金屬卟啉配合物的性能及應(yīng)用研究進(jìn)展

王冬華，丁二雄，馬 勇

(渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

卟啉是由20個碳原子和4個氮原子組成的具有共軛大環(huán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，它含有4個吡咯分子，中心的4個氮原子都含有孤電子對，可與金屬離子結(jié)合生成18個p電子的大環(huán)共軛體系的金屬卟啉。

卟啉作為一種重要的化合物，廣泛存在于自然界和生命體中，如血紅素(鐵卟啉)、葉綠素(鎂卟啉)以及維生素B12(鈷卟啉)，其核心部分均為卟啉的金屬配合物，在生物的新陳代謝中起著至關(guān)重要的作用，因此卟啉的研究一直備受關(guān)注。

卟啉和金屬卟啉均為高熔點(diǎn)的深色固體，多數(shù)不溶于水和堿，但能溶于無機(jī)酸，溶液有熒光。金屬卟啉及其衍生物在生物體系中廣泛存在，對氧的傳遞(血紅蛋白Hb)、貯存(肌紅蛋白Mb)、活化(細(xì)胞色素P-450)、電子傳遞(細(xì)胞色素酶催化過氧化酶)和光合作用(葉綠素)等起著十分重要的作用[1]。同時，金屬卟啉及其衍生物所具有的優(yōu)異性能使其在仿生體系、分子識別、催化、材料、有機(jī)合成和醫(yī)療等方面顯示出誘人的應(yīng)用前景[2]。

1 仿生體系方面

光合作用是自然界重要的生物過程之一，是生物界自發(fā)利用太陽能的首選途徑。綠色植物進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵物質(zhì)是葉綠素，而葉綠素的生物大分子核心部分是卟啉。

利用人工合成的金屬卟啉配合物對血紅蛋白、血紅素和細(xì)胞色素等生物大分子功能進(jìn)行模擬一直是人們研究的主要方向。例如，通過合成各種具有不同金屬離子或不同取代基或不同軸向配位的金屬卟啉衍生物已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對過氧化物酶、過氧化氫酶、細(xì)胞色素P-450等的模擬[3，4]。張寶田[5]合成了一種新型尾式卟啉化合物及鐵(Ⅲ)配合物，這種尾式卟啉衍生物的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞色素P-450和血紅素的活性分子結(jié)構(gòu)很接近，具有催化或載氧功能。

人工合成的模擬物可以克服天然純化物的缺點(diǎn)，因此利用人工合成的金屬卟啉配合物來模擬酶，對酶促反應(yīng)機(jī)理(如氧的傳遞、光合作用、酶催化等)的模擬研究對理論和實(shí)際運(yùn)用都具有重要意義。

金屬卟啉類配合物能夠有效地模擬細(xì)胞色素、血紅素、葉綠素等與氣體小分子(O2、COx、NOx、H2S)的相互作用[6]，對氣體小分子在體內(nèi)的結(jié)合及運(yùn)輸意義重大，同時為工業(yè)過程的設(shè)計(jì)及生物模擬提供了依據(jù)；具有很高的催化活性和生物活性，特別是在信使氣體分子的體內(nèi)傳輸與固定方面起著重要的作用。

2 分子識別方面

金屬卟啉配合物作為主體分子有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)卟啉環(huán)具有剛性結(jié)構(gòu)，官能團(tuán)的方向和位置可較好地得到控制，從而與客體分子有最佳的相互作用；(2)卟啉分子有較大的表面，對金屬卟啉分子軸向配體周圍的空間容積和相互作用方向的控制余地較大；(3)金屬卟啉配合物具有多樣性，不僅中心金屬離子、4個meso-位、4個吡咯環(huán)的8個β-位能作為分子識別作用點(diǎn)，而且卟吩環(huán)外的各種官能團(tuán)也能作為識別作用點(diǎn)[7]?；诖?，金屬卟啉配合物可對多種有機(jī)和無機(jī)分子進(jìn)行識別。如對吡啶、咪唑等有機(jī)小分子進(jìn)行識別[8，9]；對CO、O2和I-等無機(jī)小分子進(jìn)行識別；對糖分子﹑泛醌衍生物﹑乙醇和多元醇等有機(jī)及生物分子進(jìn)行識別[10]。

