手性卟啉的合成及其手性識別

周忠強，杜瑞

（中南民族大學 化學與材料科學學院，武漢 430074）

卟啉及卟啉衍生物是一類生物體中比較常見的化合物，在各種生命活動中扮演著十分重要的角色，如氧氣運輸、超分子構(gòu)成、植物的光合作用、分子識別檢測及酶催化等［1］.在過去的幾十年里，手性卟啉作為重要的手性配體在手性識別領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［2］.最近的研究表明：卟啉具有配位空間大、識別位點多等優(yōu)點；而非對稱的手性卟啉配體具有更高的不對稱度，其手性誘導作用更為顯著，它們相應(yīng)的金屬配合物具有更高的對映選擇性，在手性識別領(lǐng)域扮演著重要的角色.當金屬卟啉作為受體時，卟啉環(huán)中心的配位金屬離子起到了路易斯酸的作用，能夠與路易斯堿結(jié)合，可用來識別氨基酸、氨基醇、吡啶、二胺和核酸等含N化合物［3］.

本文以L-亮氨酸（圖1）和（1R，2R）-環(huán)己二胺（圖2）為手性源，合成了兩個新型手性卟啉，并對其手性識別性能進行了研究.

圖1 主體1a的合成路線Fig.1 Synthetic route of host 1a

圖2 主體1b的合成路線Fig.2 Synthetic route of host 1b

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

熔點用X-4數(shù)字顯微熔點儀測定；NMR用Bruker AvanceⅢ400型核磁共振波譜儀測定，TMS作內(nèi)標；紫外光譜用Jasco公司V-750分光光度計測定；圓二色譜用Jasco公司J-1500圓二色譜儀測定.所用試劑均為市售分析純或化學純試劑.5-（4-氨基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉（mATPP）按文獻［4-6］方法合成.

1.2 化合物的合成

1.2.1 雙均苯四甲酰化亮氨二酸（2）的合成

參考文獻［7］，在250 mL圓底燒瓶中加入10.9 g（50 mmol）均苯四甲酸酐、13.1 g（100 mmol）L-亮氨酸及150 mL乙酸/吡啶（體積比為3∶2）的混合溶液，室溫下反應(yīng)2 h后升溫至120℃回流20 h.反應(yīng)結(jié)束后，蒸去溶劑，所得固體加入適量甲醇洗滌，過濾得粗產(chǎn)品.進一步用DMF重結(jié)晶得純產(chǎn)品13.635 g，產(chǎn)率為61%.熔點：304~306℃（文獻［7］值：294~294℃）.1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ13.35（s，2H），8.32（s，2H），4.85（dd，J=11.4，4.4 Hz，2H），2.21~2.11（m，2H），1.91~1.82（m，2H），1.49（d，J=6.3 Hz，3H），0.87（dd，J=8.2，6.6 Hz，12H）.

1.2.2 均苯四甲酰化亮氨酸類手性二卟啉（4）的合成

參考文獻［8］，在25 mL圓底燒瓶中加入67 mg（0.15 mmol）化合物2和2 mL二氯亞砜，室溫下反應(yīng)1 h后升溫回流3 h.反應(yīng)結(jié)束后，蒸去過量的二氯亞砜，并加入5 mL無水二氯甲烷溶解.將上述酰氯溶液緩慢加入到冰水浴冷卻的溶有200 mg（0.30 mmol）mATTP和0.1 mL無水三乙胺的5 mL無水二氯甲烷溶液中，室溫反應(yīng)過夜.反應(yīng)結(jié)束后，蒸去溶劑，柱層析分離（二氯甲烷洗脫），得182 mg紫色粉末，產(chǎn)率 為73%.1H NMR（400 MHz，CDCl3）：δ8.85（s，16H），8.50（d，J=8.2 Hz，4H），8.21（d，J=7.3 Hz，16H），7.96（d，J=8.3 Hz，4H），7.76（dd，J=15.0，7.3 Hz，19H），5.35~5.27（m，2H），2.70（s，2H），2.19（s，2H），1.70（s，2H），1.12（d，J=6.6 Hz，12H），-2.79（s，4H）.13C NMR（100 MHz，CDCl3）：δ166.9，166.3，142.1，138.7，137.1，136.9，135.1，134.5，134.5，127.7，126.6，120.1，119.3，119.1，118.3，58.5，55.4，37.7，25.6，23.0，21.5，18.4.UV-Vis（CH2Cl2）：λmax421.0，517.5，554.0，591.5，648.0 nm.

