咔咯化學(xué)研究的新進(jìn)展*

張來(lái)新，趙衛(wèi)星

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

咔咯（Corrole）是由4 個(gè)吡咯環(huán)共軛相連而形成的新型卟啉類大環(huán)化合物，在分子結(jié)構(gòu)上和卟啉及酞菁等有一定的相似性，但咔咯分子中存在一個(gè)直接聯(lián)結(jié)兩個(gè)吡咯環(huán)的C-C 鍵。和卟啉結(jié)構(gòu)相比，但咔咯分子比卟啉環(huán)缺少一個(gè)20 一位碳原子，故其結(jié)構(gòu)對(duì)稱性比卟啉差。由于成環(huán)碳原子數(shù)較卟啉少一個(gè)，故分子的內(nèi)腔也有所縮小。但咔咯分子的大鍵體系有較大的電荷密度，而且分子中具有3 個(gè)容易發(fā)生酸式解離的亞胺基團(tuán)，故能穩(wěn)定結(jié)合具有較高氧化態(tài)的金屬離子[1]。在1960年Johnson 等人發(fā)表了世界上第一篇有關(guān)咔咯的文章，但由于當(dāng)時(shí)介紹的咔咯配合物的合成和提純比較困難，故在此后30年中人們對(duì)咔咯配合物的研究比較緩慢。近20年來(lái)，隨著新的合成方法的出現(xiàn)和純化技術(shù)的提高，才使咔咯配合物的研究蓬勃發(fā)展。目前已形成了一門獨(dú)立的新興熱門邊緣學(xué)科——咔咯化學(xué)。由于咔咯有可絡(luò)合金屬離子（客體分子或離子）的內(nèi)孔腔，故咔咯作為一門植根深遠(yuǎn)的新興邊緣學(xué)科，目前已滲透到眾多新興學(xué)科領(lǐng)域，即咔咯作為一類非常重要的多功能配合物，由于它們具有獨(dú)特的光化學(xué)、電化學(xué)、物理和光生物性質(zhì)，故在精細(xì)工業(yè)催化、抗腫瘤光敏劑、燃料電池電極催化材料、電化學(xué)傳感器、納米材料以及非線性光學(xué)材料等方面彰顯出廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1 新型咔咯配合物的合成及在催化科學(xué)中的應(yīng)用

1.1 鐵咔咯在醛的烯烴化反應(yīng)中的催化作用

鐵咔咯在烯烴的氧化、環(huán)丙烷化及插入反應(yīng)方面有很好的催化活性。最近，在環(huán)氧化物與CO2的共聚、二烯與醛的[4+2]環(huán)加成反應(yīng)上的應(yīng)用，進(jìn)一步表明鐵咔咯是一類具有潛在應(yīng)用價(jià)值的催化劑。而C=C 雙鍵的構(gòu)建，是有機(jī)化學(xué)永恒的研究課題之一。為此，華南理工大學(xué)的鄒懷波等人設(shè)計(jì)合成了四個(gè)具有不同推拉電子效應(yīng)的鐵咔咯[3]，并研究了他們對(duì)醛的烯烴化反應(yīng)的催化活性，以苯甲醛為底物時(shí)，其烯烴化產(chǎn)物的分離產(chǎn)率為86%以上。該研究將在有機(jī)合成及工業(yè)催化領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 鐵咔咯對(duì)苯乙烯的催化氧化

咔咯是卟啉的一種類似物，在催化科學(xué)方面有著較大的應(yīng)用前景。將金屬咔咯應(yīng)用于催化，而對(duì)錳咔咯、鐵咔咯的研究則更少。近年來(lái)相繼有一些鐵咔咯的催化氧化的報(bào)導(dǎo)，分別有烷烴的羥基化、烯烴的氧化及醇類的氧化等等。為此，華南理工大學(xué)的陽(yáng)紅等人合成了iron（IV）5,10,15-tvis（pheng）corrole（TPC）FeIVCl，并以叔丁基過(guò)氧化氫為氧源在乙腈溶劑中對(duì)其催化氧化苯乙烯的性質(zhì)進(jìn)行了研究，氧化產(chǎn)物通過(guò)氣相色譜分析得出其主要為苯甲醛、苯乙醛、環(huán)氧苯乙烷3 種，其反應(yīng)的主要產(chǎn)物為苯甲醛而非環(huán)氧化物，反應(yīng)1h 內(nèi)產(chǎn)物的產(chǎn)率迅速上升，之后上升速率緩慢[4]。有文獻(xiàn)報(bào)道，咔咯/叔丁基過(guò)氧化氫體系的催化是經(jīng)過(guò)自由基歷程的。該研究將在有機(jī)合成及工業(yè)催化方面得到應(yīng)用。

