（高分子化学与物理专业论文）树状多肽致溶型水溶性卟啉的合成与性质.pdf

墙二。 iz”&鼍 河北大学 学位论文独创性声明 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的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特i i i i 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 作者签名：壶i2 丑趑：日期：趔年月生日 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，i p 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 1 、保密，在竺f 望年险月一l 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“”) i 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( 本伙每半品阳疆泮港，地，j i 雄牺醛线勺一嶙 的学位论文，是我个人在导师( 、而保襻，) 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。 声明人： 叠立厶亟麴：日期：2 堡赴年互月上l 日 作者签名：玉l 因鲤 翮签名：面蝗 日期：型年鱼月旦日 日期：丑年厶月旦日 摘 要 摘要 具有较高荧光量子效率的水溶性卟啉化合物在化学、医学、生物学以及生物技术等 领域具有广泛的应用前景。本文以树状天冬氨酸多肽为新型的致溶基团，设计了一类新 型的水溶性卟啉化合物。通过改进的l i n d s e y 合成法，以收敛成核的合成路线成功的合 成了系列树状多肽致溶型水溶性卟啉化合物，并考察了分子结构对水溶性和荧光性质的 影响，具体内容如下： 1 、以天冬氨酸为原料，分别用b o c 和甲酯对氨基和羧基进行基团保护，以e d c i 为缩合剂，采用液相收敛法成功合成了一代、二代和三代的树枝状多肽，产 率达6 l 9 6 。 2 、改进了氨基酸、多肽修饰芳香醛的合成路线。通过优化醛酸与氨基的投料比， 同时降低反应的温度，从而有效的抑制了希夫碱的生成。最终通过一步法， 以较高的合成产率得到氨基酸、多肽修饰的芳香醛。 3 、 改进了l i n d s e y 卟啉合成法，考察了溶剂结构、极性对l i n d s e y 合成法中卟啉 成环反应的影响；用四氯乙烷为溶剂，在优化的反应条件下，以较高的成环 产率合成了三代树状多肽修饰的卟啉化合物。 4 、考察了多肽的代数与卟啉化合物溶解性的关系。随着树状多肽代数的增加， 卟啉化合物在水中的溶解度从一代修饰卟啉的0 0 0 5m g m l 增加到三代多肽 修饰卟啉的lm g m l ，增加了2 0 0 倍。 5 、考察了卟啉化合物荧光性质。与四苯基卟啉在苯溶液中1 1 的荧光量子效率 相比，这些树状多肽修饰的四苯基卟啉在有机溶剂中的荧光量子效率较高， 在1 6 2 2 之间。尤其是这些新型的树状多肽修饰的卟啉化合物在水溶液中 仍保持了较高的荧光量子效率，达1 8 2 4 。 关键词树枝状多肽水溶性卟啉收敛成核l i n d s e y 法荧光量子效率 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew a t e r - s o l u b l ep o r p h y r i n s ，w i t hh i g hf l u o r e s e n c eq u a n t u my i e l d ，h a v ea t t r a c t e dm u c h a t t e n t i o nd u et ot h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nc h e m i s t r y , m e d i c i n e ，b i o l o g ya n db i o t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e da n ds y n t h e s i s e das e r i e so fw a t e r - s o l u b l ep o r p h y r i a sw i t hp e p t i d e d e n d r i m e r sa sal y o t r o p i cg r o u p w es t u d i e dt h ei n f l u e n c eo ft h em o l e c u l a rs t r u c t u r eo nt h e s o l u a b i l