5，10，15，20－四［4－（2，3－環氧丙氧基）苯基］卟啉的合成與表征

王苗苗，劉耀軍，王園，王耀輝，趙洪池

（河北大學 化學與環境科學學院，河北 保定 071002）

卟啉類化合物因其特殊的化學結構而具有熒光特性，不僅可以應用于光電材料［1］、分析化學［2］和醫藥化學［3］，又在生命科學領域具有很好的應用前景，例如應用于腫瘤檢測診斷［4］和光動力學療法的光敏劑［5］，用來檢測癌細胞的增長，為癌癥的治療提供了新方法，臨床上已經用來治療皮膚癌、支氣管癌、食道癌和膀胱癌等［6］.

卟啉是以具有平面結構的卟吩為基本結構的共軛環狀分子，卟吩環上的氫原子被其他原子或基團部分或者全部取代后得到的一系列衍生物統稱為卟啉.卟啉內部的氮原子可與不同的金屬離子相結合形成金屬卟啉，其中5，10，15和20位為α位，而2，3，7，8，12，13，17和18位為β位［7］.卟吩具有易于修飾的獨特大環結構，若卟吩環上的氫原子被不同的取代基取代，制備的卟啉衍生物具有不同的功能，因而具有不同的應用價值［7］.

在實驗室中，合成卟啉的方法一般被稱為Rothemund法［8］或Adler法［9］.與Rothemund法相比，Adler法具有操作簡單和產率較高等優點.本實驗采用Adler 法合成了5，10，15，20－四（4－羥基苯基）卟啉（THPP）；然后利用Ryu［10］報道的方法（4，4′－二羥基二苯基乙酮和環氧氯丙烷（ECH）反應，制備了4，4′－二羥基二苯基乙酮縮水甘油醚），將THPP與ECH 反應合成了5，10，15，20－四［4－（2，3－環氧丙氧基）苯基］卟啉（TEPPP），TEPPP的合成在文獻中報道很少.由于環氧基團的活性較高，易與多種有機化合物發生反應（如羧酸、酸酐和胺類等），也可發生聚合反應（如開環聚合或共聚合），因此，TEPPP是一種重要的合成中間體，對其修飾可以制備多種卟啉類衍生物.本文對TEPPP的結構和性質進行了表征與研究.

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

AVANCE III 600MHz超導核磁共振波譜儀（NMR）（Bruker，德國）；Varian 640－IR 型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）（Varian，美國）；UV－2550型紫外分光光度計（UV－Vis）（Shimadzu，日本）；RF－5301PC 型熒光分光光度計（Shimadzu，日本）；C－MAG HS7型加熱磁力攪拌器和ETS－D5型接觸式溫度計（IKA，德國）；R－1001N 型旋轉蒸發儀和DL－400型循環冷卻器（鄭州長城科工貿有限公司，中國）.

對羥基苯甲醛，正丙酸，均為分析純，天津市光復精細化工研究所；吡咯，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；硝基苯，ECH，均為分析純，天津市福晨化學試劑廠；冰乙酸，分析純，天津市光復科技發展有限公司；二氯甲烷，無水乙醇，濃氨水（NH3·H2O），均為分析純，天津市華東試劑廠；異丙醇，分析純，天津市進豐化工有限公司；氫氧化鈉，分析純，天津市標準科技有限公司；N，N－二甲基甲酰胺（DMF），分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；柱層層析硅膠（40～70μm，試劑級），青島譜科分離材料有限公司；氘代氯仿（CDCl3），北京博雅大北科技開發公司，體積分數＞99.8%；所用水均為去離子水.

1.2 合成原理

首先由對羥基苯甲醛和吡咯在正丙酸、冰乙酸和硝基苯混合溶劑中合成THPP［11］，然后以THPP 與ECH 為原料，在異丙醇中以氫氧化鈉為催化劑合成了TEPPP.其合成路線如圖1所示.

