（应用化学专业论文）带手性侧基的卟啉衍生物的聚集行为研究.pdf

摘要 摘要 高度有序的卟啉阵列广泛存在于自然界的生命体中，对生命活动起着重要作 用。因此，卟啉化合物的聚集行为成为目前研究热点。针对水溶性卟啉聚集行为 的报道已有很多，而关于非水溶性卟啉聚集行为则相对较少。非水溶性卟啉的聚 集行为与水溶性卟啉有很大差别，研究非水溶性卟啉在不同介质中的聚集行为， 不仅可以了解非水溶性卟啉的溶液性质，而且对于进一步研究其超分子聚集行为 的产生原因和驱动力具有重要的意义。 本文综述了卟啉化合物的合成和聚集行为的研究现状，并以对茴香醛和吡咯 为原料，经过四步反应得到未见文献的5 ，l o ，1 5 ，2 0 四 4 ( 3 - n l 脯胺酸叔丁酯丙 氧基) 苯基 n h 啉( t p p o c 3 p r ) ，并用红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱、质谱等 对其结构进行了表征和归属。 利用紫外光谱、荧光光谱和共振光散射技术研究了t p p o c r p r 在三氯甲烷、 三氯甲烷，乙醇、乙醇水以及正己烷中的聚集行为。研究发现t p p o c 3 p r 在三氯 甲烷介质中，当卟啉化合物浓度小于l x l 0 巧m 时，主要以单体形式存在。而在盐 酸存在下，主要以质子化单体存在；在乙醇，水( v v = l 1 ) 溶液中，由于溶解度 降低，t p p o c 3 p r 单体发生聚集。体系中离子强度的提高会促使t p p o c 3 p r 发生 聚集，且聚集体更为有序。如在该体系中加入强酸，将导致溶液中原本存在的聚 集体解聚，逐渐转化为质子化的单体h 6 t p p o c 3 p r 6 + ；当h c i 的浓度进一步增大 时，质子化产 ( i - 1 6 t p p o c 3 p r l 也会形成小的聚集体。 关键词：手性卟啉卟啉合成聚集行为超分子自组装 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h l y o r d e r e c l p o r h y r ma r r a y sa r ew i d e s p r e a d i n o r g a n i s m s ，w h i c h a r c i n t e r r e l a t e dt of i f es c i e n c ea n dp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei na c t i v i t i e so fl i f e t h u s ， m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i do nt h ea g g r e g a t i o nb e h a v i o ro fv a r i o u st y p e so f p o r p h y r i n s h o w e v e r , r e c e n tr e p o r t sm a j o r l y f o c u so nt h e a g g r e g a t i o n o f w a t e r - s o l u b l ep o r p h y r i u si na q u e o u ss o l u t i o n sr a t h e rt h a nt h a to f p o r p h y r i u ss o l u b l ei n o r g a n i cs o l v e n t s t h ea g g r e g a t i o nb e h a v i o ro fp o r p h y r i n ss o l u b l ei no r g a n i cs o l v e n t s i sv e r yd i f f e r e n tf r o mw a t e r - s o l u b l ep o r p h y r i n s t h u st h er e s e a r c hf o c u so nt h ef o r m e r w o u l dh e l pt og e tk n o w nm o r ea b o u tt h ec h a r a c t e r so ft h i sk i n do fm o l e c u l e si n s o l u t i o n s ，t h ep u l s i o nf o r c eo ft h ea g g r e g a t i o no fs u p r a m o l e c u l e sa n dt h er e a s o n st h a t i n d u c ea g g r e g a t i o n t h ed e v e l o p m e n to ft h es y n t h e s i s ，a p p l i c a t i o na n dt h ea g g r e g a t i o nb e h a v i o ro f p o r p h y r i