生物體內(nèi)眾多有著生物活性的氨基酸酯都具有手性，手性分子是生物分子的重要特征之一，因此卟啉對手性分子的識別意義十分重大。但要產(chǎn)生手性識別，主客體分子之間至少需要有3個識別作用點(diǎn)，雖然通過氫鍵、空間排斥、疏水作用和靜電作用等方式可以實(shí)現(xiàn)多重識別，但要使這些作用位點(diǎn)固定在特定的位置和方向并不容易，需對卟啉分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行十分精密的設(shè)計(jì)。Mizutani等[11]合成了具有C2對稱軸的手性卟啉分子，主體卟啉分子具有(S，S)型構(gòu)象，能夠有效地對亮氨酸甲酯、苯丙氨酸甲酯等進(jìn)行很好的對映體選擇。

3 催化方面

作為單加氧酶的模擬物，金屬卟啉配合物的催化活性是以其共軛大π鍵電子體系和金屬原子價態(tài)的改變?yōu)榛A(chǔ)的。在研究中，人們得出以下結(jié)論：(1)具有疏水結(jié)合部位的金屬卟啉配合物(如環(huán)糊精-金屬卟啉配合物及冠醚-金屬卟啉配合物等)具有良好的催化性能；(2)卟啉化合物間位苯環(huán)上的取代基團(tuán)對金屬卟啉配合物的催化性能有兩方面影響，即對氧源中氧的脫離活性有影響、對卟啉化合物的穩(wěn)定性有影響。如位阻型金屬卟啉配合物(即在四苯基卟啉的苯基鄰位上引入了適當(dāng)?shù)娜〈?對烷烴的羥基化和烯烴的環(huán)氧化顯示出特殊的選擇性和穩(wěn)定性。

近年來，利用光照處理生物難降解有機(jī)污染物的研究發(fā)展迅速，模擬含鐵氧化酶氧化特性的催化劑時有報道[12，13]，有些催化劑不僅能模擬含亞鐵血紅素酶的載氧功能，而且能活化既廉價又環(huán)境友好的空氣中氧分子來氧化降解有機(jī)污染物，具有易分離、能重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。金屬卟啉配合物對無機(jī)化合物也有催化氧化的作用，可作為NO還原分解的催化劑，更好地消除NO污染[14]。Guo等[15]在以金屬卟啉配合物為催化劑、空氣直接作氧化劑、無需其它助劑和技術(shù)輔助的催化體系下對空氣氧化環(huán)己烷進(jìn)行了研究，取得突破性進(jìn)展并已應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際。

金屬卟啉配合物是空氣電極最有發(fā)展前景的催化劑，它能有效促進(jìn)H2O2分解，提高電池工作電壓，增大放電容量[16]。因此，金屬卟啉配合物被認(rèn)為是解決燃料電池陰極最有希望的催化劑材料。Tang等[17]合成了一種新的鉑釕雙金屬卟啉，可用作燃料電池中陰極(氧電極)催化劑。

4 材料方面

由于金屬卟啉配合物是一種功能性客體，引入到夾層化合物中后，可賦予其許多優(yōu)良的性能，因此在光電材料方面用途廣泛，可用作磁性材料、非線性光學(xué)材料等。而且卟啉能與許多金屬形成金屬有機(jī)液晶，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)Cd、Cu、Zn、Co等金屬卟啉配合物都具有液晶性能，如2，3，7，8，12，13，17，18-八辛硫基四氮雜卟啉(Ⅱ)在67.6～151.7 ℃有穩(wěn)定的介晶相，液晶態(tài)為六角柱狀相[18]。

卟啉具有很強(qiáng)的吸光特性，尤其是與過渡金屬絡(luò)合后，能發(fā)射很強(qiáng)的磷光，而這種磷光又可被O2猝滅，所以可用作壓敏器件的磷光材料。謝騰峰等[19]研究發(fā)現(xiàn)，Pd卟啉及其衍生物有非常強(qiáng)的磷光輻射，痕量氧對其磷光輻射有明顯的猝滅作用，利用Pd卟啉的這種功能特性可研制高效能的生物氧傳感器。

現(xiàn)代科技的發(fā)展使人們能夠在分子或原子尺度內(nèi)進(jìn)行微觀操作，卟啉分子結(jié)構(gòu)的可塑性使之廣泛應(yīng)用到這一領(lǐng)域，多種卟啉衍生物超分子或超分子器件被研發(fā)出來。特別是一些由鋅卟啉制成的分子鉗，精巧之極。Wu等[20]將2個鋅卟啉用合適的分子基團(tuán)聯(lián)結(jié)起來，使之形成“U”型結(jié)構(gòu)，其合適的空間和距離可以在氯仿溶液中巧妙地將C60、C70或C60衍生物“夾”起來。

