Fmoc保護(hù)氨基酸-卟啉化合物的設(shè)計(jì)合成與光譜性能研究

劉曉星,甄亞枝,邢曉麗,陶敏莉

(1.天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，天津 300072;2.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072)

Fmoc保護(hù)氨基酸-卟啉化合物的設(shè)計(jì)合成與光譜性能研究

劉曉星1,2,甄亞枝1,2,邢曉麗1,2,陶敏莉1,2

(1.天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，天津 300072;2.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072)

摘要：為了獲得結(jié)構(gòu)和性能更加接近天然卟啉的合成卟啉化合物，采用Fmoc保護(hù)氨基酸(甘氨酸、纈氨酸、L-酪氨酸)，將氨基酸引入卟啉體系，設(shè)計(jì)合成了系列新型卟啉-氨基酸化合物，并對其光譜性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在合成以酯鍵相連的卟啉-氨基酸化合物時(shí)，甘氨酸、纈氨酸反應(yīng)生成含有2個(gè)氨基酸單元的化合物，L-酪氨酸生成含1個(gè)氨基酸單元的化合物。在合成以酰胺鍵相連的化合物時(shí)，反應(yīng)得到含有1個(gè)氨基酸單元的化合物。卟啉的光譜性能不因不同F(xiàn)moc保護(hù)氨基酸單元的引入而改變。

關(guān)鍵詞：Fmoc保護(hù)；卟啉-氨基酸化合物；互變異構(gòu)；光譜性能

卟啉化合物是細(xì)胞色素、葉綠素及血紅蛋白等生物大分子的核心部分，在生物體系中有著十分重要的作用。氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單元，引入氨基酸側(cè)鏈對卟啉環(huán)進(jìn)行修飾，可使人工合成的卟啉化合物在結(jié)構(gòu)和性能上更加接近天然卟啉，有利于模擬生物過程[1]。

氨基酸含有1個(gè)堿性氨基和1個(gè)酸性羧基，可形成內(nèi)鹽。氨基活性比羧基高，當(dāng)以羧基為反應(yīng)基團(tuán)時(shí)，需要易于脫去的基團(tuán)保護(hù)分子中的氨基。在眾多的氨基保護(hù)方法中， Boc(叔丁氧羰基)保護(hù)法和Fmoc(9-芴甲氧羰基)保護(hù)法最常用且互補(bǔ)。Boc保護(hù)法適用于堿性條件， Fmoc保護(hù)法適用于酸性條件[3-4]。作者采用Fmoc保護(hù)法對氨基酸中的氨基進(jìn)行保護(hù)，再用SOCl2活化羧基，將氨基酸(甘氨酸、纈氨酸、L-酪氨酸)引入卟啉體系，設(shè)計(jì)合成了系列新型卟啉-氨基酸衍生物，對其光譜性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并對其生成機(jī)理進(jìn)行了探討。

1實(shí)驗(yàn)

1.1　試劑與儀器

所用試劑均為分析純。CH2Cl2用CaH2回流干燥；吡咯、SOCl2用前重餾；5-對羥基苯基-10,15,20-三萘基卟啉(TNPPOH)、5-對氨基苯基-10,15,20-三苯基卟啉(ATPP)的合成參照文獻(xiàn)[5-6]。

VG ZAB-HS與Finnigan LCQ型質(zhì)譜儀；Bruker 400 MHz型核磁共振儀；Varian CARY ECLIPSE型熒光分光光度計(jì)；Thermo Spectronic,Helios Gamma型紫外可見光譜儀； LP920型激光閃光光解光譜儀。

1.2　方法

1.2.1Fmoc保護(hù)氨基酸的合成(圖1)

