（应用化学专业论文）联二硫基丙基金属次卟啉的合成及其仿生催化性能的研究.pdf

硕士论文联二硫基丙基金属次卟啉的合成及其仿生催化性能的研究 摘要 自1 9 2 1 年f i s c h e r 因合成次卟啉衍生物而获得诺贝尔奖以来，卟啉类化合物 成为人们研究的热点和重点，特别是在仿生催化方面的应用。因为卟啉化合物能 够有效催化活化惰性的c h 键，所以卟啉化合物作为催化氧化烃类物质的催化 剂具有极大的发展潜力。但是其在工业化的应用中面临较多困难，进一步提高卟 啉类仿生催化剂的催化活性和选择性仍然是研究的重要方向。 本论文以制备次卟啉类衍生物催化剂为主要内容，并在催化氧化环己烷反应 中研究其催化活性。以提高环己烷的转化率和选择性为目的，设计并合成系列次 卟啉类衍生物仿生催化剂。由于次卟啉的结构更接近于天然单加氧酶p - 4 5 0 的辅 基，因此研究次卟啉类衍生物的合成具有潜在的意义，本论文研究的重点主要包 括以下内容： 首先，以氯化血红素为原料经过脱乙烯基，脱铁，酯化，还原，溴代，巯基 化六步反应合成联二硫基丙基次卟啉。其次，联二硫基丙基次卟啉与不同的金属 盐反应合成相应联二硫基丙基金属次卟啉。最后，将合成的联二硫基丙基金属次 卟咻应用到催化空气氧化环己烷的反应中并与金属次卟啉二甲酯的催化活性进 行比较，结果表明联二硫基丙基金属次卟啉具有优越的催化性能；说明将还原性 基团引入到卟啉环上能够提高其催化性能，与理论上研究相符合，并探讨了联二 硫丙基金属次卟啉催化空气氧化环己烷的反应机理。 关键词：次卧啉，金属卟啉，环己烷，二硫键，仿生催化 a b s t r a c t联二硫基丙基金属次卟啉的合成及其仿生催化的性能研究 a b s t r a c t s i n c e19 21sf i s c h e rw i n n i n gt h en o b e lp r i z es y n t h e s i so fh e m i nd e r i v a t i v e s ， m u c ha t t e n t i o nh a v eb e e nf o c u s e do nt h ep o r p h y r i l l s ，e s p e c i a l l yi nb i o m i m e t i c o x i d a t i o nr e a c t i o n s m e t a l l o p o r p h y r i n sw o u l db et h eb e s tp o t e n t i a lc a t a l y s td u et o o x i d a t i o nt h et m a c t i v a t e dc - hb o n d so fh y d r o c a r b o n s h o w e v e r , t h eh i 曲e f f i c i e n t s e l e c t i v i t ya n dc a t a l y t i ca c t i v i t i e so fm e t a l l o p o r p h y r i n sc o n t i n u e st ob eac h a l l e n g eo f t h ei n d u s t r i a lc h e m i s t r y i nt h i st h e s i s ，w ep r e p a r e dv a r i o u sm e t a l l o p o r p h y r i nd e r i v a t i v e sb ym e a n so f m o d i f i c a t i o no nn a t u r a l l ye a s i l yd e r i v e dh e m e ，w h i c hw e r ea p p l i e dt oc a t a l y s e c y c l o h e x a n et oi n v e s t i g a t et h ec a t a l y t i ca c t i v i t y i no r d e rt oi m p r o v es e l e c t i v i t ya n d y i e l do fp r o d u c t , w eh a v ed e s i g n e da n dp r e p a r e dm e t a l l o p o r p h y r i n s b e c a u s et h e s t r u c t u r eo fd e u t e r o n p o r p h y r i ni sm o r er e l a t et h ep r o s t h e t i cg r o u po fc y t o c h r o m ep 4 5 0 t h e n , s t u d yt h eb i o m i m e t i cc a t a l y t i ca c t i v i t y o ft h e m e t a l l o d e u t e r o p o r p h y r