（化学工艺专业论文）卟啉衍生物的合成及结构表征.pdf

摘要 本文首先介绍了天然环状四吡咯化合物及其分类，着重介绍了其中卟啉及其 衍生物的应用、合成。在此基础上，提出了论文的具体工作。 实验过程中，先对猪血红细胞中血红素的提取工艺进行了研究，比较了两种 氯化血红索制备工艺的得率、纯度以及成本，得出工艺2 为较为理想的制备技术， 该技术工艺简单、成本低廉，可用于工业生产。 以氯化血红素为原料，用间苯二酚作还原剂，将血红素还原为次氯化血红素， 并用硅胶柱分离纯化，得到纯品次氯化血红素。此种合成方法所得到的次氯化 血红素纯度、产率都较高，可以为进一步合成提供高纯度的原材料。 次氯化血红素再经脱中心f 矿、酯化等反应，生成次卟啉二甲酯。比较了 两种制备工艺，得出浓硫酸甲醇溶液超声波激励法制备次卟啉二甲酯有诸多 优点，即操作简单、产率高、产物纯度高。 最后，次卟啉二甲酯和金属盐试剂经络合反应，生成四种不同的金属次卟 啉。二甲酯，并对其进行了工艺研究。制得的金属次卟啉二甲酯可作为仿生 催化荆，也是进一步合成其它卟啉衍生物( 如光敏剂) 的中间体。 通过红外光谱( 双) 、1 h 核磁共振光谱( 1 h n m r ) 以及质谱( m s ) 等检测手 段对所合成的化合物进行了结构表征。 研究结果表明，合成所得的化合物结构与预期设计一致，各目标化合物合成 路线合理，产率都较高。 关键词：卟啉衍生物，氯化血红素，次氯化血红素，次卟啉i x 二甲酯，金属次 卟啉二甲酯，提取，合成，结构表征 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h en a t u r a lc y c l i ct e t r a p y r r o l e sa n ds o m ec o m p o u n d so ft h i sk i n d w f f l i n t r o d u c e da n ds p e c i a la t t e n t i o nw a sg i v e nt ot h ea p p l i c a t i o na n ds y n t h e s i so f p o r p h y 渤a n di t sd e r i v a t i v e s i nt h i sb a s e p a r t i c u l a rw o r k so ft h ed i s s e r t a t i o nx v a sp u t f o r w a r d i nt h ec o u r s eo fe x p e r i m e n t s ，f i r s t , t oc o m p a r ea n de v a l u a t e dt h ey i e l d ，p u r i t ya n d a p p r o n i m a t e dc o s t so ft w ok i n d so fh e m ep r e p a r a t i o n a sc o m p a r e dt h et w o t h c h n i q u e s , r n e t h o d2h a sb e e np r o v e dt ob eas i m p l e - t h e h n o l o g i e d ，h i g h - p u r i t i e da n d l o w - c o s t e dt e c h n i q u e t h i sm e t h o dc a nb ea p p l i e di ni n d u s t r yp r o d u c t i o n ， d e u t e r o h e m i nw a sa b t a i n e df r o mt h er e d u c t i o no f h e m i nb yr e s o r c i n o l ，a f t e rb e i n g p u r i f i e db yb ys i | i e a g e lc o l u n mc h r o m a t o g r o p h y ，p u r ed e n t e r o h e mi nw a so b t a i n e d t h i sm e t h o di ss i m p l ea n dc o u l ds u p p l yh i 曲q u a i t yd e u t e r o h e m i nf o rt h ef u r t h e rs y n - t h e s i s 。 