n si nr e c e n ty e a r sa r er e v i e w e d an o v e lp o r p h y r i n 埘t l lc h i r a ls u b s t i t u e n t si n t h ep e r i p h e r y , 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 - t e t r a k i s - 【4 - ( 3 - n - l - p r o l i n et - b u t y l e s t e r p r o p o x y ) p h e n y l 】 p o r p h y r i n ( t p p o c 3 p r ) ，i ss y n t h e s i z e de x p e r i e n c i n gf o u rs t e p so fr e a c t i o n sb y p - m e t h y o x y b e n z a l d e h y d ea n dp y r r o l e a sr a wm a t e r i a l s t h es t r u c t u r eo ft h ep r o d u c ti s p r o v e db yu v - i g , n m ra n dm ss p e c t r a t h e a g g r e g a t i o n b e h a v i o r o ft p p o c 3 p ri nv a r i o u sm e d i a ：c h l o r o f o r m ， c h l o r o f o r m e t h a n o l ，e t h a n o l w a t e ra n dh e x a n e ，a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt p p o c 3 p r a n dp r o t o ni nc h l o r o f o r m e t h a n o la n de t h a n o l w a t e rs o l u t i o n , t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t p p o c 3 p ra n dm e t a ls a l t si ne t h a n o l w a t e ra r es t u d i e d u v ，v i s f l u o r e s c e n c ea n d r l s s p e c t r aa r ee x p l o i t e dt oc h a r a c t e r i z et h ea g g r e g a t i o nb e h a v i o ro ft p p o c 3 p r i t w a sf o u n dt h a tt p p o c 3 p rm a i n l ye 】【i s t sa sm o n o m e ri nc h l o r o f o r mw h e ni t s c o n c e n t 均：c i i sl o w e rt h a nl x l 0 。m ，w h i l ei nt h ep r e s e n c eo fh c l ，p r o t o n a t e d m o n o m e r sa r ef o r m e d i ne t h a n o l w a t e r , d u et ot h el o w e rs o l u b i l i t y , t h em o n o m e r so f t p p o c 3 p rt e n dt oa g g r e g a t e ，i na d d i t i o n ，i o n i cs t r e n g t ho ft h es y s t e mi n t e n s i f i e st h e a g g r e g a t i o no ft p p o c 3 p ra n dp r o v et h ef o r m a t i o no fh i g h l yo r d e r e da g g r e g a t e s w h e nh c is o l u t i o ni sa d d e dt ot h i ss y s t e m , t h ee x i s t i n ga g g r e g a t ei nt h es y s t e m w o u l db ed i s s e c t e da n dt r a n s f o r m e dt op r o t o n a t e dm o n o m e r , h 6 t p p o c 3 p r 6 + ，a n d s m a l la g g r e g a t e so fh 6 t p p o c 3 p ，a r eo b s e r v e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fh