不对称酞菁配合物的合成及应用

5
R
CN
LiOMe R
R
CN
MeOH
R
R R
N
N
N
NLi
OMe
CN CN R
R

R
R
N
N
N
N Zn N
N
N
N
图 7. AABB 型酞菁合成方法
4. 酞菁材料在高新技术领域的应用
由于酞菁配合物具有高度共轭结构和这种结构赋予它们独特的化学特性，因此酞菁配合 物在光电、光导和光敏等方面有着广泛的用途。

不对称酞菁配合物的合成及应用
李桂平1，陈伟1,2，贺春英1，段武彪*,1
（1黑龙江大学化学化工与材料学院，黑龙江，哈尔滨，150080 2齐齐哈尔大学化学化工学院，黑龙江，齐齐哈尔，161006）
E-mail: duanwubiao2003@
黑龙江省教育厅科学技术研究项目（10541170）和黑龙江省自然科学基金项目（B2004-05）。 作者简介：李桂平，1979 年 2 月生，女，硕士研究生；研究方向：配合物功能材料的合成与应用研究。 *通讯联系人
1

反应”方法合成步骤减少，产率提高，产物中无金属酞菁含量较低，较易提纯。因此，近年 来被广泛采用[9-16]。图 1 是酞菁配合物的几种主要的合成方法。
2

CN NC
A
+
B
CN NC
A MX2AN N源自NMNNA
N
N
A
N AAAA
A
N
N
N
A
NM N
B
NN A
N AAAB
B
N
N
N
A
NM N
B
N
N
N
AABB A
B
N
N
N
A
NM N
B
N
N
N
ABBB B
B
N
N
N
A
NM N
A
N
N
B
N ABAB
B
N
N
N
B
NM N
B
N
N
这只要是由于它们具有相似的溶解特性。所以选择性方法对于这些酞菁的制备是必须的。
3.2.1 ABAB 型酞菁
这种方法由J. G. Young和W. Onyebuagu[25] 首先使用，它是 1,3-二氨基异吲哚衍生物和
1,3,3-三氯异吲哚（或是空间位阻极大的二亚氨基异吲哚）按 1:1 摩尔比在碱性和还原剂存
上依靠反应物和实验条件，因此它既可能是一个非常有选择性的方法，也可能导致概率产物
的混合。非对称酞菁的产率从3%-90%。它表明选择性是由于亚酞菁的碎裂，碎片的环封闭
产生了可能的所有酞菁。
实验证明许多因素影响反应的产率和选择性，金属盐的增加似乎增加了非对称取代酞
菁的产率。此方法中合成亚酞菁较困难，再经扩环反应后的总产率太低，还比不上统计缩合
电荷性质和取代位置也能决定得到产物的比率，因此，考虑分子碎片的相对反应活性， 可以改变反应物的化学计量比。当B的活性比A大很多时，A与B的计量比可以是 9:1 或更大 [20]；当B的活性小于A时，A与B的计量比是 3:1，反应一般会按比例转化。虽然，此条件导 致A4的量增加，但含多个B的酞菁没有生成，这可以使分离简单化。
Li2Pc
M 300 oC
CN CONH2
酞菁的合成过程中，是四个异吲哚类小环如二亚氨基异吲哚逐步缩合最终关环形成大环 共轭结构的，如没有空间位阻的影响其缩合是概率性的，因此合成不对称酞菁的产率从概率 上讲就非常低，合成难度大，产物多，分离的难度更大。对于带取代基的酞菁，以A、B 或 C 代表组成酞菁的四个异吲哚单元上的取代基，AAAA (A4) 代表对称的酞菁，AAAB (A3B) 指三种取代基相同，一种取代基不同的酞菁，ABAB、AABB、ABCB 等类型不对称结构以 此类推[17]。
这种方法由N. Kabayashi[24]于20世纪80年代发展起来，它是第一个有选择的制备A3B的 方法。先合成带亚酞菁类化合物，再以取代基二亚氨基异吲哚与之反应,得到A3B型不对称酞 菁，见图5。亚酞菁由三个异吲哚单元组成，是最小的酞菁同系物。这些大环配合物含有一
R2
R1
R2
R1
R1 R2
N
+ N Cl N
由于酞菁配合物高度共轭的结构和这种结构赋予它们高度的化学稳定性，它们具有易 分散、附着力强、色泽鲜艳和耐久性好的特点。所以早期酞菁配合物主要在纺织品、印刷油 墨、涂料和塑料等领域作为颜料或染料广泛应用。随后，它们的光物理和光化学特性也逐渐 被认识。因此，它们在光电、光导、感光、催化和光敏等方面的性质研究也相继展开[5-7]。 近年来，人们对酞菁的研究兴趣大增[4b]，本文主要介绍不对称酞菁配合物的合成方法及其应 用。
这种中间体由两个异吲哚组成，然后和另一种邻苯二氰在温和条件下反应。S. W. Oliver和T.
D. Smith[27]合成了这种中间体，但是他们认为只有和含强消电子基团的邻苯二氰反应才能得
到稳定的“半酞菁”中间体。N. Kobayashi[28,29]使用二（邻苯二氰）和适合的桥基（2,2′—
二羟基-1,1′—二萘基）相连制得AABB型酞菁。
RO
OR
RO
OR
N
NN N Zn N
NN
CN
2
N RO
RO
3
1a,3a: R=n-C4H9; 1b,3b: R=n-C5H11; 1c, 3c: R=n-C10H21
NH2
图 3. 单氨基取代不对称酞菁锌的合成
3.1.2 高分子化法
C. C. Leznoff[22,23]等人研究发展了非对称A3B酞菁固相的合成。取代的邻苯二氰预先连 接到一高分子侧链上，氨化反应后和另一种二亚氨基异吲哚反应，或者和另一种邻苯二氰在
+
HN HN HN
O jPr
O(CH2)nOTr P MXn
DMAE/DMF
N
N
N
N
M
N
NN
O(CH2)nOTr P
OjPr
N O jPr
OjPr
O jPr N
O(CH2)nOH
NN
HCl
N
M
N
NN
N
O jPr
OjPr
图 4. 聚合物路线合成A3B不对称酞菁
到目前为止，这个方法限制在带取代物的邻苯二氰或二亚氨基异吲哚，它们必须很容 易和聚合体反应，并且容易被释放出来[18]。此路线操作复杂，产率低，不适合大量合成不 对称酞菁配合物。但与其它方法比较，相对来说分离比较容易。长远考虑，许多固相技术的 应用，使得这种方法有可能成为近期被使用的制备A3B型酞菁的方法[19]。 3.1.3 亚酞菁的扩环法[18]
法的产率。但是，如果概率缩合方法得到不溶，难处理的酞菁混合物，那么此方法仍是最方
便的合成A3B衍生物的方法。此方法中关键是亚酞菁的合成、前期处理和纯化。
3.2 A2B2型不对称酞菁的合成方法[18]
A2B2型酞菁C2V和D2h异构体成为合成目标，它们可用来作为合成梯形结构（ABAB）的 前驱物和非线性染料（AABB）。因为这两种异构体从统计缩合混合物中分离出来很困难，
B
N
N
N R2
R1
NH MX2
N
NH2
N
N
N
R2
NM N
R1
N
N
N
R1
R2
图5. 亚酞菁扩环法合成不对称酞菁
4