t h e n , d e u t e r o h e m i ni st r a n s f e r r e dt od e u t e r o p o r p h r i n - i x d i m e t h y l e s t e rb yt h ed e i o n - i z a t i o na n de s t e r i f i c a f i o n c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lr e a c t i o n , u l t r a s o n i cr e a c t i o n h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l e ro p e r a t i o n ，h i g h e ry i e l da n dp u r e rp r o d u c t a tl a s t ，f o u rk i n d so f m e t a l - d e u t e r o p o r p h r i n - i x - d i m e t h y l e s t e ra r es y n t h e s i z e df r o m d e m e m p o r p h r i n - l x - d i m e t h y l e s t e ra n d m e t a ls a l tb yc o m p l e x i n gr e a c t i o n s a tt h es ：a n t e t i m e ，t h es t u d yo nt h e i ro p t i m u me x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so f t h ep r e p a r a t i o np r o c e s s e s i sa l s oc a r r i e do u t t h e s ec o m p o u n d sc a nb e u s e da sb i o n i cc a t a l y s ta n dt h ei n t e r m e d i a t eo f p o r p h y r i nd e r i v a t i v e s t h es t r u c t u r e so f t h e s y n t h e t i cp r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi n f r a r e d ( i r ) , hn u c l - e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ( 1 r n n m r ) a n dm a s ss p e c t r a ( m s ) t h er e s u l t sc a m et ot h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：t h es t r u c t u r e sa n dp e r f o r m a n c e i n d e x e so f t h ep r o d u c t sc o n f o r m e dt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t , t h es y m h e s i sw a y so f t h e t a r g e tc o m p o u n d sw e r eb r i e f a n dh a dh i 曲y i e l d k e yw o r d s ：p o r p h y r i nd e r i v a t i v e s ，h e r o i n ，d e u t e r o h e m i n , d e u t e r o p o r p h r i n - 一d i - m e t h y l e s t e r , m e t a l d e u t e r o p o r p h r i w i x - d i m e t h y l e s t e r , e x t r a c t ，s y n t h e s i s ，s t r u c t u r a lc h a - r a c t e r i z a t i o n 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 j 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 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 逮拄伊占年彳月；7 r 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： 逮丝：矿略年月楣 南京理工大学硕十论文 卟啭衍生物的合成及结构表征 1 绪论 天然产物化学以天然有机物的提取、分离、结构分析、生物活性、化学合成及应 用为主要研究内容，是- f - j 涉及化学、物理学、生物学、药学等领域的交叉学科。自 2 0 世纪中期以来，天然产物化学的发展进入了一个全新的领域，人类所认识的天然 产物越来越多，结构越来越复杂。随着现代物理分析手段的引入和发展，科学家现在 已经能对自然界中出现的几乎所有复杂有机物的结构作出合理的解释，实验化学家也 能做得到必要的合成原料来合成这些复杂结构的天然物质。