卟啉化合物的合成
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第 19 卷 第 4 期 2007 年 4 月
化 学 进 展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol . 19 No. 4 Apr. , 2007
卟啉化合物的合成 3
王周锋 邓文礼 3 3
(华南理工大学材料科学与工程学院 广州 510640)
摘 要 卟啉化合物在自然界中广泛存在 ,它作为辅基普遍存在于血色素 、肌球素 、细胞色素 、接触酶 素 、过氧物酶 、叶绿素和细胞叶绿素中 。本文主要介绍吡咯与醛酮缩合环化合成卟啉化合物的两种方法 :吡 咯与醛酮直接缩合环化法和模块法 ,分别论述近年来四苯基卟啉型 ( meso2取代) 和八乙基卟啉型 (β2取代) 合 成方面的研究进展 。对模块法中模块单体的合成制备给予较为详细的介绍 。
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第4期
王周锋等 卟啉化合物的合成
·521 ·
图 1 不同种类的卟啉化合物 Fig. 1 Different kinds of porphyrins
收稿 : 2006 年 5 月 , 收修改稿 : 2006 年 6 月 3 国家自然科学基金项目 (No. 20643001) 资助 3 3 通讯联系人 e2mail :wldeng @scut. edu. cn
发展非常迅速 ,关于卟啉的著名专著就有 Porphyrins and Metalloporphyrins [3 , 4] 、The Porphyrin Handbook [5] 和 The Porphyrins[6] 等 。在过去的二十年间 ,卟啉化学 经历了一个飞速发展阶段 ,其主要的突破口就是卟 啉类化合物种类的增多和合成方法的改进 。
卟啉类化合物的合成方法归纳起来主要有两 种 : (1) 由非卟啉前体合成卟啉 ; (2) 卟啉化合物的官 能团修饰 。非卟啉前体合成卟啉的方法按照缩合成 环方式的不同大致可以分为 : (1) 4 个吡咯单体直接 缩合环化生成卟啉 ,适用于图 1 中化合物 1 和 2 ; (2) 模块法 ,适用于图 1 中化合物 3 —10 。合成方法和路 线的选择取决于目标卟啉分子的结构特点和性质 。
图 3 两步法合成 TPP[14] Fig. 3 Two2step synthesis of TPP[14]
我国的研究人员潘继刚等[18] 对 Adler2Longo 法 作了进一步的调整 ,他们采用催化量的有机酸和极 性溶剂代替丙酸介质 ,反映过程中产生的杂质明显 减少 ,四苯基卟啉 ( TPP) 的产率最高达到 50 %。对 溶剂 、催化剂在合成反应中的影响进行了研究 ,发现 H+ 在反应过程中起着催化剂的作用 ,p Ka 在 210 — 410 的酸作催化剂 ,合成产率较高 。主要原因是 :酸
柱进行层析 ,产率为 915 %。微波合成卟啉在我国 发展较快 ,研究表明微波作用的时间与强度 、反应体 系溶剂及催化剂的选择 、反应试剂的组成及用量等 均对四苯基卟啉的合成有较大的影响 ,经过改进 ,微 波合成卟啉的产率有较大的提高 ( > 30 %) [29 ,30] 。 112 八乙基卟啉的合成
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 (porphyrinogen ,卟啉 原 ———Dolphin 等[13] 曾证实了这一反应中间体的存 在) ,然后 , 以二氯二腈基苯醌 (DDQ) 或 四 氯 苯 醌 (TCQ) 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 Lindsey 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 30 % —40 %。但该反应浓度低 ,以吡咯计仅为 10 - 2 molΠL ,且最大反应容积为 1L ,放大后则效果不好 。 1994 年 ,Lindsey 等[14] 研究了在高浓度下的反应 ( ≥ 011molΠL) ,实验采用一步法 ,即将原料 、氧化剂 、催 化剂同时加入 ,最后产率可达 10 % —20 % ; 采用两 步法 , 即先加催化剂 , 反应后再加氧化剂 , 产率为 20 % —30 % , (图 3) 。Lindsey 法经过改良 ,还能得到 立体位阻较大的苯基 2 ,52位有取代基的四芳基卟 啉[12] ,其 非 共 平 面 的 构 型 表 现 出 不 同 的 光 学 性 能[15] 。四 (2 ,4 ,62三甲基苯基) 卟啉[16] 就是这样一 个例子 ,合成时在 BF3 中加入乙醇作为协同催化剂 , 产率达 30 %。Llama 等[17] 合成 TPP 时加入了过渡金 属盐 ,这一改良使产率高达 68 % ,而且可以做到比 传统 Lindsey 法的反应液浓度高 。
关键词 卟啉 吡咯 合成 二吡咯甲烷 中图分类号 : O62113 ; O626113 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X(2007) 0420520207
