卟啉及金属卟啉类化合物的研究进展及展望_佘远斌

1、第33卷第9期佘远斌等:卟啉及金属卟啉类化合物的研究进展及展望化学试剂,2011,33(9,769 772;櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅殯殯殯殯784聚焦卟啉及金属卟啉类化合物的研究进展及展望佘远斌*,孙志成(北京工业大学绿色化学与精细化工研究所,北京100124摘要:系统地介绍了卟啉及金属卟啉类化合物在分子结构设计、合成方法和应用研究方面的最新进展及展望。基于大量文献及本课题组的研究工作,特别指出了这类化合物在合成方法上的改进以及在仿生催化烃类选择氧化方法的研究进展。关键词:卟啉;金属卟啉;合成;应用;仿生催化中图分类号:O621.3文献标识码:A文章编号:0258- 3283(201109-0

2、769-04收稿日期:2011-05-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(2103-6009,2107-6004;北京市教委绿色化学化工学术创新研究团队资助项目(PHR201107104。作者简介:佘远斌(1965-,男,湖北松滋人,博士,教授,博士生导师,主要从事绿色化学和催化氧化研究,中国化工学会精细化工专业委员会副主任委员,中国环境科学学会高级会员,中国化学会绿色化学专业委员会委员,本刊编委,E-mail :ybshe2005yahoocomcn 。1卟啉及金属卟啉类化合物概述卟啉及金属卟啉类化合物(Porphyrins met-alloporphyrins 是一类具有共轭大环结构的

3、芳香族杂环化合物。天然卟啉和金属卟啉类化合物均具有特殊的生理活性,广泛存在于生物体内和能量转移相关的重要细胞和脏器内,如细胞色素P-450是一种含血红素的单加氧酶,血红素的辅基就是亚铁原卟啉类化合物。它们在生命过程中起到了一种生物催化剂的作用,对氧的传递(血红蛋白、贮存(肌红蛋白、活化(细胞色素P-450和光合作用(叶绿素等起着十分重要的作用1。这类化合物作为生物酶催化剂时,尽管活性极高,选择性突出,但由于其来源短缺,遇光、遇热易分解失活等问题使其在大规模工业化应用中受到很大的限制。因此,通过设计并合成一些具有特定结构的卟啉及金属卟啉化合物,在结构和功能上模拟生物酶催化剂,并将其用于化学工业,

4、特别是催化碳氢化合物选择氧化绿色合成有机和医药中间体,将对现代化学工业、特别是绿色化工的发展起到巨大的推动作用。卟啉和金属卟啉类化合物的母体结构均为卟吩,在卟吩环碳上的氢原子被部分或全部取代后形成的卟啉化合物称为取代卟啉化合物。母体卟吩自由碱的结构式如下所示。卟啉的合成主要是构造卟吩核。此外,卟啉由于取代基团的种类或位置不同可衍生出许多种化合物,其通式如下所示。R 1 R 8为吡咯取代基,5、10、15、20亦称为、位,一般为苯基或取代苯基。当卟吩中吡咯上的质子为金属取代后即成金属卟啉,其结构如下所示。根据中心金属离子(M 和取代基团的不同,金属卟啉可衍生出众多的具体结构。但理论上虽然可有无数

5、种不同的金属卟啉,而迄今在自然界的动植物体内却只发现几十种天然金属卟啉;而人工合成的卟啉则主要是5、10、15、20-位取代物。不同的分类标准可把金属卟啉分为不同类别。第1种分类方法是按金属在元素周期表的位置把金属卟啉分为主族金属卟啉、过渡金属卟啉和镧系、锕系金属卟啉。元素周期表中几乎所有的金属和一些非金属元素都可与卟啉配体作用形成各种卟啉配合物2。而在这些配合物中,包括了大部分的主族和副族金属元素和一部分第3、4、5主族的非金属元素,以及一些镧系金属(如:Pr 、Eu 、Yb 等。按金属离子在卟啉环中的结构特点可把金属卟啉分为平面内型金属卟啉和平面外型金属卟啉。第2种分类方法是按照卟啉环上取

6、967化学试剂2011年9月代基的不同可将金属卟啉划分为6代:第1代金属卟啉,即不同金属原子螫合的四苯基卟吩类金属卟啉化合物。此类金属卟啉合成方法简单、产率较低、催化活性较低,故广泛用于各类催化模拟体系的最初研究当中。第2代金属卟啉是在第1代金属卟啉大环体系的苯基上引入各种取代基团的衍生物。与第1代相比,在这些分子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,这一方面增加了空间位阻,抑制了-氧二聚体的生成;另一方面苯环上吸电子取代基的引入提高了金属氧化物种的催化性能。该类金属卟啉由于结构上有所改进,从而在催化过程的亲电性和空间位置上都有变化,对选择性催化氧化更为有效,能够进一步