1.3 咔咯錳對(duì)烯烴的催化氧化活性研究

金屬咔咯配合物可用作多種反應(yīng)的催化劑，為此，華南理工大學(xué)的王琦等人合成了4 種錳咔咯配合物作催化劑，以叔丁基過(guò)氧化氫為氧源，苯乙烯作底物，分別在甲苯和N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）中進(jìn)行催化氧化反應(yīng)，其結(jié)果表明，產(chǎn)物中有苯甲醛、環(huán)氧苯乙烯和苯乙酮，但主要產(chǎn)物均為苯甲醛，且在甲苯中的催化反應(yīng)產(chǎn)率明顯高于DMAC 中[5]。該研究同樣將在有機(jī)合成及工業(yè)催化方面得到應(yīng)用。

2 新型咔咯配合物的合成及在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

2.1 磺酸咔咯錳配合物與人血清蛋白的相互作用

近年來(lái)，水溶性咔咯在生物無(wú)機(jī)中的應(yīng)用研究引起了化學(xué)工作者的興趣，研究表明，它們具有用做藥物的巨大潛力，其中水溶性較大的磺酸咔咯及其金屬配合物可用于熒光探針、腫瘤診斷和腫瘤治療方面。為此，華南理工大學(xué)的張陽(yáng)等人利用熒光光譜研究了磺酸錳咔咯（A）與人血清蛋白（HSA）的相互作用，采用結(jié)合位點(diǎn)標(biāo)記藥物——華法林和布洛芬分別作為結(jié)合位點(diǎn)I 和II 探針探究了磺酸錳咔咯與HAS 的結(jié)合位點(diǎn)。隨著A 的加入HAS 熒光被逐漸淬滅，并發(fā)現(xiàn)華法林的加入雖然引起了HAS熒光最高峰紅移和強(qiáng)度增大，但其對(duì)熒光的淬滅程度的影響并不明顯；而布洛芬的加入則明顯減小了HAS 熒光的淬滅程度，說(shuō)明布洛芬對(duì)A 的相互作用產(chǎn)生了影響[6]。該研究將在熒光探針、腫瘤診斷和腫瘤治療方面得到應(yīng)用。

2.2 羧酸咔咯與DNA 的相互作用

DNA 是生物體內(nèi)重要的遺傳物質(zhì)，研究化合物與DNA 的相互作用對(duì)DNA 探針、靶向抗癌藥物和人工模擬核酸酶等開發(fā)均有重要意義。為此，華南理工大學(xué)的聞金燕等人通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜和熒光光譜研究了羧酸咔咯（A）和DNA 之間的相互作用。研究表明，隨著CT-DNA 的加入和濃度的加大，羧酸咔咯吸收光譜的Soret 帶發(fā)生了16%的減色效應(yīng)和微小的紅移，即表明A 和DNA 相互作用可能是以一種外部結(jié)合模式。熒光光譜法也被用來(lái)探測(cè)A 和DNA 相互作用的模式，A 的熒光強(qiáng)度隨著CT-DNA 濃度的不斷增大而逐漸減小，說(shuō)明A 與CT-DNA 發(fā)生了較強(qiáng)的結(jié)合，而紫外光譜的不明顯變化說(shuō)明兩者發(fā)生的可能是外部結(jié)合，據(jù)此他們認(rèn)為A 與CT-DNA 通過(guò)外部結(jié)合模式相互作用[7]。該研究將在DNA 探針、靶向抗癌藥物和人工核酸酶等開發(fā)中均有重要意義。

2.3 一種新型多羥基咔咯衍生物的合成及應(yīng)用

眾所周知，咔咯是一類比卟啉少一個(gè)“meso”位碳原子的超分子主體大環(huán)化合物，其具有獨(dú)特的理化性質(zhì)。在生物化學(xué)方面，水溶性咔咯與DNA 作用及抗腫瘤活性研究吸引著眾多科學(xué)家們的研究興趣。為此，華南理工大學(xué)的梁振華等人利用tpfc 對(duì)位氟有一定活性的性質(zhì)，在tpfc 外圍進(jìn)行非離子型的羥基修飾，旨在改善化合物的水溶性及生物相容性，以期化合物在與DNA 作用及抗腫瘤方面有較好的活性[8]。他們以DMSO 為溶劑，tpfc 與過(guò)量的乙醇胺回流反應(yīng)2h，二氯甲烷萃取，旋干溶劑，柱層析分離，所用洗脫劑為二氯甲烷∶甲醇=95∶5，所得一種紅紫色新型多羥基咔咯衍生物，產(chǎn)率為80%。該研究將在抗腫瘤活性中得到應(yīng)用。