1)1a的合成

向單口燒瓶中加入甘氨酸0.3 g(3.9 mmol)、K2CO3水溶液8.3 mL(10%質(zhì)量分?jǐn)?shù))，冰浴冷卻至5 ℃以下。將芴甲氧羰酰琥珀酰亞胺1.1 g(Fmoc-OSu,3.3 mmol)溶于7.5 mL 1,4-二氧六環(huán)中，快速倒入反應(yīng)液中，室溫?cái)嚢?0 min。加100 mL水稀釋，用乙醚萃取除去油溶性雜質(zhì)。在控制水相溫度不超過5 ℃的條件下，用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值至2， 乙酸乙酯萃取，有機(jī)相用30 mL水洗滌2次，再用30 mL 飽和食鹽水溶液洗滌1次，干燥，過濾，減壓蒸餾得1a 1.02 g，收率88.0%。熔點(diǎn)177～178 ℃(文獻(xiàn)[7]值：174～175 ℃)。

圖1　Fmoc保護(hù)氨基酸的合成路線Fig.1　Synthetic routes of Fmoc-amino acid

2)1b的合成

以纈氨酸為原料，按上述方法合成，無水MgSO4干燥，過濾，蒸除溶劑，用100 mL石油醚和10 mL CH2Cl2重結(jié)晶得1b 0.97 g，收率82.3%。熔點(diǎn)142～143 ℃(文獻(xiàn)[8]值：142～144 ℃)。

3)1c的合成

將L-酪氨酸0.9 g(5 mmol)溶于15 mL四氫呋喃和10 mL水中，加入NaOH水溶液5 mL(1 mol·L-1)，并在攪拌下加入Fmoc-OSu 1.69 g(5 mmol)，反應(yīng)液用NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH值至7，繼續(xù)攪拌6 h。向上述溶液中加入固體檸檬酸1.5 g，乙酸乙酯萃取，有機(jī)相用30 mL檸檬酸水溶液(10%質(zhì)量分?jǐn)?shù))洗滌2次，飽和食鹽水溶液洗滌1次，干燥，過濾，蒸除溶劑，用CH2Cl2重結(jié)晶得1c 1.74 g，收率89.4%。熔點(diǎn)126～130 ℃(文獻(xiàn)[9]值：120～124 ℃)。

1.2.2以酰胺鍵相連的卟啉-氨基酸化合物的合成(圖2)

稱取1a~1c 0.5 mmol溶于10 mL干燥CH2Cl2中，加入3 mL新蒸SOCl2，在55~60 ℃條件下反應(yīng)2 h。反應(yīng)完成后，多次加入干燥CH2Cl2，減壓蒸餾除去殘余的SOCl2。45 ℃真空干燥過夜，得到中間體2a~2c。

將5-對氨基苯基-10,15,20-三苯基卟啉20 mg(0.03 mmol)溶于5 mL干燥CH2Cl2中，加入三乙胺0.1 mL，冰浴冷卻至5 ℃以下。向反應(yīng)液中緩慢滴入溶于10 mL干燥CH2Cl2的中間體2a~2c，薄層色譜跟蹤反應(yīng)至原料點(diǎn)消失，蒸除溶劑，柱色譜分離提純(CH2Cl2/乙酸乙酯)，得藍(lán)紫色固體，3a：27 mg，收率93.7%；3b：28 mg，收率92.7%；3c：26 mg，收率80.7%。

圖2　以酰胺鍵相連的卟啉-氨基酸化合物的合成路線Fig.2　Synthetic routes of the porphyrin-amino acid adducts connected by amide bond

1.2.3以酯鍵相連的卟啉-氨基酸化合物的合成(圖3)

將5-對羥基苯基-10,15,20-三萘基卟啉20 mg(0.025 mmol)溶于5 mL干燥CH2Cl2中，加入三乙胺0.1 mL，冰浴冷卻至5 ℃以下。向反應(yīng)液中緩慢滴加溶于10 mL干燥CH2Cl2的中間體2a~2c，冰浴反應(yīng)30 min后，室溫反應(yīng)24 h，蒸除溶劑，柱色譜分離提純(CH2Cl2/乙酸乙酯)，得藍(lán)紫色固體，4a：5 mg，收率17.4%；4b：6 mg，收率19.4%；4c：12 mg，收率40.1%。