特别是6 0 年代以来，围 绕天然产物的合成，有机化学家借助于生物模拟合成和结构一效能关系研究等手段， 开辟出许多新的合成方法，极大地丰富和促进了有机合成方法学的发展。 在这些种类繁多的天然产物中，环状四吡咯化合物处于中心和显著的位置。它们 伴随在每个生命物质中，是包括单细胞生物和高级脊椎动物在内的所有生物体的组成 部分，其起源甚至可以追溯至生命出现以前。所有天然环状四吡咯化合物都对生物的 新陈代谢起着十分重要的作用，因此，完全有理由将它们称为“生命色素”。 1 1 天然环状四吡咯化合物及其分类 环状四吡咯化合物按其环周的饱和程度可分为卟啉( p o r p h y r i n s ) 、卟吩( c h l o d n s ) 、 细菌卟吩( b a c t e r i o c h l o r i n s ) 、异菌卟吩( i s o b a c t e r i o c h l o r i n s ) 、高饱和氢卟啉( h i g h e r s s t u r a t e dh y d r o p o r p h r i n s ) 、可啉( c o r r i n s ) u 1 。后五者可以看作为为卟啉的衍生物， 统称为卟啉类化合物。以下对这几种化合物的结构特征分别加以介绍。 1 1 1 卟啉( p o r p h ) r r l n s ) 卧啉化合物是一类周环完全不饱和的环状四吡咯化合物，如图1 1 1 所示，卟啉 1 环周上存在个由两个碳碳双键桥相连的二氮杂 1 8 轮烯结构的芳香体系。含有 卟啉骨架结构的化合物都具有较深的颜色，对可见光的强吸收在波长4 0 0 h m 左右， 摩尔吸光系数剃o o o o o ，而在波长5 0 0 r m a 8 0 0 n m 的长波范围内吸收较弱2 】。绝大多 数天然卟啉都含有络合的金属离子，如血液色素血红素2 及其生物合成前身原卟啉 1 ) ( 3 等。血红素是人和动物生命必须的物质，它作为血红蛋白的辅基，镶嵌在一个复 杂的蛋白质分子中，能与氧分子结合，负责呼吸链中氧的传递和活化以及电子的转移 【3 】。1 9 2 9 年，f i s c h e r 首次实现了血红素的氧化形式一氯化血红素的全合成【4 】。 c o r a l l i s t i n a 是极少数不含金属离子天然卟啉中的一个例子。c o r a l l i s t e 是在新苏 格兰海附近发现的一种海绵体，从其体内分离出一类结构相似的卟啉，称为 c o r a l l i s t i n ，4 是其中含量最高的卟啉i 卜6 1 。 南京理工大学硕士论文 卧啉衍生物的合成及结构表征 2 弼a ；y 、争s p o q 螂n s 1 咄。p邺 。p 屿 ：f 兰l j ：f ：专一唰f【fl 一。 1 i 2 卟吩( c h l o r n s ) 与卟啉不同的是，卟吩5 结构中的一个吡咯环双键被还原，卟吩环周虽然也是 1 8 3 轮烯结构的芳香体系，但该发色团体系的对称性有所降低，结果使卟吩化合物 的最大吸收波长红移，吸光强度得到提高。也正是这一结构上的变化赋予了卧吩不同 于卟啉的光学物理性质一卟吩化合物能在分子内实现光电转换，它们可以作为色素参 与光合作用过程1 7 1 。 b o n e l l i n1 0 是地中海寄生虫b o n e l l i a v i r i d i s 的绿色性别区分色素，具有光毒性和 抗菌效削8 9 1 。研究发现，由于l o 的存在造成了b o n e l l i a v i d d i s 奇特的性别同种异形 现象。若无性别之分的b o n e l l i av i r i d i s 幼虫碰到体内含有绿色色素b o t t e l l i n 的成年雌 虫身体薄壁，成年之后就长成l m m 3 m m 大的雄虫，并生活在大个雌虫( 1 0 0 m ) 身 体内的空腔中。而没有接触到l o 的幼虫则长成为5 m m l o m m 大小的雌虫。纯的结 晶状1 0 最先由l e d e r e r 等在1 9 3 9 年分离譬导到【l 们，然面其结构直到1 9 7 6 年爿由p e l t e r 等通过现代光谱方法给以确定【l l i 。m o n t f o r t s 等对1 0 的手性中心结构进行了确认，并 开发出外消旋b o n e l l i n 的全合成方法，该方法路线简捷，选择性高，是迄今为止比较 理想的卟吩全合成方澍1 2 1 3 1 。突尼吩7 是从加勒比海甲壳动物t r i d i d e m n u ms o l i d u m 体内提取的蓝绿色色素，它是最早为人们所知道的天然含镍卟吩4 j 。 美焱 ( 口n j o r l l l 5 图1 1 2 1 天然卟吩化合物的结构 i o c o a t i t u n 帅l o r i n 7 2 吼， 吡 p0、，p、r 峰 叩 a h r麓扎， ， 鲰 厂hn n 、 一 一、k q 0 影 南京理工人学硕七论文卟啉衍生物的合成及结构表征 1 1 3 细菌卟吩( b a c t e r i o c h l o r i n ) 细菌卟吩8 是卟啉的衍生物( 图1 1 3 ) ，也具有 1 8 轮烯的芳香结构，它在形 式上由卧啉相对的两个毗咯上各有一个环周双键被饱和而形成，是细菌广为用来进行 光合作用的绿色色素细菌叶绿素的主要官能团，细菌卟吩一词由此而来1 5 】。