个芳香14π电子系统迁移，一个C3V结构。亚酞菁由邻苯二氰和BCl3或其它硼衍生物反应制 得。动力学研究通过紫外分光光度法测得，开始得到亚酞菁是一级反应。这个反应很大程度
摘要：主要介绍了不对称酞菁配合物的合成方法，同时描述了酞菁配合物在光动力疗法、光 记录材料、电致发光、非线性光学材料和气体传感器等高新技术领域的应用。
关键词：不对称酞菁、合成、应用
1. 引言
酞菁的发现像许多科学的发现一样，也是在偶然中发现的。1907 年，A. Braun和J. Tcherniac在合成邻氰基苯甲酰胺中看到了一种深蓝色物质，这种物质相当于无金属酞菁[1]。 1927 年，德国弗来堡大学的H. de Diesbach和E. von der Weid得到了第一个金属酞菁配合 物——酞菁铜[2]。1928 年，苏格兰的Scottish染料公司发现了以杂质形式出现的蓝色铁酞菁。 1935 年，J. M. Robertson首次用X-ray单晶衍射方法分析测定了酞菁及金属酞菁的结构[3]。 经过几十年的发展，酞菁已经成为一门独立的学科[4]。
4.1 酞菁在光动力疗法方面的应用
肿瘤的光动力治疗（Photodynamic Therapy，PDT）是近年来发展起来的一种新的治疗 肿瘤的方法。与传统的治疗方法，如外科手术、化疗、放射治疗等相比，其突出特点是选择 性高、对正常组织损伤小、应用范围广、痛苦少[30]，是目前肿瘤治疗最有前途的方法之一。 其基本原理是基于选择性摄入肿瘤组织的抗癌光敏剂，在一定波长光的激发下与体内氧分子 相互作用，发生光动力反应，产生对肿瘤细胞的光动力杀伤效应，破坏肿瘤组织，从而达到 治疗目的。
CN
NH3
CN
MX2 ROH
NH NH
NH
MX2 slovent
H2Pc
MX2 slovent
N
O
N
N
MX2, urea
O
N
M
N
200 oC, solvent
N
N
O
N
O
MCl2
Formamide
NH
MPC
O
图 1. 对称酞菁配合物的主要合成路线
3. 不对称取代酞菁配合物的一般合成方法
MX2 slovent
3