7、模拟生物酶的反应。第3代金属卟啉是在构成卟啉环的吡咯位上引入F、Cl、Br、NO2、CN、SO3H等基团来修饰的金属卟啉。此类卟啉更接近生物体内的金属卟啉的结构,其仿生催化过程最接近实际生理过程。但是此类卟啉在合成上有较大难度,不利于大批量的研究和应用。第4代金属卟啉,主要是在卟啉的外环及吡咯环上同时引入多个基团,并开始从分子层面上设计催化剂,包括双核金属卟啉化合物。此类金属卟啉在合成、分离上有很大的难度,其中双核卟啉的合成效果较好,已经应用于工业化,但其结构表征难度较大。第5代金属卟啉,主要是在卟啉环上引入复杂苯基、非苯基、大分子或负载型卟啉,这类金属卟啉功能更全面、性能更优越。第6代金属卟

8、啉,结构更复杂、分子量更大、含有生物活性基(模拟酶的微环境,是一种更接近生物酶的金属卟啉。由于其在结构和功能上更接近酶,可称得上真正的模拟酶催化剂。由于第3代至第6代金属卟啉催化剂的制备成本高,而且在合成、分离上有很大的难度,不利于大批量的合成和应用,所以目前卟啉催化剂的应用主要仍停留在第2或第3代金属卟啉催化剂。经本课题组充分调研,发现目前合成的卟啉和金属卟啉多达2200余种,其中用作仿生催化剂的卟啉约1700余种,单核金属卟啉涉及周期表中的43种金属,共计2100多种,其中铁卟啉约390余种,双核金属卟啉约几十种。2卟啉及金属卟啉类化合物的应用由于卟啉及其化合物是具有18个电子的大共轭体系

9、,其环内电子流动性非常好。因而,卟啉化合物独特的结构、优越的物理、化学及光学特征,使得卟啉化合物在光电材料、分子光电器件、分子识别、分子组装、医药、香料、食品检测、分析化学、荧光分析、显色剂、环境保护、光电转换、药物合成、太阳能贮存、气体传感器、模拟天然产物、微量分析、电催化、有机合成、生命科学、能源以及地球化学等众多领域都具有十分广阔的应用前景3。近年来,人们对卟啉化合物的合成及在仿生催化领域的应用关注度越来越高。通过合成具有不同环外取代基和中心金属离子的卟啉衍生物,已在仿生催化氧化领域实现了对过氧化物酶、过氧化氢酶、氧化酶等的模拟4,5,而金属卟啉仿生催化应用的关键是设计和合成高效、稳定、

10、廉价的金属卟啉衍生物。此外,到目前为止,以卟啉和金属卟啉为原料的新行业正在不断地兴起,对卟啉和金属卟啉的需求量也越来越大,但是低的合成收率和高的合成成本已成为卟啉及金属卟啉应用和发展的瓶颈之一,导致其在仿生催化反应、模拟光合作用体系、制作分子器件、磁性材料和抗肿瘤药物等方面的应用受到极大的限制。因此,通过对卟啉化合物的合成方法及合成规律进行研究,可以了解这类化合物的产生机理、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领域,推动科学发展。3卟啉及金属卟啉合成方法的研究进展自20世纪60年代以来,国内外一些研究小组6-9对卟啉和金属卟啉的合成及应用进行了深入的研究,

11、提出了不少新的合成方法,旨在提高卟啉和金属卟啉的合成收率、降低成本,以期能够大规模生产,从而满足卟啉和金属卟啉的市场需求,使卟啉和金属卟啉的应用进一步走向成熟。近几十年来,取代四苯基卟啉化合物的合成方法不断得到改进,收率也有所提高。目前文献中合成取代四苯基卟啉化合物主要采用Adler 法10和Lindsey法11,Adler法的优点是操作简单,反应路线比较成熟,所以是到目前为止在卟啉合成中应用最为广泛的一种方法;Lindsey法的反应温度较低,一般不会产生焦油状副产物,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再进行合成。但是采用上述方法合077第33卷第9期佘远斌等:卟啉及