c ii s h i g he n o u g h 北京工业大学工学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c h i r a l p o r p h y r i n s ，s y n t h e s i s o fp o r p h y r i n s ，a g g r e g a t i o n , s u p r a m o l e c u l a ra s s e m b l y i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j b 壶工些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 峦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：邋导师签名： 日期 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 卟啉化合物的化学简介 1 1 1 卟啉化合物的基本结构 雕、孝萨n 中位矿舢弋，。 之起! 两锄 一 物锄 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 卟啉化合物的性质 卧吩环中的四个吡咯环的8 个p 位和四个中位( m c s o 位) 的氢原子均可被 其他基团所取代，生成各种卟吩衍生物，即卟啉。卟啉环各个原子基本处在一个 平面上，是一个高度共轭的体系，因此它的性质比较稳定，并且一般都有较深的 颜色。卟吩环上共有1 1 个共轭双键，这个高度共轭的体系极易受到吡咯环、次 甲基及取代基的电子效应影响，从两表现为各不相同的电子光谱。当其中心的吡 咯质子被金属离子取代后即为金属卟啉( m e 衄l l o p o r p h y t i 璐) 【z 】。 卟啉和金属卟啉都是高熔点、深色固体，多数只溶于有机溶剂，不溶于水和 碱，但能溶于无机酸，溶液有荧光，热稳定性高。卟啉与周期表中各类金属元素 ( 包括稀土金属元素) 的配合物都可得到。卟啉环系最重要的化学变化之一是能 够裂解形成四个吡咯，血液中的血红素便是发生这类断裂而生成胆色素。卟啉是 两性的，其两个毗咯环氮可接受质子，而两个- n h 官能团又可给出质子。而卟 啉双质子化后得到非亲和性二价阳离子，故常用金属卟啉来进行取代反应，反应 位置一般在中位。作为一个高度芳香体系，卟啉，特别是金属卟啉易发生硝化、 磺化等亲电取代反应，大多数卟啉进行硝化反应的产率较高，常用条件是0 c 时， 用硝酸和乙酸来完成硝化。控制条件，最多可引入三个硝基，而二硝化产物往往 是与5 一，l o 一和5 一，1 5 一二取代产物的混合物。值得注意的是，卟啉环上两个未 参与兀共轭的环外双键，它们的性质与大7 c 体系中双键有所不同。当在卟啉环内 用c u 、m g 等金属配位后，用二氧化氮进行选择性硝化，则硝基取代只发生在 环外双键上吐 卟啉化学已有一百多年历史，经过几代学者的共同努力，对卧啉的结构、性 质及其应用已有较深入和丰富的认识。人们试图通过对卟啉化合物的研究了解这 类化合物的生物功能、产生机理、作用条件到模拟各种反应、合成类似化合物， 再将它们的特殊性质和功能应用于各个科技领域，推动科学发展，为此已经作了 大量工作。近年来，卟啉及其金属化合物在生物化学、医学领域、分析化学、合 成化学、材料科学等领域中的应用都有了迅速的发展。作为基础研究，卟啉衍生 物的合成、超分子自组装及聚集行为成为了目前研究的热点问题。 1 2 卟啉化合物的聚集行为 1 2 1 超分子的自组装 一2 一 第l 苹绪论 在实验室里，化合物通常是利用共价键形成一步一步地合成。这是经典的合 成方法，对于复杂生物分子的形成则存在许多固有的局限性。而今，生物分子的自 组装已被认为是生命进化的关键和生物合成的必须步骤。事实上许多细胞构件如 核糖体、线粒体和酶复合物等都是由相对简单的亚单位通过非共价键作用而形成 的超分子。尽管超分子自组装在生命系统中是普遍存在的，然而人工组织系统的 设计与构建还是- - 1 7 年轻的学科，对超分子自组装的研究已成了当今化学学科的 新的重要领域1 4 】。 目前，对于超分子自组装的定义和范围尚未有一定的说法。可以认为由两个 或多个分子亚单位通过非共价键相互作用( 包括库仑力、范德华力、疏水作用力、 纠【堆叠作用力、氢键) 结合而形成稳定的、具有特定空间构象或功能的大分子 聚集体的过程就称为超分子自组装。该过程是自发的，不需要借助于外力f 5 ，6 】。分 子自组装有两大类：静态自组装和动态自组装。它们的区别主要在于是否涉及能 量耗散。目前，大多数自组装的研究都集中在静态自组装。动态自组装涉及能量 耗散，尚处于研究的初级阶段【刀。 自然界中的金属卟啉配合物都是与蛋白质或生物膜组装后才发挥其功能的。 因此金属卟啉配合物的超分子自组装研究也就成了卟啉仿生化学的热门课题。在 漫长的生物进化过程中，自然界选择了卟啉生色团来捕获太阳能( 叶绿素) 和运 送氧气( 血红素蛋白) ，一定有其深奥的科学道理。金属卟啉配合物超分子自组 装的研究为人们寻找更加有效的仿生卟啉和探索生命系统中卟啉超分子的化学 物理机制提供了新的途径。