金屬葉綠素衍生物的制備及光譜研究進展

劉淑萍，劉 巖

（河北聯(lián)合大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

化學(xué)與化工研究

金屬葉綠素衍生物的制備及光譜研究進展

劉淑萍，劉 巖

（河北聯(lián)合大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

過渡金屬Cu、Fe、Co、Ni、Zn、Mn的可溶性鹽類以及稀土金屬La、Ce、Pr、Nd、Sm氧化物在HClO4中溶解后在一定條件下與脫鎂葉綠素合成過渡/稀土金屬葉綠素；過渡金屬葉綠素皂化可形成可溶性過渡金屬葉綠酸鹽；可溶性過渡金屬葉綠酸鹽又可與某些金屬離子反應(yīng)形成難溶性的過渡金屬葉綠酸鹽。通過研究這些金屬葉綠素配合物的Fourier變換紅外光譜、紫外可見光譜（UV-Vis）并與脫鎂葉綠素或脫鎂葉綠酸對比，對其譜圖的數(shù)據(jù)進行了分析。

金屬葉綠素衍生物；制備；光譜；研究進展

葉綠素廣泛存在于高等植物、藻類以及細菌葉綠素中，葉綠素自然狀態(tài)穩(wěn)定性較差，光、熱、酸、堿、酶及氧可造成葉綠素的分解。銅、鐵、鋅等離子取代葉綠素中心的鎂離子而生成的脂溶性金屬葉綠素衍生物，或金屬離子與脂溶性金屬葉綠素皂化后形成的金屬葉綠酸鈉/鉀的羧基結(jié)合生成的金屬葉綠酸鹽，或金屬離子與脫鎂葉綠酸鈉/鉀反應(yīng)生成的脫鎂葉綠酸鹽沉淀都葉綠素穩(wěn)定。本文總結(jié)了金屬葉綠素衍生物的制備過程及其光譜性質(zhì)。

1 金屬葉綠素衍生物的類型

金屬葉綠素衍生物是由葉綠素分子中卟啉環(huán)內(nèi)金屬離子的取代或環(huán)外金屬離子的成鹽所形成的一類化合物，包括：（1）金屬葉綠素，按中心金屬元素的不同可分為過渡金屬葉綠素和稀土金屬葉綠素兩大類，如銅葉綠素、鈰葉綠素[1]等；（2）金屬葉綠酸鹽，如鐵葉綠酸鈉/鉀、鐵葉綠酸鋅[2]等；（3）脫鎂葉綠酸鹽，如脫鎂葉綠酸鈣[3]。金屬葉綠素衍生物熱、光的穩(wěn)定性和抗氧化性都較葉綠素強。

2 金屬葉綠素衍生物的制備及吸收光譜

過渡金屬葉綠素為脂溶性，而過渡金屬葉綠酸鉀/鈉鹽為水溶性，二者的區(qū)別在于制備過程中是否經(jīng)過皂化階段。

2.1 脂溶性過渡金屬葉綠素的制備

將葉綠素(Chla)a、b在鹽酸和丙酮混合溶液中反應(yīng)數(shù)小時，加入石油醚萃取葉綠素，雙蒸水洗石油醚色素多次除去水溶性雜質(zhì)，濃縮石油醚色素，經(jīng)烘箱干燥得脫鎂葉綠素[4]。

將脫鎂葉綠素（H2Chla）溶于氯仿等有機溶劑中，將醋酸鋅等金屬鹽溶于甲醇中，將此兩種溶液混合，在一定溫度下，通惰性氣體N2反應(yīng)一定時間，即得到翠綠色的葉綠素Zn(Zn-Chla)[5-6]，其它過渡金屬Cu(II)、Fe(III)、Co(II)、Ni(II)、Mn(III)與脫鎂葉綠素的合成條件與Zn-Chla基本相同，只是溶劑與反應(yīng)時間略有差異。具體情況見表1。

表1 過渡金屬葉綠素a的合成條件[7-9]

