1 0m i n 后， 6 第1 章绪论 直接加入层吸柱进行层吸分离，得到四苯基卟啉，收率为9 5 刘云等【捌以二甲苯为 溶剂，对硝基苯甲酸为催化剂，使苯甲醛和吡咯在微波炉中反应2 0m i n ，也可得到卟啉 产品，收率达到4 2 。 1 5 卟啉化合物的应用 自从十九世纪人们第一次将卟啉化合物从自然界中分离出来以后，科学家们对卟啉 及类似卟啉化合物进行了大量的研究工作。合成了多种多样的卟啉及其金属配合物；广 泛研究了卟啉和金属卟啉物理性质，如荧光、可见光谱、顺磁性等。而化学、生物和医 学学科的相互渗透和交叉，则促进了卟啉化学研究的进一步发展 7 孓- 7 4 由于卟啉具有独特的结构及性能，近年来在生物化学、医学、合成化学、分析化学、 材料科学等领域有着广泛的应用。卟啉化学的研究也有迅速的发展。以下就目前卟啉及 其金属化合物在不同领域的应用予以简要叙述。 1 5 1 在医学方面的应用 卟啉在医药方面的应用主要集中在检测和治疗癌细胞。利用卟啉及其金属络合物对 一些组织有特殊的亲和力，就可确定肿瘤及其准确部位。例如g d 卟啉化合物的射线具 有增敏作用，可有效诊断癌症和其他疑难疾病，且对人体几乎无毒。此外人们还发现， 金属钌卟啉全部是抗磁性化合物，其中绝大多数在常态下是稳定的，是铁卟啉化合物的 合适替代物，可作研究过氧化氢酶及肝细胞中药物代谢的良好模型体系。 光动力疗法( p h o t o d y n a m i ct h e r a p y 简称p d t ) 是一种正在研究发展中的新技术，是将 光与药剂相结合用以治疗癌变细胞或组织的医学方法。光动力治疗成为继手术疗法、化 学疗法和放射疗法之后第四种治疗癌症的方法。光动力疗法结合了放疗和化疗的长处， 在光疗中同时需要光敏剂和光，它具有双重选择性( 选择性富集和选择性光照激活) ，使 得光疗比一般的方法更易将药物作用点控制在病灶部位，达到选择性高、副作用小、方 法简便、见效快等优点。特别是对于大多数用传统治疗无效的晚期癌症患者和不适于手 术、放疗、化疗的病人。光动力疗法是一种理想的选择。 光动力疗法的基本过程是：( 1 ) 选择一种对病体组织具有选择性的光敏剂：( 2 ) 将光 敏剂引入体内( 通常为静脉注射) 并让它在组织间进行分布；( 3 ) 当光敏剂在靶体和非靶体 中的浓度比达到最大时，用敏化剂所需的光照射靶体，通过产生各种有损于细胞功能的 活性氧和氧化物，使靶体遭受破坏。 7 河北大学理学硕士学位论文 光动力作用需要光、氧和光敏剂( 光疗药物) 等条件。光主要是可见光，光敏剂能 吸收光能发射荧光，相当于光催化剂，参与反应过程而本身并不被破坏。光动力疗法最 根本的因素是光疗药物，光疗药物的选择至关重要根据光疗本身的要求，理想的光疗 药物应具有以下特点：( 1 ) 较高的化学纯度和确定的分子结构；( 2 ) 暗毒性很小；( 3 ) 在 6 5 0n l n 以上有强烈的吸收；( 4 ) 较高的光化学反应量子产率；( 5 ) 选择性地滞留肿瘤组 织：( 6 ) 能从正常组织中迅速清除；( 7 ) 对光热稳定；( 8 ) 在生理p h 值水溶液中可溶解。 现在研究比较活跃的光敏剂主要有以下几种： 1 ) 卟啉类外化合物：包括庙t , i - 啉( 见f i g 4 ) ，四苯基卟啉衍生物，二氢卟吩衍生物， 细菌叶绿素衍生物等。 2 ) 酞菁类化合物：包括金属酞菁，萘酞菁等。 3 _ ) 葸醌类化合物：如柔毛霉素和葸并吡唑等。 4 ) 酮类化台物：包括竹红菌素及其类似物。 5 ) 其它化合物：如吩噻嗪及其类似物。 卟啉类光敏剂是目前应用最广的光疗药物。