Research on Synthesis of Porphyrins
Wang Zhoufeng Deng Wenli 3 3 (College of Materials Science and Engineering , South China University of Technology , Guangzhou 510640 , China)
总的来说 ,通过吡咯与醛类化合物的缩合环化 得到四苯基卟啉的合成方法同样可以用来合成较简 单的中位取代卟啉化合物如 : 四 (对十六烷氧基萘 基) 卟 啉[21] 、间2四 ( 对 甲 氧 基 苯 基 ) 卟 啉[22] 等 。 Adler2Longo 法的优点是操作比较简单 ,实验条件不 苛刻 ,反应路线较成熟 ,反应产率也相对较高 ,是目 前在卟啉合成中仍被广泛应用的一种方法 。然而 , Adler2Longo 方法也有一些缺陷 。首先 ,由于反应温 度过高 ,不能选用对酸敏感的醛类作为反应物 ; 其 次 ,在高温反应下会产生大量焦油状的副产物 ,这使 得分离纯化变得非常困难 。最后由于采用一种或者 两种醛和吡咯缩合成环制备卟啉 ,当采用适当比例 的两种醛合成卟啉时 ,由于其产物较为复杂 ,副产物 较多 (理论产物 6 种如图 4) ,这势必给分离带来困 难 ,只适合制备少量的样品[23 —26] 。因此较为复杂的 卟啉化合物则不能使用此方法制备 。
Key words porphyrins ; pyrroles ; synthesis ; dipyrrylmethanes
卟啉 (porphyrin) 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 。卟啉分 子是光合作用和细胞呼吸链反应中心的关键部分 , 它的母体是一个卟吩自由碱 ,卟啉也就是在卟吩环 上拥有取代基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 20 个碳和 4 个氮原 子) 桥联起来的共轭大环 ,碳 、氮都是 sp2 杂化 ,剩余 的一个 p 轨道被单电子或孤对电子占用 ,形成了 24 中心 26 电子的大 π 键 ,具有 4 n + 2 电子稳定共轭 体系 ,具有芳香性[1 , 2] 。由于卟啉具有独特的结构 及性能 ,近年来在生物化学 、医学 、分析化学 、合成化 学 、材料科学等领域有着广泛的应用 。卟啉化学的
1 吡咯单体直接缩合成环生成卟啉
111 四苯基卟啉的合成 四苯基卟啉 ( TPP) 分子结构式如图 121 所示 ,
1935 年由 Rothemund[7 ,8] 合成出来 。在酸性条件下 , 采用苯甲醛和吡咯以吡啶为溶剂在密封管中反应 , 150 ℃以下反应 24 —48h ,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 。1964 年 Adler 等[9] 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 ( 图 2) 。1967 年 他 们[10] 改 进 了 Rothemund 的 方 法 , 采 用 苯 甲 醛 和 吡 咯 在 回 流 (141 ℃) 的丙酸中反应 ,反应时间为 30min ,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 20 %。
Abstract Porphyrins are widely distributed in nature , and exist as the prosthetic groups in a wide variety of primary metabolites such as hemoglobins , myoglobins , cytochromes , catalases , peroxidases , chlorophylls , and bacteriochlorophylls. This article describes the current methodology for preparation of simple , symmetrical model porphyrins , as well as more complex unsymmetrically substituted porphyrins. Two methods mean direct condensation of pyrrole and aldehydes to form porphyrins and module route to form porphyrins are presented systematically. Porphyrin syntheses from monopyrroles are best described with reference to two famous porphyrins , tetraphenylporphyrin and octaethylporphyrin. The recent progress in synthesizing module in module route is described in detail .
