含單個(4-對羧基苯氧基苯)取代不對稱含硫四氮雜鈷卟啉的合成及與磁性納米粒子的共價連接

李 歡，高蘭昌，楊夢凡，張丙廣，鄧克儉

(中南民族大學化學與材料科學學院 催化材料科學國家民委-教育部共建重點實驗室，湖北 武漢 430074)

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含單個(4-對羧基苯氧基苯)取代不對稱含硫四氮雜鈷卟啉的合成及與磁性納米粒子的共價連接

李 歡，高蘭昌，楊夢凡，張丙廣，鄧克儉*

(中南民族大學化學與材料科學學院 催化材料科學國家民委-教育部共建重點實驗室，湖北 武漢 430074)

首先以4-硝基鄰苯二腈和對羥基苯甲酸乙酯為原料合成前驅體4-對甲酸乙酯苯氧基鄰苯二腈(Ⅰ)，以馬來二腈二硫二鈉鹽和正溴丁烷為原料合成前驅體雙正丁硫基馬來二腈(Ⅱ)；將上述2種前驅體通過鎂模板法合成鎂卟啉；再通過酸化脫鎂、接金屬鈷得到六(正丁硫基)-(4-對羧基苯氧基苯)四氮雜鈷卟啉[CoPz(S-Bu)6(COOH),Ⅳ]；然后將合成的鈷卟啉負載在磁性納米粒子Fe3O4@SiO2@NH2(ASMNP)上；得到一種共價鍵結合的負載型催化劑ASMNP@CoPz(S-Bu)6(COOH)(Ⅴ)，通過UV-Vis、1HNMR、13CNMR、MALDI-TOF-MS、FTIR等對中間體及目標產物進行了表征。

不對稱含硫四氮雜鈷卟啉；磁性納米粒子；合成與表征；接枝

人工合成的金屬卟啉分為對稱型金屬卟啉、非對稱型金屬卟啉、μ-氧代雙核金屬卟啉、負載型金屬卟啉等4大類，它們可作為細胞色素P450的有效模擬物[1-2]。四氮雜卟啉含有緊稠的大環結構和豐富的可離域的共軛π電子，這種兼具柔性與剛性的大環共軛平面結構使其具有更好的穩定性、更高的熔點和更寬的光譜響應范圍[3]。四氮雜卟啉的發展有2個重要時期：其一是在1968年，Manecke等[4]設計了現在仍廣泛使用的鎂模板法，該方法不僅降低了熔融法的反應溫度，而且極大地減少了副反應的發生；其二是20世紀80年代初，外圍烷基的引入明顯提高了四氮雜卟啉在有機試劑中的溶解性。合成方法的改進和溶解性的提高加快了四氮雜卟啉的發展。目前，四氮雜卟啉的結構不斷創新、應用領域不斷擴大，合成路線不再是其研究重點，研究者逐漸將目光轉移到性能改良上[5-6]。研究表明[7]，不對稱四氮雜卟啉的光催化性能要優于對稱四氮雜卟啉。而負載型金屬卟啉是近期國內外的研究熱點，金屬卟啉催化劑負載后具有許多優良性質：(1)提高了催化劑的穩定性；(2)解決了催化劑的回收問題；(3)某些經修飾的載體可提供特殊的功能基團，改變卟啉的微環境，提高金屬卟啉的催化活性。鑒于此，作者在此首先以4-硝基鄰苯二腈與對羥基苯甲酸乙酯為原料合成前驅體4-對甲酸乙酯苯氧基鄰苯二腈(Ⅰ)，以馬來二腈二硫二鈉鹽和正溴丁烷為原料合成前驅體雙正丁硫基馬來二腈(Ⅱ)；將上述2種前驅體通過鎂模板法合成鎂卟啉；再通過酸化脫鎂、接金屬鈷得到六(正丁硫基)-(4-對羧基苯氧基苯)四氮雜鈷卟啉[CoPz(S-Bu)6(COOH)，Ⅳ]，然后將合成的鈷卟啉負載在磁性納米粒子Fe3O4@SiO2@NH2(ASMNP)上，得到一種共價鍵結合的負載型催化劑ASMNP@CoPz(S-Bu)6(COOH)(Ⅴ)。合成路線如圖1所示。