这类物 质的典型代表是细菌叶绿素a9 。 “t 铫叽 j一 矶 雌 雌 w ) 叩 o 八y i “严 c h ，虬 b a d 嗡i o c h i o p h 蛐3 图1 1 3 1 天然细菌卟吩化合物的结构 1 1 4 异菌卟吩( i s o b a c t e r i o c h r i n s ) 异菌卟吩1 0 含有两个相邻的部分饱和的吡咯环，是细菌卟吩的结构异构体( 如 图1 1 4 所示) 。在卟啉、卟吩和细菌卟吩的环周1 8 ，【电子体系中含有两个氮原子， 它们所带的孤电子对并不参与杂化，而在异菌卟吩的1 8 1 r 电子体系中包含三个氮原 予，其中一个氮原子的孤电子对是芳香体系的组成部分，因而稳定性较差。1 9 7 3 年， s i e g e l 等从一种名为e s c h e r i c h i a - c o l i 的细菌所含亚硫酸盐还原酶中提取得到第一个天 然异菌卟吩化合物含铁西罗血红素1 4 6 1 ，后柬在多种细菌和植物的亚硫酸盐和亚硝 酸盐还原酶中也发现了该化合物。血红素d l1 1 最初由t i m k o v i e 等从几种化学自养 代谢细菌体内的细胞色素c d l 中分离出来，发现它对细菌体内亚硝酸盐还原成一氧化 二氮的反应非常关键。后来的研究证明，1 l 在许多细菌和植物的体内都存在，并且 与1 4 一样，对这些生物的氮、硫元素的代谢起着至关重要的作用7 】。 秘 b o b a d 日神州n 1 0 s * 鞭 叩辱吼 c o 一斜 h e m ed | 1 1 挚妄竽刚 j ，。l 一 嘣f 、c o 一戮篇黜： r 2 hm 2 f 。s o | 。”。1 4 匿1 1 4 1 天然异菌卟吩化合物的结构 吖a mg 盯肟 。、 嘲8 奴一 南京理_ = 大学硕士论文 卟啉衍生物的台成及结构表征 在西罗血红素被发现以前，人们对异菌卟吩类物质结构的了解来自对维生素b 1 2 的生物合成研究，如因子1 2 和因子i1 3 都是维生素b 1 2 的生物合成研究中出现的 中间体。 i i 5 高饱和氢卟啉( h i g h e rs a t u r a t e dh y d r o p o r p h y r i n s ) 可吩l s 、脱氢可吩1 6 和卟啉原1 7 在结构上属于六氢卟啉，它们是同分异构体， 氧化态相同。卟啉原1 7 是环状四吡咯化合物生物合成过程中产生的第个环状四吡 咯结构，对氧气很敏感，容易被氧化成更稳定的芳香结构，e p l - 啉。因此，需要在绝 氧条件下才能分离出卟啉原。e s c h e n m o s e r 等通过研究发现，利用酶催化下的甲基化 反应能够将结构1 7 转化成结构1 6 。 g t g “f “冬 撩，j i 贰 c o r p h t n d e h y d r o c o r p h i n 1 5e 图i i 5 1 天然高饱和氢卟啉化合物的结构 艄”嚣荨嚣 甚冀邺耐峨越警 4 疗气n ，议麒螂 、 仃 研镰，咖 、吖岔，。 、nh n ，拶瀛， 南京理1 = 大学硕士论文卧啉衍生物的合成及结构表征 b 1 2 的合成，他们开辟了许多新的合成方法，其中著名的有w o o d w a r d h o f f m a n n 规则 和脱硫缩合法等，极大地丰富了有机合成方法学的内容。2 0 世纪7 0 年代开始的维生 素b 2 合成研究利用最先进的光谱和分子生物学技术对维生素b 1 2 的生物合成过程和 机理进行了详尽的研究。到目前为止，除了少数几个细节以外，维生素b 1 2 是由微生 物从小分子氨基脂肪酸开始合成而得到的，中日j 经过一些重要的卟啉衍生物中间体。 通过生物合成研究，形成维生素b 1 2 的一些重要中间体被分离出来，它们的结构、生 物活性等特征得到确证。这给环状四吡咯化合物的合成及应用研究带来了重要提示。 可啉类物质存在于绝大多数动物体内，并担负着重要的生理功能，然而只有少数 几种微生物可以合成可啉类物质，因此，它们是高等生物生命所必须的“维生素”。如 恶性贫血病就是由维生素b 1 2 缺乏症引起的一种疾病。作为生物催化剂，可啉类物质 负责生物体内的烷基化和烷基异构化反应1 2 0 1 。 卟啉及其衍生物多以金属络合物的形式在自然界中广泛存在，如上述叶绿素、动 物体中的血红素和维生素b 1 2 及其衍生物等。豆科植物的根瘤内，以及突变的酵母、 某些鸟类和动物的粪便中也都含有一些卟啉化合物。 卧啉类化合物的研究对于光合作用、人工开发太阳能、医药、分析化学、催化， 仿生学、石油地质、光电子功能材料以及环保等领域都有重要的意义。国内外对其合 成及应用进行了大量的研究，取得了很多的科研成果，并已独立地形成了一门新兴边 缘学科一卟啉化学。下面分别就最近十多年来卟啉类化合物在上述领域的应用情况 及其合成研究的情况作一简要的概述，前者通过分析其结构来阐述其应用，后者侧重 与熟知各种试验方法。