meso-四(對羥基苯基)卟啉的合成*
——一個本科開放性實驗

張逸 蘇優拉 覃麗娟 唐笛 胡清 陸旭芳 吳炎彬 夏晨 駱雪芳 李嘉賓

(中國藥科大學無機化學教研室 分析化學教研室 藥學基礎化學實驗中心 江蘇南京 211198)

卟啉是一類重要的大環化合物，在自然界和生命體中廣泛存在，如葉綠素(鎂卟啉)、血紅素(鐵卟啉)、維生素B12(鈷卟啉)和細胞色素P450等。由于卟啉和金屬卟啉具有獨特的化學結構與性質，近年來在仿生學[1]、藥物化學[2]、分析化學[3]、光物理與化學[4]、材料化學[5]、電化學[6]、催化化學[7]等領域得到廣泛的研究與應用，促進了卟啉合成化學的迅速發展。

圖1 幾種卟啉化合物的結構

取代四苯基卟啉化合物是卟啉化學研究的重要模型化合物，常見的有：meso-四苯基卟啉(meso-tetraphenylporphyrin,以下簡稱TPP)和meso-四(對羥基苯基)卟啉(meso-tetra(p-hydroxyphenyl) porphyrin，以下簡稱THPP)等，結構式見圖1。該類化合物最初由Rothemund[8]合成，后經Adler[9]、Lindsey[10]、郭燦城[11]、潘繼剛[12]、Petit A[13]等學者改進，產率已有較大提高。現應用最多的是Adler法，即取代苯甲醛和吡咯在丙酸介質中回流，一步縮合制得。該法操作比較簡單，不需要Rothemund法采用的封管反應器；也不需要Lindsey法中必需的無水無氧操作和價格相對昂貴的試劑，適合在開放性實驗中采用。在武漢大學夏春蘭等人發表的有關卟啉綜合性實驗的文章中，正是按照Adler法合成了對羥基取代的四苯基卟啉(即THPP)[14]。

我們依據上述文獻，在開放性實驗中，開展了THPP的化學合成。通過多次嘗試，發現按照文獻方法合成THPP的產率很低且重現性較差，僅有5%～10%。特別是反應后出現大量黑色焦油狀物質，給分離純化帶來困難。針對以上問題，我們從機理和實驗操作入手開展了以下工作。

通過SciFinder文獻檢索，我們了解到在過去的40年中，不斷有學者對合成四苯基卟啉的反應機理進行研究和推測，但迄今還沒有完整確切的機理報道。在眾多研究中，我們認為比較合理的機理是：苯甲醛與吡咯先可逆地生成聚合度(n)不定的開鏈多聚物，然后環合形成中間體卟啉原(porphyrinogen)，再經多次氧化脫氫，得到目標物TPP[10,15]。其中由卟啉原生成TPP和TPC(meso-四苯基二氫卟啉)是競爭性的氧化反應，TPP是主要產物(圖2)。當體系中存在合適的氧化劑時，TPC又被逐漸氧化成TPP，故產品中常含有少量的TPC[16]。

圖2 TPP合成法的可能機理

我們推測THPP的合成中也存在類似TPC的二氫卟啉中間產物，即THPC(meso-四(對羥基苯基)二氫卟啉)，結構式見圖 1。因此，尋找合適的氧化劑可能是提高Adler法合成包括THPP在內的取代四苯基卟啉化合物產率的有效方法之一。近期章艷、李忠芳等分別報道了以DMSO和硝基苯作為氧化劑可提高THPP的產率(DMSO：35%[17]；硝基苯：39.68%[18])。

在深入了解反應機理的同時，我們按指導教師要求，進一步提高了對柱層析、TLC分析、核磁解析、溶劑純化等單元操作的熟練程度，并更加合理地安排實驗時間以提高效率。

在此基礎上，我們確定了以DMSO或硝基苯為氧化劑的兩種反應體系為研究對象。通過預實驗的摸索和比較，我們統一以混酸為催化劑和溶劑、調堿調酸后柱層析為后處理方法，然后依次研究反應溫度、回流時間和酸的用量對產率的影響，最終確定THPP合成反應的適宜條件。