2.2 水溶性過渡金屬葉綠酸鉀/鈉鹽的制備

制備脂溶性過渡金屬葉綠素之后，氫氧化鈉/鉀與脂溶性過渡金屬葉綠素的酯部位經(jīng)過皂化反應(yīng)生成可溶性過渡金屬葉綠酸鹽，如葉綠素銅鈉鹽[10]、葉綠素鋅鈉鹽[11]、葉綠素鋅鉀鹽[12]、葉綠素鐵鈉鹽[13]、葉綠素鈷鈉鹽[14]，葉綠素錳鈉鹽[15]、葉綠素鉻鈉鹽[16-17]等。

過渡金屬葉綠酸鹽的制備流程[18]：

另一種制備方法是先將葉綠素皂化之后酸化脫鎂和過渡金屬取代，成為過渡金屬葉綠酸鹽[19-20]。

兩種制備方法的區(qū)別在于工藝中的皂化階段的順序不同。

3 金屬葉綠素衍生物的光譜性質(zhì)

研究葉綠素衍生物的分析手段包括紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）譜、Fourier紅外光譜（FT-IR）。通過分析過渡金屬葉綠素的UV、IR相對于脫鎂葉綠素的譜圖變化，可判斷金屬離子是否進入到葉綠素中心位置，通過磁圓二色光譜（MCD）等譜圖以及擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)光譜分析葉綠素衍生物的分子結(jié)構(gòu)信息，可判斷過渡金屬葉綠素的單/雙分子結(jié)構(gòu)。

3.1 脂溶性過渡金屬葉綠素

過渡金屬葉綠素一般多為單分子層[21]結(jié)構(gòu)。圖1為葉綠素的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 葉綠素結(jié)構(gòu)示意圖

表2 過渡金屬葉綠素紫外可見-吸收光譜[7,9]

表3 過渡金屬葉綠素固體絡(luò)合物的主要紅外譜帶及其指認 cm-1

當過渡金屬離子進入葉綠素卟啉環(huán)內(nèi)形成相應(yīng)的配合物后，其分子的對稱性增加，Q帶的吸收峰個數(shù)減少，Soret帶發(fā)生移動，這是卟啉形成相應(yīng)配合物的光譜特征。如表2所示，不同的過渡金屬葉綠素相對于脫鎂葉綠素Soret帶和Q帶存在區(qū)別，其中Fe、Co葉綠素相對于脫鎂葉綠素Soret帶和Q帶變化不大，而Cu、Zn、Ni葉綠素Soret帶發(fā)生紅移，Q帶發(fā)生紫移。當中心金屬離子不同時，其Q帶的峰寬亦不同，其大致順序為H2Chla＜Mg-Chla，Zn-Chla，Mn-Chla＜Cu-Chla，Ni-Chla＜ Co-Chla，F(xiàn)e-Chla，這與以前報道[22]基本相符，初步表明過渡金屬進入到了葉綠素卟啉環(huán)的中心位置。

過渡金屬葉綠素IR光譜可用于分析過渡金屬取代葉綠素中心鎂元素后基團的變化情況。表3為過渡金屬葉綠素IR吸收光譜數(shù)據(jù)[7,9]。

由表3可知，在1 700～1 500 cm-1處H2Chla-a（包括C═N，C═C）有三個尖銳的吸收峰，而形成過渡金屬葉綠素后三個吸收峰變小或消失，可能是由于金屬與脫鎂葉綠素配位后，配位中心的對稱性提高所致[23]。1 620 cm-1處為脫鎂葉綠素骨架振動（C═N，C═C）吸收峰而過渡金屬葉綠素吸收峰峰位置均向高頻方向移動，其中Cu-Chla位移達58 cm-1。1 577 cm-1處為脫鎂葉綠素骨架振動吸收峰，Co-Chla在此處吸收峰向高頻方向移動，Cu、Zn、Fe、Ni、Mn葉綠素均向低頻方向移動，說明不同的金屬對葉綠素結(jié)構(gòu)的影響存在差異。