在此基 出上，提出课题的研究内容及方案。 1 2 卟啉类化合物的应用一 1 2 1 人工模拟光合作用及太阳能的转换和贮存 太阳能的利用是目前最活跃的研究方向，这是由于地球上的能源危机正困扰着人 们，而太阳是一个取之不尽，用之不竭的巨大能源。人们研究光能转化主要是模拟 自然界绿色植物的光合作用。光合作用的实质是将太阳光转变成三磷酸腺苷，同时 还原等量的物质，实现这一过程的关键步骤是位于光合作用反应中心( r c ) 内的叶 绿素a 中由光引发产生电子转移，从而使电荷分离后在超级分子内分开排布。 目前，人们对于光合作用的了解使根据对天然产物的光合作用反应中心以及人造 光合作用模拟系统进行研究得到的。迄今为止，大多数人工合成的分子和超级分子 态的光合作用模拟系统都以完全不饱和的卟啉作为中心电子给体单元，以各种苯醌 作为电子受体单元。卟吩核的大1 1 共轭结构容易被光辐射激活而产生电子，电子沿 着与卟吩核相连的价键转移至内部空间较大的苯醌上，在苯醌内进行重排，如此实 现在光诱导下电子从给体到受体的转移过程。 南京理l ：大学硕十论文 卟啉衍生物的合成及结构表征 严 叩_ 、厂r 庐”飞 l m，= h 茹j | 、夕上。乒卜铺t l i fl c o 叫c o a t l 虮 h c 、 n 墨 叩邸j r 严 吼 、r 一 纣弋 z 孓吼 c 心 2 1 ap p ( 屎卧磷) ；r 肛- c h 。c h z 2 2 am - - 2 h r 气- - n 2 1 bh p 血叶啉) ik 即- c h ( o h ) c h 32 2 bm = z n r = c n 2 1 ch p d ( 血叶啭新生物) ：r r 严- c h ( o a c c h j2 2 cm - - - 2 h r ；c h 2 n h 2 2 1 2 2 为获得更接近与实际的光合作用模型，erm o n f f o r t s 领导的小组从氨基酸和降 冰片烷骨架合成得到2 1 a ，2 1 b ，2 1 c ，在将2 2 c 转化成相应的氨基酸单体后，继续反应可 以生成缩氨酸( 酞键) 如此可以模拟天然光合作用大反应中心内的蛋白质体环境【2 ”。 卟啉类化合物也可以作为光催化剂，如c o ( i i ) 血卟啉用于降冰片二烯异构化 的反应中，使降冰片二烯转化为四环烷，吸收的太阳能便被释放出来，这为太阳能的 贮存和利用提供了新的途径。 1 2 2 在生物医学方面的应用 在卟啉化合物中，血卟啉是最早( 1 8 6 7 年) 分离出来的一种，早在1 9 4 2 年，a u l e r 和b e n z e r 就记录过血卟啉( 口) 能有选择性地集中于肿瘤组织之中，由于它具有集 中并储存于癌组织的特性，且具有受激发后杀死体内的癌细胞，而对正常的组织基本 上无损伤，因之血卧啉作为光化疗法已开始应用于临床，治疗皮肤癌、支气管癌、食 道癌、膀胱癌、结肠癌、前列腺癌、复发性乳腺癌等恶性肿瘤。研究发现有一系列卟 啉化合物具有上述的作用。这一疗法被称为光动力疗法( p h o t o d y n a m i ct h e r a p y ) 1 2 2 1 。 进入9 0 年代初，西方一些国家，如加拿大、美国和荷兰等国将上述方法确认为 法定的肿瘤疗法，1 9 9 4 年第一个卟啉类光动力抗癌药光敏素i l 被批准上市。光敏素 u 是通过醚键、酯键以及碳一碳键与卟吩核的毗咯碳原子连接两成的混合物，其结构 大致为2 3 中的一种或多种( 包括金属络合物) ，是以血卟啉为原料制的h p d 及其分 离成分。 r rl i l1 r 1c i 即o 峰j ? 冀， 长札 j ；， 。： ，- - 浚n1 4 蛰。莎一 ij jr 2 r 6 南京理工大学硕七论文卟啉衍生物的合成及结构表征 r t = c h = c m 成c h ( o c h 3 ) c h r 2 - 蜘, 或h r r = c o o c h l 酸h r 4 ，c h t n ( c h 正h 2 c m 2 4 ag t = h r r - 司h 2 曲r l 姊刑2 ，耻h 2 4 cr i 爿d c h ” d 2 4 h p d 类抗癌药尽管对传统治疗不能制服的癌症起到治疗作用，但还存在着某些 严重缺点1 ：( 1 ) 具有光敏性副作用，患者在注射血卟啉光敏刺后不能见光，否则容 易产生皮肤等溃烂现象，同时对肝脾等器官也有一些损害；( 2 ) 治愈率约为8 0 左 右，且主要是对浅部组织的癌症病例有较好的疗效。 目前，卟啉类抗癌药的研究动态有以下几个方面 z 4 1 ： ( 1 ) 卟啉一抗癌药物联结 1 9 8 0 年，日本学者将卟啉与光辉霉素、丝裂霉素相连结，提高了抗癌效果。我 国学者黄素秋等卟啉与氟尿噻啶相接后，进行了一系列抗肿瘤试验表明：卟啉一氟尿 嘧啶对动物癌细胞及人癌细胞均有明显的杀伤作用，比普通h p d 的抗癌效果好、毒 性低、定位导向优越。 ( 2 ) 血卟啉一抗体交联物 以单克隆抗体( m c a b ) 为特异性载体与h p d 交联制备的免疫光敏剂具有对肿瘤 细胞比单用h p d 强得多的杀伤作用。