生物體中卟啉化合物的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

付偉

摘要：卟啉化合物是現(xiàn)代生物和化學(xué)科學(xué)鄰域中重要的研究分支之一，文章主要講述了卟啉化合物的結(jié)構(gòu)特征，并介紹了卟啉在多領(lǐng)域中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：卟啉的結(jié)構(gòu);金屬卟啉;應(yīng)用

卟啉（porphyrins）是在卟吩環(huán)（porphin）上含有取代基的一類(lèi)具備共軛大環(huán)化合物的總稱(chēng)。卟啉化合物是自然界生物體中存才在的一類(lèi)具備特殊生理活性的復(fù)雜含氮有機(jī)物，對(duì)生物體的代謝過(guò)程起著至關(guān)重要的作用。如可使綠色植物順利的完成光合作用的鎂卟啉化合物（葉綠素）;動(dòng)物體內(nèi)的鐵卟啉化合物（血紅蛋白、肌紅蛋白、輔基血紅素）幫助對(duì)氧的傳遞（血紅蛋白）、能量?jī)?chǔ)存（肌紅蛋白）及活化細(xì)胞（細(xì)胞色素p-450）;以及鈷卟啉化合物（維生素B12）可幫助人體及時(shí)補(bǔ)充維生素B12。此類(lèi)化合物在生命過(guò)程中具有獨(dú)特的生理和光學(xué)功效，如活性極高、選擇性突出等，但由于其資源短缺，遇光遇熱易分解失活而是其受限制，不能在工業(yè)中大規(guī)模生產(chǎn)。再結(jié)合其分子的剛?cè)犭p性，高度的共軛穩(wěn)定性，故人們一直努力模擬天然卟啉所具備的生物功能來(lái)人工合成人工卟啉，并將其運(yùn)用到實(shí)際生活中去。目前已在生物化學(xué)、生物仿生、醫(yī)藥領(lǐng)域、能源環(huán)保等領(lǐng)域皆有重要成就。本文主要對(duì)卟啉化合物的結(jié)構(gòu)特征及實(shí)際應(yīng)用作一具體介紹。

1? 卟啉化合物的結(jié)構(gòu)特征

卟啉是以卟吩為母體，在卟吩環(huán)碳上的氫原子被部分或者全部取代而得到的一系列的卟吩衍生物的總稱(chēng)。按照取代基的種類(lèi)和取代位置不同，而分為不同的種類(lèi)，具有不同的性質(zhì)。卟吩是由碳原子和氫原子組成的大π鍵，通過(guò)吡咯環(huán)和次甲基橋聯(lián)系形成，其中碳原子和氫原子sp2雜化方式，碳原子和氫原子上均剩余一個(gè)p軌道，則會(huì)形成特殊的多π電子離域結(jié)構(gòu)，其中發(fā)生了作用的電子是18個(gè)，符合休克爾規(guī)則。從而形成具有很強(qiáng)的芳香性和共軛穩(wěn)定性的卟啉化合物。一般有兩種命名法：Fishcher命名（圖1）和IUPAC命名法（圖2），圖1中的2、3、7、8、12、13、17、18位是吡咯環(huán)上的取代基，稱(chēng)為β位，5、10、15、20或α、γ、β、δ位是卟啉的中位（meso）取代，一般為苯基，取代苯基等。天然的卟啉化合物的形成通常是取代了吡咯環(huán)上的氫原子，也可采用人工方法來(lái)合成meso-四取代的卟啉。卟啉化合物中的卟吩環(huán)中有個(gè)較大的空穴（且環(huán)內(nèi)氫原