12、金属卟啉类化合物的研究进展及展望成取代四苯基卟啉化合物的收率仍然较低,一般对位取代产物的收率30%,邻位取代产物的收率20%。为此,国内学者也提出了一些改进方法,如:郭灿城等12,13采用DMF 为溶剂,无水AlCl 3为催化剂,以等物质量的吡咯和苯甲醛缩合生成四苯基卟啉(TPP ,收率可达30%;潘继刚等14对溶剂、催化剂在合成TPP 反应中的影响进行了研究,发现催化剂酸的强度对卟啉的合成收率有着至关重要的作用。合成卟啉类化合物的方法多种多样,对称型卟啉普遍采用以单吡咯为初始原料合成,非对称型卟啉则一般由多吡咯合成。对于简单的卟啉化合物,应用较广泛还是Adler 的合成方法(标准法15和郭灿

13、城12的合成方法。本课题组对卟啉合成的不同方法进行了研究并对其进行了改进,找到了合成不同卟啉化合物的适宜方法,使卟啉的合成收率得到了明显的提高16。首先采用Adler 方法(标准法合成了一系列卟啉配体,收率为10% 20%。所合成的卟啉配体按取代基由吸电子基到供电子基的顺序排列为:p -NO 2TPP 、p -ClTPPTPP 、TPP 、p -CH 3TPP 、p -OCH 3TPP 、p -OHTPP 、o -NO 2TPP 、o -ClTPP 、o -CH 3TPP 、o -OCH 3TPP 。例如,本课题组在溶剂催化法的基础上17,提出了一种合成邻、对位取代四苯基卟啉化合物的改进方法,

14、使卟啉合成收率得到了大幅提高,其中对位取代四苯基卟啉的收率均45%,邻位取代四苯基卟啉的合成收率均25%。所合成的6种取代四苯基卟啉的结构式如下所示。 1T (p -OCH 3PP ,R 1=OCH 3,R 2=H ;2T (p -CH 3PP ,R 1=CH 3,R 2=H ;3T (p -Cl PP ,R 1=Cl ,R 2=H ;4T (o -OCH 3PP ,R 1=H ,R 2=OCH 3;5T (o -CH 3PP ,R 1=H ,R 2=CH 3;6T (o -Cl PP ,R 1=H ,R 2=Cl此外,本课题组还采用DMF 为溶剂的方法合成了10种卟啉配体,其收率6% 20%

15、。通过与标准法对比,发现标准法适合于邻位取代的卟啉配体化合物,DMF 为溶剂的方法适合于对位取代的卟啉配体化合物。采用标准法和DMF 为溶剂的方法合成卟啉配体的方法可行,但卟啉的收率太低(20%。同时采用金属盐与卟啉配体在DMF 中回流反应,通过TLC 判断反应终点,共合成了100余种金属卟啉(Fe 、Co 、Mn 、Cu 、Zn ,轴向配位取代基为Cl ,所得金属卟啉收率80%100%。通过实验发现:对于金属卟啉,锰卟啉、铁卟啉适合用两步法(即先合成卟啉配体,再合成金属卟啉合成。通过采用标准法和DMF 为溶剂的方法合成卟啉化合物,并进行对比和分析,找到了影响卟啉合成收率的不同因素,形成了相应

16、的合成规律,可指导我们从催化剂、溶剂、氧化剂等方面展开深入研究,进一步地提高卟啉和金属卟啉的合成收率。4本课题组在卟啉及金属卟啉合成以及在仿生催化领域研究的进展及展望本课题组从事卟啉及金属卟啉类化合物分子设计、合成及其在仿生催化烃类选择氧化领域研究已近20年。设计、合成了4大系列共130余种具有不同结构的卟啉配体以及单核和双核取代金属卟啉类化合物,其中包括卟啉环外苯基上取代基为o /p -NO 2、o /p -Cl 、H 、o /p -OCH 3、o /p -OH 等不同取代基,中心金属离子为Mn 2+、Fe 2+、Co 2+和部分Cu 2+、Zn 2+的金属卟啉催化剂,也合成了上述金属卟啉的

17、轴向为氯的配位化合物。同时,对合成卟啉配体及金属卟啉的方法展开了深入、系统的研究,在此基础上发明了一锅法和混合溶剂法等几种新的合成方法,总结出不同卟啉及金属卟啉合成时最适宜的方法和相应的规律,可使几乎80%以上的卟啉及金属卟啉的收率均高于文献报道的收率。同时,将这些金属卟啉用于催化十余类各种芳烃侧链甲基、乙基等基团以及环烷烃的选择氧化,合成对应的醇、醛、酮、酸、酯和环氧化合物,取得了较高的原料转化率和产物选择性,尤其是通过系统地研究催化剂微观结构与其宏观性能之间的关系,找到了通过精确设计催化剂结构来精确调控底物转化率和主、副产物选择性的方法,通过大幅度地提高原料的转化率、产物的选择性可实现原料

