植根深遠(yuǎn)的咔咯化學(xué)*

陳 瑜

（陜西中醫(yī)藥大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，陜西 咸陽712046）

研究表明，咔咯（Corrole）結(jié)構(gòu)是由4 個(gè)吡咯共軛環(huán)相連而形成的新型類卟啉大環(huán)化合物，其分子結(jié)構(gòu)與卟啉及酞菁等有著一定的相似性。吡咯的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性比卟啉差的原因是，咔咯分子比卟啉環(huán)少一個(gè)成環(huán)20 位的碳原子，故其分子的內(nèi)腔較之于卟啉要小些。但由于咔咯分子是具有較大電荷密度的大環(huán)體系，且分子中具有3 個(gè)易發(fā)生酸式解離的亞胺基，故能穩(wěn)定結(jié)合具有較高氧化態(tài)的金屬離子，從而形成穩(wěn)定的有機(jī)金屬配合物，故使其應(yīng)用廣泛。世界上第一篇關(guān)于咔咯方面的研究論文是“咔咯化學(xué)之父”Johnson 在1960 年首次發(fā)表的。近20 年來，隨著人們對(duì)咔咯類化合物的性能、應(yīng)用、合成等研究的不斷深入，使其得到長(zhǎng)足的發(fā)展，目前，已形成為一門新興的熱門邊緣學(xué)科——咔咯化學(xué)。由于咔咯具有和其它大環(huán)化合物一樣可絡(luò)合金屬離子（客體分子或離子）的環(huán)內(nèi)孔腔，故其在21 世紀(jì)的新興熱門學(xué)科如催化科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、納米科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、信息科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及能源科學(xué)等領(lǐng)域彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。不僅如此，咔咯類物質(zhì)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域也凸顯出重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 新型咔咯類衍生物的合成及在催化科學(xué)中的應(yīng)用

1.1 新型5,10,15-三（對(duì)硝基苯基）咔咯的合成及應(yīng)用

研究表明，咔咯作為類卟啉化合物中一類重要的物質(zhì)，在催化、光、電、磁等各方面都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。目前，貧電子咔咯在電化學(xué)領(lǐng)域的研究已成為催化水裂解產(chǎn)氫產(chǎn)氧的研究熱點(diǎn)[1,2]。為此，贛南師范大學(xué)的陳海等人采用一鍋煮合成法（Paolesse 合成法），即在醋酸溶劑中以HAc 溶液作為催化劑，以硝基苯和咔咯反應(yīng)得到貧電子的5,10,15-三（對(duì)硝基苯基）咔咯衍生物[3]，期望其能成為催化水裂解產(chǎn)氫產(chǎn)氧的催化劑。該研究將在催化科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)及合成化學(xué)中得到應(yīng)用。

1.2 新型咔咯金屬配合物的合成及催化作用

由結(jié)構(gòu)特征可知，咔咯因其結(jié)構(gòu)與卟啉相似，在催化性能上表現(xiàn)出很多類似卟啉的催化性能[4,5]。但由于咔咯中心孔腔小于卟啉，因而又表現(xiàn)出一些與卟啉不同的性質(zhì)。為了物盡其用，華南理工大學(xué)的熊明峰等人合成了Mn、Fe、Co、Cu 等多種咔咯的金屬配合物，并測(cè)試了其催化性能。實(shí)驗(yàn)表明，其金屬咔咯配合物能催化的反應(yīng)有：烯烴的氧化、環(huán)丙烷化、氮雜環(huán)丙烷化、C-H 鍵的胺化和烷基化等?；谥八麄儗?duì)卟啉配合物催化交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)（CDC反應(yīng)）的研究，他們測(cè)試了多種金屬配合物對(duì)CDC反應(yīng)的催化性能，發(fā)現(xiàn)錳咔咯和鐵咔咯對(duì)CDC 反應(yīng)的催化性能較好，這是因?yàn)榻饘龠强┡浜衔镌谟袡C(jī)溶劑中的溶解性大大優(yōu)于無機(jī)金屬鹽催化劑，因而能高效均相的催化CDC 反應(yīng)。而且由于金屬卟啉配合物的在配位位點(diǎn)上，只有軸向的配位位點(diǎn)，所以對(duì)催化CDC 反應(yīng)來說，不但具有很高的選擇性，且不會(huì)發(fā)生氧化加成和還原消去等一些反應(yīng)[6]。故其優(yōu)勢(shì)在于催化反應(yīng)的專一性和高效性。