過渡金屬離子進入脫鎂葉綠素中心后過渡金屬葉綠素的酯羰基最大吸收波長位置基本不變。但是過渡金屬葉綠素吸收強度相比脫鎂葉綠素a有所下降，這與李賽君[24]的結(jié)果一致，表明過渡金屬離子進入卟啉環(huán)后對C＝O偶極大小有較大影響。

葉綠素吡咯環(huán)的1 100 cm-1的N-H面外搖擺是相對較強的吸收譜帶，在形成過渡金屬葉綠素后這些吸收峰幾乎消失，這說明過渡金屬已經(jīng)配位到卟啉大環(huán)中。在2 920 cm-1處為脫鎂葉綠素C-H的伸縮振動，而過渡金屬離子配位到脫鎂葉綠素中心后峰形和最大吸收峰峰位置與葉綠素相比變化不大（最大位移為葉綠素銅、鋅22 cm-1），說明過渡金屬離子對C─H影響較小。

3.2 水溶性過渡金屬葉綠酸鉀/鈉鹽

過渡金屬葉綠酸鹽的UV、IR光譜數(shù)據(jù)見表4、5。其中鐵葉綠酸鈉、鈷葉綠酸鈉、錳葉綠酸鈉IR譜未見報道。

表4 過渡金屬葉綠酸鈉鹽紫外-可見吸收光譜

由表4可知，脫鎂葉綠素（H2Chla）與過渡金屬葉綠酸鈉Soret帶最大吸收峰位都在405 nm左右。Q帶最大吸收峰位在660 nm左右，僅葉綠酸Cu、Zn鈉鹽在630 nm，這可能由于不同金屬的離子半徑、離子價態(tài)及外層電子排布對葉綠素結(jié)構(gòu)的影響不同造成的。

表5 過渡金屬葉綠酸鈉鹽主要紅外譜帶及其指認 cm-1

過渡金屬進入到葉綠素卟啉環(huán)后葉綠素羰基吸收強度下降，而由表5可知，葉綠素皂化后結(jié)構(gòu)中羰基（C7，C9，C10）吸收峰消失，這應(yīng)該是過渡金屬葉綠素皂化后的主要產(chǎn)物為過渡葉綠酸三鈉鹽，羰基消失，H2Chla在1 620 cm-1的C═C共軛振動吸收峰在過渡金屬葉綠酸鈉鹽中消失，說明形成過渡金屬酸鈉鹽對卟啉環(huán)的骨架振動存在影響。

3.3 難溶過渡金屬葉綠酸鹽

可溶性鐵葉綠酸鈉鹽在一定條件下與某些金屬離子反應(yīng)，生成具有雙金屬離子的葉綠酸鹽沉淀。劉淑萍[2]合成出來的鐵葉綠酸鋅的IR譜圖與脫鎂葉綠酸相比，在1 500～1 000 cm-1的卟啉環(huán)的骨架振動存在區(qū)別，且呈無明顯尖峰、有精細結(jié)構(gòu)、強度明顯變小的譜圖，這可能是Fe、Zn離子的共同作用使得鐵葉綠酸鋅分子對稱性增加偶極矩變小的緣故，說明此類金屬葉綠酸鹽對葉綠素骨架振動影響較大。鐵葉綠酸鋅的與脫鎂葉綠酸IR譜圖見圖2。

3.4 脫鎂葉綠酸鹽

目前脫鎂葉綠酸鹽包含脫鎂葉綠酸鈉、脫鎂葉綠酸鈣[3]和脫鎂葉綠酸鋅[25]，后兩種為難溶性的脫鎂葉綠酸鹽。脫鎂葉綠酸鈣是由蠶沙經(jīng)皂化提取葉綠酸鈉、萃取、加酸脫鎂、制備脫鎂葉綠酸鈉、與鈣鹽反應(yīng)、分離純化而合成的。脫鎂葉綠酸鋅與脫鎂葉綠酸鈣類似，只是在與鈣鹽反應(yīng)階段換為與鋅鹽反應(yīng)。脫鎂葉綠酸、脫鎂葉綠酸鋅IR光譜圖見圖2。