i t ya n df l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e s k e yc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 l a s p a r a g i ca c i dw a sc h o o s e na st h em o m o m e r i cb u i l d i n gb l o c k ，w es u c c e s s f u l l y s y n t h s i s e dt h ef i r s t ， s e c o n da n dt h i r dg e n e r a t i o np e p t i d ed e n d r i m e rb yu s ec o n v e r g e n t a p p r o a c hi ns o l u t i o n p h a s e t h ee d c lw a sc h o o s e na sc o n d e n s a t i o na g e n ta n dt h er e a c t i o n c o n d i t i o nw a sv e r ym i l d a l lp e p t i d ed e n d r i m e r sw e r es y n t h e s i s e dw i t hg o o dy i e l df r o m61 t o9 6 2 w ei m p r o v e dt h es y n t h e t i cr o u t eo fp e p t i dd e n d r i m e rm o d i f i e db e n z a l d e h y d e b y o p t i m i z i n gt h er a t eo fr e a c t a n t sa n dr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，w ee f f e c t i v e l yp r e v e n t e dt h e f o r m a t i o no fs c h i f fb a s e ，a n dp e p t i d ed e n d r i m e rm o d i f i e db e n z a l d e h y d e sw e r es y n t h e s i s e d w i t hg o o dy i e l d 3 w ei m p r o v e dt h el i n d s e ym e t h o da n ds i m u l t a n e o u s l yi n v e s t i g a t et h ee f f e c to ft h e s t r u c t u r ea n dp o l a r i t yo fs o l v e n to nt h er e a c t i o n u s i n gt e t r a c h l o r o e t h a n ea ss o l v e n t ，w e s y n t h e s i z e dt h et h i r dg e n e r a t i o np e p t i d ed e n d r i m e rm o d i f i e dp o r p h y r i n sw i t hg o o dy i e l d 4 w er e s e a r c h e dt h er e l a t i o n s h i po ft h ep e p t i d ed e n d r i m e ra n dt h es o h i a b i l t yo ft h e p o r p h y r i n s t h es o l u a b i t yo ft h ep o r p h y r i n si nw a t e rw a si m p r o v e df r o m0 0 0 5m g m lt o l m g m l 5 t h ef l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e so ft h ep r o d u c t sw a si n v e s t i g a t e da n dt h ef l u o r e s c e n c e q u a n t u my i e l di no r g a n i cs o l v e n t sw e r eb e t t w e n16 - 2 2 、历d li sh i g h e rt h a n11 o f t p pi n b e n z e n