i n d e r i v a t i v e ss h o u l db eh e l p f u lt od e v e l o pa n dd e s i g nt h en e wa n de f f e c t i v ec a t a l y s t sf o r o x i d a t i o n i nt h ep a p e r f i r s t l y , d e u t e r o p o r p h y r i nw e r ep r e p a r e df r o mh e m i nb ys i xs t e p s i n c l u d i n gd e m e t a l a t i o n , e s t e r i f i c a t i o n ，r e d u c t i o n , b r o m i z a t i o na n ds u l f u r a t i o n ，f m a l l y ， w h i c hr e a c t e dw i t hm e t a ls a l ts y n t h e s i so fm e t a l l o p o r p h y r i n t h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo f t h em e t a l l o d e u t e r o p o r p h y r i n sc o n t a i nd i t h i o lb o n dh a v ea l s ob e e ns t u d i e di n t h e o x i d a t i o no fc y c l o h e x a n ew i t ha i r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a t a l y t i ca c t i v i t yh a sb e e n e v i d e n t l yi m p r o v e di nc o m p a r i s o nw i t ho t h e r sm e t a l l o p o r p h y r i n s t h em e c h a n i s mo f c a t a l y t i ca c t i v i t i e sh a sa l s ob e e ns t u d i e di nd e t a i l k e yw o r d s ：d e u t e r o p o r p h y r i n , m e t a l l o p o r p h y r i n , c y c l o h e x a n e ，b i o m i m e t i c c a t a l y s e ，d i s u l f i d eb o n d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：圣生墨霸 一7 p 卢年厂月7 ，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 蚴 7 。f 。年月加日 硕士论文联二硫基丙基金属次卟啉的合成及其仿生催化性能的研究 1 绪论 卟啉( p o r p h y r i n ) 是以卟吩为母体含四个吡咯分子的大环化合物【l 】，它与生 命科学密切相关，卟啉化合物广泛存在于自然界的生命体中，对生命活动起着重 要作用。叶绿素、血红素、维生素b 1 2 等都可以看作是金属卟啉类化合物，它们 在生命过程中，对氧的传递( 如血红蛋白) 、贮存( 肌红蛋白) 、活化( 细胞色 素p - 4 5 0 ) 和光合作用( 叶绿素) 等起着十分重要的作用1 2 - 3 1 。由于卟啉环结构的 具有1 1 个双键的共轭体系和芳香族化合物的特殊的性质，同时卟啉环中心能络合 金属离子，整个四毗咯大环的化学结构相对较稳定。因此，过去的二十几年里， 以卟啉衍生物的种类增多及合成方法的改进显著为特点，它的应用也扩展到生物 化学、医学、分析化学、合成化学、材料学、催化应用等领域【4 一。 关于饱和烷烃的催化氧化，人们面临严重困难，其中一个主要原因是c _ h 键 相当稳定，难以氧化。用常规的催化剂使之发生氧化，就必须大副度地提高反应 温度；另一个主要原因是烷烃氧化的中间产物的活性比烷烃高，很容易被进一步 氧化为其它酸类化合物，甚至深度氧化为c 0 2 和h 2 0 。而金属卟啉空气法催化氧 化环己烷的研究是人们一直关注的重点，同时还能催化烯烃环氧化等2 1 种官能团 的转化，所以长期以来对金属卟啉的改性合成着重点都集中在提高其选择性氧化 的产率。但金属卟啉作为催化剂，由于其种类多、用量少、选择性高、耗能低等 优点，因此，对其研究及应用将会是一个具有深刻应用前景的课题。 1 1 卟啉的命名及其衍生物的种类 1 1 1 卟啉的命名及结构 卟啉( p o r p h y r i n ) 化合物在自然界中广泛的存在，是生命过程中必不可少的 一类化合物。