5 有機(jī)合成方面

四苯基卟啉和一氯二乙基鋁反應(yīng)生成四苯基卟啉氯化鋁，在遇水、醇、羧酸、胺等含活潑氫的化合物時，氯原子被取代，生成卟啉鋁配合物，可引發(fā)環(huán)氧、內(nèi)酯等環(huán)化物開環(huán)聚合，其反應(yīng)特點(diǎn)是：(1)鏈引發(fā)反應(yīng)比鏈增長反應(yīng)快得多；(2)所得產(chǎn)物相對分子質(zhì)量隨轉(zhuǎn)化率線性增加；(3)聚合體相對分子質(zhì)量分布較窄，為1.05～1.10；(4)100%轉(zhuǎn)化時，產(chǎn)物平均聚合度與理論值符合很好。由于是活性聚合，可用來制備窄分布的聚醚、聚酯及其嵌段共聚體。此外，卟啉鋁配合物還可引發(fā)酸酐等活性聚合物聚合并進(jìn)行嵌段共聚合，能使酸酐、二氧化碳聚合，但不能被醇等含活潑氫的化合物終止，相反通過醇與活性鏈的快速交換反應(yīng)，醇起到與催化劑相當(dāng)?shù)淖饔?，能夠有效調(diào)節(jié)聚合物的相對分子質(zhì)量。

四苯基卟啉烷氧基鋁在光照下可引發(fā)甲基丙烯酸甲酯等烯類單體進(jìn)行活性聚合[21]。

6 醫(yī)療方面

近年來，金屬卟啉配合物在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用取得了較大的進(jìn)展。由于金屬卟啉配合物卓越的熒光特性，可用其來識別病體組織、探測生物大分子[22，23]。在生物醫(yī)學(xué)上，人們總是希望藥物具有高效的選擇性，即對靶細(xì)胞有一定的識別能力，這樣可以最大限度地避免藥物的副作用。而卟啉衍生物能選擇性地富集于癌組織內(nèi)，具有良好的腫瘤靶向性，同時具有經(jīng)光照后能迅速殺死癌細(xì)胞的光動力學(xué)效應(yīng)，因此，可將其用于腫瘤的早期診斷，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。卟啉化合物及其衍生物在腫瘤的治療中已有廣泛的應(yīng)用：如光動力學(xué)治療(PDT)[24]、熒光成像、室溫磷光成像等[25，26]。卟啉化合物及其衍生物用作腫瘤治療的導(dǎo)向藥物已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段[27，28]，但存在著在600 nm以上波長的可見光區(qū)域吸收較弱的問題。由于600 nm以上的可見光穿透能力強(qiáng)，有利于組織中光敏劑對光的吸收，為提高卟啉衍生物的最大吸收波長，又合成了類卟啉化合物，它的最大吸收波長為760 nm，避開了血紅素的吸收范圍，提高了組織的透射率，能與現(xiàn)有的激光器在波長方面相匹配。

目前，已有金屬卟啉配合物保健品上市，如補(bǔ)血保健品紅桃K的主要成分就是卟啉鐵。

鋅原卟啉(ZPP)是血紅蛋白(Hb)在合成過程中形成的一種微量的正常代謝產(chǎn)物。臨床上常用其評價鐵的營養(yǎng)狀況和輔助診斷鉛中毒。最新研究表明，通過與血紅素氧化酶(HO)的競爭性抑制作用，ZPP可以調(diào)節(jié)Hb的分解代謝，影響CO和NO的代謝；在控制新生兒膽紅素(BR)形成、預(yù)防高膽紅素血癥方面也具有潛在的治療作用。給新生兒靜脈注射非鋅的其它金屬卟啉配合物可使其迅速分布到全身，數(shù)小時后肝、腎、脾的血紅素氧化酶即可被抑制，而配合物從人體循環(huán)中能較快地被清除[29]。1991年美國疾病控制中心明確提出，無論游離原卟啉還是ZPP/Hb都適用于嬰幼兒和青少年慢性鉛暴露者的篩查試驗(yàn)，后來醫(yī)學(xué)界將這一結(jié)論擴(kuò)展至所有年齡[30]。

7 結(jié)語

通過研究金屬卟啉配合物的光電性質(zhì)，可以認(rèn)識其在光合作用中的地位和給-受體分子的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移和電荷分離的能力，還可開發(fā)其光學(xué)、電學(xué)方面的應(yīng)用。開發(fā)金屬卟啉配合物可以促進(jìn)化學(xué)、生物及醫(yī)藥等方面的發(fā)展，同時，隨著新型金屬卟啉配合物的不斷合成和性質(zhì)研究的系統(tǒng)化，相信不久的將來，金屬卟啉配合物必將更加廣泛地應(yīng)用于人們的日常生活，為提高人類生活水平和改善人類生活環(huán)境發(fā)揮作用。

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