圖1 THPP和TEPPP的合成路線Fig.1 Synthesis routes of THPP and TEPPP

1.3 制備方法

1.3.1 THPP的合成

將30mL正丙酸、30mL硝基苯和30mL冰乙酸加入到250mL三頸燒瓶中，然后放入135 ℃油浴中，磁力攪拌下10min內滴加3.67g對羥基苯甲醛和20mL正丙酸的混合液.然后在15min內滴加2.10mL吡咯和20mL硝基苯的混合液，溶液由黃色變為黑色，保持溫度在135 ℃繼續反應40min.反應結束后，得墨綠色液體，冷卻，放置，過夜，抽濾，并用少量水洗滌得粗產品墨綠色粉末.將粗產品溶于100mL 的5% 氫氧化鈉溶液中，抽濾以除去不溶物，得藍黑色液體，將其轉移到燒杯中，滴加濃鹽酸直到有大量沉淀析出，溶液渾濁，pH 值為6～7，然后加入濃氨水將溶液調至中性，靜置片刻后再次抽濾，得藍紫色粘狀物，干燥后得藍紫色固體1.77g，硅膠柱層析分離，以無水乙醇為洗脫劑，收集第1色帶，旋轉蒸發除去溶劑，得1.67g藍紫色晶體THPP，產率33%.

1.3.2 TEPPP的合成

將0.68g的THPP、20g的ECH 和20mL異丙醇加入到100mL三頸燒瓶中，然后放入90℃油浴中，磁力攪拌下1h內滴加20%氫氧化鈉水溶液1.62g，繼續反應5h后停止反應.將反應液加入到120mL氯仿中，水洗3次萃取并收集有機相（下層），無水硫酸鈉干燥12h，濃縮后得粗產品，硅膠柱層析分離，以二氯甲烷／乙醇（500／15，V／V）的混合溶劑為洗脫劑，收集第1色帶，旋轉蒸發至干得0.42g紫色粉末TEPPP，產率47%.

1.4 樣品結構表征

核磁共振譜圖（NMR）采用德國Bruker公司的AVANCE III 600 MHz核磁共振波譜儀測定，溶劑為CDCl3.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）采用美國Varian公司的Varian 640－IR 型傅里葉變換紅外光譜儀測定，KBr壓片法制樣，掃描500～4 000cm－1，掃描次數32次.紫外可見圖譜（UV－Vis）采用日本Shimadzu公司的UV－2550紫外可見分光光度計進行測定.將THPP與TEPPP分別配制成1×10－5mol／L 的DMF溶液進行測試.熒光圖譜采用日本Shimadzu公司的RF－5301PC熒光分光光度計進行測定.將THPP與TEPPP分別配制成1×10－5mol／L的DMF溶液，測試條件：室溫，激發波長λex為400nm，樣品池為1cm×1cm×4cm，狹縫寬度5×5nm，掃描415～800nm.

2 結果與討論

2.1 FTIR分析

圖2是TEPPP的紅外譜圖.3 319cm－1處為卟啉N―H 鍵伸縮振動吸收峰，1 605cm－1和1 505cm－1處為苯環骨架振動吸收峰，1 349cm－1處為卟啉環C＝N 鍵伸縮振動吸收峰，1 287cm－1處為環氧化物環的骨架振動吸收峰，1 246cm－1處為芳香族醚C― O―C 鍵不對稱伸縮振動吸收峰，916cm－1處是環醚C―O―C鍵不對稱伸縮振動吸收峰［12－14］.FTIR 的測試結果說明已經成功制備了TEPPP.

2.2 NMR分析

圖3和4分別為TEPPP 的1H NMR 和13C NMR 譜圖.1H NMR（600 MHz，CDCl3）：δHf8.85～8.90（8H，s，CH），δHd8.12～8.17（8H，d，o－C6H4OC3H5O），δHe7.30～7.35（8H，d，m－C6H4OC3H5O），δHg－2.73（2H，s，－NH），以上均為卟啉結構的氫質子化學位移峰.此外在2.94～4.58內的5個峰為環氧基團氫質子化學位移峰，δHa2.94～2.98（4H，m，oxirane ring CH2），δHa3.05～3.10（4H，t，oxirane ring CH2），δHb3.57～3.61（4H，m，oxirane CH），δHc4.26～4.31（4H，q，－O－CH2－oxirane ring），δHc4.52～4.58（4H，d d，－O－CH2－oxirane ring）；δHa，δHb和δHc處的細節圖與文獻［15］相符合.對δHa，δHa，δHb，δHc和δHc的位移峰積分，峰面積比為1:1:1:1:1，與TEPPP 中環氧基團的不同氫原子數比一致.13C NMR（150 MHz，CDCl3，δ）：44.88，50.32，69.10，112.88，119.63，135.20，135.60，158.35.