卟啉是以卟吩( p o r p h i n e ) 为母体的一类大环化合物的总称。卟吩 是由4 个吡咯分子和4 个次甲基( 共2 0 个碳和4 个氮原子) 桥联起来的共轭大环， 碳、氮都是s p 2 杂化，剩余的一个p 轨道被单电子或孤对电子占用，形成7 2 4 中心 2 6 电子的大7 r 键，具有4 n + 2 电子稳定共轭体系，具有芳香性f 1 1 - 1 2 ( 图1 1 1 a ) 。卧 吩环上的四个r r l e s o ( 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ) 位以及八个p ( 2 ，3 ，7 ，8 ，1 2 ，1 3 ，1 7 ，1 8 ) 位( 图1 1 1 a ) 均 可被其它基团取代而生成系列的叶吩衍生物，即卟啉。卟啉环的所有原子都处 于同一个平面，具有1 1 个共轭双键的形成的共轭体系，这一特征使得卟啉具有特 殊的化学性质，如特殊的紫外吸收峰和刚性平面的分子识别能力，同时受这一共 轭体系的影响，卟啉的化学性质较稳定，一般卟啉衍生物具有较深的颜色，如血 红素具有深黑色。卟啉环的另一结构特征是其空腔中心到四个氮原子的距离为 1 绪论硕士论文 2 0 4p m ，这个数值与第一过渡系金属原子和氮原子的共价半径之和恰相匹配，因 此卟啉极易与过渡金属离子( m = 铁、锰、钴、镍、铜等离子) 形成稳定的金属 配合物，即金属卟啉( m e t a l l o p o r p h y r i n ) ( r l ，r 2 ，r 3 ，为取代基团) ，图1 1 1 b r 2 1 0 图1 1 1 a 卟吩的结构及i u p a c 的命名编号图1 1 1 b 金属卧啉的结构 1 1 2 天然形式的卟啉衍生物的种类 卟啉类配位化合物是大环配位化合物中的一种重要类型，在天然的卟啉体 系中，八个吡咯碳原子全被其它取代基所置换，按图1 1 1 a 卟吩的结构所示，当 2 ，3 ，7 ，8 ，1 2 ，1 3 ，1 7 ，1 8 位被不同的取代基取代时衍生出一些天然的卟啉衍生物，如表 表1 1 2 ： 表1 1 2 天然形式的卟啉衍生物的种类 1 2 卟啉类衍生物的性质及其合成 次卟啉作为天然卟啉类衍生物的一种，由于他独特的物化性质而得到广泛的 应用，特别在光敏剂和仿生催化的方面研究的成果层出不穷【1 3 - 1 5 其结构如图1 2 ， 本文主要围绕着其性质进行一系列的衍生物的修饰合成。 2 硕士论文联二硫基丙基金属次卟啉的合成及其仿生催化性能的研究 图1 2 次卟啉的结构 1 2 1 物理性质 次卟啉深红棕色粉末固体颗粒，不溶于水、乙醇、乙醚等溶剂；微溶于氯仿、 甲醇、乙腈，易溶于d m f 、吡啶、强酸强碱。熔点大于3 0 0 ，大环对热相对稳 定，但遇强氧化剂时其结构易被破坏。 由于卟啉环是由4 个吡咯分子和4 个次甲基桥联起来的共轭大环且具有2 4 中心 2 6 电子的大7 罐，具有4 n + 2 电子稳定共轭体系。整个大环的骨架和键与键之间的 距离不会受环上的取代基的变化而变化的，键角和键距是有固定的参数值，整个 大环还具有四轴对成的结构，当中心四氮原子与金属络合成配合物时，氮与金属 键会受到的金属的影响，其键距会不断变化，如铁与氮的形成的键长为2 1 0 人 而镍与氮的键长为1 9 5a 1 6 1 ，同时由于金属的电负性大小和金属形成的配位键的 稳定性不同，形成的金属卟啉整体环的骨架结构的稳定性也不同，一般来说，当 卟啉环上有吸电子侧链基团存在会降低。给予4 * n 的碱性，从而使得它结合金属 的能力降低、配位化合物不稳定。根据取代反应，离解反应和各种光谱数据，对 于给定的卟啉，它和不同的金属键合的共价性和热力学稳定性的降低次序为【l7 】： p t ( i i ) n i ( i i ) c o ( i i ) c u ( i i ) f e ( i i ) z n ( i i ) m g ( i i ) c d ( i i ) 。 1 2 2 化学性质 次卟啉最显著的特点就是四个氮原子能够与金属络合，形成配合物俗称金属 次卟啉，自然界中存在的卟啉绝大多数为金属卟啉。只有极少数以卟啉形式存在， 如在豆科植物的根瘤内、突变的酵母和某些鸟类及动物的粪便中含有一些卟啉 1 8 1 。对于卟啉中心氮原子与金属成键后形成的金属卟啉受四吡咯环的影响易发生 亲电取代反应，由于许多亲电取代反应在酸性条件下进行( 如硝化、磺化) ，从 而卟啉易双质子化得到非亲核性二价阳离子，大多数取代反应的位置一般在p 位 和m e s o 位。金属卟啉发生亲和取代反应很少见，主要是7 【阳离子或- - x 阳离子基 的反应。 3 i 绪论硕士论文 1 2 3 卟啉类衍生物的合成方法 卟啉类衍生物的合成首先是由r o t h e m u n d t l 9 1 在1 9 3 5 年提出的，随后的二十几 年里，卟啉类的合成方法经历了一个崭新的阶段，特别在卟啉类化合物种类的增 多和合成方法的改进方面成为众人研究的焦点。总体归纳起来卟啉的合成方法有 两种1 2 0 ：( 1 ) 由非卟啉前体合成卟啉即所谓的全合成方法，利用4 个吡咯单体直 接缩合环化生成卟啉或则模块的方法合成卟啉；( 2 ) 卟啉化合物的官能团的修 饰即所谓的半合成方法，主要利用天然卟琳衍生物的形式进行合成。 