根据对自然界卟啉结构与功能的认识，对其特征进行 简化处理来构筑功能超分子组装物理器件是一个很有前途的研究方向。例如；人 们已积累了许多关于延长卟啉给体受体分子光诱导电子转移电荷分离状态寿命 的知识，利用这一性质可以研制卟啉有机生色团光太阳能电池、光电传感器等。 卟啉给体受体分子稳定的有序定向排列是这一研究的关键之一，自组装技术为 解决这一问题提供了有效途径。此外非线性光学材料是波导电光调制器件，光信 息存储元件和光导计算机等高科技研究领域的关键基础物质。由于卟啉具有大的 可极化兀电子体系，周边可以引入推或拉电子基团，且可与过渡金属形成配合物。 此外，还可以通过引入手性基团来使分子呈现非对称中心结构，因而可以很好地 通过分子设计对卟啉生色团的非线性光学性能进行调节嘲。 形成分子自组装体系有两个重要的条件 9 1 ：自组装的推动力及导向作用。非 共价键的弱相互作用力维持了自组装体系的结构稳定性和完整性。一般而言，营 造分子自组装体系主要有三个层次：第一，通过有序的共价键，首先结合成结构 复杂的、完整的中间分子体；第二，由中间分子体通过非共价键的协同作用，形 成结构稳定的大分子聚集体；第三，由一个或几个分子聚集体作为结构单元，多 次重复自组织排列成有序分子组装体。超分子体系中的相互作用多呈现加和与协 同性，并具有一定的方向性和选择性，其总的结合力可以不亚于化学键。同时，大多 北京工业大学工学硕士学位论文 数超分子体系还具有一个附加特征：它们具有内部调整能力以便进行错误校正， 这是通常纯粹共价体系所达不到的。人们对自组装本质的探索已经从狭义的非共 价作用的溶液分子自组装范畴扩展到物质世界的各个层次，分子自组装过程的研 究将是超分子科学的中心课题之一【i o l 。 分子自组装是一种由简单到复杂、从无序到有序、由多组份收敛到单一组份 的不断自我修正、自我完善的过程。分子自组装体系是一个高度组织、高度有序、 结构化、功能化和信息化的复杂系统。目前许多学者正尝试利用分子自组装思想， 构筑具有特殊物理和化学性质的功能组装体系，并探求其在新催化剂、超分子药 物、具有生物相溶性的组织功能材料方面的应用。分子自组装及其组装体已经成 为介于化学、物理、生物、材料、制造、纳米科学等研究领域之间的重要研究方 向，是近年来国际科技界普遍关注的一个前沿热点【1 1 1 4 】。 1 2 2 卟啉化合物聚集原理 卟啉分子的聚集体就是通过非共价键形成的有序的、具有特殊构象的结构单 元。所以卧啉分子的聚集是超分子自组装的一种形式。 含有7 - 系统的化合物很多，其7 【一兀系统之间的相互作用在近半个世纪以来引 起了研究者们的兴趣【l ”。在不同的化合物中，这种相互作用会导致不同的现象。 例如d n a 的双层结构1 1 6 】，其他分子在d n a 分子中的嵌入反应及芳香族化合物在 晶体结构中的堆叠【1 7 9 1 ，蛋白质分子中叔烃基结构的形成1 2 0 】，芳基大环结构的构象 选择性以及缔合原到2 1 , 2 2 1 ，主客体之间的结合体 2 3 - 3 0 l ，以及卟啉类化合物的聚集 行为【3 “。由于卟啉化合物具有大棍的结构，其兀- 系统之间的相互作用引起了人 们的关注。 关于g , g 系统相互作用所导致的以上这些现象的产生原因，一直没有出现比 较合理和完善的解释。研究者们通过不同的方法建立了模型，并且通过计算来了 解这种作用的原因。但所得出的结论似乎都只适用于少量的特定系统，而不具有 普遍性。s a n d e r s t l 5 1 提出，g - - g 系统之间的相互作用是受到静电作用的影响；但静 电作用并不是f l ：- t g 系统之间的相互作用的主要影响因素。s a n d e r s 等通过研究具有 大难结构的卟啉超分子之间的相互作用发现，兀呱作用并不是由两个7 c 系统的引 力而发生，而是当舡电子与o - 框架之间的引力大于二者之间的斥力是才产生这种 冗吼系统之间的相互作用。这种解释相比以前提出的各种解释具有较大的适用范 围和普遍性【2 l 】。 两个卟啉分子间的引力作用可以引起在溶液中的聚集行为。在聚集的过程 中，两个卟啉分子形成一个共面结构。这种共面结构可以归结为以下几点：( 1 ) 两个卟啉分子的舻系统平行排列，相距3 t 4 - 3 6 a ；( 2 ) 两个卟啉分子在堆叠的时候 不会发生任何转动，它们的n - n 轴完全平行；( 3 ) 卟啉分子的中心相互错开， 一4 一 第1 章绪论 每两个分子的n - n 轴以3 - 4 a 的距离交错堆叠【3 2 】。 金属卟啉配合物的删r 堆叠作用较会有所提高：但得到的聚集体的结构与 卟啉相似1 3 n 。且金属与卟啉环之间的极性作用越大，两个卟啉之间的们【作用就 会越强。然而，如果中心金属带上第五配体，其聚集作用就会减弱 2 2 1 。 卟啉化合物的删c 作用导致的聚集不仅可以发生在溶剂中，而且也可以直接 发生在卟啉的晶体结构中。例如，s c h e i d t 等人曾经报导过关于金属卟啉与可溶 性的芳香族分子共结晶的相关研究 3 2 - 3 5 1 ，这些芳香族的分子与卟啉环平行堆叠。 近年来，为了研究卟啉分子的纠r 作用并对这种现象给出合理的解释，人们 提出了不同的模型，主要有以下几个。