1 儀器與試劑

儀器：TU-1901型紫外-可見分光光度計，Bruker AV300型核磁共振儀，Elementar Vario EL-Ⅲ元素分析儀，X-5型數顯顯微熔點測定儀，ZNHW-Ⅱ型電子控溫儀，85-1型電磁攪拌器， RE-5299型旋轉蒸發儀， SHB-ⅢA型循環水式真空泵。

試劑：4-羥基苯甲醛，C.P.，國藥集團化學試劑有限公司；吡咯，C.P.，上海科豐化學試劑有限公司，使用前常壓蒸餾；丙酸，A.R.，上海凌峰化學試劑有限公司，使用前常壓蒸餾；二甲基亞砜，A.R.，上海凌峰化學試劑有限公司；無水乙醇，A.R.，南京化學試劑有限公司；柱層析硅膠(200～300目)，薄層層析硅膠GF254，青島海洋化工有限公司。

2 實驗步驟

2.1 以DMSO為氧化劑(以下簡稱DMSO組)

在250mL四頸瓶中加入對羥基苯甲醛3.66g(30mmol)，72mL丙酸和3.6mL DMSO，攪拌，加熱，在反應液溫度為128～131℃時用注射器勻速加入新蒸吡咯2.2mL(30mmol)，溶液由黃色變成紅棕色、黑褐色、黑色。加畢，控溫130℃回流反應90min。反應結束后，冷卻至室溫，抽濾，將藍黑色不溶物轉移至燒杯中加入約100mL 5%的NaOH溶液直至溶液呈墨綠色。抽濾，除去黑色不溶物，將濾液轉移至燒杯中滴加濃鹽酸調溶液pH=6～7。抽濾，得紫黑色固體黏狀物，真空干燥6h得紫黑色粉末6.7g。

2.2 以硝基苯為氧化劑(以下簡稱硝基苯組)

將70mL正丁酸、10mL乙酸和30mL硝基苯的混合溶液加入帶有回流冷凝管、機械攪拌器和恒壓滴液漏斗的250mL三頸瓶中，加熱回流30min后加入對羥基苯甲醛3.66g(30mmol)并使其溶解。緩慢滴加吡咯2.2mL(30mmol)溶于20mL硝基苯的溶液，20min滴畢，反應液顏色由亮黃色變為棕黑色，控溫在150℃下回流40min。停止加熱，冷至室溫后轉入冰箱冷凍室(-18℃),放置10h，抽濾得藍黑色固體，粗品轉移入燒杯中，加入5%NaOH溶液約75mL，加熱攪拌直至固體不再溶解，趁熱過濾，濾液用濃鹽酸調至pH=6，此時有藍紫色黏稠物析出，再用濃氨水調pH至7，抽濾得藍紫黑色黏稠狀固體，真空干燥10h得黑灰色顆粒3.9g。

3 產物表征

對所得產物用1H-NMR、MS、IR、元素分析、UV-Vis進行了表征，結果如下：

1H-NMR(500MHz,DMSO-d6),δ:9.91(s,4H,OH),8.86(s,8H,pyrrole-H),7.99(d,J=8.3Hz,8H,o-H,benzene),7.20(d,J=8.3Hz,8H,m-H,benzene),-2.87(s,2H,NH);MS(ESI),m/z:679.2[M+H]+;IR(KBr),ν/cm-1:3319,3064,3029,1650,1587,1553,1471,1345,1263,986,802;元素分析,計算值:C44H30N4O4:C 77.88,H 4.42,N 8.26;實測值:C 77.50,H 4.54,N 8.04;UV-Vis(EtOH,3×10-6mol/L),λmax/nm(10-3ε/mol-1·L·cm-1):420(214.9),517(9.7),556(7.5),592(3.5),651(3.8)。

4 結果與討論

4.1 氧化劑對產率的影響

如前述可能的機理，適當的氧化劑可以促使反應中間體轉化成產品。實驗證明，與空氣為氧化劑的純丙酸體系相比，在反應體系中加入DMSO或硝基苯后,產率顯著提高(產率由實驗初期的約10%提高至30%以上)。

DMSO組：DMSO可將THPC氧化成THPP，因而產品中不含THPC(按照文獻[19]中的公式計算，THPC含量應為0，而在對照組不加DMSO的實驗產物中，THPC含量在3%左右)；此外，DMSO可抑制黑色吡咯低聚物的生成，還能夠即時結合反應生成的水，促使反應向著生成THPP的方向進行[17]。

