5，10，15，20－四［4－（2，3－環(huán)氧丙氧基）苯基］卟啉的合成與表征

王苗苗，劉耀軍，王園，王耀輝，趙洪池

（河北大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071002）

卟啉類化合物因其特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)而具有熒光特性，不僅可以應(yīng)用于光電材料［1］、分析化學(xué)［2］和醫(yī)藥化學(xué)［3］，又在生命科學(xué)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，例如應(yīng)用于腫瘤檢測診斷［4］和光動力學(xué)療法的光敏劑［5］，用來檢測癌細(xì)胞的增長，為癌癥的治療提供了新方法，臨床上已經(jīng)用來治療皮膚癌、支氣管癌、食道癌和膀胱癌等［6］.

卟啉是以具有平面結(jié)構(gòu)的卟吩為基本結(jié)構(gòu)的共軛環(huán)狀分子，卟吩環(huán)上的氫原子被其他原子或基團(tuán)部分或者全部取代后得到的一系列衍生物統(tǒng)稱為卟啉.卟啉內(nèi)部的氮原子可與不同的金屬離子相結(jié)合形成金屬卟啉，其中5，10，15和20位為α位，而2，3，7，8，12，13，17和18位為β位［7］.卟吩具有易于修飾的獨(dú)特大環(huán)結(jié)構(gòu)，若卟吩環(huán)上的氫原子被不同的取代基取代，制備的卟啉衍生物具有不同的功能，因而具有不同的應(yīng)用價值［7］.

在實(shí)驗(yàn)室中，合成卟啉的方法一般被稱為Rothemund法［8］或Adler法［9］.與Rothemund法相比，Adler法具有操作簡單和產(chǎn)率較高等優(yōu)點(diǎn).本實(shí)驗(yàn)采用Adler 法合成了5，10，15，20－四（4－羥基苯基）卟啉（THPP）；然后利用Ryu［10］報(bào)道的方法（4，4′－二羥基二苯基乙酮和環(huán)氧氯丙烷（ECH）反應(yīng)，制備了4，4′－二羥基二苯基乙酮縮水甘油醚），將THPP與ECH 反應(yīng)合成了5，10，15，20－四［4－（2，3－環(huán)氧丙氧基）苯基］卟啉（TEPPP），TEPPP的合成在文獻(xiàn)中報(bào)道很少.由于環(huán)氧基團(tuán)的活性較高，易與多種有機(jī)化合物發(fā)生反應(yīng)（如羧酸、酸酐和胺類等），也可發(fā)生聚合反應(yīng)（如開環(huán)聚合或共聚合），因此，TEPPP是一種重要的合成中間體，對其修飾可以制備多種卟啉類衍生物.本文對TEPPP的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了表征與研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑和儀器

AVANCE III 600MHz超導(dǎo)核磁共振波譜儀（NMR）（Bruker，德國）；Varian 640－IR 型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）（Varian，美國）；UV－2550型紫外分光光度計(jì)（UV－Vis）（Shimadzu，日本）；RF－5301PC 型熒光分光光度計(jì)（Shimadzu，日本）；C－MAG HS7型加熱磁力攪拌器和ETS－D5型接觸式溫度計(jì)（IKA，德國）；R－1001N 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀和DL－400型循環(huán)冷卻器（鄭州長城科工貿(mào)有限公司，中國）.

對羥基苯甲醛，正丙酸，均為分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；吡咯，化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硝基苯，ECH，均為分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；冰乙酸，分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；二氯甲烷，無水乙醇，濃氨水（NH3·H2O），均為分析純，天津市華東試劑廠；異丙醇，分析純，天津市進(jìn)豐化工有限公司；氫氧化鈉，分析純，天津市標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司；N，N－二甲基甲酰胺（DMF），分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；柱層層析硅膠（40～70μm，試劑級），青島譜科分離材料有限公司；氘代氯仿（CDCl3），北京博雅大北科技開發(fā)公司，體積分?jǐn)?shù)＞99.8%；所用水均為去離子水.

1.2 合成原理

首先由對羥基苯甲醛和吡咯在正丙酸、冰乙酸和硝基苯混合溶劑中合成THPP［11］，然后以THPP 與ECH 為原料，在異丙醇中以氫氧化鈉為催化劑合成了TEPPP.其合成路線如圖1所示.