圖1 ASMNP@CoPz(S-Bu)6(COOH)的合成路線Fig.1 Synthetic route of ASMNP@CoPz(S-Bu)6(COOH)

1 實驗

1.1 試劑與儀器

馬來二腈二硫二鈉鹽按文獻[8]合成；其余試劑均為市售化學純或分析純，使用時未做進一步純化。

UV-2450型紫外可見光譜儀，波長范圍300～800 nm，高速掃描，1 cm石英比色皿，Shimadzu公司；400 MHz AVANCE Ⅲ型核磁共振波譜儀，內標為TMS，Bruker公司；Voyager DESTR型基質輔助激光解析時間飛行質譜儀(MALDI-TOF-MS)，Applied Biosystem公司。

1.2 合成

1.2.1 前驅體4-對甲酸乙酯苯氧基鄰苯二腈(Ⅰ)的合成

取250 mL兩口燒瓶，加入5.01 g 4-硝基鄰苯二腈、4.82 g對羥基苯甲酸乙酯、9.96 g碳酸鉀(物質的量比為1∶1∶2.5)，加入100 mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)作溶劑，超聲5 min，常溫反應4 h后，以硅膠(100～200目)為固定相、二氯甲烷-石油醚(5∶1，體積比)為淋洗劑進行柱層析，收集第二段白色固體，即前驅體Ⅰ。

1.2.2 前驅體雙正丁硫基馬來二腈(Ⅱ)的合成

取250 mL單口燒瓶，加入3.00 g馬來二腈二硫二鈉鹽、5.99 g正溴丁烷[物質的量比為1∶(2.4～3.0)]，以100 mL乙二醇二甲醚(DME)作溶劑，超聲5 min，80 ℃回流48 h。以硅膠(100～200目)為固定相、二氯甲烷為淋洗劑進行柱層析，收集淡黃色液體，即前驅體Ⅱ。

1.2.3 不對稱含硫四氮雜卟啉自由配體H2Pz(S-Bu)6(COOC4H9)(Ⅲ)的合成

將鎂條打磨光滑后剪成碎片，稱取0.1 g于裝有150 mL正丁醇的250 mL兩口圓底燒瓶中，130 ℃下加熱攪拌回流反應48 h，得到乳白色正丁醇鎂懸浮液；然后加入0.15 g前驅體Ⅰ、0.40 g前驅體Ⅱ(物質的量比為1∶3)，反應體系很快變為藍色，繼續反應48 h；旋蒸除去正丁醇(理論上會有6種鎂卟啉生成)；先用甲醇柱層析除去反應后的黃色雜質并達到初步分離的目的，再以石油醚-乙酸乙酯(3∶1，體積比)為淋洗劑進行柱層析，收集第二段，得含1個酯基、6個八正丁硫基的藍綠色化合物六(正丁硫基)-(4-對甲酸乙酯苯氧基苯)四氮雜鎂卟啉。取所得的鎂卟啉于100 mL圓底燒瓶中，加入3 mL三氟乙酸，室溫避光反應12 h，反應完全后向反應液中倒入50 mL蒸餾水，靜置使沉淀析出，過濾并用大量的蒸餾水洗至中性，再經甲醇柱層析除去大量黃色雜質，然后以石油醚-乙酸乙酯(10∶1，體積比)為淋洗劑、硅膠(100～200目)為固定相進行柱層析，收集第一段紫色物質，即自由配體H2Pz(S-Bu)6(COOC4H9)(Ⅲ)。

1.2.4 不對稱含硫四氮雜鈷卟啉CoPz(S-Bu)6(COOH)(Ⅳ)的合成

將40 mg自由配體Ⅲ、20 mg四水合乙酸鈷和50 mL DMF加到100 mL單口燒瓶中，70 ℃反應48 h，得藍色物質即不對稱含硫四氮雜鈷卟啉。取100 mL單口燒瓶，加入30.5 mg不對稱含硫四氮雜鈷卟啉、30 mL四氫呋喃(THF)、15 mL甲醇、20 mL 0.5 mol·L-1KOH溶液，常溫磁力攪拌12 h旋蒸除去THF，加入適量的水，用鹽酸調pH值至4左右，再抽濾，抽濾時水洗3次，然后放入烘箱干燥，得脫酯后的不對稱含硫四氮雜鈷卟啉CoPz(S-Bu)6(COOH)(Ⅳ)。

