新型卟啉化合物的合成應(yīng)用新進(jìn)展

張來新，馬琳

(寶雞文理學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，陜西 寶雞 721013)

1 新型卟啉化合物及其金屬配合物的合成及應(yīng)用

1.1 卟啉-香豆素二元體的合成及應(yīng)用

由于卟啉具有特殊的結(jié)構(gòu)從而表現(xiàn)出獨特的光化學(xué)和光物理性質(zhì)，由于自然界的動植物中本身存在卟啉類化合物，故使其擁有很好的生物活性［1］。目前已應(yīng)用于臨床的光動力治療藥物就是卟啉類化合物。香豆素衍生物同樣具有良好的光學(xué)和生物學(xué)特性，其中7-羥基香豆素具有很好的發(fā)光性質(zhì)［2］和相應(yīng)的抗腫瘤活性［3］。用卟啉-香豆素二元體系可以探討雙發(fā)色物之間的能量和電子轉(zhuǎn)移，其二元體系有可能表現(xiàn)出優(yōu)于卟啉單體和香豆素單體的光學(xué)和生物學(xué)活性，即二元體應(yīng)用于臨床的光動力學(xué)治療會有更好的抗腫瘤效果。為此，華南理工大學(xué)的程帆等人利用自己合成的卟啉衍生物和7-羥基香豆素在N，N-二甲基甲酰胺的K2CO3溶液中在室溫下反應(yīng)48 h，反應(yīng)結(jié)束后給其中加入二氯甲烷，用飽和食鹽水洗滌多次，收集反應(yīng)液有機(jī)相，旋干后通過硅膠層柱分離得到卟啉-香豆素二元體系目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)率約為70%［4］。該合成物將用作臨床的光動力治療藥物，并發(fā)揮更優(yōu)的抗腫瘤活性。

1.2 叔丁氧羰基保護(hù)的L-色氨酸卟啉及其鋅(II)配合物的合成及應(yīng)用

卟啉及金屬卟啉配合物具有獨特的結(jié)構(gòu)和特殊的性能使其在模擬酶、催化氧化、光動力學(xué)治療等方面得到了廣泛地應(yīng)用。已有的研究表明卟啉類化合物具有良好的光敏性，因而卟啉類化合物是一種極具潛力的光敏藥物。目前，卟啉類光敏劑的研究熱點之一就是將糖類［5］、氨基酸等具有生物活性的小分子引入卟啉，以提高對腫瘤組織的親和力和選擇性，同時降低其對正常組織的毒副作用，為此，贛南師范學(xué)院的黃金蘭等人以5，10，15，20-四(4-氨基苯基)卟啉、叔丁氧羰基(Boc)保護(hù)的L-色氨酸等為原料合成了一種新型Boc 保護(hù)的L-色氨酸卟啉及其鋅(II)配合物。其產(chǎn)物的熒光性質(zhì)表明:卟啉配體的熒光發(fā)射峰位于654.6 nm 處，形成鋅(II)配合物后，最大發(fā)射波長向長波方向移動至687.5 nm，其強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，位于可見光的紅外區(qū)，符合光敏劑的要求［6］。該研究在醫(yī)學(xué)上將進(jìn)一步提高對腫癌細(xì)胞的光動力學(xué)治療效果。

1.3 一鍋法合成A2BC 推拉型卟啉

卟啉是自然界廣泛存在的一類重要化合物，在光、電、磁和催化等各方面都有著潛在的應(yīng)用價值。目前推拉(示電子供吸)型的卟啉在光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究已成為卟啉化學(xué)研究的熱點［1］。含有吡啶基的卟啉在分子組裝［2］和納米材料修飾［3］方面的報道也很多。華南理工大學(xué)的王華華等采用Lindsey 法在二氯甲烷的溶劑體系中以三氟化硼的乙醚溶液為催化劑，將吡啶衍生物N，N-二甲苯胺衍生物和二吡咯基苯基甲烷一鍋法反應(yīng)，合成了A2BC 推拉型卟啉［7］，并用紫外可見光譜、核磁共振譜、質(zhì)譜等進(jìn)行了鍵合表征。該研究將在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、分析分離科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、生物化學(xué)、生物物理、光、電、磁以及催化等領(lǐng)域的研究中得到應(yīng)用。