1 2 3 1 吡咯单体缩合环化生成卟啉 ( 1 ) 4 个毗咯单体缩合环化生成卟啉【2 1 2 - 2 1 该方法先后经历了r o t h e m u n d 法，a d l e r 法，l i n d s e y 法、微波激励法。但他 们的合成路线基本一样如图1 2 3 1 ，只是在合成中采用的方法条件的差异。 r o t h e m u n d 法是在酸陛条件下，采用苯甲醛和吡咯以吡啶为溶剂在密封管中反应 1 5 0 以下反应2 4 - - 4 8h ，所得的产率很低，并且在此条件下，能用来作反应物的 取代苯甲醛极少：a d l e r 法研究了不同溶剂、金属阳离子、阴离子、反应温度、 时间等对吡咯、苯甲醛缩聚反应的影响提出了反应机理。并在1 9 6 7 年改进了 r o t h e m u n d 的方法，采用苯甲醛和吡略在回流( 1 4 1 ) 的丙酸中反应，反应时 间为3 0r n i n ，冷却，过滤，滤饼以甲醇和热水分别洗涤，晶体真空干燥移去吸附 的丙酸，得到四苯基卟啉，产率达到2 0 ；l i n d s e y 法采用苯甲醛和吡咯在氮气保 护下，在二氯甲烷中，以三氟化硼和乙醚络合物催化，整个反应分两步进行，先 得到卟啉合成的中间体然后，以二氯二腈基苯醌( d d q ) 或四氯苯醌( t c q ) 将卟啉原氧化得到最终产物卟啉，从而使反应可以在常温下进行。由于l i n d s e y 法的反应温度较低，一般不会产生焦油状副产物，目标产物的分离提纯较容易； 同时温和的反应条件也允许反应物先经过化学修饰，连接上一些敏感基团，平均 产率可达3 0 - 4 0 。而微波激励法是在19 8 6 年，g e d y e 等人发现微波可显著加快有 机合成反应速率，从此微波在合成化学领域迅速得到重视。 4 n 一+ 。硷 + ( 0 - 4 ) 心。_ 。 图1 2 3 1 毗咯单体缩合环化生成外琳的路线 ( 2 ) 模块法团】 模块法是指以两分子二吡咯甲烷( d p m ) 缩合来产生卟啉大环也叫 3 + 1 】法 硕士论文联二硫基丙基金属次卟啉的合成及其仿生催化性能的研究 或者是将一个由两个桥碳原子连接的3 个吡咯环组成的胆色素分子和一分子0 【，a 二甲酰基吡咯环合得到卟啉的合成方法亦称【3 + 1 法。 1 2 3 2 卧啉化合物的官能团的修饰合成法 此方法目前报道最多的主要以血红素和叶绿素等卟啉化合物为原料进行的 合成，主要对大环的上官能团的修饰，因此它的反应条件相对毗咯单体缩合环化 生成卟啉简单易于操作。根据据反应的位置我们又可以把卟啉衍生物的半合成分 成m c s o 位修饰和p 位修饰。 ( 1 ) m e s o 中位修饰。在许多反应涉及卟啉的合成反应中，其中一个典型的 例子是铜卟啉或镍卟啉中位的l s m e i e r 甲酰化反应【2 4 】，o g o s h i 等人用p 八乙基卟 啉( o e p ) 的二价金属复合物与配成的v i l s m e i e r 试齐l j 进行反应，得到了产率较高 的5 甲酰化金属卟啉，通过控制反应条件，他们还得到了3 1 单甲酰化和2 8 的5 ， 1 5 双甲酰化得混合产物【2 5 l ，如下图所示： ( 2 ) p 一位修饰。跟据p 一位官能团的活性，p - 位官能团也可以转换成其它官能 团，生成新的官能团，常见的卟啉官能团转化反应有p d 催化的偶合反应。t h e r i e n 等人采用官能团转换法把3 溴t p p 转化成了3 羟基t p p t 2 6 1 。f r a n c k 等则用n 溴代 t - 酰亚胺( n b s ) 实现y m e s o 四( 2 ，4 ，6 三甲苯基) 卟啉的八p 位全溴化【2 7 1 ( 如 图1 2 3 2 ) ，并且进一步磺化制得了四( 3 ，5 - 二磺酸基均三甲苯基) 一p - 八溴卟啉。 i ) z n ( o a e ) 2 d i v i f b r i i ) n b s c h 3 0 i - i i i i ) t f a c h z c l z a 降苓呲 h 3 c 图1 2 3 2m e s o - 四( 2 ，4 ，6 - 三甲苯基) b - 八溴卟啉的合成 b r a r b r 1 绪论硕士论文 1 3 卟啉衍生物的应用 1 3 1 分析化学方面 卟啉类显色剂能与多种金属离子形成配合物，其摩尔吸光系数一般可达1 0 5 l t o o l c 1 1 1 3 。因此卟啉作为显色剂，测定金属离子灵敏度很高，络合比固定，稳 定性好，具有操作简便、测定快速等优点。自1 9 7 4 年四苯基卟啉三磺酸被作为 光度试剂测量铜以来，卟啉试剂被称为“超高灵敏度的显色剂2 8 - 2 9 ，龙立平【3 0 l 等人用附有敏感膜的石英玻片自制流通测量池，基于荧光分析方法建立了p b 2 + 光 化学传感器。此敏感膜对p b 2 + 有快速可逆的响应，可用于测定环境中水溶液的 p b 2 + 。其优点是在相当长时间有很好的稳定性，且方便、快捷、灵敏。