圖2 難溶過渡金屬葉綠酸鹽IR光譜

1 120 cm-1、1 440 cm-1、1 580 cm-1處分別為脫鎂葉綠酸的N─H、共軛C═C、C═N吸收峰，形成脫鎂葉綠酸鋅后吸收強度明顯下降或消失，說明側(cè)鏈的鋅元素對脫鎂葉綠酸鋅結(jié)構(gòu)影響較大。脫鎂葉綠酸在1 700 cm-1無吸收峰，說明葉綠素在皂化階段破壞了葉綠素戊酮環(huán)羰基的結(jié)構(gòu)。

3.5 稀土金屬葉綠素衍生物的制備

脫鎂葉綠素的制備及提取見文獻[4]，將稀土金屬（La、Ce、Pr、Nd、Sm）氧化物在HClO4中溶解后，驅(qū)趕酸至近干，配制成金屬鹽-丙酮溶液，脫鎂葉綠素a的丙酮溶液在80 ℃與之混合，待丙酮揮發(fā)完全后得到綠色的稀土葉綠素a[26]。

3.6 稀土金屬葉綠素衍生物的吸收光譜

Houssier C等人[27]研究表明葉綠素的MCD譜圖可以提供葉綠素單/雙分子層葉綠素分子結(jié)構(gòu)的重要信息，同文獻[28-29]結(jié)論一致。由此可證明稀土金屬La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+等可配位到脫鎂葉綠素的中心位置，并形成具有雙層夾心結(jié)構(gòu)的配合物。UV數(shù)據(jù)表明了稀土金屬葉綠素Soret帶相對于脫鎂葉綠素峰峰位置變化不大但強度有所減弱，而Q帶都有不同程度的藍移，其中釹葉綠素藍移達19 nm。同時，由IS/IQ的比值可知稀土金屬葉綠素比脫鎂葉綠素a具有更大的吸收近紫外光的能力。

La-Chla、Ce-Chla、Sm-Chla、Pr-Chla、Chl-a等IR譜圖與H2Chla變化情況見表6。Nd-Chla的IR譜圖未見報道。

表6 稀土金屬葉綠素固體絡(luò)合物的主要紅外譜帶及其指認[30-32]cm-1

如表6所示，稀土元素配位到H2Chla中心后吸收峰強度變小。稀土金屬葉綠素（c7，c10）的酯羰基、（c9）的酮羰基最大吸收峰的位置相對于Chl-a均向高頻方向移動，其中以釤葉綠素位移最大，過渡金屬葉綠素在此幾乎不變，說明稀土金屬比過渡金屬對羰基C═O的影響大。對于2 800～3 100 cm-1C─H伸縮振動，稀土金屬葉綠素與H2Chla差異不大，僅鑭、鈰葉綠素向低頻方向位移了十幾個波數(shù)。

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（責任編輯、校對：琚行松）

The Preparation and Spectrum Progress in the Study of Metal Chlorophyll Derivatives

LIU Shu-ping, LIU Yan
(Institute of Chemical Engineering, Hebei United University, Tangshan 063009, China)

Transition metal soluble salts of Cu, Fe, Co, Ni, Zinc, Mn and rare earth metal of La, Ce, Pr, Nd, Sm oxide dissolved in HClO4can react with phaeophytin under certain conditions to form the transition or rare earth metal chlorophyll derivatives. Transition metal chlorophyll can turn to soluble metal chlorophyllin salts after saponified, while soluble transition metal chlorophyllin salt can react with some metal ions forming difficult soluble transition metal chlorophyllin salt. By studying the metal chlorophyll derivatives of Fourier transform infrared spectra, ultraviolet-visible spectra and compared with pheophytin and chlorophyllin to analyze its spectra data.

metal chlorophyll derivatives; preparation; spectrum; study progress

O609.9

A

1009-9115(2014)02-0028-05

10.3969/j.issn.1009-9115.2014.02.008

2013-09-25

劉淑萍（1957-），女，河北滄州人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為化工原料和產(chǎn)品分析及應(yīng)用。