e e s p e c i a l l y , t h ef l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d i s h i l g h i nw a t e r ,w i c hb e t w e e n l8 2 4 k e w o r d p e p t i d ed e n d r i m e r w a t e r - s o l u b l ep r o p h y r i nf l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l d 日录 目录 第l 章绪论l 1 1 卟啉1 1 1 1 卟啉简介1 1 1 2 卟啉化合物的合成方法研究进展一2 1 2 水溶性卟啉3 1 2 1 水溶性卟啉简介3 1 2 2 水溶性卟啉的研究意义”4 1 2 3 水溶性卟啉合成研究的现状5 1 3 树枝状多肽7 1 3 1 树状多肽简介”7 1 3 2 树状多肽的合成”8 1 4 本文研究的主要内容及意义8 第二章树枝状多肽合成及表征1 0 2 1 引言”lo 2 2 实验部分一l l 2 2 1 原料与仪器1 l 2 2 2 溶剂的精制1 1 2 2 3 合成步骤1 2 2 3 结果与讨论“1 4 2 3 1 部分产物的核磁图1 4 2 3 2 缩合剂的选择l6 2 3 3 基团的保护1 7 2 4 结论”1 7 第三章卟啉的合成及荧光性质l8 3 1 引言”1 8 3 2 实验部分l8 i i i 目录 3 2 1 试剂与仪器1 8 3 2 2 溶剂的精制与溶液的配制1 9 3 2 3 实验步骤”2 0 3 3 结果与讨论“2 5 3 3 1 部分产物的核磁分析”2 5 3 3 2 路线设计2 8 3 3 3 合成及纯化方法讨论3 0 3 3 4 溶解性实验3l 3 3 5 光谱实验3 2 3 4 结论”3 5 参考文献”3 7 致 谢4 2 攻读硕士学位期间发表论文情况4 3 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1卟啉 1 1 1卟啉简介 卟啉( p o 印h 州n s ) 是在卟吩( p o 咄i n e ) 【i 】环上拥有取代基的一类大环化合物的总称。该 类化合物的母体是卟吩自由碱，卟吩是一个具有2 4 个原子、2 6 个电子的大兀体系的平 面分子，环上的碳、氮之间采用s p 2 杂化，剩余的一个p 轨道被单电子或孤对电子占有， 碳和吡啶型的氮都提供单个电子，同氢连接共轭的氮原子提供2 个丌电子。卟吩分子 中4 个吡咯环的4 个中位和8 个1 3 吡咯位置的氢原子均可被其它基团所取代，生成各 种各样的卟吩衍生物，即为卟啉化合物，其结构如图1 1 所示。 r r r 图1 1 卟啉化合物的基本结构 f i g u r e1 1t h ec o n f i g u r a t i o no fp r o p h y r i n 卟啉化合物具有稳定的大环刚性结构和平面共轭性质，使其分子轨道中的最高占有 轨道能级和最低空轨道能级之间的能级差减小，可以更快更有效的传递电子，进而卟啉 分子具有活泼的光电及氧化还原活性【2 1 。另外，这种刚性平面共轭结构使其具有环内电 子流动性好，环平面易修饰等优点1 3 1 。卟啉的另一个结构特征是其空腔中心到四个氮原 子的距离为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形成稳定的金属卟啉配合物。卟啉与元素周期表中多 种金属元素( 包括稀土金属元素) 的配合物都已得到，大多数具有生理功能的吡咯色素 都以金属配合物的形式存在，如卟啉镁化合物存在于叶绿素中，卟啉铁化合物存在于血 红素中。 卟啉类化合物的这种共轭平面刚性结构，使其表现出优良的光学性质和良好的物理 和化学稳定性，在仿生学、材料化学、药物化掣4 1 、电化学、光物理与化学、分析化学【5 】、 l 河北人学理学硕十学何论文 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。 1 1 2 卟啉化合物的合成方法研究进展 近年来，卟啉化合物的合成方法有了很大的改进，合成产率得到较大提高。卟啉化 合物的合成主要是构造卟吩核。其合成方法主要有以下几种： 卟啉化合物最早f l 了r o t h e m u n d 合成【6 , 7 1 ，他以醛类化合物( 甲醛、乙醛、苯甲醛等) 和 吡咯为原料，以吡啶和甲醇为溶剂，在封口的玻璃管中9 0 9 5 条件下反应。该法需反 应条件苛刻，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。 