同时，在 分子识别方面也有重要的作用，因为卟啉的分子自组装驱动力有氢键、配位键、 疏水作用力、静电和堆积效应。利用自组装技术可以在卟啉环周边进行化学修饰， 从而引入特定官能团对底物进行精确识别。卟啉分子周边功能团的位置和方向可 加以控制，分子有较大的表面，其轴向配体周围的空间大小和相互作用力的控制 余地较大，故作为受体有显著特点，可进行分子大小和形状、官能团、手性异构 体识别。作为主体分子，卟啉化合物对生物活性分子氨基酸，核酸、碱基、糖分 子、胡萝b 素等有很好的识别作用【3 。 1 3 2 医学方面 卟啉类衍生物对肿瘤组织具有特异性识别和富集作用，使其具有潜在的药物 应用价值，在医学方面的应用中两个主要的应用就是可作为检测癌症的光敏剂和 抗癌药物，人们研究最多的是光动力学疗法( p d t ) 。所谓光动力学疗法：就是 利用能够滞留在病变组织( 如癌细胞) 中的的光敏剂，在光的照射下产生单线态 氧，摧毁病变组织，从而起到治疗作用。最早被应用光动力疗法中的卟啉类化合 物是血卟啉及其衍生物1 3 2 弓4 】，在治疗过程中显著的优点在于能选择性消灭局部浅 表性的原发和复发肿瘤，可在手术前指示肿瘤浸润程度，与放疗和化疗均无交叉 “抗性一，并存在一定程度的协同作用，毒副作用轻微。如血卟啉衍生物( h p d ) 具有非常强的荧光效应，且易用一种特殊的维蓝排斥试验来表征，因此，可以用 此效应作为组织中恶性肿瘤的诊断工具。顾瑛等【3 5 】发明了光动力方法治疗鲜红斑 痣，并对新光敏剂血卟啉单甲醚首先进行了临床研究。血卟啉化合物在治疗癌症 方面取得了重要进展但也存在严重的不足，所以目前还需要研究新型的卟啉类衍 生物的光敏剂，以达到更好的治疗效果。 1 3 3 生物化学方面 由于卟啉化合物特殊的结构和化学性质，致使他在生物医学研究中具有明显 6 硕士论文联二硫基丙基金属次卟啉的合成及其仿生催化性能的研究 的抗病毒活性0 6 1 、核酸活性f 3 7 1 、d n a 结构探针等特性【3 8 1 ，目前研究d n a 与卟 啉作用的按取代基可分为三类：( 1 ) 电荷型：据所带电荷的电性不同又分为阳离 子卟啉与阴离子卟啉；( 2 ) 两亲型：这类卧啉的特点是叶吩环本身疏水，但取代 基具有非离了型的亲水基；( 3 ) 疏水型：这类卟啉由于非水溶，往往需要环糊精、 表面活性剂等载体来增加其水溶性。三类卟啉中，由于阴、阳离子卟啉具有良好 的水溶性、更适合于生命体系而得到广泛的研究，也将意味着通过卟啉与d n a 的作用对新的疾病有更深的认识和治疗方法。同时，卟啉与蛋白质之间的非共价 键相互作用对于在分子和细胞水平上理解卟啉光反应的机理和效率至为重要。血 清蛋白、高密度或低密度脂蛋白以及抗体是卟啉类光敏分子的天然载体，参与定 向输送卟啉分子至肿瘤部位并将其输送入肿瘤细胞内。卟啉与蛋白以单位点或多 位点的结合作用可以影响卟啉的输送、新陈代谢以及卟啉分子的存在方式，即质 子化程度、聚集行为【3 9 l 以及单体的浓度。反过来，卟啉在蛋白上的结合也会使蛋 白的构象发生变化，影响蛋白的生理功能。 1 3 4 材料科学方面 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 与 p b 金属卟啉都具液晶性能，如2 ，3 ，7 ，8 ，1 2 ，2 3 ，1 7 ，1 8 八辛硫基四氮杂卟啉( i i ) 在 6 7 6 1 5 1 7 有稳定的介晶相，液晶态为六角柱状相【4 0 】。卟啉与金属络合后，卟 啉分子形成的负电荷包围正电荷的结构，卟啉分子存在着一种由一个大环的电子 云与另一环中心的的金属相互叠加的倾向，这对于卟啉分子形成的柱状排列有 利，从而是液晶性能得到更好的改善【4 1 1 。 1 3 5 石油勘探方面1 4 2 l 卟啉含量可作为评价生油岩质量的指标之一。一般说来，卟啉含量越高则 生油岩的质量可能越好。经对多个中国陆相样品研究发现，卟啉含量与样品干酪 根类型有密切联系，i i i 型干酪根的样品含较多卟啉，i i 型干酪根的样品的卟啉 含量为中等，而其它型干酪根的样品则相对地含较少卟啉。与油气的形成和保存 一样，卟啉的形成和保存也需要个还原环境。因此，较高的卟啉含量则标志着 沉积环境的还原性强，对生油有利。卟啉化合物一直被用来进行油源对比，包括 油油、油源岩油源岩、油一油源岩的对比。b a r w i s c 和p a r k 用h p l c 分析了四个 油样，这些油样被认为是同一生油层所生，而储集在不同深度，由于埋深不同受 成熟作用影响，随深度增加，c a p 的相对含量减小，由此可见，卟啉化合物极 稳定，是良好的油源对比指标。 7 1 绪论硕士论文 1 3 6 太阳能电池方面 四苯基卟啉( t p p ) 是结构对称的共轭分子，较为稳定，具有耐酸碱和耐日 晒的性质，光牢度达八级。2 0 世纪7 0 年代以来，t p p 及其衍生物作为光敏剂在 光电电池中越来越受到重视。科学家们利用卟啉超分子组装体设计出了人工光收 集天线系统，模拟光合成天线独特的三维结构，成功地应用在光伏电池、场效应 晶体管等分子器件中【4 3 1 。沈珍等 4 4 1 人在文章卟啉超分子在染料敏化太阳能电池 中的实际应用中，详细介绍卟啉光敏太阳能电池的基本构造和光电原理及从改善 电池性能的角度，综述了各种卟啉类光敏剂在染料太阳能电池中的应用。 