图 2 吡咯和苯甲醛缩聚反应的机理[9] Fig. 2 Mechanism of condensation between pyrrole and phenyl aldehyde [9 ]
Lindsey 等[11 ,12] 进一步改进了四苯基卟啉的合 成 ,采用苯甲醛和吡咯在氮气保护下 ,在二氯甲烷
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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化 学 进 展
第 19 卷
性强的催化剂易使吡咯质子化 ,生成黑色的吡咯直 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 。以二甲 苯 、甲苯 、氯苯 、硝基苯 、苯甲醚为溶剂 , TPP 产率较 高 ,一般达 30 % —50 %。郭灿城等[19 ,20] 采用 N , N2 二甲基甲酰胺为溶剂 ,无水 AlCl3 为催化剂 ,苯甲醛 和吡咯缩合生成 TPP ,产率可达 30 % ,高于 Adler 法 , 反应过程中勿需氮气保护 ,产物不含副产物四苯基 二氢卟啉 ( TPC) ,并且反应时间也较短 ,为 2h 。该方 法的使用范围较广 ,对于以取代苯甲醛为原料的合 成反 应 , 产 率 在 25 % —30 %之 间 。缺 点 是 催 化 剂 AlCl3 易与水反应 ,给产物的分离造成困难 。
化 学 进 展
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Vol . 19 No. 4 Apr. , 2007
卟啉化合物的合成 3
王周锋 邓文礼 3 3
(华南理工大学材料科学与工程学院 广州 510640)
摘 要 卟啉化合物在自然界中广泛存在 ,它作为辅基普遍存在于血色素 、肌球素 、细胞色素 、接触酶 素 、过氧物酶 、叶绿素和细胞叶绿素中 。本文主要介绍吡咯与醛酮缩合环化合成卟啉化合物的两种方法 :吡 咯与醛酮直接缩合环化法和模块法 ,分别论述近年来四苯基卟啉型 ( meso2取代) 和八乙基卟啉型 (β2取代) 合 成方面的研究进展 。对模块法中模块单体的合成制备给予较为详细的介绍 。
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第4期
王周锋等 卟啉化合物的合成
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图 1 不同种类的卟啉化合物 Fig. 1 Different kinds of porphyrins
收稿 : 2006 年 5 月 , 收修改稿 : 2006 年 6 月 3 国家自然科学基金项目 (No. 20643001) 资助 3 3 通讯联系人 e2mail :wldeng @scut. edu. cn
发展非常迅速 ,关于卟啉的著名专著就有 Porphyrins and Metalloporphyrins [3 , 4] 、The Porphyrin Handbook [5] 和 The Porphyrins[6] 等 。在过去的二十年间 ,卟啉化学 经历了一个飞速发展阶段 ,其主要的突破口就是卟 啉类化合物种类的增多和合成方法的改进 。
卟啉类化合物的合成方法归纳起来主要有两 种 : (1) 由非卟啉前体合成卟啉 ; (2) 卟啉化合物的官 能团修饰 。非卟啉前体合成卟啉的方法按照缩合成 环方式的不同大致可以分为 : (1) 4 个吡咯单体直接 缩合环化生成卟啉 ,适用于图 1 中化合物 1 和 2 ; (2) 模块法 ,适用于图 1 中化合物 3 —10 。合成方法和路 线的选择取决于目标卟啉分子的结构特点和性质 。
图 3 两步法合成 TPP[14] Fig. 3 Two2step synthesis of TPP[14]
我国的研究人员潘继刚等[18] 对 Adler2Longo 法 作了进一步的调整 ,他们采用催化量的有机酸和极 性溶剂代替丙酸介质 ,反映过程中产生的杂质明显 减少 ,四苯基卟啉 ( TPP) 的产率最高达到 50 %。对 溶剂 、催化剂在合成反应中的影响进行了研究 ,发现 H+ 在反应过程中起着催化剂的作用 ,p Ka 在 210 — 410 的酸作催化剂 ,合成产率较高 。主要原因是 :酸
