1、唐山师范学院本科毕业论文题 目 金属卟啉衍生物合成及光谱性质研究(2)学 生 苑围欢指导教师 王光荣 讲师年 级 2009 级专 业 化学系 别 化学系唐山师范学院化学系2013 年 6 月郑 重 声 明本人的毕业论文是在指导教师 王光荣老师 的指导下独立撰写并完成的。毕业论文如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任；并可以通过网络接受公众的查询。特此郑重声明。毕业论文作者：苑围欢2013 年 5 月 15 日目 录中文摘要英文摘要1 引言.11.1 卟啉及金属卟啉的结构 .11.2 金属卟啉衍生物的应用前景.11.3 卟啉及金属卟啉
2、化合物的合成概述.22 实验部分.42.1 试剂和仪器.42.1.1 试剂. 42.1.2 仪器.42.2 反应机理.42.3 合成反应步骤.62.3.1 5-对氯苯基二吡咯甲烷的合成. 62.3.2 1,9-二甲酰基-5-对氯苯基二吡咯甲烷的合成.72.3.3 合成 5,15-二对氯苯基卟啉锌. 72.3.4 合成 5,15-二对氯苯基卟啉铜.83 结果与讨论.93.1 红外光谱分析.93.2 MALDI-TOF-MS谱图分析 .103.3 紫外光谱分析.113.4 荧光光谱分析.124 结论.13参考文献.14致 谢金属卟啉衍生物合成及光谱性质研究(2)苑围欢 班级：09 级化学本科 学号
3、：091190041109摘 要 用对氯苯甲醛、吡咯、三氯氧磷、N,N-二甲基甲酰胺、正丙胺作为反应原料合成金属卟啉锌和金属卟啉铜。并用 FT-IR、MALDI-TOF-MS 等检测手段对目标产物的结构进行表征，且测定合成化合物的紫外-可见吸收光谱和荧光发射及吸收光谱。关键词 金属卟啉衍生物 对氯苯甲醛 吡咯 金属卟啉锌 金属卟啉铜 Study on Synthesis and Spectroscopic Properties ofMetal Porphyrin Derivatives (2)Yuan Weihuan Directed by Lecturer Wang GuangrongAbs
4、tract Metal zinc porphyrin and metal porphyrin copper was synthesized with p-chlorobenzaldehyde、pyrrole 、phosphorus oxychloride、N,N -dimethyl formamide and n-propylamine. The molecular structures were identified and characterized by FT-IR and MALDI-TOF-MS. The fluorescence emission and UV-vis spectr
5、a properties of two new compounds were determined.Key words metalloporphyrin derivatives p-chlorobenzaldehyde Pyrrole metal zinc porphyrin metal porphyrin copper1金属卟啉衍生物合成及光谱性质研究(2)1 引言1.1 卟啉及金属卟啉的结构卟吩环(如图 1)是含 4 个吡咯环的 18 原子、18 电子大 p 体系的平面型分子 ,是高度的芳香体系,结构十分稳定.4 个吡咯环之间的碳(5,10,15,20) (在 Fisher 编号法中称为
6、、 位置) 被称作中位(meso) 碳,其余 8 个可被取代的碳称作外环碳。当在 、 、 、 位置上分别接上 R1,R2,R3,R4 取代基则形成一系列卟啉。R1 R4 可以相同，也可以不同。当卟吩环没有取代基时其结构近似于平面型,但当卟吩环接上取代基时,其结构易受取代基的影响而变形.若卟啉分子中心 4 个氮原子质子化,由于质子的空间位阻和静电斥力使吡咯环与分子平面产生偏离,如质子化的四苯基卟啉,吡咯环与分子平面偏离 33b。当卟啉环氮上的 2 个质子被金属取代后即形成了金属卟啉(如图 2)。一般来说,卟啉环中的 4 个氮原子都能与金属离子成键。随着金属离子半径的不同,金属可以在卟啉环平面内,
7、即位于卟啉环的中心,也可以位于卟啉环的平面外.前者被称为“平面内型金属卟啉化合物”,后者则被称为“平面外型金属卟啉化合物” 。1.2 金属卟啉衍生物的应用前景卟啉(Porphyrins) 是由 Kuster 在 1912 年首次提出的,其结构为 “四吡咯”的大环结构,当时认为该结构是不稳定的,未被人们认可。直到 1929 年由 Fishert 和 Zeile 合成了氯高铁卟啉,卟啉的结构才被验证1。卟啉是卟吩(Porphine)外环带有取代基的同系物和衍生物的总称。卟啉分子母体卟吩是由 4 个吡咯环和 4 个次甲基相互桥联起来的大 共轭结构，性质相对较稳定。当其氮上的 2 个质子被金属取代后即