a d l e r 和l o n g o 在1 9 6 4 年通过研究不同溶剂、金属阳离子、反应温度、时间等对吡 咯与苯甲醛缩聚反应的影响，提出了合成卟啉化合物的反应机理【8 9 】：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，链状化合物在有氧条 件下被氧化环合生成四苯基卟啉。a d l e r 和他的助手们通过系列的实验，证明卟啉的产率 和溶液的酸碱性、溶剂种类、反应温度和反应物浓度等因素有极大的关系。他们采用苯 甲醛和新蒸的吡咯在丙酸中回流( 1 4 1 ) 反应3 0 m i n ，冷却至室温后过滤，依次用甲醇和 热水洗涤，得亮紫色晶体，t p p 收率为2 0 。反应过程中丙酸既是溶剂又是催化剂。该 方法存在以下缺点：1 ) 反应条件要求温度比较高酸性较强，一些含有不稳定基团或含对 酸敏感取代基的苯甲醛不能用该方法合成；2 ) 带有强吸电基团的苯甲醛合成卟啉时产率 特别低；3 ) 由于底物浓度大，应温度高，反应生成大量焦油状副产物，纯化较困难。 潘继刚【1 0 】等人对a d l 昏l o n 9 0 法进行改进，他们通过实验发现p k a 在2 0 - * 4 o 的酸作 催化剂，合成产率较高。这是因为酸性太的催化剂易使吡咯质子化，生成吡咯的黑色直 链聚合物，不利于生成目标产物；酸性弱，则催化能力弱，反应速度慢，产率低甚至得 不到产物。他们采用催化量的有机酸和极性溶剂代替丙酸介质，反应过程中产生的杂质 明显减少，四苯基卟啉t p p 的产率最高达到5 0 。 1 9 8 7 年，l i n d s e y t l l - 1 4 】改进了传统四苯基卟啉的合成方法，采用苯甲醛和吡咯为原料， 在氮气保护下，以二氯甲烷为溶剂，三氟化硼乙醚络合物或三氟乙酸为催化剂，室温下 反应生成卟啉原，然后以二氯二腈基苯醌( d d q ) 或四氯苯醌( t c q ) 将四苯基卟啉原氧化， 得到最终产物四苯基卟啉( t p p ) ，产率可达2 0 一3 0 。l i n d s e y 法最大的优点就是反应条 2 第1 章绪论 件温和，适合含有对酸、高温敏感的官能团的卟啉的合成。但这种合成方法也有缺点： 该反应浓度低，且最大反应容积为l l ，放大后则产率降低。该反应条件苛刻，需要 无水无氧操作，且反应还不能一步生成t p p ，必须在反应过程中外加氧化剂。一些在 h 2 c 1 2 中溶解性差的醛类化合物，与吡咯形成低聚物后即从溶液中沉析出来，不能进一 步转化为产物，因而此法不能用于这些卟啉的合成。1 9 9 4 年l i n d s e y 研究了在高浓度下的 反应( 大于0 1 m o l 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 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 9 9 2 年法国化学家p e t i t 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，在微波辅助下合成四苯基卟啉，收率为9 5 。刘云等【1 5 】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 2 水溶性卟啉 因为天然卟啉化合物具有较好的水溶性和特殊的生理活性，所以利用人工合成卟啉 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1 1 6 。19 1 。而目前合 成的卟啉化合物，大多数是难溶于水，这大大限制了这些有机化合物的应用。所以，水 溶性卟啉的研究引起了人们的高度重视和广泛关注【2 0 1 。 1 2 1 水溶性卟啉简介 最早的水溶性卟啉是人们从自然界中分离出来的天然卟啉化合物，如早在1 8 8 8 年 v o nn e n c k i 等人研究了水溶性血卟啉的结晶( 如图1 2 ) 。1 9 1 5 年f i s h e r t 2 1 】分离得到了粪 卟啉和尿卟啉( 如图1 3 ) 。这些天然卟啉分别含有2 个和8 个羧基，能溶于碱性水溶液， 但是在中性的水溶液中溶解性较小。 通过在天然卟啉的d 位或合成卟啉的4 个m e s o 位引进一些带电基团可以大大的提 高卟啉的水溶性，实现在中性水溶液中溶解卟啉。这类卟啉主要包括：磺酸基苯基卟啉 ( t p p s ) ，羧基苯基卟啉( t p p c ) ，吡啶基卟啉( t p y p ) ，胺基卟啉( t a p p ) ，乙二胺基原卟啉 ( e n p ) 【2 2 1 ，及一些含有磷酸根2 3 1 、硼酸根【2 4 1 、糖基【2 5 ，2 酣、多肽【2 7 1 和氨基酸【2 8 , 2 9 1 的卟啉。 3 河北人学理学硕十学位论文 图1 2 血卟啉 f i g1 2h e m a t o p o r p h y r i n 图1 3 尿卟啉 f i g1 3u r o p o r p h y r i n 1 2 2 水溶性卟啉的研究意义 1 在医学上 卟啉在医药方面的应用主要集中在检测和杀死癌细胞。