圖1 THPP和TEPPP的合成路線Fig.1 Synthesis routes of THPP and TEPPP

1.3 制備方法

1.3.1 THPP的合成

將30mL正丙酸、30mL硝基苯和30mL冰乙酸加入到250mL三頸燒瓶中，然后放入135 ℃油浴中，磁力攪拌下10min內(nèi)滴加3.67g對羥基苯甲醛和20mL正丙酸的混合液.然后在15min內(nèi)滴加2.10mL吡咯和20mL硝基苯的混合液，溶液由黃色變?yōu)楹谏?，保持溫度?35 ℃繼續(xù)反應(yīng)40min.反應(yīng)結(jié)束后，得墨綠色液體，冷卻，放置，過夜，抽濾，并用少量水洗滌得粗產(chǎn)品墨綠色粉末.將粗產(chǎn)品溶于100mL 的5% 氫氧化鈉溶液中，抽濾以除去不溶物，得藍(lán)黑色液體，將其轉(zhuǎn)移到燒杯中，滴加濃鹽酸直到有大量沉淀析出，溶液渾濁，pH 值為6～7，然后加入濃氨水將溶液調(diào)至中性，靜置片刻后再次抽濾，得藍(lán)紫色粘狀物，干燥后得藍(lán)紫色固體1.77g，硅膠柱層析分離，以無水乙醇為洗脫劑，收集第1色帶，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，得1.67g藍(lán)紫色晶體THPP，產(chǎn)率33%.

1.3.2 TEPPP的合成

將0.68g的THPP、20g的ECH 和20mL異丙醇加入到100mL三頸燒瓶中，然后放入90℃油浴中，磁力攪拌下1h內(nèi)滴加20%氫氧化鈉水溶液1.62g，繼續(xù)反應(yīng)5h后停止反應(yīng).將反應(yīng)液加入到120mL氯仿中，水洗3次萃取并收集有機(jī)相（下層），無水硫酸鈉干燥12h，濃縮后得粗產(chǎn)品，硅膠柱層析分離，以二氯甲烷／乙醇（500／15，V／V）的混合溶劑為洗脫劑，收集第1色帶，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干得0.42g紫色粉末TEPPP，產(chǎn)率47%.

1.4 樣品結(jié)構(gòu)表征

核磁共振譜圖（NMR）采用德國Bruker公司的AVANCE III 600 MHz核磁共振波譜儀測定，溶劑為CDCl3.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）采用美國Varian公司的Varian 640－IR 型傅里葉變換紅外光譜儀測定，KBr壓片法制樣，掃描500～4 000cm－1，掃描次數(shù)32次.紫外可見圖譜（UV－Vis）采用日本Shimadzu公司的UV－2550紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行測定.將THPP與TEPPP分別配制成1×10－5mol／L 的DMF溶液進(jìn)行測試.熒光圖譜采用日本Shimadzu公司的RF－5301PC熒光分光光度計(jì)進(jìn)行測定.將THPP與TEPPP分別配制成1×10－5mol／L的DMF溶液，測試條件：室溫，激發(fā)波長λex為400nm，樣品池為1cm×1cm×4cm，狹縫寬度5×5nm，掃描415～800nm.

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR分析

圖2是TEPPP的紅外譜圖.3 319cm－1處為卟啉N―H 鍵伸縮振動吸收峰，1 605cm－1和1 505cm－1處為苯環(huán)骨架振動吸收峰，1 349cm－1處為卟啉環(huán)C＝N 鍵伸縮振動吸收峰，1 287cm－1處為環(huán)氧化物環(huán)的骨架振動吸收峰，1 246cm－1處為芳香族醚C― O―C 鍵不對稱伸縮振動吸收峰，916cm－1處是環(huán)醚C―O―C鍵不對稱伸縮振動吸收峰［12－14］.FTIR 的測試結(jié)果說明已經(jīng)成功制備了TEPPP.

2.2 NMR分析

圖3和4分別為TEPPP 的1H NMR 和13C NMR 譜圖.1H NMR（600 MHz，CDCl3）：δHf8.85～8.90（8H，s，CH），δHd8.12～8.17（8H，d，o－C6H4OC3H5O），δHe7.30～7.35（8H，d，m－C6H4OC3H5O），δHg－2.73（2H，s，－NH），以上均為卟啉結(jié)構(gòu)的氫質(zhì)子化學(xué)位移峰.此外在2.94～4.58內(nèi)的5個峰為環(huán)氧基團(tuán)氫質(zhì)子化學(xué)位移峰，δHa2.94～2.98（4H，m，oxirane ring CH2），δHa3.05～3.10（4H，t，oxirane ring CH2），δHb3.57～3.61（4H，m，oxirane CH），δHc4.26～4.31（4H，q，－O－CH2－oxirane ring），δHc4.52～4.58（4H，d d，－O－CH2－oxirane ring）；δHa，δHb和δHc處的細(xì)節(jié)圖與文獻(xiàn)［15］相符合.對δHa，δHa，δHb，δHc和δHc的位移峰積分，峰面積比為1:1:1:1:1，與TEPPP 中環(huán)氧基團(tuán)的不同氫原子數(shù)比一致.13C NMR（150 MHz，CDCl3，δ）：44.88，50.32，69.10，112.88，119.63，135.20，135.60，158.35.