柱进行层析 ,产率为 915 %。微波合成卟啉在我国 发展较快 ,研究表明微波作用的时间与强度 、反应体 系溶剂及催化剂的选择 、反应试剂的组成及用量等 均对四苯基卟啉的合成有较大的影响 ,经过改进 ,微 波合成卟啉的产率有较大的提高 ( > 30 %) [29 ,30] 。 112 八乙基卟啉的合成
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 (porphyrinogen ,卟啉 原 ———Dolphin 等[13] 曾证实了这一反应中间体的存 在) ,然后 , 以二氯二腈基苯醌 (DDQ) 或 四 氯 苯 醌 (TCQ) 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 Lindsey 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 30 % —40 %。但该反应浓度低 ,以吡咯计仅为 10 - 2 molΠL ,且最大反应容积为 1L ,放大后则效果不好 。 1994 年 ,Lindsey 等[14] 研究了在高浓度下的反应 ( ≥ 011molΠL) ,实验采用一步法 ,即将原料 、氧化剂 、催 化剂同时加入 ,最后产率可达 10 % —20 % ; 采用两 步法 , 即先加催化剂 , 反应后再加氧化剂 , 产率为 20 % —30 % , (图 3) 。Lindsey 法经过改良 ,还能得到 立体位阻较大的苯基 2 ,52位有取代基的四芳基卟 啉[12] ,其 非 共 平 面 的 构 型 表 现 出 不 同 的 光 学 性 能[15] 。四 (2 ,4 ,62三甲基苯基) 卟啉[16] 就是这样一 个例子 ,合成时在 BF3 中加入乙醇作为协同催化剂 , 产率达 30 %。Llama 等[17] 合成 TPP 时加入了过渡金 属盐 ,这一改良使产率高达 68 % ,而且可以做到比 传统 Lindsey 法的反应液浓度高 。
关键词 卟啉 吡咯 合成 二吡咯甲烷 中图分类号 : O62113 ; O626113 文献标识码 : A 文章编号 : 10052281X(2007) 0420520207
Research on Synthesis of Porphyrins
Wang Zhoufeng Deng Wenli 3 3 (College of Materials Science and Engineering , South China University of Technology , Guangzhou 510640 , China)
总的来说 ,通过吡咯与醛类化合物的缩合环化 得到四苯基卟啉的合成方法同样可以用来合成较简 单的中位取代卟啉化合物如 : 四 (对十六烷氧基萘 基) 卟 啉[21] 、间2四 ( 对 甲 氧 基 苯 基 ) 卟 啉[22] 等 。 Adler2Longo 法的优点是操作比较简单 ,实验条件不 苛刻 ,反应路线较成熟 ,反应产率也相对较高 ,是目 前在卟啉合成中仍被广泛应用的一种方法 。然而 , Adler2Longo 方法也有一些缺陷 。首先 ,由于反应温 度过高 ,不能选用对酸敏感的醛类作为反应物 ; 其 次 ,在高温反应下会产生大量焦油状的副产物 ,这使 得分离纯化变得非常困难 。最后由于采用一种或者 两种醛和吡咯缩合成环制备卟啉 ,当采用适当比例 的两种醛合成卟啉时 ,由于其产物较为复杂 ,副产物 较多 (理论产物 6 种如图 4) ,这势必给分离带来困 难 ,只适合制备少量的样品[23 —26] 。因此较为复杂的 卟啉化合物则不能使用此方法制备 。
Key words porphyrins ; pyrroles ; synthesis ; dipyrrylmethanes
卟啉 (porphyrin) 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 。卟啉分 子是光合作用和细胞呼吸链反应中心的关键部分 , 它的母体是一个卟吩自由碱 ,卟啉也就是在卟吩环 上拥有取代基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 20 个碳和 4 个氮原 子) 桥联起来的共轭大环 ,碳 、氮都是 sp2 杂化 ,剩余 的一个 p 轨道被单电子或孤对电子占用 ,形成了 24 中心 26 电子的大 π 键 ,具有 4 n + 2 电子稳定共轭 体系 ,具有芳香性[1 , 2] 。由于卟啉具有独特的结构 及性能 ,近年来在生物化学 、医学 、分析化学 、合成化 学 、材料科学等领域有着广泛的应用 。卟啉化学的