( 1 ) 憎溶剂模型；在这个模型中，耳堆叠 被归因于憎溶作用。而事实上，这种作用的本质是熵的影响1 3 l 】。然而，由于觚 作用导致的聚集现象一般在有机溶剂中发生；而在有机溶剂中，熵的影响并不起 主导作用。而且，憎溶作用非常容易促进兀系统的交叠【3 6 】。( 2 ) 电子给体受体 模型；a s k e w 等人提出，卟啉分子之间的这种纠c 作用是由电子给体与电子受体 之间的相互作用引起的幽- 2 5 】。( 3 ) 电荷模型；m u e h o l o r f 等人在1 9 8 8 年报道了他 们的研究成果，提出舻系统中电子云密度不均匀可以导致引力的增j i l t 3 ”。一个 分子的兀系统中带正电荷的原子与另一个分子的舡系统中带负电荷的原子会由 于引力作用而排列结合，这样就形成了一种静电作用，导致卟啉分子的聚集。( 4 ) 静电模型；这个模型是由s a n d e r s 等人在以上几种模型的基础上提出的一种适用 范围更广的模型”】。s a n d e r s 等人认为，一些相对细小的因素对于卟啉一类的大 分子来说，是可以忽略的。由于分子间的结合能主要来源于静电力和范德华力， 在溶液中分子间的聚集作用其实包含两种作用，即分子间的缔合，还有分子与溶 剂的作用。在非极性溶剂中，分子与溶液间的静电作用力基本可以忽略，从而分 子间的结合能成为聚集的主要驱动力i l ”。 图1 3 静电模型中两个卟啉分子的最佳堆叠方式 f i g 1 - 3t h eo p t i m u mg e o m e t r yf o rt h ep o r p h y r i n - p o r p h y r i ni n t e r a c t i o np r e d i c t e db yu s i n g e l e c t r o s t a t i cm o d e lf o rm i n t e r a c t i o n s s a n d e r s 等人提出，两个卟啉分子最佳的堆叠方式，是一个卟啉分子的吡啶 环与第二个卟啉分子的大环中心重叠【1 5 1 ，如图1 3 所示。这样的堆叠方式可以把 北京工业大学工学硕士学位论文 两个分子的卅系统间的斥力减到最小，而舻系统周围的o 键构成的框架与吡咯 环上的舡电子之间的引力作用达到最大值。 1 2 3 卟啉化合物在溶液中的聚集行为 卟啉是具有1 1 对7 【电子的大环染料，其卟吩环具有很强的i ：- 7 t 堆积作用。在水 溶液中或在固液界面分子可通过超分子自组装形成聚集体，疏水作用和静电作用 是导致分子自聚集的主要原因。此外，水溶液中卟啉聚集体的形成还受到卟啉分 子的自身结构、外围的官能团、离子强度、温度、p h 值以及表面活性剂等因素 的影响【3 s l 。 卟啉分子是倾向于形成聚集体的典型的生色团【3 9 】，形成聚集体的类型由于卟 啉的结构以及外围的不同的官能团而有所不同。卟啉环外围的官能团直接决定了 卟啉衍生物所带的电荷种类、分子大小以及疏水性，所以是卟啉分子聚集行为的 决定性因素。目前所做的研究大多数围绕带有极性一亲脂性取代基的卟啉分子以 及带有能够促进卟啉分子在生物膜中的传输的非极性取代基的卧啉分子【4 0 1 。正是 这些亲脂性取代基直接导致了卟啉分子在水溶液中的聚集行为。此外，水溶性卟 啉如h 2 t p p s 。、h 4 t p p s 2 、h 2 t c p p 4 、h 2 t m p y p 4 + 及i - h t m p y p 6 + 等在极性介质中 很容易形成聚集体，而且在一定条件下还会形成高度有序的聚集体【4 i j 。 1 2 3 1 卟啉化合物有序聚集体的主要存在形式 卟啉化合物的高度有序的基本聚集体主要有两种：j 聚集体和h 聚集体。 j 一聚集体是卟啉分子通过“边对边”形成的聚集体。而在这种聚集体中，卟 啉分子没有发生旋转，而是完全平行于同一个轴( x 轴或y 轴，如图1 4 所示) 。 在紫外可见光谱图中，j 聚集体会导致卟啉的单体特征峰发生红移，其能谱图如 图1 - 4 所示。 图1 4 卟啉环坐标系 f i g 1 - 4 t h ec o o r d i n a t es y s t e mu s e df o rp o r p h y f i n sw h e na g g r e g a t i n gh a p p e n e d h 聚集体是卟啉分子通过“面对面”的聚集，形成直线状的聚集体柏1 。即卟啉 一6 一 第1 章绪论 分子形成一个以外啉环中心点为轴的共轴聚集体。在紫外可见光谱图中，h 聚 集体会导致卟啉的单体特征峰发生蓝移。 j 聚集体和h 聚集体的聚集形态示意图见图1 5 。 图l - 5 导致紫外谱图中s o r e t 带移动的能量本质能谱图 f i g 1 5e n e r g yl e v e ls c h e m eo f s p l i t t i n go f t h es o r e tb a n d sd u et od i m m e ra n da g g r e g a t e f o r m a t i o n 目前很多研究都是针对水溶性的阴离子或阳离子卟啉在水溶液中的聚集行 为展开。带有电荷水溶性卟啉分子在水溶液中的聚集受其所带电荷的影响t 4 。