1.2.5 磁性納米粒子Fe3O4@SiO2@NH2(ASMNP)的合成

將2.5 g FeCl3·6H2O和0.9 g檸檬酸三鈉二水化合物溶解在75 mL乙二醇中，劇烈攪拌反應1 h。然后向混合液中加入3.75 g乙酸鈉，攪拌30 min，將混合均勻的溶液轉移到以四氟乙烯為內襯的高壓反應釜中，200 ℃下反應10 h。用水和乙醇各洗滌3次，烘干，得黑色Fe3O4磁性納米粒子[9]。將此黑色固體均勻分散在35 mL乙醇和6 mL蒸餾水中，機械攪拌下緩慢滴加3 mL正硅酸四乙酯(TEOS)，超聲10 min，繼續緩慢滴加1.4 mL氨水(10%)，將混合液置于40 ℃恒溫油浴機械攪拌反應12 h。在外加磁場的作用下，用乙醇洗滌混合液3次，真空干燥，得Fe3O4@SiO2(SMNP)[10]。將干燥的SMNP均勻分散在20 mL甲苯中，機械攪拌下緩慢滴加1.5 mL 3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APS)，超聲10 min，程序升溫至油浴溫度為105 ℃，恒溫油浴機械攪拌反應20 h。在外加磁場的作用下，用乙醇洗滌混合液3次，真空干燥，即得磁性納米粒子Fe3O4@SiO2@NH2(ASMNP)[11]。

1.2.6 不對稱含硫四氮雜鈷卟啉的接枝負載

將30 mg化合物Ⅳ溶于5 mL磷酸緩沖液(PBS)中，加入0.23 g碳二亞胺(EDC)、0.12 gN,N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)及15 mL DMF，超聲5 min使其完全分散，室溫機械攪拌3 h以活化羧基。再加入0.1 g ASMNP，超聲分散，室溫機械攪拌反應24 h。用乙醇洗滌3次后于真空干燥箱中干燥[12]。

2 結果與討論

2.1 反應合成路線選擇

對于化合物Ⅳ的合成，起初設計了2條路線，均需先合成2個前驅體，前驅體Ⅰ由4-硝基鄰苯二腈與對羥基苯甲酸乙酯反應得到，前驅體Ⅱ由馬來二腈二硫二鈉鹽和正溴丁烷反應得到。路線一是將前驅體Ⅰ、前驅體Ⅱ及四水合乙酸鈷按物質的量比1∶3∶2加入到一定量的正戊醇中，并加入一定比例的1,8-二氮雜二環[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)，在氮氣保護下回流反應16 h[13]，經分離純化得到化合物Ⅳ。路線二是采用鎂模板法合成化合物Ⅳ，即按圖1所示合成路徑，經過自由配體Ⅲ的合成、純化、分離，得到化合物Ⅳ。相對于路線二，路線一可稱為“一步法”，雖然省去了很多中間步驟，但生成的雜質較多且難以分離，導致化合物Ⅳ的產率極低。而路線二中自由配體Ⅲ可以通過分離純化得到，盡管產率不高，但累計多次便可得到所需的化合物Ⅳ，故采用路線二合成化合物Ⅳ。

合成過程中所用載體是表面被一層SiO2包覆的Fe3O4磁性納米粒子，由于表面無任何修飾基團的Fe3O4磁性納米粒子的親水性較差，而且易發生團聚，不適合用作四氮雜卟啉的載體。而SiO2不僅無毒無害，而且親水性好，易實現表面功能化。因此，本實驗選擇SiO2包覆的Fe3O4磁性納米粒子(Fe3O4@SiO2)作為載體，通過氨基化將含羧基的金屬卟啉接枝到磁性載體的表面。