2結(jié)果與討論

2.1　卟啉-氨基酸化合物的合成

當(dāng)羥基卟啉與Fmoc保護(hù)甘氨酸和纈氨酸縮合時(shí)，得到了含有2個(gè)氨基酸單元的化合物f(4a，4b)，而并未得到預(yù)期產(chǎn)物d?？赡艿姆磻?yīng)過程如圖4所示。

圖3以酯鍵相連的卟啉-氨基酸化合物的合成路線

Fig.3Synthetic routes of the porphyrin-amino acid adducts connected by ester bond

圖4　2個(gè)氨基酸單元化合物的可能的生成過程Fig.4　The process that may generate two amino acid units adducts

在生成含有1個(gè)氨基酸單元的化合物d后，羰基氧與氨基氫發(fā)生氫鍵作用，形成五元環(huán)過渡態(tài)e，氨基的親核性增強(qiáng)，與反應(yīng)液中過量的酰氯繼續(xù)反應(yīng)，最終生成含有2個(gè)氨基酸單元的化合物f。f中*標(biāo)記的羰基氧與*標(biāo)記的氨基氫作用，無法活化**標(biāo)記的氨基，不再繼續(xù)反應(yīng)。為了驗(yàn)證上述推論，將含有2個(gè)氨基酸單元的化合物4a與過量的2b在常溫下反應(yīng)48 h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)并未生成含有3個(gè)氨基酸單元的目標(biāo)產(chǎn)物。

另外，含有2個(gè)氨基酸單元側(cè)鏈化合物的生成，是進(jìn)攻五元環(huán)背面的氮原子，空間位阻過大的取代基不再繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。L-酪氨酸具有較大的空間位阻，使反應(yīng)停留在1個(gè)氨基酸單元階段，生成化合物4c。

當(dāng)Fmoc保護(hù)氨基酸與氨基卟啉縮合時(shí)，首先生成含有1個(gè)氨基酸單元的酰胺結(jié)構(gòu)，因存在酰胺與烯醇胺的互變異構(gòu)(圖5)，無法形成五元環(huán)過渡態(tài)，羰基氧不再對氨基進(jìn)行活化，因此不再進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)。

圖5　酰胺鍵的異構(gòu)化Fig.5　Tautomerism of amide bond

2.2　化合物穩(wěn)態(tài)光譜性能研究

2.2.1紫外可見吸收光譜

卟啉-氨基酸化合物的紫外可見吸收光譜數(shù)據(jù)如表1所示(溶劑為CH2Cl2，濃度為5×10-6mol·L-1)。

表1　卟啉-氨基酸化合物的紫外可見吸收光譜數(shù)據(jù)/nmTab.1　UV-Vis Absorption spectral data of porphyrin-amino acid adducts/nm

由表1可知，所有Fmoc保護(hù)氨基酸-卟啉化合物均具有自由堿卟啉的特征吸收光譜?；衔?a~3c、4a~4c的吸收峰位置相近，這表明卟啉的光譜性能不因不同F(xiàn)moc保護(hù)氨基酸的引入而改變。

2.2.2熒光光譜

以酰胺鍵相連得到的卟啉-氨基酸化合物的熒光光譜如圖6所示(溶劑為CH2Cl2，濃度為5×10-6mol·L-1)。

由圖6可知，與紫外可見吸收光譜相對應(yīng)，化合物3b、3c發(fā)射峰的位置、強(qiáng)度也幾乎一致，發(fā)射波長較母體卟啉發(fā)生藍(lán)移，這表明化合物3b、3c的激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能級(jí)差增大。

圖6　以酰胺鍵相連的卟啉-氨基酸化合物的熒光發(fā)射光譜Fig.6　Fluorescence emission spectra of porphyrin-amino acid adducts connected by amide bond

以酯鍵相連的卟啉-氨基酸化合物的熒光光譜及在590 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)如表2所示(溶劑為CH2Cl2，濃度為5×10-6mol·L-1)。

表2　以酯鍵相連的卟啉-氨基酸化合物的熒光光譜數(shù)據(jù)/nmTab.2　Foluorescence spectral data of porphyrin-amino acid adducts connected by ester bond/nm