1.3 新型鐵咔咯配合物的合成及電催化產(chǎn)氫作用

研究表明，一些鉑催化劑可以很好地催化水制氫，但由于自然豐度低和高成本的限制,故不能廣泛應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。目前，在尋找豐富的地球金屬催化劑方面已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，許多過渡金屬配合物如鐵、銅、鈷和鎳配合物均能使H2產(chǎn)生[7]。眾所周知,金屬咔咯由于其合適的氧化還原活性，可以催化許多反應(yīng)。金屬咔咯最初被證明能在均相溶液中或吸附到電極表面上催化H2生成[8]。為此，華南理工大學(xué)的鐘雅倩等人探究了鐵咔咯配合物（Fe-TFPC）在電催化產(chǎn)氫方面的效果。經(jīng)電化學(xué)工作站測(cè)試可知，電催化峰電流強(qiáng)度隨醋酸濃度的增加而增大，故表明該配合物具有良好的電催化產(chǎn)氫性能[9]。該研究將在催化科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)及合成化學(xué)中得到應(yīng)用。

1.4 新型錳咔咯金屬配合物的合成及應(yīng)用

咔咯是一類結(jié)構(gòu)與卟啉類似的大環(huán)化合物。與卟啉結(jié)構(gòu)不同的是，咔咯少了一個(gè)“meso”位的亞甲基，環(huán)內(nèi)具有更小的空腔，能夠穩(wěn)定更高價(jià)態(tài)的金屬離子。因此，作為配體，咔咯具有比卟啉更優(yōu)良的性能。相較于卟啉氮氧化合物，咔咯氮氧化合物的研究不局限于鐵咔咯。在眾多金屬咔咯化合物中，金屬錳咔咯在催化及生物方面有突出的應(yīng)用前景[10,11]。為此，華南理工大學(xué)的萬貝等人以5,10,15-三（五氟苯基）咔咯（MnIIITPFC）和三價(jià)錳鹽作用，合成了取代的5,10,15-三（五氟苯基）咔咯（MnIIITPFC）金屬化合物[12]，實(shí)驗(yàn)表明，該錳咔咯金屬配合物對(duì)有機(jī)反應(yīng)如烯烴的氧化、環(huán)丙烷化、氮雜環(huán)丙烷化、C-H 鍵的胺化和烷基化等具有良好的催化作用，且能夠參與氮循環(huán)和哺乳動(dòng)物生理學(xué)的關(guān)鍵過程。該研究將在催化科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)及生物化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2 新型咔咯金屬配合物的合成及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

2.1 新型吡啶基鎵咔咯的合成及在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

從結(jié)構(gòu)分析，咔咯是卟啉的類似物，其特殊的結(jié)構(gòu)賦予了良好的光物理性質(zhì)。相比于卟啉，咔咯對(duì)長(zhǎng)波段可見光的吸收更強(qiáng)，故有望成為新一代的光動(dòng)力治療光敏劑。金屬鎵是繼鉑之后的第二種具有抗腫瘤活性的金屬元素[13]。鎵咔咯具有典型的雙熒光性質(zhì)[14]，在熒光成像、光動(dòng)力治療、光動(dòng)力診斷中具有不可估量的應(yīng)用前景。為此，華南理工大學(xué)的賴淑惠等人用咔咯和吡啶反應(yīng)，合成了5,10,15-三（4-吡啶基）咔咯（簡(jiǎn)稱Py），隨后Py 再與鎵鹽作用，制備了5,10,15-三（4-吡啶基）咔咯（簡(jiǎn)稱Py）的鎵配合物（簡(jiǎn)稱Ga-Py）。由于Stokes 效應(yīng)，兩種咔咯（Py 和Ga-Py）的發(fā)射峰均出現(xiàn)紅移。吡啶基咔咯的發(fā)射峰位于657nm 處，其鎵配合物則藍(lán)移至633 nm 處，這與紫外吸收中Q 帶（在500～750nm 范圍的若干個(gè)弱吸收為Q 帶）的藍(lán)移是一致的。相對(duì)于自由咔咯，鎵咔咯的熒光強(qiáng)度顯著提高，這是因?yàn)殒夁强┑钠矫嫘愿们覄傂愿鼜?qiáng)[15]。該研究將在熒光成像、光動(dòng)力治療、光動(dòng)力學(xué)診斷中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 新型對(duì)羥基咔咯的合成及在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