圖1 Fishcher命名? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖2 IUPAC命名法

圖3金屬卟啉

子上有一對(duì)孤對(duì)電子），可以使多數(shù)金屬進(jìn)入環(huán)中的空腔，配位形成金屬卟啉化合物，如FeTPP，MgTPP。元素周期表中的許多元素（包括稀有金屬元素）都可與卟啉配位形成相應(yīng)的金屬卟啉化合物。因其結(jié)構(gòu)中的氮原子既可接受電子也可給予電子，故既具有酸性也有堿性。卟啉和金屬卟啉都具有較高的熔點(diǎn)和較深的顏色（卟啉化合物或呈淡紫色或呈墨綠色，而金屬卟啉則根據(jù)其金屬離子的顏色不同而呈相應(yīng)的較深顏色），故強(qiáng)熒光性、高熱穩(wěn)定性、高芳香性和寬光譜響應(yīng)均是他們的特點(diǎn)。其中大部分能溶于無(wú)機(jī)酸。可利用相關(guān)試劑溶解不同類(lèi)的卟啉，常采用的溶解溶劑是DMF（二甲基甲酰胺）（溶水溶性的卟啉）、CHCl3、乙醇、苯等（溶非水溶性的卟啉）。作為高度芳香體系，均可通過(guò)有機(jī)磺化、硝化等發(fā)生親電取代，常取代中位[1]。

2? 卟啉及金屬卟啉化合物的應(yīng)用

隨著卟啉及金屬卟啉的合成技術(shù)日趨成熟，借助某獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，人們也將其運(yùn)用到科技生活中各個(gè)領(lǐng)域。

2.1 在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

癌癥是近年來(lái)危害人類(lèi)健康的頭號(hào)殺手，我們可以利用卟啉及其相關(guān)化合物制作相關(guān)檢測(cè)和治療試劑，進(jìn)行癌癥的檢測(cè)和治療[3]，因卟啉及金屬絡(luò)合物借助其對(duì)某些組織（腫瘤cell）有特殊親和力的特征而作為一種良好的光敏劑，可選擇性的富集在腫瘤細(xì)胞上，在氧氣的參與下，用特定波長(zhǎng)的光照射而使其被激活。目前，醫(yī)學(xué)上利用最多的是血卟啉衍生物（HpD），可治愈部分肺癌早期患者，也可減輕患食道和內(nèi)支氣管等部位的病人的痛苦[3]。

2.2 在生物化學(xué)中的應(yīng)用

借助卟啉在適當(dāng)條件可形成具有氧化活性的Fe=0中間體，在細(xì)胞中易聚集，光照條件下，可抑制對(duì)腫瘤生長(zhǎng)，且可在生物體內(nèi)穩(wěn)定存在，故用于核酸的定位斷裂劑，斷裂劑在氧化劑中還原劑的作用下，形成活性中間體，該中間體對(duì)DNA特定區(qū)域（糖基，堿基）進(jìn)行氧化，從而達(dá)到核酸的定位斷裂[1]。

2.3 在生物仿生中的應(yīng)用

近些年，科學(xué)們陸續(xù)在生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了多種酶的活性部位是金屬卟啉配合物，有血紅蛋白，肌紅蛋白，細(xì)胞色素，P-450，NO合成酶和H2O2合成酶等。接著人們就借助卟啉衍生物有激發(fā)壽命長(zhǎng)，對(duì)光敏感，氧化還原電位高，光譜響應(yīng)區(qū)寬等特點(diǎn)，對(duì)生物體活性部位結(jié)構(gòu)和環(huán)境進(jìn)行了研究，總結(jié)其規(guī)律。從而進(jìn)行了人為高效的仿酶催化劑或特效藥物，并取得了一定的成果[2]。

3? 結(jié)束語(yǔ)

卟啉化合物在多領(lǐng)域均具有如此廣泛用途，且有關(guān)其分子設(shè)計(jì)：合成及應(yīng)用均取得較大進(jìn)展，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)卟啉類(lèi)化合物合成的研究非?；钴S。但我們?nèi)云诖铣山Y(jié)構(gòu)更豐富，功能更優(yōu)良的卟啉及金屬卟啉新化合物。同時(shí)。深入研究此類(lèi)化合物的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系、反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)適應(yīng)條件、新用途等，來(lái)提升產(chǎn)率，降低合成成本，讓更好的運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉志.取代苯卟啉化合物的合成、表征及性質(zhì)研究[D].曲阜師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012，4.

[2] 王曉燕，系列卟啉化合物的合成及表征[D]，西北師范大學(xué)碩士學(xué)位論文.2009，5.

[3] 盧昌利，侯安新.卟啉化合物的合成與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].廣東化工.2013，40（20）：18～19.

[4] 丁曉健，新型水溶性卟啉的合成;表征及陽(yáng)離子卟啉與G—四鏈體相互作用的研究[D]，中山大學(xué)碩士學(xué)位論文：2010，6.