金属盐反应，得到的混合产物可以用不溶解高分子的溶剂先洗去可溶性成分如对称的酞菁，
再经过反应把不对称酞菁从高分子链上脱下来，得到A3B型的酞菁，见图4。这种方法的分 离相对要容易得多，问题在于要先合成与高分子相连的邻苯二氰功能单元[17]。
HN HN HN
在条件下缩合而成。这是一种高效的制备ABAB型酞菁的方法，见图 6。
Cl Cl
NO2
N
O2N
Cl
OBu N
N
N
OBu
O
NH
NH
O
OBu NH
OBu N
N
N
OBu
O
N
OBu
NH2
NO2
图 6. ABAB 型不对称酞菁的选择性合成
3.2.2 AABB 型酞菁
C. C. Leznoff研究组使用一种“半酞菁”中间体成功合成了AABB型酞菁[26]，见图 7。
尽管选择性较低，因为它简便，而且能得到令人满意的结果，因此统计缩合法仍被广泛 使用合成A3B酞菁。
陈伟等人[21]采用此法直接合成了单氨基取代的新型不对称酞菁锌配合物，发现了合成 单氨基取代不对称酞菁的一条新途径。合成如图 3 所示。
RO
3
RO
H2N
CN
CN
1
+
CN
ZnCl2 DBU/ n-ROH, reflux
2. 金属酞菁配合物的合成方法
带有周环取代基团的金属或无金属酞菁配合物的合成，根据合成原料的不同，可分为“模 板反应”法和插入配位合成法；“模板反应”合成法，即以金属原子或离子为“模板剂”， 由可形成酞菁环的“分子碎片”通过“模板反应”，直接环合形成金属酞菁配合物。插入配 位合成法[8]是首先合成无金属酞菁，然后中心金属插入酞菁环的中心空位与位于酞菁环内侧 的 4 个氮原子发生配位反应而得到金属酞菁配合物的方法。与插入配位合成法相比，“模板
从 80 年代中期，各国就已开始致力于替代HPD的第二代PDT光敏剂的研究和开发。实 验工作大多集中于以下几类化合物：金属酞菁配合物、金属萘酞菁配合物、叶绿素衍生物和 紫红素衍生物等，尤其是金属酞菁配合物和金属萘酞菁配合物研究的较多。在这些光敏剂中， 酞菁类化合物及其衍生物具有较高的纯度，良好的光热稳定性和生理活性，合适的光物理参 数，优良的两亲性（亲水性和亲脂性），较适宜的吸收波长和较高的摩尔吸光系数[31]等优点。 不对称酞菁作为一种具有生物靶向的金属酞菁第三代光敏剂，国外有关方面的研究刚刚起 步，目前已见报道的有：酞菁锌-脂质体、氧化酞菁锌-顺式-二磺酸-脂质体以及含轴向取代 的二-甲氧基己氧基酞菁硅-脂质体，实验表明：它们相对于未配合的酞菁配合物，肿瘤组织 的选择性摄取率均有较大的提高[32]。
B
N BBBB
图 2. 统计缩合法形成六种酞菁
酞菁产物，或者是两种取代基邻苯二氰在金属盐如醋酸盐、卤化物的作用下缩合反应，得到 金属酞菁产物；此方法的困难在于反应后的分离纯化工作，产物中对称产物居多，得到的不 对称酞菁以A3B方式为主，有极少量的AABB型产物存在。因此，这种合成路线需要使用高 压液相色谱、柱层析等分离技术从中分离出所需的化合物。
3.1 AAAB型不对称酞菁的合成方法[17-19]
3.1.1 统计缩合法 统计缩合法是制备三个A和一个B组成的酞菁最广泛应用的方法。原则上得到一个六种
化合物的混合物，如图 2 所示。为了反应得到最大转化率的A3B衍生物，化学计量是能够控 制的最决定因素之一。统计考虑指出，两种具有相似反应速度的不同邻苯二甲酰衍生物以 3:1 反应将得到如下产率：A4(33%)，A3B (44%)，其他缩合产物（23%）。因此，3:1 摩尔比 是形成A3B酞菁通常使用的比率。虽然主要化合物是从大量前驱物衍生出来的对称酞菁。使 用这个比率反应得到的产物的实验产率为 10%~20%。两种含取代基的 1 ,3 -二亚氨基异吲哚 以一定比例概率性随机缩合反应，比例为 3:1 至 9:1 不等，得到对称和不对称混合的