由于卟啉具有特殊的结构， 能够通过与癌细胞相互作用，在病变部位聚集，利用它特殊的光学性质使病变部位与机 体的其他部位相区分，能够确定恶性、良性或水肿肿瘤准确部位。光动力疗法【3 0 3 1 】是近 2 0 年新发展起来的一种治疗恶性肿瘤的方法，它是利用特定的光敏剂在病变组织中的选 择性富集和光动力杀伤作用，在不影响正常组织功能的前提下，摧毁病变组织，达到治 疗作用，卟啉便可作为光动力疗法的光敏剂【3 2 】。 目前，光敏剂已发展到第三代。从其发展趋势来看，其吸收波长越来越往长波方向 移动，在肿瘤组织周围的富集能力、量子产率、水溶性都有很大改善【2 0 1 。n i f a n t i e v 及其 合作者将支链羧基与水溶性的胺通过酰胺键制备了一系列水溶性卟啉【3 3 1 。d r i a f 【划等人 合成了一系列引入了糖基的卟啉，证明糖基引入后整个分子的水溶性有很大的提高。 利用卟啉类化合物对肿瘤细胞比对正常细胞有较强亲和力的特点，近年来将卟啉与 化疗药物结合，即将光动力疗法和化学疗法相结合已成为一个趋势。m c h t a f 3 6 】及其合作 者们进行了许多尝试，合成了卟啉与吖啶酮键联的分子；卟啉与苯丁酸氮芥键联分子； 卟啉与吩噻嗪键联分子：以及卟啉与葸醌键联分子等。由于这些与卟啉进行分子组装的 基团，如吖啶酮苯，丁酸氮芥等本身具有生物活性，如抗癌等，所以这些分子组装得到 的新分子具有很好的性能，具有发展高效低毒光化疗抗肿瘤药物的前景。l o t t n e rc 3 7 , 3 8 】 等人合成了一系列卟啉顺铂缀合物，发现其中水溶性最好的卟啉的抗癌活性最高。 2 在分析化学中 4 第1 章绪论 卟啉类化合物具有特殊的光电性能，并且卟啉自由碱能与许多金属形成稳定的配合 物，这使它们在分析化学中的应用非常广泛。同时卟啉可以作为高灵敏度显色剂测定铜、 铅、锌、锰等离子的含量，是分光光度法测定金属离子的优良试剂。但是，很多时候， 人们要处理的对象是亲水或富水体系，如生物体系或水溶液，这时我们需要卟啉在水中 有一定的溶解度。例如，最近王涛3 9 】等人利用卟啉的荧光淬灭，合成m e s o 四( 4 氯3 磺酸钠基苯基) 卟啉并用来测定食品中铅的含量。张志华【4 0 】等人也合成了一种新型的卟 啉吡啶季铵盐并用来测定水中痕量铜离子。另外利用锂离子能与h ( b b r 8 - t p p s ) 络合的 原理可以用来监测海水和人体血清中锂离子的含量【4 1 1 。表面包覆了n ii i ( t m p y p ) 、n i i i ( t p p s ) 或f e l i i ( t m p y p ) 的电聚合膜的电极能够检测溶液中n o 的含量【4 2 】。 3 在催化化学中 金属卟啉在仿生催化中占据着极其重要的地位，它能够实现在温和条件下对分子氧 的催化活化，在催化烷烃氧化反应中显现出巨大的潜力。然而大多数合成卟啉是油溶性， 只能催化有机溶剂中的反应，合成水溶性金属卟啉催化剂扩大了其应用范围。将氰基苯 基钴卟啉的钉配合物吸附在石墨电极的表面催化电化学还原，可以将0 2 还原为h 2 0 或 h 2 0 2 【4 3 1 。p o l t o w i c z 删等研究了取代基对烷烃选择性氧化的影响，提出在多硝基及强吸 电基团取代的金属卟啉催化下，可能经历了不同的反应机理，因为电子转移是主要途径。 g - r o d k o w s k i l 4 5 】等用四( n 甲基吡啶基) 卟啉铁催化还原c 0 2 到c o 。 1 2 3水溶性卟啉合成研究的现状 人工合成的水溶性卟啉按其所含的官能团来分，主要有以下几类：磺酸基卟啉、吡 啶基卟啉、胺基卟啉羧基卟啉。它们的合成都不是很复杂，一般是应用现有的合成卟啉 的方法，如a d l e r - l o n g o 倒法、l i n d s e y t 3 5 】法，以芳香醛与吡咯缩合得到卟啉骨架，或对 简单的卟啉进行官能团化。 1 磺酸基卟啉 1 9 7 1 年，f l e i s c h e r l 4 7 】等人首先合成了四( 4 磺酸基苯基) 卟啉，其方法是用浓硫酸磺 化四苯基卟啉，得到的目标产物。蒲满飞【4 8 】等人则研究了1 1 7 s n m ( 1 1 3 s n ) 与四( 4 磺酸苯基) 卟啉形成配合物的反应条件和该配合物的体外稳定性及其化学计量组成，研究了在水溶 液中合成放射性金属治疗核素卟啉配合物的方法，对研制新的肿瘤治疗化合物有重要的 意义。人们应用该方法合成了许多磺酸基卟啉金属磺酸基卟啉的衍生物( 如图1 4 ) 。 