由表2可知，以最大吸收波長的光為激發(fā)光時(shí)，化合物的發(fā)射波長較相應(yīng)的母體卟啉發(fā)生不同程度藍(lán)移;在590 nm下激發(fā)，化合物的發(fā)射光譜與最大吸收波長激發(fā)下的發(fā)射光譜一致。這是由于分子吸收不同能量的光量子后，無論被激發(fā)到哪一個(gè)激發(fā)態(tài)上，都會(huì)很快通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換和振動(dòng)弛豫回到第一激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)上，并且這些非輻射去活化過程的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由較高激發(fā)態(tài)直接發(fā)射光子回到基態(tài)的速度，因此電子最終都從第一激發(fā)態(tài)最低振動(dòng)能級(jí)輻射躍遷回到基態(tài)的各振動(dòng)能級(jí)上，所以不同激發(fā)波長下的發(fā)射光譜是相同的。

2.3　化合物瞬態(tài)光譜性能研究

圖7為Fmoc保護(hù)氨基酸-卟啉化合物3a的瞬態(tài)吸收光譜，該化合物在540 nm、570 nm、615 nm、675 nm、780 nm處出現(xiàn)吸收峰。與母體卟啉的瞬態(tài)吸收光譜一致,歸屬為卟啉三重態(tài)特征吸收，卟啉陽離子自由基P+的特征吸收沒有出現(xiàn)，說明體系中沒有發(fā)生分子內(nèi)的電子傳遞，F(xiàn)moc保護(hù)氨基酸的引入對卟啉化合物的光學(xué)性能沒有明顯的影響。由于氧氣對激發(fā)三重態(tài)有很強(qiáng)的猝滅作用，因此三重態(tài)壽命會(huì)因空氣的通入而明顯縮短，如圖8所示。

圖7　化合物3a的瞬態(tài)吸收光譜Fig.7　Transient absorption spectrum of compound 3a

圖8　化合物3a在570 nm處的動(dòng)力學(xué)衰減曲線Fig.8　Kinetic decay curves of compound 3a at 570 nm

2.4　結(jié)構(gòu)表征

3a：1HNMR (CDCl3),δ:-2.78(s,2H),4.16(s,2H),4.26~4.28(m,1H),4.53~4.55(d,J=5.2 Hz,2H),5.79(s,1H),7.24~7.30(m,2H),7.31~7.38(m,2H),7.62~7.70(m,2H),7.71~7.77(m,11H),7.87~7.89(d,J=6.4 Hz,2H),8.15~8.22(m,8H),8.59(s,1H),8.84(s,8H);ESI-MS(m/z):909.5(M++1),731.4,687.5。

3b：1HNMR (CDCl3),δ:-2.77(s,2H),1.12(m,6H),2.20(s,1H),4.28~4.32(m,1H),4.47(s,1H),4.57~4.59(d,J=6.4 Hz,2H),5.47(s,1H),7.26~7.36(m,2H),7.39~7.43(m,2H),7.61~7.67(m,2H),7.71~7.79(m,11H),7.92~7.99(m,2H),8.17~8.23(m,8H),8.47(s,1H),8.86(s,8H);ESI-MS(m/z):951.5(M++1),773.3,729.5。

3c：1HNMR (CDCl3),δ:-2.78(s,2H),3.21(s,2H),4.23~4.27(t,1H),4.51~4.53(m,2H),4.64(s,1H),5.61(s,1H),6.81~6.83(d,J=7.6 Hz,2H),7.19(s,2H),7.26~7.33(m,2H),7.38~7.41(m,2H),7.57~7.61(m,2H),7.71~7.77(m,13H),8.13~8.23(m,8H),8.58(s,1H),8.85(s,8H);ESI-MS(m/z):1 015.4(M++1),849.3,837.2,793.3。

4a：1HNMR (CDCl3),δ:-2.38(s,2H),4.03(s,4H),4.26(s,1H),4.50(s,2H),5.43(s,1H),6.63(s,1H),7.58~7.67(m,13H),7.74~7.87(m,6H),8.12~8.29(m,14H),8.48(s,4H),8.58(s,2H),8.74(s,2H);FAB-MS(m/z):1 117.1(M+)。