圖2 TEPPP的FTIR 譜Fig.2 FTIR spectrum of TEPPP

圖3 TEPPP的1 H NMR（CDCl3）Fig.3 1 H NMR spectrum of TEPPP（CDCl3）

2.3 紫外譜圖分析

圖5是TEPPP的紫外可見光吸收譜.由譜圖可知，TEPPP的紫外光譜在420，517，553，590和647nm處出現吸收峰，與THPP［16］相似.卟啉類化合物在400～500nm 會出現1 個很強的特征譜帶Soret帶（B帶），這個帶被歸屬為卟啉π～π＊躍遷的第二電子激發態［17］.可見光區出現4個譜帶（Q 帶），分別在520，550，590和650nm 左右，這是由于卟吩環上共軛大π鍵軌道上的電子吸收能量從HOMO 激發到LUMO，即發生π～π＊躍遷所引起的，被歸屬為卟啉π～π＊躍遷的第一電子激發態［17］.

圖4 TEPPP的13C NMR 譜圖（CDCl3）Fig.4 13C NMR spectrum of TEPPP（CDCl3）

圖5 TEPPP的紫外可見光吸收譜Fig.5 UV－Vis absorption spectrum of TEPPP

2.4 熒光譜圖分析

圖6為THPP和TEPPP的熒光光譜.由圖6可知，在相同測試條件下，濃度分別為1×10－5mol／L 的THPP和TEPPP的DMF溶液分別有2個發光峰，峰位分別在662，724nm 和659，721nm 處.由3圖對比看出TEPPP的熒光強度要高于THPP的熒光強度，因此，引入環氧基團后大大增強了THPP的熒光強度.以四苯基卟啉（TPP）為參比物質，利用參比法按照公式φu＝φs（Fu／Fs）（As／Au）測定THPP和TEPPP的熒光量子產率［15］，其中φu 和φs 分別為樣品和參比物質的熒光量子產率，Fu和Fs分別為樣品和參比物質的積分熒光強度，Au和As分別為樣品和參比物質對該激發波長入射光的吸光度.要求待測樣品和參比物質的DMF稀溶液在激發波長處的紫外吸光度低于0.05.TPP的φs 為0.11［18］，實驗中測得Fs為17 132，THPP和TEPPP的積分熒光強度Fu分別為15 833和31 136，TPP的As為0.033，THPP和TEPPP的吸光度Au分別為0.042和0.040.經過計算得出THPP和TEPPP的熒光量子產率分別為0.08和0.16.

圖6 THPP和TEPPP的熒光光譜Fig.6 Fluorescence spectra of THPP and TEPPP

3 結論

以對羥基苯甲醛和吡咯為原料在硝基苯、冰乙酸和正丙酸的混合溶劑中合成了THPP，進而在氫氧化鈉的催化下THPP與ECH 反應合成了含有環氧基團的卟啉單體TEPPP，并對TEPPP 進行了FTIR 和NMR 表征，FTIR 譜圖中，1 349cm－1和916cm－1處為TEPPP卟啉環中C＝N 鍵伸縮振動吸收峰和環氧化物環的（C―O―C鍵）不對稱伸縮振動吸收峰.1H NMR 譜圖中，在2.94～4.58內的5個位移峰峰面積比為1:1:1:1:1，與TEPPP中環氧基團的不同氫原子數比相一致.UV－Vis譜圖中，TEPPP在420，517，553，590和647nm 處出現吸收峰.熒光譜圖中，THPP和TEPPP分別在662，724nm 和659，721nm 處有2個發光峰，THPP和TEPPP的熒光量子產率分別為0.08和0.16.

［1］ 楊建東，王都留，盧小泉.卟啉微納米材料的制備及應用研究進展［J］.應用化學，2012，29（10）：1099－1106.YANG Jiandong，WANG Duliu，LU Xiaoquan.Recent development in the preparation and application of porphyrin micro－and nanomaterials［J］.Chinese Journal of Applied Chemistry，2012，29（10）：1099－1106.

［2］ 童沈陽，孫國斌.卟啉在分析化學中的應用［J］.化學試劑，1987，9（1）：29－38.TONG Shenyang，SUN Guobin.Application of prophyrin in analytical chemistry［J］.Chemical Reagents，1987，9（1）：29－38.

［3］ KANTONIS G，TRIKERIOTIS M，GHANOTAKIS D F.Biocompatible protoporphyrinⅨ－containing nanohybrids with potential applications in photodynamic therapy［J］.Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2007，185（1）：62－66.

［4］ 蔡其洪.熒光分析在卟啉作為腫瘤標志物研究中的應用［J］.現代診斷與治療，2006，17（2）：96－98.CAI Qihong.Application of fluorescence analysis in study of porphyrin as a cancer marker［J］.Modern Diagnosis andTreatment，2006，17（2）：96－98.