1 3 7 绿色仿生催化方面 碳氢化合物选择性氧化合成含氧有机化学产品在石油化工中占有极其重要 的地位。据统计，用催化过程生产的各类有机化学品中，选择性催化氧化生产的 产品约占2 5 t 4 5 1 ，目前碳氢化合物的选择性氧化还是一个最具有挑战性的课题 4 6 。5 3 。，而细胞色素p - 4 5 0 是生物体内唯一可以将烃类物质官能团转化的酶，其活 性中心的核心结构是金属卟啉配合物。金属卟啉具有优良的电子转移能力，可以 用来模拟细胞色素p 4 5 0 酶在生物体内的新陈代谢过程，实现温和条件下烃类底 物的氧化，不仅有助于了解天然酶的作用机理，也有利于开发实用的催化剂体系， 提高工业中烷烃的催化氧化效率。金属卟啉仿生催化剂及其技术的最主要应用对 象是催化空气选择氧化饱和烃及催化合成有机原料和精细有机中间体及其产品。 选择合适的金属卟啉仿生催化剂代替常规催化剂，实现用廉价、清洁的空( 氧) 气 代替污染严重的化学氧化剂和选择性氧化烃类，催化绿色合成基本原料和精细有 机化工原料及产品，一直以来是国内外学者的研究热点【川。 1 4 二硫键官能团的性质和作用 蛋白质广泛存在于各种生物组织细胞，是生命活动的物质基础，生命活动几 乎均是通过蛋白质实现的，而二硫键是一种共价键而且广泛存在于激素、酶和免 疫球蛋白中，二硫键被认为在稳定有生物活性的构象方面起了重要的作用。对于 含有多对二硫键的蛋白质来说，不同的二硫键在维持蛋白质空间结构的作用大小 上不尽相同，而且对多肽链正确折叠的影响也有差异。二硫键也可具有不同的空 间构型，因此形成二硫键的2 个半胱氨酸残基所在肽段的相对构象，也可因为二 硫键构型不同而改变。这从另一方面突出二硫键在蛋白质立体结构中的重要性为 了进一步提高生物活性【5 5 】。 在实际研究中人们往往在天然产物中引入二硫键对生物活性肤进行结构修 饰形成二硫键的实质是两个游离的巯基经氧化后形成硫一硫共价键。二硫键等基 8 硕士论文联二硫基丙基金属次卟啉的合成及其仿生催化性能的研究 团间的相互作用为蛋白质产生维持高级结构和功能提供基础。半胱氨酸残基中的 巯基是所有蛋白质氨基酸残基中最活泼基团，在体内多种反应中扮演着至关重要 角色。同时二硫键与巯基之间也可借氧化还原反应相互转化。在有机化学合成过 程中，二硫键可以通过亲和、亲电和化学激励的过程进行断裂，因此二硫键的在 金属配合物电化学性能等方面的研究也具有深远的意义【5 们。 1 5 卟啉类衍生的仿生催化研究进展 早期的金属卟啉仿生催化的研究工作，主要集中在金属卟啉单充氧化剂氧 化底物这类体系中。所采用的氧化剂多为p m o ，n a c i o ，i - i ：0 2 ，r o o h 等活性 单氧供体( m o n o o x y g e n a s e s ) 。这些体系能够在室温下进行反应，金属卟啉体现 了良好的催化活性，产物的立体选择性也很专一【57 1 。大量的研究结果表明，金属 卟啉具有较高的对细胞色素p - 4 5 0 酶的生物活性的模拟行为，可以在实际应用中 用来催化烃类化合物的氧化反应。然而，由于单氧供体的氧化能力过强，这些强 氧化剂对金属卟啉本身也有氧化作用，容易使金属卟啉被破坏，因此降低了催化 剂的转化数1 5 引。尽管金属卟啉体现出优秀的催化活性，但单充氧体系存在氧化剂 价格昂贵、金属卟啉催化转化数不高以及氧化剂在后续工艺中难于处理而造成污 染等缺点，因此这一体系不利于放大到工业当中去。基于此种原因，科学家们试 图开辟一类新的模拟体系。氧气是一种取之不尽用之不竭的氧化剂。而且，氧气 不存在污染问题，符合当前提倡绿色化学的时代要求。特别是近十年来，采用分 子氧作氧源来选择性氧化烷烃的研究取得了重大的进展少，许多新的催化模型被 提出，其可能的反应机理也引起了热烈的讨论【5 9 j 。 催化烷烃氧化化的金属卟啉催化剂已经发展了三代：第一代金属卟啉催化 剂是以中位四苯基卟啉铁为代表的中位四芳基卟啉型过渡金属配合物1 6 。铬和 锰的中位四苯基卟啉络合物都能够催化从p l d o 向烷烃上的氧转移。这一类的催 化剂缺点是寿命短，催化活性低。四苯基卟啉的叶吩环在氧化性气氛中易形成羟 基化衍生物，最终导致卟吩大环于间位断裂，催化剂的化学结构受到破坏。第二 代金属卟啉催化剂的代表是中位一四( 五氟化苯基) 卟啉，m c s o 四( 2 ，4 ，6 一三甲基苯 基) 卟啉以及m e s o 四( 2 ，6 二氯苯基) 及类卟啉似的一系列金属配位体1 6 。与第一 代相比，这些分子的大环中位取代的苯基官能团的邻、间、对位引入了烷基或卤 素取代基，一方面增加了空间位阻，另一方面苯环上的吸电子取代基提高了金属 氧合物种的催化性能。第二代的金属卟啉催化剂的寿命比第一代长，催化活性也 较高。第三代金属卟啉催化剂是在配位体卟吩大环的毗咯位进一步引入卤素取代 基【6 2 1 ，如m e s o 四( 2 ，6 一二氯苯基) 八溴卟啉，m e s o 。四( 五氟苯基) b 八氟卟啉。第 三代卟啉配位体的抗氧化能力很强，相应的过渡金属络合物的催化活性也较高。 