1.2.3 主體1a的合成

參考文獻［8-9］，在50 mL圓底燒瓶中加入50 mg（0.03 mmol）化合物4和25 mg（0.14 mmol）乙酸鋅，并加入30 mL氯仿/甲醇（體積比為2∶1）得混合溶液.70℃回流10 min，反應(yīng)結(jié)束.蒸去溶劑，所得粗產(chǎn)品經(jīng)快速柱層析（二氯甲烷洗脫），得紫色粉末51 mg，產(chǎn) 率 為94.6%.UV-Vis（CH2Cl2）：λmax430.0，564.0，601.0 nm.

1.2.4 雙均苯四甲?；h(huán)己二胺（5）的合成

參考文獻［10］，在100 mL的三頸燒瓶中加入2.86 g（13.10 mmol）均 苯 四 甲 酸 酐 和40 mL的AcOH，在70℃下加入溶有0.187 g（1.64 mmol）的（1R，2R）-環(huán)己二胺的20 mL AcOH溶液，劇烈攪拌.然后將所得反應(yīng)混合物在120℃的氬氣氛圍下攪拌12 h，反應(yīng)結(jié)束后減壓除去溶劑.將粗殘余物進行柱層析（二氯甲烷/乙酸乙酯，0%~50%乙酸乙酯），得到白色粉末0.414 g，產(chǎn)率為49%.1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ7.97（s，2H），7.87（s，2H），4.82（d，J=10.2 Hz，2H），2.22（s，2H），1.92~1.83（m，4H），1.38（s，2H）.

1.2.5 環(huán)己二胺類手性二卟啉（6）的合成

參考文獻［8］，在25 mL的三頸燒瓶中加入41 mg（0.08 mmol）化合物5，150 mg（0.24 mmol）mATPP和2 mL的無水DMF，氬氣保護下在150℃反應(yīng).反應(yīng)結(jié)束后，減壓蒸去多余的DMF，殘留物進行柱層析（二氯甲烷洗脫），得到紫黑色粉末74 mg，產(chǎn)率為53.2%.1H NMR（600 MHz，CDCl3）：δ8.92~8.78（m，13H），8.36（d，J=8.3 Hz，4H），8.20（dd，J=4.9，3.0 Hz，10H），7.83（d，J=8.3 Hz，4H），7.77~7.72（m，14H），5.13~5.06（m，2H），2.70~2.58（m，2H），2.04（td，J=24.1，20.8，9.7 Hz，5H），1.70~1.58（m，3H），-2.81（s，4H）.13C NMR（150 MHz，CDCl3）：δ165.8，165.2，142.5，142.0，142.0，135.1，134.5，130.6，127.7，126.7，126.6，124.2，120.4，120.3，118.3，51.9，28.8，24.8.UV-Vis（CH2Cl2）：λmax421.0，517.5，554.0，591.5，648.0 nm.

1.2.6 主體1b的合成

參考文獻［9］，在50 mL圓底燒瓶中加入50 mg（0.029 mmol）化 合 物6，25 mg（0.14 mmol）乙 酸鋅，并加入30 mL氯仿/甲醇（體積比為2∶1）的混合溶液.70℃回流10 min，反應(yīng)結(jié)束.蒸去溶劑，將粗產(chǎn)品快速柱層析（二氯甲烷），得紫色粉末52 mg，產(chǎn)率為96.9%.UV-Vi（sCH2Cl）2：λmax430.0，564.0，601.0 nm.

1.3 光譜測試樣品制備

參考文獻［11］，每次測量前所有溶液均現(xiàn)場配制.稱取一定質(zhì)量的手性二卟啉主體1a和1b，配制成10-4mol·L-1的二氯甲烷溶液，同時將各種客體分別配制成10-3mol·L-1的二氯甲烷溶液.測量時，取2 mL的主體溶液于樣品管中，加入適量客體，混勻后避光放置4 h，待反應(yīng)體系達到平衡后，即可開始測量.

2 結(jié)果與討論

2.1 主體1a、1b的光譜性質(zhì)

1a和1b在二氯甲烷溶液中的紫外光譜結(jié)果見圖3.如圖3所示：主體1a和1b的最大吸收波長都在420 nm處，這是因為主體結(jié)構(gòu)都為手性鋅卟啉；但兩者的吸光度有明顯的差異，說明不同的立體結(jié)構(gòu)對紫外-可見光吸收有影響.