硝基苯組：一方面，硝基苯有氧化作用，能促進反應中間體向產物轉化。另一方面，產物不溶于硝基苯，直接析出，有利于產物的分離，TLC分析顯示濾液中幾乎不含產物。

4.2 后處理方法對產率的影響

我們在其他條件不變的前提下嘗試了4種后處理方法，實驗結果見表1。

表1 純化方法比較

4.3 反應溫度對產率的影響

DMSO組：其他反應條件同實驗步驟中2.1所述，加完吡咯后控制溫度回流2h[17]，考察反應溫度對THPP產率的影響。從圖3可以看出，反應溫度對實驗產率的影響較大。一方面，從縮合反應機理的角度講升高溫度對反應有利；但另一方面，反應溫度過高時容易生成大量的黑色焦油狀物質而使后處理難度增大，產率降低。所以，適宜的反應溫度應在130℃左右。

硝基苯組：類似DMSO組中的分析(圖3)。適宜的反應溫度為150℃左右，V(硝基苯):V(丁酸):V(乙酸)=5:7:1。

值得注意的是硝基苯組的適宜溫度高于DMSO組，推測可能是硝基苯發揮氧化作用所需的溫度高于DMSO。

圖3 反應溫度對產率的影響1 硝基苯組；2 DMSO組

4.4 反應時間對產率的影響

溫度控制在4.3所得適宜反應溫度，考察時間對THPP產率的影響。在反應開始階段，隨著時間增加，產率提高較快，當反應到一定時間后產率達到最大值。反應時間繼續延長，產率反而有所降低。這是因為反應時間過長，副反應增多，特別是黑色焦油狀物增多，增加了產物分離提純的難度，導致產率下降。從圖4可知兩個體系的適宜反應時間分別為：90min(DMSO組)和60min(硝基苯組)。

圖4 反應時間對產率的影響1 硝基苯組；2 DMSO組

4.5 丙酸用量對產率的影響

在DMSO組實驗結果的基礎上，考察丙酸用量對產率的影響。其他反應條件與2.1相同，130℃下反應90min，控制丙酸與DMF的體積之和為72mL，改變丙酸的用量，所得結果如圖5。可見當丙酸用量小于54mL時，產率明顯降低；當丙酸用量大于54mL時才有較理想的產率。

圖5 丙酸用量對產率的影響(DMSO為氧化劑)

5 注意事項

(1) 硝基苯是受公安部門管制的易制爆試劑且毒性較強，其使用及溶劑殘留都需要特別注意。該試劑的領取、使用和退庫都需要有詳細記錄和專人管理。另外，柱層析操作需用到大量有機溶劑，應當在通風櫥中進行，并及時回收。

(2) 本合成實驗采用油浴加熱，介質為甲基硅油，控溫采用調壓器和控溫儀結合的方式，反應內溫為130～155℃時，相應油浴溫度范圍為135～165℃。

(3) 用本文所述方法合成的THPP中含有少量丙酸或丁酸，可將產品溶解在盡量少的良溶劑(如DMF)后再傾入大量不良溶劑(如水)中攪拌析晶，經過濾、真空干燥即得不含丙酸或丁酸的樣品。

(4) 產品顏色可能為藍色、藍紫色、紫色。由于核磁譜無明顯差異，推測產品顏色可能與晶形有關。

6 結語

利用改進的Adler法合成了THPP，通過IR、MS、1H-NMR、元素分析和UV-Vis光譜表征了產物的結構；初步理清了影響產率的主要因素，并使產率由實驗初期的5%～10%提高到35%，達到了文獻報道的水平，產品的純度和產率的穩定性較實驗初期均有顯著提高。

在實驗經歷中，我們觀察并了解到卟啉在仿生合成、金屬催化、顯色劑、光電材料等領域的應用前景和研究近況，激發了對化學問題進行研究探索的興趣；同時也深刻體會到“創新”的艱難和不易：小組同學在開放實驗基礎上，用了近一個學期的業余時間完成此項工作，雖合成產率有顯著提高，達到文獻水平，但在方法上并沒有新的突破，說明我們現階段在知識和能力上離方法創新的要求還有一定的差距。

在經歷了該實驗項目后，每個成員在文獻調研、合成反應的單元操作、結構鑒定及分析儀器的使用、討論交流以及論文撰寫等方面都有了進步，為將來從事并投身于科研工作增強了自信、打下了比較扎實的基礎。

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