9 i 绪论 硕士论文 1 6 选题的目的和意义 烃类选择催化氧化是石油化工中最重要的反应之一。选择催化氧化生产的产 品所需催化剂的费用是各类催化反应中最高的，而其选择性却最低，这给产品的 分离和纯化带来了巨大困难，使投资大幅度上升1 6 3 j 这主要是由于以下三方面的原 因，一是：由于饱和碳氢化合物的c h 键活化能较高，难以氧化，通常需要高 温高压等苛刻的反应条件；二是：目的产物大多是热力学不稳定的中间化合物如 醇、酮、醛和酸等，很容易被进一步深度氧化为c 0 2 和1 4 2 0 ，其选择性是各类 催化反应中最低的。这不仅造成资源浪费和环境污染，而且给产品的分离和纯化 带来很大困难，使投资和生产成本大幅上升；三是许多碳氢化合物含有多种碳氢 键，其氧化产物的选择性控制是碳氢化合物氧化研究中的关键问题。 近年来，模拟单加氧酶p 4 5 0 生物催化氧化功能的金属卟啉类仿生催化剂研 究方兴未艾，被认为是最有可能取代传统烃类氧化的方法咿j 。经过修饰的金属卟 啉能够实现在温和条件下对分子氧的催化活化，在烷烃氧化、烯烃环氧化、羰基 化以及开环反应中均表现出较高的催化活性和选择性1 6 蛐6 】。无论是在国外 p o l t o w i c z l 6 7 】等以m 1 t p p f 2 0 c i 为催化剂，在催化环辛烷氧化的反应中，底物的转 化率达到2 0 ，4 ，醇酮比达到5 4 ；g f i n s t a f f1 6 8 】等曾报道用高卤代金属卟啉催化 0 2 直接氧化烷烃生成醇和羰基化合物。这些金属卟啉均无需助还原剂和光、电 化学技术辅助，反应产率可达9 0 。还是在国内，如湖南大学郭灿城【6 9 j 、北京 工业大学余远斌【7 0 1 和中山大学计亮年等【7 l 】课题组对金属卟啉类催化剂的合成及 催化性能进行的研究。这些都表明金属卟啉作为一种绿色氧化催化剂必将成为仿 生催化剂及其技术研究的主角，在绿色化学中发挥越来越重要的作用：而国内外 的研究者所采用的中位芳基取代金属卟啉均系由吡咯和苯甲醛或取代苯甲醛缩 合而成，产率很低，其中多卤代芳基卟啉的合成成本尤其昂贵，它们在实际应用 中仍然存在许多不足之处，如催化活性较低，选择性有待进步提高，组分易流 失等等；金属卟啉对烷烃氧化反应的催化机理还有待进一步研究，研究者们目前 提出的多种机理模型，均有其局限性。但是，金属卟啉类仿生催化剂在烃类氧化 反应中的应用潜力不可否认，因此，设计并合成活性与选择性更高的催化剂仍然 是今后卟啉类催化剂研究的一个重要内容。 实际上，细胞色素p 4 5 0 在生物体内的分子结构中有与之结合的含硫化合物， f e 3 + 离子在水平面上与血红素配位，在轴向( 平面上下方) 则与一个蛋氨酸( m e t ， 即甲硫氨酸) 的s 原子以及一个组氨酸( h i s ) 中的咪唑氮原子配位；另外，血红素 中的乙烯基与蛋白质( p r i t e i n ) 中的l 半胱氨酸( l c y s ) 巯基相加成而形成硫醚键共 价结合，从而构成一个单加氧酶体系。虽然细胞色素p 4 5 0 的催化机理已被深入 研究了几十年，但是，对于卟啉卟啉环周上引入巯基或双硫键能更较好的模拟生 1 0 硕士论文联二硫基丙基金属次卟啉的合成及其仿生催化性能的研究 物体内的催化作用性能研究一直没有详细的报道。而细胞色素p 4 5 0 分子中加成 上的l 半胱氨酸残基具体的作用不得而知。但在化学上，l 半胱氨酸具有氧化 还原性质是人所共知的。两分子l 半胱氨酸可以被脱氢氧化，生成一分子含双 硫键的胱氨酸；而胱氨酸又可以夺氢，双硫键断开，被还原成两分子的l 半胱 氨酸。从上述的化学特性推测胱氨酸在医药上有促进机体细胞氧化和还原机能 其主要作用在于联二硫基的性能，因此，本课题设计合成联二硫基丙基次卟啉 结构上能有效接近细胞色素p 4 5 0 ，理论推测在催化性能上也能表现出比四苯基 卧啉好的催化活性。根据上述分析，本论文提出针对次卟啉分子环周上两个丙酸 酯侧链进行结构修饰，在这些位置引入各种性质不同的取代基团，设计合成联二 硫基丙基次卟啉，并将它们的金属络合物用于催化空气氧化烃类的反应，系统研 究次卟啉环周上取代基、环内络合金属离子及配体对其催化活性及选择性的影响 规律及机理，寻求一类能在友好环境下高效、高选择性催化氧化烷烃的新型仿生 催化剂和仿生催化氧化方法。这必将极大地丰富烃类仿生催化氧化的理论，对催 化合成技术的发展也具有十分重要的促进作用。此外，本项目研究选择的催化氧 化反应体系和模型是结合环己烷( 饱和烃) 的实际工业生产模式而设计的，具有 典型性和代表性，可以辐射至整个烷烃氧化领域。研究成果有望直接用于环己酮、 对甲基苯甲醛等重要有机中间体的生产实际。 1 7 本论文研究的内容 本文主要围绕着次卟啉为母体，对吡咯环上的官能团进行多步骤的修饰合成 了一系列的化合物，并给予他们详细的e s i m s 、f t - i r 及1 hn m r 等方法表征。 其具体的工作如下： 1 介绍卟啉及金属卟啉类化合物的结构、性质、应用以及合成方法的基础 上，对其催化化氧化烷烃的研究进展进行了比较。 2 次卟啉的合成：主要介绍了以次氯化血红素为起始原料，通过脱乙烯基、 脱铁的步骤，简便、高效的合成了次卟啉，提出了2 种改进的合成路线，并与传 统的方法进行了比较。 