2 新型卟啉衍生物的合成及選擇性識別

2.1 5-(2-硝基-4，5-亞甲基二氧基苯基)-10，15，20-三對氯苯基卟啉對氨基酸的識別作用

卟啉化學(xué)作為一門植根深遠(yuǎn)的新興熱門邊緣學(xué)科，目前已滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、生物化學(xué)、分析分離科學(xué)、生物物理、醫(yī)藥學(xué)、生命科學(xué)等眾多學(xué)科，尤其是在仿生學(xué)和醫(yī)藥學(xué)等方面應(yīng)用更廣泛，臨床醫(yī)學(xué)上已將卟啉用于檢測定位病人腫瘤和癌在人體的位置。為此，黃岡師范學(xué)院的趙勝芳等人以硝基取代胡椒醛等為原料，合成了5-(2-硝基-4，5-亞甲二氧基苯基)-10，15，20-三對氯苯基卟啉(A)，并測定了A 在pH=7.0 的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液中對7 種L-氨基酸的識別，光譜分析表明，A 只對7種L-氨基酸中的L-賴氨酸有選擇性的絡(luò)合(形成了加合物)與識別作用［8］。該研究將在仿生學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、生命科學(xué)、分析分離科學(xué)及環(huán)境科學(xué)中得到應(yīng)用。

2.2 卟啉衍生物的合成及對陰離子的識別作用

陰離子識別在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、催化和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域具有重要作用，是當(dāng)前超分子化學(xué)研究的熱點之一。為此，杭州師范大學(xué)的林喆萍等以順式-(2-氨基苯基)卟啉衍生物1(α，α，α，α-H2TamPP)為原料，設(shè)計合成了兩種“柵欄型”陰離子受體2 和3［9］，在此類主體中4 個脲基基團(tuán)環(huán)繞形成一個可以容納陰離子的空腔。通過ITC、核磁、熒光等考察了它們對等陰離子的絡(luò)合，其中受體2 與Cl－的絡(luò)合常數(shù)最高，高達(dá)4.3 ×107M－1。該研究將在分析分離科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)及環(huán)境科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.3 5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉及其鈀(II)配合物的合成及應(yīng)用

金屬四氮雜卟啉的已知數(shù)量還遠(yuǎn)不如金屬卟啉、酞菁豐富，但其在半導(dǎo)體、激光紀(jì)錄材料、LB 膜、高能電池等高技術(shù)領(lǐng)域顯示出了優(yōu)異的性能而備受關(guān)注。鈀配合物具有豐富的光學(xué)和催化性能以及分子識別和交換等生物功能，在化學(xué)氣相沉積技術(shù)鍍鈀工藝、分子電子器件和分子生物器件方面彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。為此，宜春學(xué)院的梅光泉等人在前期研究鈀配合物工作的基礎(chǔ)上，以對甲?；郊姿岷瓦量┰谒嵝詶l件下進(jìn)行環(huán)合反應(yīng)，合成了5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉配體(TCPP)，再將TCPP 在DMF 存在條件下加熱與Pd2+反應(yīng)，合成了鈀配合物(PdTCPP)［10］。并研究了該配體及配合物的結(jié)構(gòu)和成鍵性質(zhì)。該研究將在生物科學(xué)、生命科學(xué)、光學(xué)科學(xué)、催化科學(xué)、LB 及高能電池科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.4 硝基咪唑類卟啉的設(shè)計合成及其生物活性研究