带 有两个或三个正电荷的阳离子卟啉，由于正电荷的诱导作用，降低了卟啉环上的 电子云密度，使死一7 c 堆积作用减弱，同时正电荷问的排斥作用也会阻碍卟啉分子 聚集。但其兀丌堆积作用仍强于静电排斥作用，这些卟啉分子在水溶液中会受卟 啉环大7 c 键的堆积作用而自聚。而对于带有四个正电荷的阳离子卟啉( 如 h 2 t m p y p ”) 来说，其所带正电荷的排斥作用强于卟啉大7 【键的堆积作用，将阻 碍其聚集 4 2 1 。但当正电荷不直接存在于卟啉环上时，耳呵堆积作用仍起主导作用， 最终导致自聚。 阴离子卟啉由于阴离子的供电子作用，增强了丌吨堆积作用，使其较阳离子 卟啉更容易自聚。另外，卟啉聚集还会受到溶液性质，如离子强度、温度、酸度、 表面活性剂存在等因素 4 3 , 4 4 1 的影响。对于表面活性剂与卟啉相互作用年的研究， 尽管人们对卟啉类化合物与胶束及脂质双层( 1 i q i db i l a y e r ) 间的相互作用有了较 深入的了解1 4 5 , 4 6 ，但对卟啉类化合物在胶束界面所处的位置和取向，以及这种位 置和取向与卟啉类化合物的结构特征的关系还一直存在争议【4 5 4 叼。 卟啉聚集体研究中的常见分子包括水溶性的卟啉m c s o 一四( 4 羟基苯基) 卟 啉( t h p p ) 和m e s o - 四一( 4 磺酸基苯基) 卟啉( t s p p ) ，以及m e s o 四( 4 三甲 氨基苯基) 卟啉( t a p p ) 和m e s o 四( 4 - n 甲基吡啶基苯基) 卟啉( t m p y p ) 北京工业大学工学硕士学位论文 等f 3 8 l 。t p p 和t m p y p 的分子结构如图1 - 6 所示。 图l - 6四苯基卟啉( a ) ，m e s o - 四一( 4 n 甲基吡啶基苯基) 卟啉( b ) 结构图 f i g1 - 6s t r u c t u r eo f t c t r a p h e n y l p o r p h y r i n ( a ) ，t e t r a ( 4 - n m e t h y l p y r i d y l ) p r o p h y r i n ( b ) 其中报道比较多的是四芳基卟啭，典型的例子是m e s o 四一( 4 磺酸基苯基) 卟啉( t s p p ) 。m e s o 四一( 4 磺酸基苯基) 卟啉( t s p p ) 在酸性条件下，可以形 成j 一聚集体 4 9 ”。这是由于在酸性环境中，卟啉环的中心氮原子与质子发生配位 而得到质子化产物，使卟啉环带正电荷。正电荷可以增强负电性的磺酸基之间的 静电引力，从而促进了t s p p 的聚集。 f l e i s c h e r 等人p2 j 首先研究了在较高离子强度下的t s p p 的聚集行为。t s p p 在足够高的酸度条件下时会被质子化( h 4 t p p s 4 2 。) 。质子化产物中有正电荷卧吩 内核和荷负电外围的静电引力，对形成卟啉聚集体起了额外的稳定作用，因而会 很容易发生j 型聚集现象1 5 3 5 4 】。t s p p 聚集在室温下的p k a 值为4 8 ，存在聚集平 衡式h 2 t p p s 4 4 + 2 h 名h 4 t p p s 4 4 。h 2 t p p s 4 4 一单体带四个负电荷，吸收谱中b 带位于4 1 2 n m 处，四个q 带分别在5 1 5 、5 5 2 、5 8 0 和6 6 3 n m 处；h 4 t p p s 4 2 单体 的b 带红移至4 3 3 n m 处，q 带只剩下两个分别位于5 9 5 n m 和6 4 4 n m ；质子化型 体形成的j 一型聚集体的特征峰在4 9 0 h m 处。h 2 t p p s 4 4 。的荧光发射包括6 4 6 n m 和 7 0 5 n m 两处，j 型聚集体的荧光发射在7 2 5 n m 处。除了高浓度、高酸度和高离子 强度可以诱导生成卟啉j 一型聚集体外，蛋白质、冠醚或者阳离子表面活性剂都会 对t s p p 的聚集行为产生显著影响，具体体现在紫外可见光谱和共振光散射光谱 上【5 5 巧9 】。适当量的k c i 和1 8 冠6 醚共存下，促使t s p p 形成了j 型聚集体，用 时间分辨荧光各向异性研究的结果表明旋转相关时间的慢组分为1 0 n s ，且根据 s t o k e s e i n s t e i n 关系式可以求出其聚集数为2 2 个，相应地探讨了钾离子存在下 j 一型聚集体地交错卡迭式结构，如图1 7 所示【6 0 】。而通过共振光散射光谱确定的 j 聚集体尺寸大约在5 6 a ：1 0 n m ，平均光谱聚集数为1 2 9 个f 6 l 】。 