圖3 主體1a和1b的UV-Vis和CD圖譜（c=1×10-6 mol·L-1，溶劑為二氯甲烷）Fig.3 UV-Vis spectra and CD spectra of host 1a and 1b（c=1×10-6 mol·L-1，in dichloromethane）

濃度對1a和1b的UV-Vis的影響結(jié)果見圖4.由圖4可知：二氯甲烷溶液中，在2×10-7~1.6×10-6mol·L-1的濃度范圍內(nèi)，主體1a和1b能夠很好的符合Lambert-Beer定律，所以在研究過程中，主體1a和1b的合理濃度應(yīng)該低于1.6×10-6mol·L-1.

圖4 不同濃度的主體1a、1b的UV-Vis光譜及吸光度曲線（溶劑為二氯甲烷）Fig.4 UV-Vis spectra and absorbance curve of host 1a and 1b in different concentration（in dichloromethane）

2.2 主體1a、1b對對映體的手性識別

本文選取了11種手性小分子作為客體分子，共4個大類，即α-羥基羧酸、氨基醇、手性二胺和手性二醇（圖5）.

圖5 客體分子結(jié)構(gòu)Fig.5 Molecule structure of guest

鋅卟啉對氨基和羧基都有良好的識別能力，影響這一識別反應(yīng)的主要因素是電子效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)［12］.當鋅卟啉作為主體時，卟啉環(huán)中的鋅離子起到路易斯酸的作用，易與路易斯堿結(jié)合，可以用來識別氨基醇、二胺等含N化合物，而羧酸中還有羰基結(jié)構(gòu)，易與金屬離子發(fā)生配位作用，所以也能與鋅卟啉結(jié)合.除手性二醇類客體外，主體1a和1b與客體混合后，紫外最大吸收波長均出現(xiàn)一定程度的位移.再結(jié)合CD光譜可以看出（圖6），主體1a和1b對手性二胺有很好的手性識別能力，而對其他的α-羥基羧酸、氨基醇、手性二醇無明顯的手性識別能力.在圖6（a）、圖6（b）中，主體1a與手性二胺結(jié)合之后，CD圖譜分別近似地呈鏡像關(guān)系，這說明1a對二胺類對映體有著良好的手性識別能力.而圖6（c）、圖6（d）中，主體1b與手性二胺混合后，圖像上Cotton效應(yīng)與主體1b類似［13］，說明主體1b與二胺結(jié)合后的構(gòu)象保持不變，相對于主體1b的光譜，1b與環(huán)己二胺混合物以及1b與二苯基乙二胺混合物的CD光譜發(fā)生了明顯的紅移，說明手性二胺客體分子已被主體1b捕獲，并且進入到了兩個鋅卟啉環(huán)之間，所有的這些都表明了主體1b對手性二胺對映體有一定的手性識別能力［14-15］.

圖6 主體1a和1b與手性二胺的CD光譜（1a濃度為2×10-6 mol·L-1，1b濃度為1×10-6 mol·L-1，溶劑為二氯甲烷；客體均為10-5 mol·L-1，溶劑為二氯甲烷）Fig.6 CD spectra of host 1a and 1b in the presence of chiral diamine（1a：2×10-6 mol·L-1 in dichloromethane；1b：1×10-6 mol·L-1 in dichloromethane；guest：10-5 mol·L-1 in dichloromethane）

保持主體的濃度不變，逐漸增加手性二胺客體的濃度，主體1a和1b在420 nm的吸光度值逐漸減小，在430 nm處出現(xiàn)了一個新的特征峰，同時也觀察到了一個等吸光點，這表明主體鋅卟啉逐漸消耗和軸向配合物逐漸生成的過程.當鋅卟啉的中心離子Zn（Ⅱ）與手性二胺類客體結(jié)合生成軸向配合物時，由于這些親核性較強的客體引入，中心卟啉環(huán)上的電子云密度增大［16］，分子軌道上的能量增加，激發(fā)能降低，因此躍遷吸收譜帶明顯向長波方向移動，即吸收峰發(fā)生紅移［17］.主體1a的手性骨架是以剛性的均苯四甲酸酐為基礎(chǔ)構(gòu)建的，兩端的鋅卟啉環(huán)自由翻轉(zhuǎn)空間較小，而主體1b的手性骨架是相對較為柔性的R，R-環(huán)己二胺，這兩種結(jié)構(gòu)差異會導致主體1a、1b與側(cè)鏈帶有苯環(huán)的手性二胺結(jié)合時CD光譜有所不同.主體1b與手性二苯基乙二胺結(jié)合時，側(cè)鏈上的苯環(huán)與卟啉環(huán)之間存在一定的π-π作用［18］，所以相對于手性環(huán)己二胺，主體1b與手性二苯基乙二胺結(jié)合時的CD光譜的特征信號峰更為明顯.