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，許多卟啉及金屬卟啉配合物具有抗癌、抗菌等多種生物活性，這是因為卟啉及金屬卟啉配合物對病理細(xì)胞具有特殊的親和性及親和力，因而被廣泛的應(yīng)用于生命科學(xué)、仿生學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。硝基咪唑具有廣泛的生物活性如放射增敏、抗菌、殺蟲等活性。利用拼合原理將卟啉與硝基咪唑鍵連構(gòu)筑成新型硝基咪唑類卟啉化合物，可望增強(qiáng)目標(biāo)物的抗腫瘤和抗菌活性。為此，西南大學(xué)的于克貴等人以不對稱單羥基卟啉與N-(1-溴烷基)-2-甲基-5-硝基咪唑在DMF 中用K2CO3作為堿進(jìn)行偶聯(lián)反應(yīng)合成了目標(biāo)分子2-甲基-5-硝基咪唑類卟啉。其抗細(xì)菌及抗真菌等微生物活性測定結(jié)果表明，其目標(biāo)分子2-甲基-5-硝基咪唑類卟啉對真菌如白色念珠菌和煙曲霉菌的活性較弱，但對抗細(xì)菌如大腸桿菌、變形桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄珠菌和枯草桿菌的活性效果更強(qiáng)更好［11］。

3 新型卟啉衍生物的合成及其在光學(xué)研究中的應(yīng)用

3.1 新型卟啉二元模型化合物的合成及應(yīng)用

卟啉二元和三元化合物的研究對搞清生命科學(xué)中的基本過程:電子傳遞和能量傳遞過程具有重要意義，同時，對設(shè)計和制造太陽能光電池，提高光電轉(zhuǎn)換效率具有指導(dǎo)作用。通常構(gòu)筑模型化合物的方法是通過共價鍵把亞單元與卟啉聯(lián)接起來構(gòu)成D-A體系。通過設(shè)計合成不同長度和不同結(jié)構(gòu)的橋基，和具有特定構(gòu)象的亞單元，來研究D 和A 之間的距離，相互取向?qū)庹T導(dǎo)分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移和能量傳遞過程的影響，從而搞清光合作用的原初過程和光反應(yīng)中心的反應(yīng)機(jī)制。作為構(gòu)造卟啉二元化合物的一條新途徑，南京大學(xué)的徐正等采用配位化學(xué)的方法將含有吡啶基的具有光學(xué)活性的亞單元配位到ZnTPP 的Zn 原子上構(gòu)成以軸向配位鍵相聯(lián)的鋅卟啉二元化合物［12］。并利用元素分析、紅外、ESI-MS和核磁共振對4 個含吡啶基的光學(xué)活性亞單元進(jìn)行了表征。該研究將在太陽能光電池、光化學(xué)和電化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等的研究中得到廣泛地應(yīng)用。

3.2 偶氮苯橋聯(lián)全甲基化環(huán)糊精和卟啉衍生物構(gòu)筑光控超分子納米管研究

分子組裝是一種廣泛存在于自然界中的現(xiàn)象，在生物系和納米材料中扮演著重要角色;同時，分子組裝在超分子化學(xué)中也是構(gòu)筑不同形貌、功能組裝體的有效手段。由于其獨特的結(jié)構(gòu)以及在化學(xué)、生物和材料科學(xué)中潛在的應(yīng)用價值，納米管的構(gòu)筑受到人們越來越多的關(guān)注。為此，南開大學(xué)的孫賀略等依據(jù)全甲基化環(huán)糊精與水溶性四芳基卟啉的強(qiáng)鍵合和偶氮苯光致異構(gòu)特性，成功地設(shè)計合成了偶氮橋聯(lián)的全甲基化環(huán)糊精(H)和水溶性卟啉衍生物(G)。將H 和G 按照1∶1 的摩爾比混合，成功地構(gòu)筑了大尺寸光控超分子納米管;即成功構(gòu)筑了偶氮苯橋聯(lián)全甲基化環(huán)糊精和卟啉衍生物構(gòu)筑的光控超分子納米管。并通過紫外、圓二色光譜、掃描電鏡和透射電鏡研究了它們的鍵合組裝行為［13］。該研究將在生物科學(xué)、材料科學(xué)及超分子科學(xué)的研究中得到廣泛地應(yīng)用。