一8 一 第l 章绪论 图1 7t s p p 的j 聚集体结构示意图( 每一个单元为i - h t p p s + 2 ，c 起平衡作用) f i g 1 - 7s k e t c ho f t h es t r u c t u r eo f j a g g r e g a t e ( e a c hu n i tr e p r e s e n t sh t p p s 4 2 , a n dk ? f o rb a l a n c e ) c 图1 - 8 透射电子显微照片和j 聚集体模型( a ) k + 诱导；( b ) c r a b 诱导；( c ) 线型；( d ) 螺旋型 f i g 1 8t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o g r a p h sa n da g g r e g a t i o nm o d e l s ：( a ) k ? i n d u c e d ( b ) c t a b i n d u c e d ( c ) l i n e a r ( d ) h e l i c a l 同样，卟啉环外围四个取代基团上各自带有一个电荷的卟啉分子也会发生聚 集。其中m e s o - 四- ( 4 - n 甲基吡啶基苯基) 卟啉( t m p y p ) 仅在离子强度很高的 水溶液中发生二聚暇删，而卟啉环外围的取代基的亲脂性越强，取代及为非极性 链状烷烃时链越长，卟啉分子在溶液中就越容易形成聚集体【四6 2 】。 m e s o 四( 4 - n 甲基吡啶基苯基) 卟啉是研究较多的阳离子卟啉衍生物之一。 此外，一些其它的阳离子卟啉衍生物也受到研究者的关注。例如含有三烷基氨基 苯型6 5 。6 引，苯胺基【6 2 1 ，胍基6 9 , 7 0 ，三烷基芳基磷箱基 6 6 , 7 1 1 以及三烷基芳基硫绘 基【6 5 】的卟啉衍生物。但是大部分研究都是关于具有对称结构的离子型卟啉衍生 物，而那些非对称结构的卟啉衍生物的相关研究报道则比较少见。但这些外围只 含有两个或三个带有电荷的取代基的卟啉分子，由于极性基团的减少，从理论上 来说应该比对称结构卟啉衍生物更易形成稳定的聚集体。2 0 0 3 年，k u b a t 7 2 1 等人 报道了他们的研究小组关于非对称结构的卟啉衍生物的聚集行为的研究成果。他 们研究了1 4 种带有不同的亲脂性阳离子取代基团的卟啉衍生物，其中包括带有磷 箩爹 北京工业大学工学硕士学位论文 豁基、胺基、吡啶翁基、硫鲔基等。其分子结构如图1 - 9 所示。 图1 - 9不同的阳离子卟啉衍生物分子结构 f i g 1 9 s t r u c t u r e so f a n d c a t i o n i ct e t r a t o l y l p o r p h y r i nd e r i v a t i v e s 其中，含有磷筠基的卟啉衍生物在不同条件下可有多种存在形态，包括单体 和较大的聚集体。k u b a t 提出，这些卟啉衍生物在温度升高和离子强度增加时， 更易形成聚集体；其中温度的影响比较明显，会遭成不同聚集体并存的后果。总 体来看，j 聚集体是比较常见的聚集形式，尤其是在离子强度增加的条件下，j 聚集体的形成更加容易。而且通过实验证明，带有两个或三个取代基的卟啉衍生 物比带有四个取代基的卟啉衍生物更易聚集。对于含有四个取代基的离子型卟啉 衍生物来说，其聚集行为主要是受到静电力和输水作用的影响。静电模型为阳离 子型卟啉的聚集提供了很好的理论依据，带有三甲基胺基、吡啶锸基、二甲苯基 磷筠基、三苯基磷鲶基的卟啉衍生物的聚集行为与静电作用理论完全相符l 圳。 1 2 3 2 卟啉化合物聚集行为的主要表征手段 j e l l y ； i s c h e i b e 发现酞菁类染料可以在适当条件下形成有序的分子聚集体之 后，引发了对染料聚集行为动力学过程的广泛的研究兴趣。从分子尺度来讲，聚 集体比分子单体要大而独特，难点也在于如何选择适当的结构表征手段，单独使 用某种仪器分析方法往往很难胜任，需要进行信息的联合求解【7 3 1 。核磁共振方法 第l 章绪论 主要用于表征聚集体的组成，研究聚集过程的识别和堆积，乃至根据聚集动力学 信息来估算聚集体的稳定性。显微手段的使用则可以提供一些形态方面的信息。 其实，应用电化学方法也可独特地分析某些待测体系。鉴于具体解析仪器分析数 据多带有较大地经验性成分，往往运用理论计算化学来验证和指导聚集体的研究 过程。具体n p l - 啉聚集体地研究中时，在溶液中所用地结构表征手段主要集中在 紫外可见光谱、荧光光谱和偏振法、圆二色谱、共振光散射、拉曼光谱、质谱和 核磁共振波谱；对于固体机质上涂膜或者分子晶体状态的样品时，则主要用扫描 隧道显微镜、透射电镜、原子力显微镜等来分析聚集体的微观状态。 1 3 卟啉化合物的应用 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、电化学、光物理与化学、分析化学【7 4 】、有机 化学等领域都具有十分广阔的应用前景，成为人们研究的热点。此# l - p t - 啉化合物 的研究对于光合作用、人工开发太阳能、医药、分子电子学和光化学等许多领域 都有重要的意义。 1 3 1 卟啉化合物在催化领域的应用 1 3 1 1 模拟酶 酶具有很高的催化效率和选择性( 包括结构选择性、区域选择性和立体选择 性) 。例如单加氧酶对生物体内的各种代谢、解毒过程至关重要；对于工业化学 家来讲，它引人注目的性质是它们能够在温和的条件下高效率地将烃类有选择性 地氧化成醇类或酮类化合物，在化学惰性的碳氢化合物上引入活泼的氧原子，使 其非常容易地转化为各种有机化合物，如果以石油和天然气形式存在的大量碳氢 化合物能方便地转化为便于利用的醇、酮、酸类化合物等含氧化合物，其经济价 值难以估计。