5 河北大学理浮硕十学位论文 r r r x x rx = o h 、g l 、m e 、o m e 、卜 图1 4 磺酸基卟啉 f i g1 4s u l f o n a t o - p o r p h y r i n s 2 吡啶基卟啉 四( 4 一甲基吡啶基) 卟啉是一种非常好的水溶性卟啉，并且能够与d n a 相互作用， 其研究引起了人们的极大关注，是目前研究得最为广泛、深入的一类水溶性卟啉。吡啶 基卟啉是也由f l e i s c h e r 4 9 1 等人最先合成出来的。他们将4 - 吡啶甲醛、吡咯、醋酸锌和吡 啶在一个密封的容器中加热到l i o c 反应4 8 小时，得到了四( 4 吡啶基) 锌卟啉，在酸性 条件下脱去锌即为四( 4 吡啶基) 卟啉。1 9 7 0 年【剽他们改进了以前的合成方法，将四( 4 _ 吡啶基) 锌卟啉与过量3 0 0 倍的碘甲烷在乙醇氯仿= l ：9 的溶液中回流，得到了四( 4 - 甲基 吡啶基) 锌卟啉，以高氯酸处理四( 4 - 甲基- 吡啶基) 锌卟啉可得到四( 4 甲基吡啶基) 卟啉。 几十年来，新型吡啶基卟啉及其衍生物不断被合成出来【5 1 巧2 1 ( 如图1 5 ) 。 r r il c h 3c h 3 h 3 c 、 h 3 r 图1 5 吡啶基卟啉 f i g1 5p y r i d y l - p o r p h y r i 蚺 3 胺基卟啉 用胺基芳香醛与吡咯直接反应合成胺基卟啉的产率非常低，甚至得不到产物。这是 因为在酸性条件下胺基芳香醛自身容易形成s c h i f f 碱，同时胺基很活泼，在高温条件下 容易被氧化，所以胺基卟啉不宜由胺基芳香醛与吡咯直接缩合得到。合成胺基卟啉常用 的方法是先合成含有硝基、酰胺基、卤代烷基等官能团的卟啉，然后再将其转换为胺基 卟啉。 6 夕 人y 嘶 人v 眺 第1 章绪论 先合成硝基卟啉，然后再在氯化亚锡和盐酸的作用下，还原得到胺基卟啉化合物是 最简便也是人们最常用的方法。b e t t e l h e i m 5 3 】等合成了四( 4 硝基苯基) 卟啉和四( 4 胺基苯 基) 卟啉。然后将其离子化得到的胺基卟啉是一种水溶性很好的离子型卟啉。1 9 9 5 年， a l m a r s s o n 【矧等以四( 2 ，4 ，6 三甲基苯基) 卟啉为原料，先将每个苯环的3 ，5 位溴甲基化， 然后再以三甲胺取代溴合成了带有8 个电子的铵基卟啉。常见的胺基卟啉如图1 6 5 5 s 6 】。 r r r r 、p h h l 臼 l ：h 3 c ，麓叱 图1 6 胺基卟啉 f i g 1 6a m i d o - p o r p h y r i n s e t 1 3 树枝状多肽 1 3 1 树状多肽简介 树枝状大分子是一类新型的具有规则的高度分支结构【5 7 】大分子。根据其结构特征， 树枝状大分子可以分成两类，一类是1 9 8 5 年t o m a l i a 合成的聚酰胺胺p a m a m 系列分 子【5 8 , 5 9 1 另一类是n e w k o m e 的“树状系统( “a r b o r o l s y s t e m s ) 【矧。树枝状大分子以其 独特的树状结构，在生物分子模拟、催化剂、免疫诊断试剂、药物及基因载体、表面活 性剂等方面有很多潜在用途。近年来国内外关于树枝状大分子的研究越来越受到重视， 相关论文数量也呈指数式增长。 多肽树枝状大分子是指在分子结构中包含有肽键的树枝状大分子，它具有一般树枝 状大分子的普遍特性，如规则的多分支类球型结构、密集的表面集团、分子中较大的空 腔等【6 1 删；它同线性多肽和其他树枝状大分子相比还具有以下特征：( 1 ) 具有类蛋白的球 状结构，能作为天然配体的受体；( 2 ) 多价结构使其能同时与两个或多个配体发生相互作 7 皂 人丫呲 皂 河北人学理学硕 学位论文 用或者链接众多的有用基团；( 3 ) 生物相容性好，细胞毒性低；( 4 ) 水溶性好；( 5 ) 高支化 度使其不易被蛋白酶降解；( 6 ) 容易被细胞内吞，可用作药物与基因的传输载体。由于这 些特性，使多肽树枝状大分子在生物、医药领域有着广泛的潜在应用。 1 3 2 树状多肽的合成 树枝状大分子的合成方法从概念上可以分为两种：发散法和收敛法。这两种方法都 是通过重复的序列反应产生新一代产物。每一代的增长都需要由增长中的枝化片段与新 的枝化单元反应得到。最终枝化产物的纯化方法视采用的方法不同而有所区别。很多树 枝状大分子通过采用这两种方法结合的办法来合成，又称两步法，这是一种更加灵活的 合成方法。 发散法是一种直接合成的方法，从引发核开始逐步生长，不断向外发散，形成树枝 状大分子。发散合成法具有简便迅速、可靠性高、中问产物不用纯化的优点。这种方法 的缺点是枝化物末端可能存在反应不完全的情况，致使形成有结构缺陷的枝化物。而这 种缺陷的分子和目标分子的分离存在着极大的困难【6 5 1 ，因为这两种分子在结构上极相 近，极性差别很小。所以采用发散法合成高代数的树枝状大分子总是存在一定程度的结 构缺陷。