綜上所述，卟啉化學(xué)作為一門新興的熱門邊緣學(xué)科不僅可應(yīng)用于光學(xué)、催化、醫(yī)藥學(xué)、仿生學(xué)等學(xué)科，而且還可廣泛的應(yīng)用于21 世紀(jì)的熱門學(xué)科生命科學(xué)、仿生學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等研究領(lǐng)域，其中大部分研究成果已獲得實際應(yīng)用。隨著新型卟啉衍生物、金屬配合物、超分子聚合物的不斷問世，其特殊的功能和成果應(yīng)用將更加廣泛。我們相信，隨著各學(xué)科科學(xué)家們對卟啉化學(xué)研究的不斷深入，卟啉化學(xué)這朵含苞待放之花將在為人類生存、生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展和造福人類結(jié)出豐碩成果，并彰顯出強(qiáng)大的生命力。

［1］ Ethirajan M，Chen Y，Joshi P，et al.The role of porphyrin chemistry in tumor imaging and photodynamic therapy［J］.Chem Soc Rev，2011，40:340-362.

［2］ Lin W，Long L，F(xiàn)eng J，et al.Synthesis of meso-coumarinconjugated porphyrins and investigation of their luminescence properties［J］. Eur J Org Chem，2007(6):4301-4304.

［3］ Stefanova T H，Nikolova N J，Toshkova R A，et al.Antitumor and immunomodulatory effect of coumarin and 7-hydroxycoumarin against Sarcoma 180 in mice［J］.J Exp Ther Oncol，2007，6(2):107-115.

［4］ 程帆，劉海洋. 卟啉-香豆素二元體系的合成［C］//全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.延吉:延邊大學(xué)，2014.

［5］ Laville I，Pigaglio S，Blais J C，et al. Photodynamic efficiency of diethylene glycol-linked glycoconjugated porphyrins in human retinoblastoma cells［J］. J Med Chem，2006，49(8):2558-2567.

［6］ 黃金蘭，曾居都，羅國添.BOC 保護(hù)的L-色氨酸卟啉及其鋅(II)配合物的合成［C］//全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集. 延吉:延邊大學(xué)，2014.

［7］ 汪華華，應(yīng)曉，劉海洋.一鍋法合成A2BC 推拉型卟啉［C］//全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.延吉:延邊大學(xué)，2014.

［8］ 趙勝芳，陳年友，王超群，等.5-(2-硝基-4，5-亞甲二氧基苯基)-10，15，20-三對氯苯基卟啉基對氨基酸的選擇性識別［C］//全國第十五屆大環(huán)化學(xué)暨第七屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.重慶:西南大學(xué)，2010.

［9］ 林喆萍，葉楊，林威，等.基于卟啉衍生物的陰離子識別研究［C］//全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.延吉:延邊大學(xué)，2014.

［10］梅光泉.5，10，15，20-四(4-羧基苯基)卟啉及其鈀(II)配合物的合成與表征［C］//全國第十四屆大環(huán)化學(xué)暨第六屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.蘭州:西北師范大學(xué)，2008.

［11］于克貴，李東紅，金磊，等.硝基咪唑的設(shè)計合成及其生物活性研究［C］//全國第十四屆大環(huán)化學(xué)暨第六屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集. 蘭州:西北師范大學(xué)，2008.

［12］徐正，戚苓，Stillman M J，等.新穎卟啉二元模型化合物的合成及光物理性質(zhì)［C］//全國第十屆大環(huán)化學(xué)暨第二屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集. 成都:四川大學(xué)，2000.

［13］孫賀略，陳湧，趙金，等.偶氮苯橋聯(lián)全甲基化環(huán)糊精和卟啉衍生物構(gòu)筑光控超分子納米管［C］//全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.延吉:延邊大學(xué)，2014.