1 吡咯单体直接缩合成环生成卟啉
111 四苯基卟啉的合成 四苯基卟啉 ( TPP) 分子结构式如图 121 所示 ,
1935 年由 Rothemund[7 ,8] 合成出来 。在酸性条件下 , 采用苯甲醛和吡咯以吡啶为溶剂在密封管中反应 , 150 ℃以下反应 24 —48h ,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 。1964 年 Adler 等[9] 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 ( 图 2) 。1967 年 他 们[10] 改 进 了 Rothemund 的 方 法 , 采 用 苯 甲 醛 和 吡 咯 在 回 流 (141 ℃) 的丙酸中反应 ,反应时间为 30min ,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 20 %。
Abstract Porphyrins are widely distributed in nature , and exist as the prosthetic groups in a wide variety of primary metabolites such as hemoglobins , myoglobins , cytochromes , catalases , peroxidases , chlorophylls , and bacteriochlorophylls. This article describes the current methodology for preparation of simple , symmetrical model porphyrins , as well as more complex unsymmetrically substituted porphyrins. Two methods mean direct condensation of pyrrole and aldehydes to form porphyrins and module route to form porphyrins are presented systematically. Porphyrin syntheses from monopyrroles are best described with reference to two famous porphyrins , tetraphenylporphyrin and octaethylporphyrin. The recent progress in synthesizing module in module route is described in detail .
图 2 吡咯和苯甲醛缩聚反应的机理[9] Fig. 2 Mechanism of condensation between pyrrole and phenyl aldehyde [9 ]
Lindsey 等[11 ,12] 进一步改进了四苯基卟啉的合 成 ,采用苯甲醛和吡咯在氮气保护下 ,在二氯甲烷
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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化 学 进 展
第 19 卷
性强的催化剂易使吡咯质子化 ,生成黑色的吡咯直 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 。以二甲 苯 、甲苯 、氯苯 、硝基苯 、苯甲醚为溶剂 , TPP 产率较 高 ,一般达 30 % —50 %。郭灿城等[19 ,20] 采用 N , N2 二甲基甲酰胺为溶剂 ,无水 AlCl3 为催化剂 ,苯甲醛 和吡咯缩合生成 TPP ,产率可达 30 % ,高于 Adler 法 , 反应过程中勿需氮气保护 ,产物不含副产物四苯基 二氢卟啉 ( TPC) ,并且反应时间也较短 ,为 2h 。该方 法的使用范围较广 ,对于以取代苯甲醛为原料的合 成反 应 , 产 率 在 25 % —30 %之 间 。缺 点 是 催 化 剂 AlCl3 易与水反应 ,给产物的分离造成困难 。