3 新型金屬咔咯配合物的合成及在材料科學(xué)和光化學(xué)方面的應(yīng)用

3.1 鋁咔咯配合物的發(fā)光性質(zhì)研究

金屬鋁和鎵咔咯配合物在光驅(qū)動(dòng)分子器件、染料敏化太陽(yáng)能電池、熒光探針等領(lǐng)域有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景，鋁和鎵咔咯具有大的熒光量子產(chǎn)率、雙熒光體系以及易于制備水溶性衍生物的特點(diǎn)，因而在甲苯-吡啶混合溶劑體系中，鋁和鎵咔咯可建立五配位-六配位的結(jié)合-分解平衡。為此，華南理工大學(xué)的何霜等人首先合成了具有氟取代苯基的5,15-二五氟苯基，10-苯基咔咯的鋁金屬配合物，并探究了其在甲苯溶液中的發(fā)光性質(zhì)[9]。該研究將在材料科學(xué)、能源科學(xué)及光化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

3.2 鎵（III）咔咯與DNA 相互作用的圓二色光譜研究

近年來(lái)，咔咯在分子生物學(xué)方面的應(yīng)用得到了科學(xué)工作者的關(guān)注。水溶性咔咯與DNA 相互作用研究對(duì)探索新型人工核酸酶以及光動(dòng)力學(xué)治療方面有著重要意義。為此，華南理工大學(xué)的黃俊騰等人合成了鎵（III）咔咯水溶性配合物（A），利用圓二色光譜（CD）研究了其與小牛胸腺DNA（ct-DNA）的相互作用，研究表明，ct-DNA 表現(xiàn)出一個(gè)由堿基等堆積引起的正CD 峰（275nm）和一個(gè)由DNA 螺旋引起的負(fù)CD 峰（246nm）。加入配合物A 后，DNA 的兩個(gè)特征峰均有不同程度的減弱，表明了配合物A和ct-DNA 發(fā)生了相互作用[10]。該研究將在生物化學(xué)、生物物理及醫(yī)學(xué)學(xué)科中得到應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

眾所周知，咔咯作為一類環(huán)收縮一個(gè)碳原子的卟啉類化合物，具有與卟啉和維他命B12 的核心咕啉相似的骨架結(jié)構(gòu)。自由堿咔咯通常作為三價(jià)陰離子形成配合物來(lái)穩(wěn)定高價(jià)金屬離子（Fe、Mn、Cr等），由于咔咯與卟啉有著相似的結(jié)構(gòu)，故在許多方面咔咯都具有可以與卟啉化合物相媲美的性能和應(yīng)用前景，如在催化、抗腫瘤治療、電化學(xué)、光化學(xué)、模擬酶、生物化學(xué)活性、生物物理活性、醫(yī)學(xué)、納米材料和非線性光學(xué)材料等方面有相似的性能和用途。我們堅(jiān)信，隨著人們對(duì)咔咯化學(xué)研究的不斷深入，咔咯化學(xué)這朵艷麗之花必將在為人類文明進(jìn)步、可持續(xù)發(fā)展及造福人類方面結(jié)出豐碩成果。

［1］AvivI,GrossZ.Corrole-based applications［J］.Chem.Commun.,2007,（20）:1987-1999.

［2］GrossZ.High-valentcorrolemetalcomplexes［J］.J.Biol.Inorg.Chem.,2001,6（7）:733-738.

［3］鄒懷波,應(yīng)曉,劉海洋.鐵咔咯在醛的烯烴化反應(yīng)中的催化應(yīng)用［C］. 全國(guó)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(huì)論文集.吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月:200-201.

［4］陽(yáng)紅,章浩,劉海洋.鐵咔咯對(duì)苯乙烯的催化氧化［C］.全國(guó)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(huì)論文集.吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月:202-203.

［5］王琦,劉海洋.咔咯對(duì)烯烴的催化氧化活性［C］.全國(guó)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(huì)論文集. 吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月:203-204.

［6］張陽(yáng),聞金燕,劉海洋.磺酸咔咯錳配合物與人血清蛋白的相互作用［C］.全國(guó)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(huì)論文集.吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月:248-249.

［7］聞金燕,張陽(yáng),王惠,等.羧酸咔咯與DNA 的相互作用［C］.全國(guó)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(huì)論文集.吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月:250-251.

［8］梁振華,肖新穎,劉海洋.一種多羥基咔咯衍生物的合成［C］.全國(guó)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(huì)論文集.吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月:255-256.

［9］何霜,劉海洋.鋁咔咯配合物的發(fā)光性質(zhì)［C］.全國(guó)第十六屆大環(huán)化學(xué)暨第八屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.江蘇揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué)，2012年10月249-250.

［10］黃俊騰,張陽(yáng),劉海洋.鎵（III）咔咯與DNA 相互作用的圓二色光譜研究［C］.全國(guó)第十六屆大環(huán)化學(xué)暨第八屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.江蘇揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué)，2012年10月:106-107.