18、的有效率用(资源有效利用、副产物的减排和分离能耗的降低(即节能减排。例如:1771以有机过渡金属卟啉配合物作为仿生催化剂,在接近室温的温和条件下催化氧气液相氧化邻、间、对硝基甲苯制取邻、间、对硝基苯甲酸18-21,得到90%以上的原料转化率和产物产率。2研究并报道了一种仿生催化氧气液相氧化邻、对硝基甲苯制取邻、对硝基苯甲醛的新方法22-25。在温和的反应条件下,目标产物的最高选择性分别达到67%、90.1%,最高收率分别达到35.5%、86.4%。3研究报道了金属卟啉催化剂仿生催化氧气液相氧化环己烷制取己二酸的新方法26,27,其产物收率可达21.4%,转化数也高达24582。4以金属卟啉为催

19、化剂,研究了一种仿生催化氧气氧化-烯烃制备环氧产物的新方法28,在常温常压的反应条件下,辛烯、己烯的转化率分别为94%、92%,收率分别达93%、90%。5本课题组利用已有的催化反应,将催化剂的活性与其结构进行关联,采用半经验PM3方法对60余种金属卟啉化合物6个量化参数进行了量子化学计算,根据计算得到的分子总能量E、生成热H f、分子最高占据轨道能EHOMO、最低空轨道能ELUMO、HOMO与LUMO的轨道能级差E LH、主要原子净电荷Q,并结合氧气液相氧化对硝基甲苯制取对硝基苯甲酸和仿生催化氧化环己烷制取己二酸作为模型反应的催化反应活性实验数据,对金属卟啉催化剂的结构与其催化氧化性能之间的

20、构效关系进行了定量研究,建立了相应的关系式,并用其去设计新的催化剂以及预测其催化活性29-31。正因为卟啉化合物在多种领域均具有如此广泛的用途,且有关其分子设计、合成及应用均取得较大进展,故目前国内外对卟啉类化合物合成的研究非常活跃。期望通过不断的研究其分子设计及合成方法,将会出现结构更丰富、功能更优良的卟啉及金属卟啉新化合物的合成;同时,通过不断地研究其新用途,特别是提升其产业化进程,不断降低其合成成本,将会有更多、更好的卟啉及金属卟啉能够应用于我们的生产实践和日常生活的方方面面。参考文献:1ADACHI S,NAGANO S,ISHIMORI K,et alRoles ofproximal

21、 ligand in heme proteins:replacement of proxi-mal histidine of human myoglobin with cysteine and tyro-sine by site-directed mutagenesis as models for P-450, chloroperoxidase,and catalaseJBiochemistry,1993, 32:241-2522姜建壮,李册三明治型稀土金属卟啉配合物的研究进展J化学通报1994,8:19-253孙志成取代四苯基卟啉化合物的合成、表征及合成规律的研究D北京工业大学博士学位论文,

22、2011:3-114JIA G Q,FENG Z C,WEI C Y,et alDynamic insight in-to the interaction between porphyrin and G-quadruplex DNAs:time-resolved fluorescence anisotropy studyJJPhysChemB,2009,113:16237-162455DIPASQUALE A G,MAYER J MHydrogen peroxide:apoor ligand to gallium tetraphenylporphyrinJJAmChemSoc,2008,130

23、:1812-18136GEIER G R,HAYNES D M,LINDSEY J SAn efficientone-flask synthesis of N-confused tetraphenylporphyrin JOrgLett,1999,1:1455-14587LASH T D,LIN Y N,NOVAK B H,et alPorphyrins withexocyclic ringspart19:efficient syntheses of phenanthro-linoporphyrinsJTetrahedron,2005,61:11601-116148GRADILLAS A,DE

24、LCAMPO C,SINISTERRA J V,et alNovel synthesis of5,10,15,20-tetraarylporphyrins using high-valent transition-metal saltsJJChemSoc,Per-kin Trans1,1995,20:2611-26139HIROTO S,SHINOKUBO H,OSUKA APorphyrin syn-thesis in water provides new expanded porphyrins with direct bipyrrole linkages:isolation and cha

25、racterization of two heptaphyrinsJJAmChemSoc,2006,128:6568-656910ADLER A D,LONGO F R,SHERGALIS WMechanis-tic investigations of porphyrin synthesespreliminarystudies on ms-tetraphenylporphinJJAmChemSoc,1964,86(15:3145-314911LINDSEY J S,WAGNER R WInvestigation of the syn-thesis of ortho-substituted te