早在本世纪初期，m a y e - b e t z 就在自己 身上注射血卟啉( h p ) ，证明了h p 的光毒性。从那时起，人们就开始对其进行研究。但 最初，人们只是将它作为肿瘤荧光定位诊断剂来使用。直到1 9 7 2 年，才真正意义上开 始了光疗的研究。 c 甄 r p p 【原卟啭) ：r 1 r ：_ 一c h - c h l 硼血卟啉) ：r pr i 一一( 柚( 0 h 脚i l c o c ) hh p d ：r 1 r 2 。一泣0 h 硒，一c h 。c h 】 p 0 【卟啉c ) ：r i r 3 - 一c h 跚册c n h 脚h 脚- 图4 系列卟啉的结构图 f i g 4 t h es t r u c t u r co f as e r i e so fp o r p h y r i m 近2 0 年来人们设计并合成了多种卟啉化合物，以寻求理想的光敏药物。血卟啉衍 生物【h p d 】是最早用于光疗的卟啉化合物，它能治愈部分早期类型的肺癌，能减轻患有 食道和内支气管t 1 1 4 , 细胞肺癌病人的症状。 8 第l 章绪论 1 5 2 在生物化学方面的应用 卟啉化合物作为单加氧酶的模型，其研究与应用主要在以下方面【7 5 】：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：对烷烃进行单 加氧化( 如氧化环己烷为环己醇和环己酮) ；对d n a 进行氧化从而使其裂解，以判明d n a 的结构。 近年来，金属卟啉应用于核酸定位断裂是一个新发展的研究方向，其原因是：金属 卟啉在适当条件下可形成具有氧化活性的f e = o 中间体；金属卟啉易在组织细胞特别是 肿瘤细胞中聚集，在光照下对肿瘤具有显著抑制作用；金属卟啉在生物体内相当稳定。 为达到对核酸的定位断裂，将适当的核酸识别剂组装于金属卟啉上，将有望设计出高性 能的核酸定位断裂剂，这不仅是对金属卟啉研究领域的扩展，同时对癌症的基因治疗、 大片段基因的分子识别、基因免疫印迹分析等都具有重要意义【7 6 朋。 生物大分子间的选择性结合现象称为分子识别。配体上带有某种官能团，有特定空 间构象的配合物，与有机分子和生物分子之间也存在着不同程度的专一结合现象，称为 配合物的分子识别。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，金属 卟啉配合物作为主体分子有其独特的优点：卟啉环具有刚性结构，周边官能团的方向 和位置可较好地得到控制，使之与客体分子( g u e s t m o l e c u l a r s ) 之间有最佳的相互作用； 卟啉分子有较大的表面，对金属卟啉分子轴向配体周围的空间容积和相互作用方向的控 制余地较大；金属卟啉配合物具有多样性。基于此，金属卟啉配合物可对多种有机和 生物分子进行识别。氨基酸是生命体内蛋白质的重要组分，在主客体化学中，它的分子 识别颇受重视。氨基酸中的氨基、羧基可形成氢键、库仑力、偶极偶极作用力，碳上 的取代基可作为另外的识别点，与主体分子间产生静电力、范德华力、疏水作用、立体 效应等。人工设计合成的卟啉化合物，可有手性识别中心，并提供必要的立体构型以实 现氨基酸分子的识别。 1 5 3 在分析化学方面的应用 人们在化学仿生学的启示下，于2 0 世纪5 0 年代后期将卟啉化合物作为试剂用于分析 化学中。1 9 7 9 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4 0 0 , - , 5 0 0 锄处有强的吸收带，摩尔吸光系数一般在2 1 0 5 。