圖2 TEPPP的FTIR 譜Fig.2 FTIR spectrum of TEPPP

圖3 TEPPP的1 H NMR（CDCl3）Fig.3 1 H NMR spectrum of TEPPP（CDCl3）

2.3 紫外譜圖分析

圖5是TEPPP的紫外可見光吸收譜.由譜圖可知，TEPPP的紫外光譜在420，517，553，590和647nm處出現(xiàn)吸收峰，與THPP［16］相似.卟啉類化合物在400～500nm 會出現(xiàn)1 個很強(qiáng)的特征譜帶Soret帶（B帶），這個帶被歸屬為卟啉π～π＊躍遷的第二電子激發(fā)態(tài)［17］.可見光區(qū)出現(xiàn)4個譜帶（Q 帶），分別在520，550，590和650nm 左右，這是由于卟吩環(huán)上共軛大π鍵軌道上的電子吸收能量從HOMO 激發(fā)到LUMO，即發(fā)生π～π＊躍遷所引起的，被歸屬為卟啉π～π＊躍遷的第一電子激發(fā)態(tài)［17］.

圖4 TEPPP的13C NMR 譜圖（CDCl3）Fig.4 13C NMR spectrum of TEPPP（CDCl3）

圖5 TEPPP的紫外可見光吸收譜Fig.5 UV－Vis absorption spectrum of TEPPP

2.4 熒光譜圖分析

圖6為THPP和TEPPP的熒光光譜.由圖6可知，在相同測試條件下，濃度分別為1×10－5mol／L 的THPP和TEPPP的DMF溶液分別有2個發(fā)光峰，峰位分別在662，724nm 和659，721nm 處.由3圖對比看出TEPPP的熒光強(qiáng)度要高于THPP的熒光強(qiáng)度，因此，引入環(huán)氧基團(tuán)后大大增強(qiáng)了THPP的熒光強(qiáng)度.以四苯基卟啉（TPP）為參比物質(zhì)，利用參比法按照公式φu＝φs（Fu／Fs）（As／Au）測定THPP和TEPPP的熒光量子產(chǎn)率［15］，其中φu 和φs 分別為樣品和參比物質(zhì)的熒光量子產(chǎn)率，F(xiàn)u和Fs分別為樣品和參比物質(zhì)的積分熒光強(qiáng)度，Au和As分別為樣品和參比物質(zhì)對該激發(fā)波長入射光的吸光度.要求待測樣品和參比物質(zhì)的DMF稀溶液在激發(fā)波長處的紫外吸光度低于0.05.TPP的φs 為0.11［18］，實(shí)驗(yàn)中測得Fs為17 132，THPP和TEPPP的積分熒光強(qiáng)度Fu分別為15 833和31 136，TPP的As為0.033，THPP和TEPPP的吸光度Au分別為0.042和0.040.經(jīng)過計(jì)算得出THPP和TEPPP的熒光量子產(chǎn)率分別為0.08和0.16.

圖6 THPP和TEPPP的熒光光譜Fig.6 Fluorescence spectra of THPP and TEPPP

3 結(jié)論

以對羥基苯甲醛和吡咯為原料在硝基苯、冰乙酸和正丙酸的混合溶劑中合成了THPP，進(jìn)而在氫氧化鈉的催化下THPP與ECH 反應(yīng)合成了含有環(huán)氧基團(tuán)的卟啉單體TEPPP，并對TEPPP 進(jìn)行了FTIR 和NMR 表征，F(xiàn)TIR 譜圖中，1 349cm－1和916cm－1處為TEPPP卟啉環(huán)中C＝N 鍵伸縮振動吸收峰和環(huán)氧化物環(huán)的（C―O―C鍵）不對稱伸縮振動吸收峰.1H NMR 譜圖中，在2.94～4.58內(nèi)的5個位移峰峰面積比為1:1:1:1:1，與TEPPP中環(huán)氧基團(tuán)的不同氫原子數(shù)比相一致.UV－Vis譜圖中，TEPPP在420，517，553，590和647nm 處出現(xiàn)吸收峰.熒光譜圖中，THPP和TEPPP分別在662，724nm 和659，721nm 處有2個發(fā)光峰，THPP和TEPPP的熒光量子產(chǎn)率分別為0.08和0.16.

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