国外曾于1 9 8 3 年和1 9 8 5 年首次把h p d 与抗 小鼠横纹肌肉瘤的m c a b 交联和把h p d 与抗人白血病相关抗原的m c a b 交联，体外 杀伤效力提高了数十倍。这类交联物充分发挥了卟啉和单克隆抗体的双重导向作用， 提高了h p d 的选择性杀伤作用，减少了用量，从而降低了副作用。 ( 3 ) 卟啉胆固醇酯的合成 国内外研究表明：肿瘤细胞膜的流动性高于正常细胞，胆固醇是细胞膜的重要组 成部分。增加癌细胞中胆固醇的含量能降低膜的流动性，从而降低癌细胞的恶性程 度。鉴于卟啉化合物在肿瘤组织中富集的特点，根据“制导药物疗法”的想法，现已合 成6 种卟啉胆固醇酯，其应用结果显示：卟啉胆固醇酯对体外癌细胞一定的直接杀 伤作用，光照与不光照组间区别不大，即光敏性很小；能明显降低癌细胞膜的流动 性；对癌细胞的生长有较强的抑制作用，且结构上的微小的差别表现出的过程有所 不同。卧啉胆固醇酯的光敏性很小，但又有较强的抑癌效应，表明胆固醇通过卟啉 的定位导入癌细胞中达到了抑癌的目的，说明“制导药物疗法”是有其将来应用于i 晦床 的深远意义的。 在基因工程方面，把卟啉化合物与寡核苷酸键联；通过控制核苷酸的序列，使它 对特定的d n a 有一定的识别效应，从而形成了一类新的内切酶，由于它的性质稳定， 常温下不变性，将会极大地推动基因工程的发展。 7 南京理r 天学硕士论文 口 啉衍生物的合成及结构表征 1 2 3 在分析化学上的应用m i 水溶性卟啉化合物为痕量分析开辟了高灵敏度的新途径，作为显色剂，它可以用 来测定痕量的c d 、c u 、z n 、f e 、p b 等金属。用a 、1 3 、t 、6 一四( 4 一三钾铵苯基) 卟啉作显色剂，可用于商纯稀中的痕量锕( 7 x 1 0 8 ，质量分数) 及水中痕量铜( 3 1 0 - 9 ) 的测定，操作简便，也可以用于分光光度法、色谱法等；上海试剂二厂生产的原卟啉 i x l 2 6 】在缺铁性贫血及铅中毒检测中作为标准；中科院上海生化所东风生化试剂厂生产 的氯化血红素为片状晶体，铁的含量为8 4 ，用于血鉴定染色。 1 2 4 在催化方面的应用 随着酶化学的发展，人们发现生物体内有许多酶，如细胞色素p 一4 5 0 、过氧化 物酶、过氧化氢酶，这些酶催化的氧化反应均是以含有过渡金属卟啉络合物作为辅基， 因此引起广泛注意。基于此，卟啉的金属配合物被用来作为生物体某些反应机理问题 的模型，在这方面最引人注目的是利用它去模拟单加氧酶p 一4 5 0 、血红蛋白和肌红 蛋白。如氯合5 ，l o ，1 5 ，2 0 一四取代苯基卟吩铁( i i i ) 就可以用来模拟细胞色素p - 4 5 0 的仿生氧化反应1 2 7 2 8 l 。 目前，金属卟啉的催化性能已开始应用到其它有机反应中，如聚合反应、异构化 反应、还原反应和分解反应等。并且有越来越多的性能卓越的新型卟啉化合物正得以 开发应用，如四( 对甘氨酰甘氨酸) 苯基卟吩与镱、钐等金属离子形成稀土卟啉配合 物由于具有优于d 过渡金属卟啉配合物的磁学性能而广泛用作生物大分子研究的荧 光探针、无线电电子材料和某些有机底物的催化剂。 1 2 5 在仿生学方面的应用 单加氧酶p 4 5 0 的仿生催化反应就是卟啉化合物在仿生学方面的应用的一个很 好的例子。除此之外，卟啉化合物可以用来制作电极，用于电化学仿生装置一生物传 感器。 生物传感器( 主要是酶电极) 由于其在复合媒体中的高选择性并可以装在便携式 解析器上使用，三十多年来，已被越来越多的研究机构选定为研究主题。特别是小型 化的电化学生物传感器在临床分析及环境控制方面所表现出的潜在应用酊景已引起 人们的莫大兴趣。然而，由于这些解析装置里的生物组分中的生物大分子造价昂贵， 而且使用和贮存稳定性能差，绝大多数生物解柝装置的应用都受到了限制。尤其是蛋 白质的伸展作用、高温或者苛刻的化学条件都会通过抑制或变性作用迅速消除固定酶 的活性。 一个非常有前途的解决的途径是在电极表面固定根据酶辅基的结构和或活性仿 制而成的有机金属络合物。在水溶液或有机媒体中这些固定的仿生化合物应该比酶更 8 南京理i = 大学硕十论文 卧啉衍生物的合成及结构表征 加稳定。在各种类似的物质中，经合成得到的各种金属卟啉属于最有前途的模型化合 物类别之一，这是因为由于金属卟啉能通过轴向络合反应充当还原作用的媒介、催化 剂或选择性络合中心。例如，二价镍、二价钴、三价锰的四苯基卟啉涂覆层以及氯化 血红素单分子层已分别成功地坡用来检测酒携、有机卤素污染物、组氮酸和双氧水。 1 2 6 在光电子功能材料方面的应用 有机光电子材料的研制，特别是光盘技术的开发，急需性能优异的光电材料。在 这方面，卟啉衍生物以其优越的性能脱颖而出，有人合成了各种长链烷烃与卟啉化合 物联接的体系，并利用它制成了稳定的l b 膜，显示出良好的应用前景。 卟啉衍生物还可以用来制作光电池。这是利用卧啉化合物对分子氧的电催化还原 性，将其作为光电化电池的光阴极。