［5］ 沈光遠.卟啉抗癌藥物的研究以及桃兒七中有效成分的超臨界CO2萃取技術研究［D］.蘭州：蘭州大學，2006.SHEN Guangyuan.Studies on the anticancer drug bonding porphyrin and studies on the SC－CO2techniques extraction frompodophyllum emodi wall［D］.Lanzhou：Lanzhou University，2006.

［6］ DOLMANS D E J G J，FUKUMURA D，JAIN R K.Photodynamic therapy for cancer［J］.Nature Reviews Cancer，2003，3（5）：380－387.

［7］ STEED J W，GALE P A.Supramolecular Chemistry：from molecules to nanomaterials［M］.［s.l］：John Wiley ＆Sons，Ltd，2012：1045－1074.

［8］ ROTHEMUND P.A new porphyrin synthesis.the synthesis of porphin［J］.Journal of the American Chemical Society.1936，58（4）：625－627.

［9］ ADLER A D，LONGO F R，SHERGALIS W.Mechanistic investigations of porphyrin syntheses.I.preliminary studies on ms－tetraphenylporphin［J］.Journal of the American Chemical Society，1964，86（15）：3145－3149.

［10］ RYU B Y，EMRICK T.Bisphenol－1，2，3－triazole（BPT）epoxies and cyanate esters：synthesis and self－catalyzed curing［J］.Macromolecules，2011，44（14）：5693－5700.

［11］ 李忠芳，王宇新，王亞權.Meso－5，10，15，20－四（對羥基苯基）卟啉及其配合物的新合成方法［J］.山東理工大學學報：自然科學版，2003，17（1）：1－7.LI Zhongfang，WANG Yuxin，WANG Yaquan.Synthesis and characterization of meso－tetrakis（4－hydroxylphenyl）porphyrin and its complexes［J］.Journal of Shandong University of Technology：Sci ＆Tech，2003，17（1）：1－7.

［12］ LAKSHMI M S，REDDY B S R.Synthesis and characterization of new epoxy and cyanate ester resins［J］.European Polymer Journal，2002，38（4）：795－801.

［13］ JAIN P，CHOUDHARY V，VARMA I K.Effect of structure on thermal behaviour of epoxy resins［J］.European Polymer Journal，2003，39（1）：181－187.

［14］ MERTZEL E，KOENIG J L.Application of FT－IR and NMR to epoxy resins［J］.Advances in Polymer Science，1986，75：73－112.

［15］ 趙洪池，王耀輝，王暢，等.5－［4－（2，3－環氧丙氧基）苯基］－10，15，20－三苯基卟啉的合成與表征［J］.河北大學學報：自然科學版，2013，33（2）：148－153.ZHAO Hongchi，WANG Yaohui，WANG Chang，et al.Synthesis and characterization of 5－［4－（2，3－epoxypropoxy）phenyl］－10，15，20－triphenylporphyrin［J］.Journal of Hebei University：Natural Science Edition，2013，33（2）：148－153.

［16］ 蔡曉瑩，肖義.5，10，15，20－四（4－羥基苯基）卟啉的合成及光譜性質的研究［J］.染料與染色，2006，43（5）：30－33.CAI Xiaoying，XIAO Yi.A study on the synthesis and spectral properties of 5，10，15，20－tetrakis（4－hydroxyphenyl）－porphyrin［T（4－OH P）P］［J］.Dyestuffs and Coloration，2006，43（5）：30－33.

［17］ 郭喜明，師宇華，張憶華，等.系列羥基苯基卟啉的合成及其熒光光譜研究［J］.有機化學，2006，26（2）：247－251.GUO Ximing，SHI Yuhua，ZHANG Yihua，et al.Synthesis of p－hydroxylphenylporphyrin arrays and their fluorescence spectrum study［J］.Chinese Journal of Organic Chemistry，2006，26（2）：247－251.

［18］ 王杏喬，王叢笑，王清民，等.光誘導下卟啉蒽醌分子內電子轉移過程的研究（Ⅰ）－熒光法［J］.高等學校化學學報，1997，18（6）：834－839.WANG Xingqiao，WANG Congxiao，WANG Qingmin，et al.A study of intramolecular electron transfer process of porphyrin－anthraquinone under photoinduction（Ⅰ）－fluorescence method［J］.Chemical Journal of Chinese Universities，1997，18（6）：834－839.