5 1 0 5 m 2 m o l ，可测定 o 河北大学理学硕士学何论文 c o 、c i l 、z n 、c d 、h g 、p b 、m n 、m g 、p d 、f e 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) 季铵盐化合物，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。 1 5 4 其他方面的应用 由于金属卟啉化合物作为一种功能性客体，引入夹层化合物中后，赋予许多优良的 性能，因此在光电材料方面用途广泛，可用于磁性材料、非线性光学材料等。而且卟啉 能与许多金属形成金属有机液晶，现今发现c u 、c d 、z n 、c o 金属卟啉都具有液晶性能， 如2 ，3 ，7 ，8 ，1 2 ，1 3 ，1 7 ，1 8 八辛硫基四氮杂卟啉( i i ) 在6 7 乱1 5 1 7 有稳定的介晶相，液晶态为 六角柱状相。卟啉具有很强的吸光特性，尤其是与过渡金属络合后，使其能发射出很强 的磷光，而这种磷光又可被0 2 猝灭，所以被用作压敏器件的磷光材料 t s , 7 9 。 太阳能利用目前最为活跃，人们研究光能转换主要是模拟自然界绿色植物的光合作 用。目前研究较多的是卟啉和醌类体系，最成功的一个体系是m o o r e 等人【删把1 个胡萝b 素分子、l i , - 卟啉分子和1 个苯醌分子连在一起，合成了一类化合物，在光照后可实现 有效的电荷分离。在这个体系中，胡萝b 素分子具有天线功能，能吸收太阳光，成为单 重态激发态，单重态发生能量转移，生成卟啉单重态激发态。此外卟啉化合物还具有分 子氧的电催化还原性，用它可作光电化电池的阴极。 四苯基卟啉和一氯二乙基铝反应生成四苯基卟啉氯化铝，它遇水、醇、羧酸、胺等 活泼氢化合物时，氯原子可被取代，生成卟啉铝化合物，它们可引发环氧、内酯等环化 物开环聚合【8 。东京大学l n o u e 和a i d a 等对四苯基卟啉氯化铝( t p p a i c i ) 体系进行了1 0 余 年深入研究，也证明了环氧，内酯等环化物是非常优良的活性开环催化剂。此外它还可 引发酸酐等活性聚合物聚合并进行嵌段共聚合，还能使酸酐、二氧化碳聚合。此类催化 剂进行的活性聚合不能被醇等含活泼氢化合物所终止，相反通过醇与活性链的快速交换 反应，醇起到与催化剂相当的作用，能够有效调节聚合物的相对分子质量。而且四苯基 卟啉烷氧基铝在光照下可引发甲基丙烯酸甲酯等烯类单体进行活性聚合。 石油卟啉由叶绿素、血红素降解得到，并基本完整地保存在古代沉积物中，因此又 被称为生物标志物。石油卟啉中多以镍、氧钒络合物的形式存在，较稳定，因而成为地 1 0 第1 章绪论 球化学的分子化石。按含侧链不同，石油卟啉可分为初卟啉( e t i o ) 和脱氧初卟啉( d p e p ) 。 在石油成熟过程中，e t i o 和d p e p 的比例发生变化，平均碳数减少。因此，分析石油卟 啉的组成、类型、含量等，对获得地球化学信息有重要意义【捌 1 6 本文研究的主要内容及意义 由于卟啉分子水溶性极差，这就限制了卟啉在医学和生物化学等方面的应用。大多 数卟啉分子都是经亲水分子的修饰来实现其水溶性1 8 3 暑5 1 ，此方法合成步骤复杂，且不易 提纯。本文试图以a b 2 型单体和t h p p 为原料，经热聚合，合成水溶性超支化聚合物为 “壳 ，卟啉分子为“核 的功能分子。但是可能是由于卟啉分子的一o h 与单体分子的- c 0 0 h 反应活性差异，二者未发生反应，“核 与“壳 未成功键连。