例如，将一面镀有s n 0 2 导电薄层的导电玻璃上 覆盖一层t p p ( 四苯基卟啉) 薄层，放入盛有f e 2 + f e ”电解质溶液的透明容器黾，再 加上一块一面镀有i n 2 0 3 s n 0 2 薄层的导电玻璃作对电极，组成一个透明电极光生伏打 电池，它在入射光强度为9 8 5m w e m 2 的碘钨灯灯光( 或太阳光) 照射下，产生开路 光电势可达5 0 0 m v 5 5 0 m v ，短路光电流约l o o p a c m 2 。 l j 卧啉类化合物的合成 卧啉类化合物的合成已有七十余年的历史，其合成方法 f 有以吡咯为原料的全合成，也有以易得的天然产物，如以血红即、一! 吖一凡 素、叶绿素等为原料的半合成，可以根据卟啉的结构来选择2 0 _ 弋h：户。 具体的合成方法。p l - 啉类物质的通用结构式如右边2 5 所示： 吒- ” ol r 5 r l r 暑为吡咯环上的取代基，5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 位称为中位( m e s o ) ， r r1 5 r 也称为a 、b 、1 r 、6 一般为苯基或取代苯基。 “ 下面分别就各种合成方法作简单介绍： 1 3 1 叶绿素降解合成卟啉衍生物 近年来，在发展光动力治疗癌的新药中，叶绿素降解产物及其衍生物越来越受重 视。叶绿素本身不稳定，遇光、热、酸及碱易降解生成一系列二氢卟吩衍生物。利用 叶绿素的这一性质，可以得到多种具有药用价值的二氢卟吩及其金属络合物。由美国 r o s w e l lp a r k 癌症研究所开发的h p p h ( 焦脱镁叶绿酸a 一己醚衍生物) 就是叶绿素a 的 一降解产物 2 9 1 。h p p h 在6 6 0 r i m 有很强的吸收，并且具有高的单重态量子产率，被 认为是最高效且最具发展前途的光敏剂。在已经进行过的对五例食道癌患者的光动力 治疗实验中，h p p h 在很低的剂量下，就可以表现出非常好的光疗效果，并且在临床 上没有观察到任何对于皮肤的光敏副作用。 9 南京理工大学硕士论文卟啉衍生物的合成及结构表征 二翠一i 笨 0 南京理大学硕十论文 卟啉衍生物的合成及结构表征 母! 卧罾昌 图1 3 3 1 1中四苯基卟啉的合成 考虑到产物的复杂性和可以从最简单的初始原料以千克级的规模来制备最终产 物，这一方法是十分成功的，5 ，l o ，1 5 ，2 0 一四苯基卟啉多年来一直用于研究卟啉 反应的机理和物理性能。从丙酸中滤出的产物常含有2 1 0 的氢化卟啉，可用四 氯苯醌简单处理而芳构化为产物【3 6 1 。 毓熹h ：日岿e t 吣e t ，目 嚣(o要ac)4，。夕nh毽、ch2oac。、，。舡：o一jl戡鬈。；i之。 。：。气。一。2 c 矽h 、c 心。一。“e k 3 f e ( t 匏e i 吣 c 。弋0耕 r 芗 叩 h 。 孤o 南京理亡大学硕士论文卟啉衍生物的合成及结构表征 簧曼号姨篡毒f 3 于7 屯 ，、f 屯“8 0 0 2 、屯 o h ” o h m v 型盟0 豢专匕立甚“t 己f e s 0 4 i 旦喜乏骞乏型盟多；j 乏毒l 一。誊乏弓乞 p h h 2 c o o hv h - - c b 幽1 3 3 2 1 卟啉化台物3 5 和3 6 的合成 这种方法是受对称性限制的，只有当两个二吡咯弧甲基中有一个是对称的3 4 时， 才生成单一的产物。用这种方法合成了许多卟啉，并对它们定性研究。对于某种二亚 甲基的自缩合，此法同样适用。 利用二吡咯甲烷进行的卟啉环合成中也有相似的对称性限制，例如尿卟啉- i i l ( u r o p o r p h y r i n ) 4 1 的合成【3 引。 、9 m e ，1 p h m 。戚d 苫岛多；静 户帆m 掣o “ n女f ，qh 、 q p i l e 0 1 d e p h p h a r 9 c h 2 c o o hi 悄h 拉h 2 c i 】) r v h 置c h 2 图1 3 3 2 2 尿卟啉的合成 1 3 3 3 利用开链的四吡咯中间体合成卟啉环 随着卟啉合成的发展，人们发现了这样一个规律：如果一个开链四吡咯中b j 体的 取代基排列顺序正确，则当它进一步环化为卟啉时各吡咯环不发生重排，所有前体对 称性限制因此而消除。 如日j 卟啉 x ( m e s o p o r p h y r i n - l x ) 4 5 t 3 9 1 的合成。 弓卜u e 晕8 乏m e；卜冀；乞 “p h 2 b rh 4 5 p h 卟啉i x 的合成 1 2 目，叫、翼m 茔 嚣旷 终嚣 甜 忡 b + 戡奠警 南京理工大学硕士论文卟啉衍生物的合成及结构表征 啾b 尊海。矗文 4 03。47 h c i | 巩。叩lo h ”邺 气 邺叩举# 5 1 科 图1 3 3 3 2 鹕 托尼卟吩模犁4 6 的全合成路线设计 1 4 课题研究内容及意义 近年来，国内外许多科研机构报道了一些作为光敏剂的的新的化合物( 新型血卟 啉衍生物) ，但合成工艺都较复杂，特别是产率太低。因此，制备治疗效果好，合成 工艺简单、价格低廉的光敏剂必然深受市场青睐，前景广阔，这也是该类研究的发展 趋势。 血红素来源广泛，价格低廉，是制备光敏剂的理想原料。