在合成高代数的多肽时，总产率随枝化代数的增加呈指数下降，即使每一步反 应的产率很高，4 5 级反应后总产率仍然会降到不能接受的程度，此时多采用收敛合成 法。收敛法是一种间接合成的方法，先合成需要的功能基团，纯化后以特定的化学方法 连接到树状核心上。采用这种方法，由于保护或无保护的多肽片断和枝化单元在偶联之 前已经纯化，所以副反应少，反应产物容易提纯。但是，收敛法操作复杂，反应步骤比 发散法多，而且每一步中间产物都需提纯表征。另外，当使用保护的多肽片断时，所形 成的多肽中间体的溶解性较差，这也是收敛法中的一大难题。 1 4 本文研究的主要内容及意义 卟啉的主要应用是基于其具有较强的荧光性能。目前合成的卟啉化合物以油溶性为 主，在水溶液中的溶解性很差，而一些已合成的水溶性卟啉以离子型卟啉为主，荧光量 子产率普遍不高。如何合成一种既具有良好的水溶性，又能不影响其荧光量子效率的卟 啉化合物成为卟啉化学中的又一研究热点。 本论文利用树状多肽具有良好的亲水性、生物相容性、稳定性、类蛋白的球状结构 及强耐酶水解能力等优良性质，设计合成了一类新型多肽致溶的水溶性荧光卟啉化合 8 第l 章绪论 物。通过多肽支化的方法实现对卟啉荧光基元的包裹，在赋予荧光卟啉化合物水溶性的 同时，可以消除荧光共轭分子间强丌一丌相互作用，进而避免在水体系中荧光卟啉分子 发生聚集而引起荧光淬灭，解决水溶性荧光卟啉化合物的荧光量子效率普遍较低的问 题。 9 河北人学理学硕一 ：学何论文 2 1引言 第二章树枝状多肽合成及表征 树枝状大分子是一类高度支化的，具有特殊的三维结构的大分子。因其独特的结构 及理化性质，从而成为超分子材料中非常重要的构建“核壳”结构的材料。近几年树 枝状大分子发展迅速 6 8 6 9 】，多种树枝状大分子在这期间被设计并合成出来 7 0 , 7 4 】。如图2 1 是两种典型的树枝状大分子。 图2 1 两种树枝状大分 f i g 2 1t w ok i n d so f d e n d r i m e r 树枝状多肽是以氨基酸为基本单元合成的一类树枝状大分子，具备优良的理化及生 物特性，所以成为人们优先选择构建分子结构的材料。 本章以天冬氨酸为基本单元，分别用b o c 和甲酯对氨基和羧基进行保护，以e d c i 为缩合剂，二氯甲烷为溶剂，用液相收敛法合成了一代、二代、三代的树枝状多肽大分 子，并对其结构进行表征。 1 0 第| 章树枝状多肽的合成及表征 2 2 实验部分 2 2 1 原料与仪器 l 天冬氨酸：分析纯国药基团化学试剂有限公司； ( b o c ) 2 0 化学纯 上海海曲化工有限公司； d c c ： 分析纯上海共价化学科技有限公司； e d c i -分析纯 上海共价化学科技有限公司； 无水甲醇：分析纯天津市科密欧试剂公司 无水乙醇：分析纯天津市科密欧试剂公司； 四氢呋喃：分析纯天津市科密欧试剂公司； 三乙胺：分析纯天津市科密欧试剂公司； t i 三氯甲烷：分析纯 天津市华东试剂厂； 二氯甲烷：分析纯天津市科密欧试剂公司； 乙酸乙酯：分析纯天津市科密欧试剂公司； 石油醚：分析纯天津( 香港) 新通精细化工有限公司； 丙酮： 分析纯天津北方天医化学试剂厂； 氢氧化钠：分析纯天津市华东试剂厂； 浓盐酸：分析纯天津市华东试剂厂； 柱层层析硅胶：工业品青岛市海洋化工厂； 2 2 2 溶剂的精制 无水甲醇：无水甲醇5 0 0m l ，加入镁粉1 5g ，少量碘，回流4h 后常压蒸出使用； 二氯甲烷：加入适量氢化钙，回流4h 后常压蒸出使用； 三氯甲烷：加入适量氢化钙，回流4h 后常压蒸出使用； 三乙胺：加入适量氢化钙，回流4h 后常压蒸出使用； 四氢呋喃：加入适量金属钠，回流4h 后常压蒸出使用； 河北人学理学硕十学何论文 2 2 3 合成步骤 系列树枝状多肽的合成路线如图2 2 ： 州g h 喇g hc o o h 墨堕1 2 ， 甲醇 ( b o c ) 2 0 j - n a o h 二氧六环，水 h c h 2 n ：h 3 手。o h n _ _ - - c o h o h 一g h i h z n 嘞詈膳毒h lb l a 一 、c o o c h ， 户o o c h 3 ，c o o c h , ， o h 厂c o n h 寸o c n 、o n h 户c o o c h 3 c o o c h 3 2 、o h - c o o h - - y o en 、o o h e d c i c h 2 c 1 2 t f a j c h 2 c 1 2 n2 h c o o c h i ( v c o o c h 3 厂c o n h c f 3 c l o ) o 洲2 n o n h 广c o o c h 鱼 c o o c h 3 2 a ，、n 洲h1 、c 0 2 c h 3 蹦一纣嬲n e e r n 、= 3。2 。 