我们出人意料的发现卟 啉与超支化聚合物的混合物在水溶液中有较强的紫外吸收，推测可能是超支化聚合物对 卟啉分子有较强的包埋作用所致。 本文采用两步法，以丁二酸酐和二乙醇胺为原料，首先低温下合成了一种a b 2 型单 体，然后进行熔融缩聚制得超支化聚( 酰胺一酯) ，克服了a 2 + b 3 型反应体系的凝胶点 限制，使聚合反应更加容易控制。用傅立叶红外光谱( f t 瓜) 等对其结构及性能进行表 征。本文合成的超支化聚( 酰胺一酯) 具有大量的端羟基，且在每一个重复单元以酰胺 键或酯键连接，表现出很好的水溶性、热稳定性，尤其是优良的水溶性和包埋或吸附疏 水分子的性能更为显著。再以4 甲氧基苯甲醛和吡咯为原料合成了中位四( 对甲氧苯 基) 卟啉( t m o p p ) ，用b b r 3 水解t m o p p 得到了中位四( 对羟基苯基) 卟啉( t h p p ) 并对其结构进行了表征。 进而我们用紫外一可见吸收光谱和荧光光谱测定了在超支化聚( 酰胺一酯) 存在下， 中位四( 对羟基苯基) h i - 啉( t h p p ) 溶液光谱特征和卟啉在溶液中的解聚集行为。研究 结果有望在直接检测特殊的生物组织和利用光动力疗法( p h o t o d y n a m i ct h e r a p y 简称p d t ) 检测和治疗癌细方面得到应用。 河北大学理学硕士学位论文 第2 章卟啉和超支化聚( 酰胺一酯) 的合成及表征 2 1 引言 超支化聚合物具有三维准球状立体结构、低黏度、无链缠结、难结晶和溶解性好等 特点，同时末端含有大量具有反应活性的端基，通过对其原位改性或修饰，因而可以在 很多领域得到了应用嗍。 最近，有关光敏剂的研究取得了迅速发展，继第一代光敏剂h p d 在光疗中所做的 杰出的贡献后，新出现的第二代光敏剂四苯基卟啉及其衍生物成为开发药物的非常有用 的前体而引起了人们的广泛关注。从目前的研究可以发现，单纯脂溶的卟啉存在在体内 环境中溶解性差、易聚集的现象，不利于光敏剂在体内定向传输和定点聚集。因此，研 究卟啉在水溶液中的聚集，改变卟啉在水溶液中的溶解性变的尤为重要，因而也引起人 们广泛关注【跏。 卟啉环上的不同取代位置和命名：在卟啉环中，与吡咯环上的氮原子直接相邻的八 个碳原子称为a 碳原子；与其相间的吡咯环上的八个碳原子称为1 3 碳原子：四个吡咯环 之间桥连的碳原子称为中位碳原子，卟啉环的i u p a c 系统命名，如图l 所示： 图l 卟啉环上原子的位置及命名 f i g 1t h ep o s i t i o na n ds y s t e m a t i cn o m e n c l a t u ro f a t o m0 1 1t h ep o r p h y r i nr i n g 本章采用两步法，以丁二酸酐与二乙醇胺为原料，首先合成了一种a b 2 型单体，然 后进行熔融缩聚制得超支化聚( 酰胺一酯) ，克服了a 2 + b 3 型反应体系的凝胶点限制， 使聚合反应更加容易控制。以对甲氧基苯甲醛和吡咯为原料首先合成中位四( 对甲氧 苯基) 卟啉( 删o p p ) ，然后用b b r 3 水解得到中位四( 对羟基苯基) 卟啉( t h p p ) 。 本章合成的超支化聚( 酰胺一酯) 含有大量极性端羟基，骨架上具有酯、酰亚胺键结构， 可以形成h b p 包埋t t t p p 体系，有望应用于直接探测生物介质和光化学动力学研究。 1 2 第2 章卟啉和超支化聚( 酰胺一醣) 的合成与表征 o h 图2 中位四( 对羟基苯基) r i b 啉的化学结构 f i g 2t h ec h e m i c a ls t r u c t