8、形成了金属卟啉(Metallo-porphyrins) 2。卟啉及金属卟啉化合物广泛存在于动植物中,具有特殊生理活性,如血红素、叶绿素、维生素 B12、细胞色素 P-450 等，与生命科学息息相关，对生命活动起着重要作用，因此被称之为“生命图 2 金属卟啉NN NNM图 1 卟吩环结构NNH NHN123 4 5 6 7 8910111213141516171819202的染料”( Pigment of Life)。它们在生命过程中起到了一种生物催化剂的作用，对氧的传递( 血红蛋白)贮存( 肌红蛋白) 活化(细胞色素 P-450)和光合作用( 叶绿素)等起着十分重要的作用。例如在植物体中，具有
9、镁卟啉结构的叶绿素吸收太阳能，并将能量转移到光合反应中心，吸收空气中的二氧化碳，把它转化为碳水化合物并放出氧气; 各种有机体中，包括哺乳动物的有机组织内的血红蛋白和细胞色素(具有铜卟啉和铁卟啉结构 )，可以传输、储存、还原由植物光合作用产生的氧气，生成水和二氧化碳，同时释放和存储转换的化学能量，来维持自身的生命。然而，这类化合物作为生物酶催化剂时，尽管活性极高，选择性突出，但由于其来源短缺， 遇光、遇热易分解失活等问题使其在大规模工业化应用中受到很大的限制。因此，通过设计并合成一些具有特定结构的卟啉及金属卟啉化合物，在结构和功能上模拟生物酶催化剂， 并将其用于化学工业，特别是催化碳氢化合物选择
10、氧化绿色合成有机和医药中间体，将对现代化学工业，特别是绿色化工的发展起到巨大的推动作用。卟啉和金属卟啉都是高熔点的深色固体，多数不溶于水和碱，但能溶于无机酸，溶液有荧光，对热非常稳定。其分子具有刚柔性、电子缓冲性、光电磁性和高度的化学稳定性。卟啉体系最显著的化学特性是其易与金属离子生成 1:1 配合物。由于卟啉具有独特的结构及性能，早在 20 世纪 30年代就有人从事卟啉化学的研究,它们现已广泛用作光导体、半导体、超导体、催化剂、抗癌药物、显色剂等 3,4。近些年来,各国科学家对卟啉及其金属配合物的研究更为深入和活跃,通过多年研究发现:卟啉几乎能与所有的金属离子形成配合物。而配合物的种类也极其
11、繁多,按溶解性可以分为水溶性和非水溶性 2 大类.目前卟啉及其衍生物已被广泛用于医学、分析化学、配位化学、仿生学、催化等许多领域 58,与之有关的交叉学科也正在逐步形成 9。1.3 卟啉及金属卟啉化合物的合成概述自 1929 年 fisher 和 Zeile 首次合成了血晶素之后，人们对卟啉类化合物的合成进行了广泛的研究,下面简单概述一下合成金属卟啉的几种方法：1.3.1 Rothemund 方法四苯基卟啉最早由 Rothemund 合成出来。其方法是将等摩尔的苯甲醛和吡咯以及吡啶溶剂置于密封容器中，在 150反应 2448 小时，能得到产率很低的四苯基卟啉，并且在此条件下，能用来作反应物的取
12、代苯甲醛极少。Rothemund 法是最早合成卟啉化合物的方法。该法反应时间长，所需反应条件苛刻，且要求反应器密闭隔氧，底物浓度较低；后处理非常麻烦，反应收率低，仅有极少数芳醛可用于合成卟啉，因此该法逐渐为后人所改进。1.3.2 Alder 方法1964 年 Alder 研究了不同溶剂、金属阳离3子、反应温度、时间等对吡咯与苯甲醛缩聚反应的影响，提出了合成 TPP 的反应机理。1967 年Adler 和他的助手采用苯甲醛和吡咯在回流（141）的丙酸中反应，反应时间为 30min，冷却、过滤，滤饼分别以甲醇和热水洗涤，真空干燥，得蓝紫色四苯基卟啉晶体。此方法不必将反应器密封，产率达到 20%。用
13、该方法合成时，反应原料除苯甲醛，还可用取代苯甲醛合成四苯基卟啉的衍生物。此法是目前应用最广泛的中位取代四苯基卟啉的合成方法，操作简单，原料浓度可较大。Adler 法大大丰富了合成中位四苯基卟啉化合物的内容。1.3.3 Lindsey 法1987 年 Lindsey 进一步改进了四苯基卟啉的合成。采用苯甲醛和吡咯在氮气的保护下，在二氯甲烷中，以三氟化硼合乙醚络合物（C2H 5）2OBF3）催化，室温下应生成卟啉原，然后以二氯二氰基苯酮（DDQ）或四氯苯醒（TCQ）将卟啉原氧化得到最终产物卟啉，产率可达 30%。但是该方法反应原料浓度较低，以吡咯计仅为 10-2mol/L，且反应步骤较多，反应条件