图2 2 一代，二代，三代树枝状多肽合成路线图 f i g2 2s y n t h e s i sa n dm o l e c u l a rs t r u c t u r eo f t h eg i ，g 2 ，g 3p e p t i d ed c n d r i m e r 1 2 第_ ：市树枝状多肽的合成及农征 1 天冬氨酸二甲酯盐酸盐( 1 a ) 的合成： 将5 0m l 精制甲醇加入到2 5 0m l 的三颈瓶中，冰盐浴( 5 ) 下滴加5m l 二氯亚砜， 然后分三次加入l 天冬氨酸( 4 0 0 1g ，3 0 0 7m m 0 1 ) 。加完后移去冰盐浴，室温搅拌反应 8h 。反应完毕后减压蒸除溶剂及过量的二氯亚砜，加入乙醚有大量的白色晶体析出。过 滤后用乙醚洗涤两次后真空干燥。产率：9 6 。1 h n m r ( c d c l 3 ，4 0 0m h z ) ：68 7 8 ( s ， 3h ) ，4 6 2 ( d ，lh ) ，3 8 5 ( s ，3h ) ，3 7 5 ( s ，3h ) ，3 3 3 ( q ，2h ) 。 2b o c 保护天冬氨酸( 1 b ) 的合成 将l 天冬氨酸( 4 0 0 3g ，3 0 0 7m m 0 1 ) 、n a o h ( 2 3 8 4g ，5 9 6 0m m 0 1 ) 加入到2 5 0m l 三颈瓶中，然后加入3 0m l 水和3 0m l1 , 4 二氧六环的混合溶液。室温下滴加( b o c ) 2 0 ( 8 2 1 6g ，3 7 6 4m m 0 1 ) ，反应3 2h 。反应完毕后，先用石油醚( 1 0m l 3 ) 提取，水相 用1m o l l 的h c i 水溶液调节p h = 2 3 ，然后用乙酸乙酯萃取三次，合并乙酸乙酯相，依次 用蒸馏水、饱和n a c i 溶液、蒸馏水洗涤，无水硫酸钠干燥。旋去乙酸乙酯后，加入适 量石油醚研磨得到白色粉末状固体。产率：7 7 。熔点1 0 7 4 1 1 1 3 c 。1 h n m r ( c d c l 3 ， 4 0 0m h z ) ：65 6 4 ( d ，lh ) ，4 6 5 ( t ，lh ) ，3 0 3 ( q ，2h ) ，1 4 6 ( s ，1 2h ) 。 3 二代天冬氨酸酯( 2 ) 的合成： 将b o c l - 天冬氨酸( 1 b ) ( 1 5 0 0g ，6 4 3m m 0 1 ) 加入到2 5 0m l 三颈瓶中，加入精制 二氯甲烷6 0m l 。控制温度在5 。c ，加入e d c i ( 3 0 0 2g ，1 5 6 6 m m 0 1 ) ，磁力搅拌，溶 液很快澄清。另取一1 0 0m l 锥形瓶加入天冬氨酸二甲酯盐酸盐( 1 a ) ( 3 8 4 1g ，2 0 1 0 m m 0 1 ) ，精n - 氯甲烷2 0m l ，三乙胺3m l ，冷却后缓慢加入到上述反应溶液中。冰浴 条件下继续反应3 0m i n ，除去冰浴室温搅拌反应约3h 完毕。将反应溶液依次用1m o l l 的盐酸溶液洗三次，蒸馏水洗三次至中性，无水硫酸钠干燥。以乙酸乙酯石油醚= 3 ：l 为淋洗剂，硅胶柱分离。得到产物3g 。产率：9 l 。产物熔点1 l o 5 一1 1 2 0 c 。1 h n m r ( c d c l 3 ，4 0 0m h z ) ：67 5 9 ( d ，lh ) ，6 7 0 ( d ，lh ) ，6 0 2 4 ( d ，1h ) ，4 8 5 ( m ，2h ) ， 4 5 2 ( 8 ，lh ) ，3 7 3 ( m ，1 2 h ) , 3 1 9 - 2 5 8 ( m ，6h ) ，1 4 6 ( s ，9h ) 。 4 二代天冬氨酸脱除氨基保护( 2 a ) ： 取二代氨基酸酯( 2 ) ( 1 0 0 1g ，1 9 2m m 0 1 ) 加入到5 0 m l 三瓶中，n a 1 0 m l 二氯甲 烷，使其完全溶解然后加入1 0m l 三氟乙酸，室温下搅拌，t l c 检测反应进程，约3h 反应完毕。室温减压蒸除所有溶剂，得浅黄色油状物。将该油状物滴入高速搅拌的乙醚 溶液中，重复操作三次后得到白色固体。产率约9 7 。1 h n m r ( c d c l 3 ，4 0 0m h z ) ：6 1 3 河北人7 ：理学硕十学何论文 8 4 8 ( d ，1h ) ，7 8 8 ( d ，1h ) ，4 9 0 ( q ，2h ) ，4 5 6 ( q ，1h ) ，3 7 3 ( d ，6h ) ，3 6 7 ( s ， 6h ) ，3 0 0 2 8 2 ( m ，6h ) ，1 4 6 ( s ，9h ) 。m s ：5 5 8 8 6 3 l ( + 3 9 ) 5 三代天冬氨酸酯( 3 ) 的合成： 2 5 0 m l 三颈瓶中加入b o c l - 天冬氨酸( 1 b ) ( 0 9 2 5g ，3 9 7m m 0 1 ) ，加入精n - -