2.3 主體1a、1b與客體分子結(jié)合比的測定

采用Job法來測定結(jié)合比［19］，保持主體與客體混合物的總濃度不變，但是改變客體與主體的相對比例，以cm/c對吸光度作圖，當達到最大吸光度時的主體和客體之比即為結(jié)合比.如圖7所示，主體1a、1b與其他客體的結(jié)合比均為1∶1.

圖7 主體1a、1b和R，R-環(huán)己二胺的Job曲線（c=1×10-6 mol·L-1，溶劑二氯甲烷）Fig.7 Job curves of host 1a and 1b in the presence of R，R-cyclohexanediamine（c=1×10-6 mol·L-1，in dichloromethane）

2.4 主體1a、1b與客體分子的結(jié)合常數(shù)

主體1a、1b與客體分子之間的結(jié)合常數(shù)可通過UV-Vis滴定法測定［20］.吸光度A與結(jié)合常數(shù)K之間的關(guān)系可以用公式（1）來擬合［20］：

式中：ΔA是420 nm處吸光度的變化；c為加入客體的濃度，mol·L-1；A0是主體在相應(yīng)濃度下的吸光度；A是主體與客體分子結(jié)合后的吸光度.

從表1中計算結(jié)果可以得出：在低濃度下，主體1a和1b的結(jié)合常數(shù)均在104L·mol-1以上，說明主體的靈敏度高，識別作用非常明顯.

表1 主體1a、1b與手性二胺的結(jié)合常數(shù)Tab.1 Binding constants of host 1a and 1b with chiral diamine

2.5 主體1a、1b定量測定手性二胺對映體混合物的組成

由上述實驗結(jié)果可知，主體1a和1b在低濃度下，也可以識別出手性二胺的對映體，表現(xiàn)出高的選擇性和靈敏度.所以，利用主體1a、1b對手性二胺對映體混合物的組成進行了定量分析（圖8和圖9），根據(jù)標準曲線可以測定手性二胺對映體混合物的組成.由圖8和圖9中可知：1a、1b與手性二胺對映體混合后，體系的ΔCD值隨著對映體組成的變化而變化，由此可得到相應(yīng)的標準曲線.圖8中1a濃度為2×10-6mol·L-1，客體濃度C=CR+CS=4×10-5mol·L-1，環(huán)己二胺對映體混合物曲線的方差R2=0.9913，二苯基乙二胺對映體混合物曲線的方差R2=0.9969.圖9中1b濃 度 為10-6mol·L-1，客 體 濃 度C=CR+CS=10-4mol·L-1，方差R2=0.9926.通過標準曲線，可以測出手性二胺對映體混合物中兩個對映體組分的含量.

圖8 主體1a和手性二胺混合物的標準曲線（溶劑為二氯甲烷）Fig.8 Standard curve of host 1a with chiral diamine（in dichloromethane）

圖9 主體1b與手性二苯基乙二胺混合物的標準曲線（溶劑為二氯甲烷）Fig.9 Standard curve of host 1b with chiral diphenylethylenediamine（in dichloromethane）

3 結(jié)語

本文合成了5-（4-氨基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉，用L-亮氨酸和（1R，2R）-環(huán)己二胺對其進行結(jié)構(gòu)修飾，合成了兩種新型手性鋅卟啉1a和1b.研究了1a和1b對α-羥基羧、氨基醇、手性二胺及手性二醇的手性識別性能，發(fā)現(xiàn)主體1a和1b僅對手性二胺有很好的手性識別作用.在低濃度下，主體1a和1b與手性二胺的結(jié)合常數(shù)均在104L·mol-1以上，選擇性識別作用非常明顯，可以用來定量測定手性二胺對映體混合物的組成.