4b：1HNMR(CDCl3),δ:-2.38(s,2H),4.03(s,4H),4.26(s,1H),4.50(s,2H),5.55(m,1H),6.55(m,1H),7.46~7.55(m,13H),7.76~7.88(m,6H),8.09~8.31(m,14H),8.48(s,4H),8.59(s,2H),8.75(s,2H);FAB-MS(m/z):1 201.3(M+)。

4c：1HNMR (CDCl3),δ:-2.39(s,2H),3.32~3.40(m,2H),4.26~4.44(m,1H),4.47~4.55(m,2H),5.01(s,1H),5.44~5.45(d,J=5.2 Hz,1H),6.83~6.85(d,J=8.0 Hz,2H),7.11(s,2H),7.33~7.57(m,11H),7.62~7.68(m,2H),7.77~7.87(m,6H),8.09~8.29(m,14H),8.47(s,4H),8.59(s,2H),8.75(s,2H),10.00(s,1H);ESI-MS(m/z):1 166.4(M+),988.4,944.2,781.3。

3結(jié)論

采用Fmoc保護(hù)氨基酸，SOCl2活化氨基酸中羧基，向卟啉體系中引入氨基酸側(cè)鏈，合成了6個(gè)未見文獻(xiàn)報(bào)道的新型卟啉-氨基酸化合物，并對其光譜性能進(jìn)行了研究。在合成以酯鍵相連的卟啉-氨基酸化合物時(shí)，氨基酸中的氨基受鄰近羰基的活化，進(jìn)一步反應(yīng)生成含有2個(gè)氨基酸單元的化合物,因L-酪氨酸具有較大的空間位阻，反應(yīng)生成含1個(gè)氨基酸單元的化合物。在合成以酰胺鍵相連的化合物時(shí)，由于存在酰胺與烯醇胺的互變異構(gòu)，無法形成五元環(huán)過渡態(tài)，羰基氧原子不再對氨基進(jìn)行活化，因此不發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，得到含1個(gè)氨基酸單元的化合物。卟啉-氨基酸化合物的光譜性能不因不同F(xiàn)moc保護(hù)氨基酸的引入而改變，這為設(shè)計(jì)合成含有氨基酸基團(tuán)的卟啉衍生物奠定了基礎(chǔ)。

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Synthesis and Spectral Property Study of Fmoc-Protected Porphyrin-Amino Acid Adducts

LIU Xiao-xing1,2,ZHEN Ya-zhi1,2,XING Xiao-li1,2,TAO Min-li1,2

(1.DepartmentofChemistry,SchoolofSciences,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;

2.CollaborativeInnovationCenterofChemicalScienceandEngineering(Tianjin),

Tianjin300072,China)

Abstract：To obtain the porphyrins similar to the natural ones in structure and properties,novel porphyrin-amino acid adduct protected by Fmoc were synthesized and their spectral properties were investigated.Results showed that,two amino acid units porphyrin adducts(with glycine,valine) and one amino acid unit prophyrine adduct(with L-tyrosin) were obtained when Fmoc-amino acid reacted with hydroxy porphyrins by ester bond.Porphyrin adducts containing one amino acid unit were formed when Fmoc-amino acid was condensed with aminoporphyrins by amide bond.The introduction of different Fmoc-amino acids had litttle influence on spectral properties of porphyrins.

Keywords：Fmoc-protected;porphyrin-amino acid adduct;tautomerism;spectral property

中圖分類號(hào)：O 626.13

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5425(2015)05-0020-06

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2015.05.005

作者簡介：劉曉星(1990-)，女，河北衡水人，碩士研究生，研究方向：卟啉衍生物的合成與研究，E-mail：lxx@tju.edu.cn；通訊作者：陶敏莉，副研究員，E-mail：mltao@tju.edu.cn。

收稿日期：2015-02-06

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21306133)，天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(14JCYBJC22600)