科學(xué)家們已設(shè)計(jì)合成出了多種抗腫瘤藥物應(yīng)用于癌癥治療，其中能特異性抑制腫瘤細(xì)胞，即有細(xì)胞毒性或者細(xì)胞抑制作用的藥物已成為了癌癥治療的首選方案[16]。相比于卟啉，咔咯由于合成困難作為抗腫瘤藥物研究較晚，但自從上世紀(jì)末合成方法的改進(jìn)，已引起了眾多科技工作者的研究興趣[17]。為此，華南理工大學(xué)的孫艷梅等人以對(duì)羥基苯甲醛和吡咯衍生物作用，合成了對(duì)羥基咔咯衍生物。隨后他們還研究了對(duì)羥基咔咯與人乳腺癌細(xì)胞（MCF-7）的光動(dòng)力抗癌活性，發(fā)現(xiàn)MCF-7 細(xì)胞與不同濃度對(duì)羥基咔咯作用后，對(duì)羥基咔咯在暗條件下對(duì)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用明顯弱于光照條件。他們的研究表明，對(duì)羥基咔咯是一類潛在的治療乳腺癌的光敏劑[18]，其在抗腫瘤和癌癥治療方面具有良好的應(yīng)用前景。

2.3 新型非離子型咔咯衍生物的合成及在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

研究表明，咔咯及其衍生物在光動(dòng)力治療方面已凸顯出了極大的潛力。通過修飾咔咯結(jié)構(gòu)，合成理化性質(zhì)穩(wěn)定、選擇性高和細(xì)胞毒性低的配合物是咔咯衍生物作為潛在的抗腫瘤藥物，是科學(xué)家用光動(dòng)力學(xué)法治療癌癥研究的一個(gè)熱點(diǎn)[19]。之前有關(guān)抗腫瘤活性的研究大多數(shù)集中在水溶性咔咯配合物上，而對(duì)非離子型咔咯的研究報(bào)道較少。為此，華南理工大學(xué)的陳璇等人以對(duì)羥基苯甲醛和二吡咯基五氟取代苯衍生物作用，合成的單羥基取代咔咯衍生物。隨后他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單羥基取代咔咯衍生物能夠靶向聚集在鼻咽癌細(xì)胞線粒體上，并表現(xiàn)出很好的抗腫瘤活性[20]。他們?cè)谘芯恐羞€發(fā)現(xiàn)，其meso 位取代基的對(duì)位氟原子可與親核試劑發(fā)生取代反應(yīng)，從而進(jìn)一步拓寬了咔咯類化合物在生物化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2.4 新型咔咯-香豆素二元體的合成及在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)分析表明，咔咯是一種結(jié)構(gòu)與卟啉相似的大環(huán)化合物，與卟啉相比，咔咯表現(xiàn)出更高的熒光量子產(chǎn)率和更強(qiáng)烈的紅光吸收[21]。由于其獨(dú)特的光化學(xué)和光物理性質(zhì)，咔咯及其金屬配合物在光化學(xué)傳感器[22]和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。香豆素是一種類黃酮化合物，同樣具有良好的光學(xué)和生物學(xué)特性。為此，華南理工大學(xué)的程帆等人首先用4-羥基苯甲醛與1,2-二溴乙烷反應(yīng)制得了4-溴代醚基芳香醛（A）。其次，他們用化合物A 與7-羥基香豆素反應(yīng)合成得到了淡黃色固體芳醛基二醚鍵香豆素衍生物（B）。最后他們用五氟二吡咯烷烴和與化合物B 作用，合成了一種新的暗紫色固體物質(zhì)咔咯-香豆素二元體（PCC）[23]。研究發(fā)現(xiàn)，其化合物新型咔咯-香豆素二元體在光化學(xué)傳感器[23]和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

眾所周知，由于植根深遠(yuǎn)的咔咯類化合物與卟啉有著相似的結(jié)構(gòu)特征，故有許多相似的性能和應(yīng)用前景，如在納米材料、非線性光學(xué)材料、電化學(xué)、光化學(xué)、催化、抗腫瘤治療、醫(yī)學(xué)、模擬酶、生物物理活性、生物化學(xué)活性等方面有相似的性能和用途。同時(shí)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)這把“萬能鑰匙”將會(huì)開啟其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域更多的應(yīng)用“鎖”，從而綻放出更多服務(wù)于人類的艷麗之花，并結(jié)出豐碩成果。