26、traphenylporphyrinsJJOrgChem,1989,54(4:828-83612郭灿城,何兴涛,邹纲要合成四苯基卟啉及其衍生物的新方法J有机化学,1991,11(4:416-41913雷裕武,郭灿城,曾德彰取代四苯基卟啉的催化合成J化学试剂,1994,16:105-10614潘继刚,何明威,刘轻轻四苯基卟啉及其衍生物的合成J有机化学,1993,13:533-53615ADLER A D,LONGO F R,FINARELLI J D,et alAsimplified synthesis for meso-tetraphenylporphineJJOrgChem,1967,32:

27、476(下转第784页enes and1,1,1-triaryhept-2-ynesa novel generation of aryl(alk-1-enylcarbenes and aryl(alk-1-ynylcarbenes JJChemSocPerkin Trans1,1990:2443-24505凌莹,阳年发,杨利文,等用Wittig反应合成三苯甲基取代烯烃J化学试剂,2006,28(2:111-1126CURTN D Y,HURWITZ M JFree radical rearrange-ments in the decarbonylation of aldehydesJJAmCh

28、emSoc,1952,74(21:5381-5387Synthesis of triphenylmethyl-substituted conjugated dienes via Wittig reaction ZHANG Ling-jun,HE Li,SUN Yun-kai,YANG Nian-fa*(Key Laboratory of Environmentally Friendly Chemistry and Applications of Ministry of Education,College of Chemistry,Xiangtan University,Xiangtan4111

29、05,China, Huaxue Shiji,2011,33(9,782 784Abstract:6,6,6-Triphenyl-1,3-hexadiene and2-methyl-6,6, 6-triphenyl-1,3-hexadiene were synthesized via Wittig reac-tionThe affecting factors on reaction were discussed and the optimum reaction condition was foundThe dienes will be used to provide materials to

30、future researchKey words:Wittig reaction;triphenylmethyl;conjugate al-kene;synthesis(上接第772页16SUN Zhi-cheng,SHE Yuan-bin,ZHONG Ru-gangSyn-thesis of p-substituted tetraphenylporphyrins and corre-sponding ferric complexes with mixed-solvents methodJFrontChemEngChina,2009,3:457-46117朱宝库,徐志康,徐又一四(4-硝基苯基

31、卟啉和四(4-氨基苯基卟啉的合成J应用化学,1999,16(1:68-7018宋旭锋,纪红兵,周贤太,等仿生催化氧气氧化邻硝基甲苯制取邻硝基苯甲酸的研究J精细化工2004,21:91-9319SONG Xu-feng,SHE Yuan-bin,JI H B,et alHighly ef-ficient,mild,bromide-free and acetic acid-free aerobicoxidation of p-nitrotoluene to p-nitrobenzoic acid withmetal phthalocyanine analogues catalystsJOrgPro

32、cess ResDev,2005,9:297-30120佘远斌,段立丽,曾小静,等仿生催化氧气氧化对硝基甲苯制备对硝基苯甲酸的方法,中国:ZL2006101140758P2008-06-1821佘远斌,段立丽,曾小静,等仿生催化氧气氧化邻硝基甲苯制备邻硝基苯甲酸的方法,中国:ZL2006101140762P2008-06-1822佘远斌,范莉莉,张燕慧,等金属卟啉仿生催化绿色合成对硝基苯甲醛的新方法J化工学报,2004, 55:2032-203723WANG X L,SHE Yuan-binSelective oxidation of o-ni-trotoluene to o-nitroben

33、zaldehyde with metalloporphyrinsas biomimetic catalysJFrontChemEngChina, 2009,3:453-45624佘远斌,钟儒刚,吴胜周,等仿生催化氧气氧化对硝基甲苯制备对硝基苯甲醛的方法,中国:ZL2003101214796P2006-08-2325佘远斌,钟儒刚,范莉莉,等仿生催化氧气氧化邻硝基甲苯制备邻硝基苯甲醛的方法,中国:ZL2003101214781P2006-03-0126YUAN Y,JI H B,CHEN Y X,et alOxidation of cyclo-hexane to adipic acid using Fe-porphyrins as a biomime-tic catalystJOrgProcess ResDev,2004,8:418-42027佘远斌,钟儒刚,陈一霞,等仿生催化氧气氧化环己烷制备己二酸的方法,中国:ZL2003101103492P2005-12-1428佘远斌,段存业,钟儒刚金属卟啉催化氧化-烯烃制备环氧化合物的方法,中国:ZL20071009909