本课题组研究对血红素 分子中3 位上的乙烯基侧链进行改造，将其转化成酮基官能团，得到卟吩酮5 s ，接 着进一步将四吡咯大环的共轭体系延伸，使其最大吸收波长红移；增加化台物的亲水 性；另一方面打破大环的对称结构，使其吸光度得到提高；然后再对丙酸酯侧链进行 譬p 钇 o 吣 孥。 啡 口口 够驺 冒 一峪 南京理工大学硕士论文 卟啉衍生物的合成及结构表征 修饰，增大电子转移的空间距离，即延长三重态的寿命，从而提高三重态量子产率， 预期得设计目标化合物5 6 、5 7 。然后对其进行光化学性能、光物理学性能、生物学 模拟研究考察其是否适合作为综合性能优良的光敏剂。 。l c 屿 h = c i 。尹“ 叩j 一蒋乏j 叩c 砚 f i 乏晔庐i 商弋 h c ，r ，弋。 - ii ? 07 0 “凸0 0o 。 赫 s 7 为获得卟吩酮5 5 ，首先须将血红素转化为化合物5 8 ( 次卟啉二甲酯) 及其 金属络合物。因此深入研究化合物5 8 及其金属络合物的合成及性质便成为一项重要 而有意义的课题，这也是本论文的研究重心。本文具体工作如下： c h 以动物的血液为原料( 本课题采用猪血) ，通过对传统工艺 举弋7 1 、的改进。提取其中的血红素，然后再以血红素为合成起点，对 ， 、，其侧链基团和中心络合离子进行改造及修饰，得到一系列会属 邺、c 次卟啉化合物一这些化合物除了本身具有很好的仿尘催化能力 1。外，也是进一步制备其它性能优良的卟啉衍生物( 光敏剂) 的 “班“。“硒 必备中间体。在此过程中，了解和完成对卟啉衍生物的半合成 及工艺研究。 1 4 足j、“。0、贮。一，0、 南京理t 大学硕七论文 卧啭衍生物的合成及结构表征 2 氯化血红素的提取工艺研究 2 1 研究背景 血红素，又称血红素铁或正铁血红素，分子简式为c 3 4 h 3 2 f e n 4 0 4 ，分子量为 6 1 6 0 1 ，它是由四个带有不同侧链基团吡咯单体组成的大环状四毗略结构与一分子 亚铁构成的铁卟啉化合物。血红素为红紫色长片状晶体，其颜色随所用纯化溶剂的 不同差别很大，可能是黑绿色固体粉末或棕色粉末。血红素是动物血液 p 的天然色 素，在医药、食品、化工、保健品、建筑、及化妆品行业中有广泛的应用。血红素 除了可以用作食品中的色素添加剂外，还是目前治疗缺铁性贫血( i d a ) 疗效较好 的一种补铁剂，具有生物利用度高、无体内铁蓄积中毒及肠胃刺激等优点，同时还 是抗贫血和抗肿瘤药物的重要原料，我国于1 9 9 8 年正式批准以血红素为基本原料 的血卟啉为抗肿瘤新药。美国f d a 已于1 9 8 3 年7 月正式批准雅培公司的氯化血红 素作为药品使用。如果技术得当，生产血红素的成本不但可以降低，而且原料来源 广，经济效益好。 血红素广泛存在于各种动物血液中，在动物的呼吸链中负责氧和电子的转移， 具有重要的生理功能。其中，猪血约占猪总体重的5 ，每头猪约得猪血2 k g 2 5 k g ， 猪血浆中含有高达6 4 的铁，主要以血红素铁的形式存在，除此以外，猪血中还含 有大量的蛋白质和超氧化物歧化酶( s o d ) 。猪血营养丰富，可以大量获取，但是， 猪血色泽较差、血腥味较重、适口性差，血红蛋白不易被消化吸收，未被很好利用。 目前，我国猪血的利用率不超过1 0 ，只有少数制成“血豆腐”供人食用，但是卫生 条件难以控制，大量猪血遭到废弃，造成既浪费资源又污染环境。因此，综合开发 猪血资源，利用这一副产物必将具有广阔的市场前景。 目前，从动物血液中提取血红素有多种方法，归纳起来可以分为冰醋酸法、酶 法、溶剂法、羧甲基纤维素法、醇法和选择溶剂法等六种方法。 a 冰醋酸法i i 最早提取血红素是用冰醋酸、氯化钠和血液共热得到血红素结晶，目前工业上 仍在采用该方法。现在使用的方法有很多改进，包括醋酸钠法、蒸馏法和单宁酸法。 b 酶法制取血红素 以动物血液作原料，在新鲜血液中添加抗凝剂，然后离心分离，用水稀释，调 节p h 值。用酶进行水解，得到的上清液为球蛋白，固体残渣为血红素此法得到 的血红素可作为食品，如制成巧克力，已成功的为贫血患者提供补铁食品。 c 酸性溶剂法1 4 4 1 1 9 7 5 年l i n d r o o s 等人提出酸性溶剂法，此方法是用丙酮盐直接水解血液中的血 红球，再碱化提取血红素。 南京理1 = 大学硕士论文 卟啉衍生物的合成及结构表征 d 羧甲基纤维素法1 4 s l 血红蛋白为血红素和蛋白质，分离时借助羧甲基纤维素，使血红素与羧甲基纤 维素形成络合物而沉淀出来，得到的络合物可用作制备药物的原料，蛋白质部分可 用作食品和饲料添加剂。该法简单，成本低，易于工业化生产。 e 醇法 1 9 7 9 年欧洲专利介绍使用甲醇或甲醇、乙醇混合溶剂提取血红素工艺，但甲醇 有毒，而用乙醇提取工艺是在冷却条件下提取，工业化较难。 f 选择溶剂法 选择合适的溶剂，使血红素在这些溶剂中高温时溶解度大而在低温使易结晶析 出，常用的溶剂为甲酸、乙酸、马来酸、富马酸等c 3 5 烷基酸。 通过对上述六种方法的分析，可以看到，这些方法的产品单一，没有做到联产 其它产品，这样会使得生产成本太高；此外，这些方法对猪血的利用率太低，造成 了一种浪费这些都不利于工业化生产 提取血红素的方法虽然很多，分离提取的工艺研究也已经取得很大的进展，但 是，血红素的工