生物酶催化烃类氧化高效且具有非常高的选择性，但酶反应也有其 限制性，特别是在体外应用于工业生产的情况时，还有很多不尽人意的地方，如 不稳定、易失活、要求生理条件等。另外，酶体系及其专一的底物选择性在工业 上往往也是一种不利的限制因素，因而具有工业价值的底物往往不一定是酶的专 一底物。所以研究模型化合物，主要用酶效力的一小部分就可能具有很大的工业 价值。近年来，人们开始对酶的模拟越来越感兴趣【7 7 7 1 。成为了催化领域的热点 之一。 所谓模拟酶就是利用有机化学的方法合成一些比酶简单的非蛋白质分子，它 们可以模拟酶对底物的络合和催化过程，既可达到酶催化的高效性，又可以克服 北京工业大学工学硕士掌位论文 酶的不稳定性。酶的模拟工作可分为3 个层次：( 1 ) 合成有类似酶活性的简单络 合物；( 2 ) 酶活性中心模拟；( 3 ) 整体模拟，即包括微环境在内的整个酶活性部位 的化学模拟。目前模拟酶的工作主要集中在第二层次。例如可以通过对某些天然 或人工合成的化合物引入某些活性基因，使其具有酶的行为。 天然卟啉化合物具有特殊的生理活性。因此，人工和成卟啉来模拟天然卟啉 合物的各种性能一直是人们研究的重要课题 7 8 - 8 2 】。自然界中存在许多天然卟啉及 其金属配合物，如血红素、叶绿素、维生素b 1 2 、细胞色素p - 4 5 0 、过氧化氢酶 等。目前用于构建模拟酶的这类酶模型分子有环糊精、冠醚、穴醚、笼醚、卟啉、 大环番等。利用环糊精已成功地模拟了胰凝乳蛋白酶、核糖核酸酶、转氨酶、碳 酸酐酶等。另外，环糊精是由多个吡喃葡萄糖单元以1 4 键合的环状化合物，具有 疏水空腔同时外侧亲水。 环糊精与金属卟啉键合一方面可以增加金属卟啉水溶性，另一方面使金属卟 啉对底物具有双重选择性。通过环糊精空腔包结底物立体控制，可以使反应达到 立体和区域选择性，因此环糊精与金属卟啉键合能提高模拟酶催化效果。 卟啉在模拟酶方面的应用，在工业生产中具有深远的意义。烷烃尤其是饱和 烷烃的化学性质极不活泼，将其转化为可利用的化工原料，必须提高反应条件， 这样就不可避免地增加了副反应发生的可能性。以现在的生产工艺有许多不足 哺丑“，例如温度较高、选择性较差、大量副产物的生成、转化率较低、分离过程 投资大、经济效益差，另外使用重金属作催化剂对环境污染严重。我国有丰富的 天然气和炼厂气资源，其中饱和烷烃所占比例非常大。现代有机化学工业对乙烯、 丙烯等基本化工原料的生产压力很大，如果能将低级烷烃作为起始原料直接生产 醇、酮、酸类等化学产品，势必将扩大化工原料的来源，从而对整个化学工业的 结构和现状产生重大影响。因此，如果能在较温和的条件下，使低级烷烃选择性 地高效转化，对我国化工领域的发展将有重要的意义。 1 3 1 2 卟啉化合物的热处理 过渡金属氧化物在催化领域应用十分广泛。以过渡金属氧化物为活性成分的 催化剂在各种气体的非均相催化氧化过程中起到了十分重要的作用。例如一氧化 碳、一氧化氮以及乙烷、丙烷的催化氧化。有些过渡金属氧化物还对于一些气体 得催化燃烧的起到了重要的催化作用。此外，一些过渡金属氧化物，如c 0 3 0 4 ， 还被用于制作各种材料，体现了良好的性能。 大环类过渡金属配合物，例如金属卟啉，金属酞菁等，对于催化氧分子的电 化学还原以及一氧化碳的电化学氧化都有非常好的效果。但其稳定性方面的问题 阻碍了它们在工业方面的实际应用。热处理可以提高其稳定性，在不同的气氛下 对过渡金属配合物进行热处理可以得到不同的产物，例如惰性气氛下可以得到碳 一1 2 第1 章绪论 化物、氮化物及一些其他的产物，空气气氛下可以得到过渡金属的氧化物等。无 论是氧化物还是碳化物、氮化物，都在催化领域中起着十分重要的作用。 1 3 2 卟啉化合物在医药方面的应用 1 3 2 1 癌症的诊断与治疗 由于卟啉具有特殊的结构，在医药上，它可以作为光动力学疗法( p d t ) 的光 敏剂。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。 卟啉化合物可作为有效光敏剂将肿瘤细胞再现于被吸收光谱的光波下。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。卟啉化合物优先积累 于癌细胞上后，能产生有效的细胞毒素剂单线态氧，从而导致对肿瘤的摧毁。 1 3 2 2 卟啉与环糊精体系研究在生命科学中的应用 卟啉或金属卟啉与环糊精的包结作用研究在卟啉化学以及人工酶模拟中占 有不可低估的地位。1 9 9 2 年d i a n e 1d i c k 用紫外可见光谱法和二维核磁法研究了7 种合成的卟啉与m e b c d 的包结作用。d i c k 认为环糊精类似于血红素外面的蛋白 附属物血红蛋白中的蛋白质部分除了能给血红素的活动中心提供一个疏水性的 环境外，还能作为一个载体，将血红素转移到适当的细胞环境中。同样，环糊精与卟 啉的包结作用中，环糊精的作用类似于蛋白质附属物，包结卟啉后，给卟啉提供一 个疏水性的环境，阻碍了卟啉进一步形成聚集体，而且可以将卟啉运送到适当的细 胞环境中去。卟啉的部分结构单元被包含于环糊精的腔体中，