3 次卟啉二甲酯的合成：以合成的次卟啉为原料，采用简单的实验方法的 合成次卟啉二甲酯的合成，摒弃了先前用大量的强酸路线，同时为合成金属次卟 啉二甲酯提供了丰富的原料。 4 2 , 7 ，1 2 ，1 8 四甲基1 3 ，1 7 - - ( 3 羟基丙基) 卟啉的合成：讨论不同的还原体 系对酯基的还原效果，总结了还原效果的最佳条件。同时，在光动力学研究上表 明它也是一种较好的光敏剂。 5 以2 ，7 ，1 2 ，1 8 四甲基1 3 ，1 7 二( 3 羟基丙基) 卟啉为原料，首先合成了 2 ，7 ，1 2 ，1 8 ，四甲基1 3 ，1 7 - - ( 3 溴丙基) 卟啉，再与硫脲反应，经过成盐、水解两步 1 绪论 硕士论文 合成联二硫基丙基次卟啉，并对整个过程的实验条件进行了详细的探究，获得了 理想的实验路线。联二硫基丙基次卟啉通过与相应的金属氯化盐或乙酸盐在t h f 溶剂中反应制备了联二硫基丙基金属次卟啉。 6 以钴次卟啉二甲酯探究了催化氧化环己烷的工艺条件，在次基础上比较 了联二硫基丙基金属次卟啉对环己烷的空气氧化的活性及催化效率，并对氧化环 己烷的机理进行了解释说明。 1 2 硕士论文联二硫基丙基金属次卟啉的合成及其仿生催化性能的研究 2 联二硫基丙基次卟啉的合成 2 1 二硫键类化合物的合成方法 由于含二硫键的化合物具有特殊的用途，对于其合成方法据文献报道总结 可知具有多样性，所用的试剂也具有罕见性。但就目前研究的概况可知一个主要 的且易行的方法是利用二硫键和巯基( 硫醇) 相互较易转化的特点，人们主要通 过氧化巯基类物质合成含二硫键的化合物。下面将简单概述几种常用合成巯基类 化合物的方法。 2 1 1 硫氢化钠法【7 2 】 首先是使氯乙酸甲酯与硫氢化钠反应，然后将反应混合物酸化水解，还原， 抽滤，再经有机溶剂萃取，减压精馏得产品。该方法又分为常压间歇法，常压连 续法和加压合成法，其反应原理如下： c i c h 2 c o o c h 3 4 - n a r i s h s c h 2 c o o c h 3 + n a c i 但该法中由于发生如下副反应：使产物的收率很低，一般只有2 0 5 0 ，导致成 本高，效益差，不利于工业化生产。 2 1 2 硫脲法【7 3 j 硫脲法制各硫醇化合物一直以来是实验室最常用的方法，该反应是以硫脲 与溴代化合物在乙醇溶剂中直接进行加成反应，然后以8 1 0 倍于被裂解原料的强 碱k o h ，加热回流进行裂解；在通氮气的条件下滴稀硫酸中和，加至反应物对 刚果红试纸呈酸性：但此法由于实际操作过程中可控性差，产率不稳定容易生成 双硫键和单硫键产物，但该法在试验室操控中是比较容易实现的。 2 1 3 多硫化钠法【7 4 1 多硫化钠法具有收率高，成本低，反应时间短，产品质量好等优点，其反应 历程为： 2 0 c h 2 c o o c h 3 - h q a 2 s - 2 ( s c h 2 c o o c h 3 h + 2 n a c i ( s c 碣c o o 吼) 2 + 2 h 2 嘲c ( ) 。c 玛 但反应中用初生态氢还原，甲氧基易被初生态氢还原，使得技术难度大，实际生 产过程中难于控制。 2 1 4 硫代硫酸钠法1 7 5 】 该法分为成盐，蒸馏，水解还原，萃取，精馏五个步骤，反应过程如下： 2 联二硫基丙基金属次卟啉的合成硕士论文 c i c h 2 c o o n a + n a 2 s 2 0 3n a s 0 3 s c h 2 c o o n a ( b u n t e 盐) + n a c i n a s 0 3 s c h 2 c o o n a ( b u n t e 盐) + h c i + h 2 0 + h s c h 2 c o o h + n a c i + n a h s 0 4 n a s 0 3 s c h 2 c o o n a ( b u n t e j 盐) + 2 h 2 0 h o o c c h 2 s s c h 2 c o o h + 2 n a o h 但该工艺过程比较复杂，原料消耗较大，而且需要使用昂贵的锌粉，因此生产成 本较高，所使用的硫酸对设备腐蚀严重，目前工业化生产很少采用该工艺 2 1 5g r i g n a r d 反应法【7 6 】 以间卤化合物为原料，先制得有机镁化合物，再与固体硫反应，最后水解即。 由于卤代芳烃的反应活性不佳，可添加溴乙烷催化反应。用间溴苯甲醚合成的收 率为5 1 ，纯度达9 8 以上，该反应虽然有污染小的优点但对试剂的要求严格 且反应操作繁琐，也曾试以间氯苯甲醚为原料，但收率仅为1 8 6 ，所以该反应 适应范围不广泛。合成路线如下： 蜒p 文c 珏 【m 9 5f m g ) ( h 2 2 合成路线设计 研究卟啉大环为母体的金属卟啉类仿生催化剂已日益进展到一个新的层面， 仅仅以简单的卟啉化合物的改性合成己不能较大幅度的提高其催化效果。这时我 们有必要重新审视细胞色素p 4 5 0 结构，深入其催化氧化反应机理来寻求新的突 破。在天然的酶体系中金属卟啉作为一个活性中心，其辅基的轴向与一个半