14、较苛刻，难以进行大量合成。1994 年，Lindsey 研究了在高浓度下的反应（ 0.lmol/L） ，实验采用一步法，即将原料、氧化剂、催化剂同时加入，最后产率可达 10%20% ；采用两步法，即先加催化剂，反应后再加氧化剂，产率为加 20%30%。郑国栋等曾改进 Lindsey 的两步合成法，以氯仿为溶剂，三氟乙酸为催化剂，氢气保护，避光由吡咯与 N,N-二甲氨基苯甲醛反应，然后加入四氯苯醌氧化，最终四（对二甲氨基苯基）卟啉的产率为 23%。1.3.4 微波辐射法传统的加热合成卟啉的方法反应时间较长（一般需回流 23h） 、副反应多、产率不高且产物难提纯，使卟啉化合物的合成应用受到一定限制
15、。1986 年 Gedye 等发现微波可显著加快有机合成反应速率，从此微波在合成化学领域迅速得到重视。1992 年法国化学家 PetitA 及其合作者首次报道了固相微波合成 TPP，产率为 9.5%。1996 年，胡文祥等用微波湿法合成 TPP。继后，刘云、胡希明等也分别探讨了不同溶剂、不同催化剂条件下 TPP 的微波合成，但前者操作较繁琐，后者的产率较低（14% 以下） 。陈年友等报道了以硝基苯为溶剂，氯乙酸为催化剂，以 195W 功率的微波辐射 6min，四苯基卟啉的产率为 36%，且操作简单，反应条件温和，反应时间短，粗产物较易分离纯化。1.3.5 其它方法郭灿城法1991 年郭灿城等采
16、用 DMF 为溶剂，催化剂为无水 AlC13，以等摩尔的吡咯和苯甲醛缩合生成TPP，产率可达 30%，高于 Adler 法，也勿需氮气保护，产物中不含副产物 TPC，反应时间也较短，为 2h。该方法的适用范围较广，对于以取代苯甲4醛为原料的合成反应，产率在 25%35% 之间；缺点是催化剂 AlC13 易与水反应，给产物的分离造成困难。潘继刚等人的研究方法1994 年潘继刚等对溶剂、催化剂在合成 TTP 反应中的影响进行研究。发现 H+在反应过程中起着催化剂的作用，PK 浓度为 2.04.0 的酸作催化剂，合成产率较高。以二甲苯、甲苯、氯苯、硝基苯、苯甲醚为溶剂，TPP 产率较高，一般达 30
17、%50% 。如杨彪以二甲苯为溶剂，对硝基苯甲酸或水杨酸催化，回流反应 2.5h，TPP 产率为 55.4%。2 实验部分2.1 试剂和仪器2.1.1 试剂对氯苯甲醛（98%，阿拉丁试剂有限公司） 、吡咯、N,N-二甲基甲酰胺（DMF） 、浓盐酸、石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯、三氯氧磷（POCl 3） 、氢氧化钠固体、无水硫酸钠、无水乙醇、镁条、碘粒、氯化锌、乙酸酐、四氢呋喃(THF)、正丙胺、浓硫酸、碳酸钠固体、无水硫酸铜固体、氯仿、甲醇、苯、薄层层析硅胶、羧甲基纤维素钠、蒸馏水、氯化钠固体、氮气2.1.2 仪器HDM-500D 型数显搅拌电热套（输出功率为 1000W，金坛市丹阳门石英玻璃厂）
18、 ，SHZ-D（）循环水式真空泵（巩义市子华仪器有限责任公司） ，三颈烧瓶，圆底烧瓶，球形冷凝管，直形冷凝管，温度计，恒压滴液漏斗，干燥管，蒸馏头，接引管，烧杯，锥形瓶，ARA-1530 电子天平（梅特勒托利多仪器（上海）有限公司制造） ，电热真空干燥箱（上海恒科学仪器有限公司） ，旋转蒸发仪 RE-52AA（上海亚荣生化仪器厂） ，KO-400KDE 型高功率数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司） ，CBIQ21 多用台式紫外分析仪（北京赛百奥科技有限公司） ，磁力搅拌器，IR采用 TENSOR-37 傅里叶变换红外光谱仪测试（ KBr 压片法） ；紫外光谱采用 UV-2600 紫外可见
19、分光光度计测定（乙醇溶剂） ；荧光光谱采用 F-4500 荧光分光光度计测试（乙醇溶剂） 。2.2 反应机理（1）合成 5-对氯苯基二吡咯甲烷机理ClCH HOClCH OClCHOH+H+ HN亲亲亲亲ClCHOHHNHClCHOHHN2+-H2OClCH HN+HN亲亲亲亲NHHNCl5（2）合成 1,9-二甲酰基-5- 对氯苯基二吡咯甲烷机理（维尔斯迈尔-哈克-阿诺德反应(Vilsmeier-Haack-Arnold Reaction)）NMe HO PCl. .Me OClCl + -DMFN OPCl2ClHMeMe O NMeMe ClOPOCl2+N HMeMe ClOPOCl2-1+N HMeMe ClOPOCl2-1+N HMeMe ClOPOCl2-2当以 DMF 被用作溶剂时 (或使用过量的 DMF 时)，亚甲基铵盐 1 与 DMF 反应形成氯代亚甲基铵盐 3(包括偶极结构化合物 4) 的另一种平衡。相比较而言，氯代亚甲基铵盐 3 (m.p. 140145) 是比较稳定的季铵盐。+N HMeMe ClOPOCl2-1DMF +N HMeMe Cl3 Cl- +N HMeMe O-P-O4 OCl-VHA 反应是一个亲电取代过程，即由 VHA 试剂 1、2 或 3 分别与底物之间进行的亲电取代