2.2 前驅體Ⅰ、Ⅱ的表征

前驅體Ⅰ：產率86.5%；1HNMR(400 MHz,CDCl3)，δ：8.18(d,J=8.7 Hz,2H,PhH),7.79(d,J=8.7 Hz,1H,PhH),7.36(s,1H,PhH),7.32(d,J=8.7 Hz,1H,PhH),7.15(d,J=8.8 Hz,2H,PhH),4.43(q,J=7.1 Hz,2H,CH2),1.43(t,J=7.1 Hz,3H,CH3);13CNMR(101 MHz,CDCl3)，δ：165.43(s),160.65(s),157.49(s),135.59(s),132.35(s),128.30(s),122.35(s),122.17(s),119.93(s),117.92(s),115.17(s),114.73(s),109.88(s),61.33(s),14.33(s);FTIR(KBr),ν,cm-1:2 250(C≡N),3 100～3 000(Ph-H),1 730(C=O);MALDI-TOF-MS,m/z:[M+H]+293。

前驅體Ⅱ：產率83.6%；1HNMR(400 MHz,CDCl3)，δ：3.20～3.07(m,1H,CH2),1.78～1.66(m,1H,CH2),1.52～1.42(m,1H,CH2),0.97(t,J=7.3 Hz,1H,CH3);MALDI-TOF-MS,m/z：[M+H]+254。

2.3 H2Pz(S-Bu)6(COOC4H9)與CoPz(S-Bu)6(COOH)的表征

自由配體H2Pz(S-Bu)6(COOC4H9)：產率4.63%；UV-Vis(CH2Cl2)(max,nm):719.0,622.5,348.5;1HNMR(400 MHz,CDCl3)，δ：9.04(d,J=8.2 Hz,1H,PhH),8.66(s,1H,PhH),8.21(d,J=8.8 Hz,2H,PhH),7.78(d,J=8.0 Hz,1H,PhH),7.38(d,J=8.8 Hz,2H,PhH),4.40(s,2H,OCH2),4.26(s,4H,SCH2),4.17(s,4H,SCH2),4.03(s,4H,SCH2),1.92(s,2H,CH2),1.88(s,8H,CH2),1.66(s,4H,CH2),1.35(s,2H,CH2),1.31(s,8H,CH2),1.27(s,4H,CH2),1.03(s,3H,CH3),0.95(s,12H,CH3),0.90(s,6H,CH3);FTIR(KBr),ν,cm-1:1 719.78(C=O),1 624.83(Ph-H),1 463.36(Ph-H),2 865.82(C-H),2 925.94(C-H),2 957.42(C-H);MALDI-TOF-MS,m/z:[M+H]+1 085(由于酯交換的存在，分子量由乙酯為外圍取代基時的1 057變為丁酯為外圍取代基時的1 085)。

不對稱含硫四氮雜鈷卟啉：產率76.7%；UV-Vis(CH2Cl2)(max,nm):650.5,326.0;MALDI-TOF-MS,m/z:[M+H]+1 142.5(由于酯交換的存在，分子量由乙酯為外圍取代基時的1 114.5變為丁酯為外圍取代基時的1 142.5)。脫酯后的不對稱含硫四氮雜鈷卟啉：產率78.7%；UV-Vis(CH2Cl2)(max,nm):651.0,328.5;MALDI-TOF-MS,m/z:[M+H]+1 086.38。

H2Pz(S-Bu)6(COOC4H9)與CoPz(S-Bu)6(COOH)的UV-Vis圖譜如圖2所示。

圖2 H2Pz(S-Bu)6(COOC4H9) 與CoPz(S-Bu)6(COOH)的UV-Vis圖譜Fig.2 UV-Vis spectra of H2Pz(S-Bu)6(COOC4H9) and CoPz(S-Bu)6(COOH)

由圖2可知，H2Pz(S-Bu)6(COOC4H9)的B帶吸收峰位于348.5 nm處，Q帶因分子對稱性改變而裂分成為2個峰，分別位于622.5 nm和719.0 nm處；脫酯CoPz(S-Bu)6(COOH)的吸收峰分別位于328.5 nm和651.0 nm處。

2.4 CoPz(S-Bu)6(COOH)的MALDI-TOF-MS圖譜(圖3)

圖3 CoPz(S-Bu)6(COOH)的MALDI-TOF-MS圖譜Fig.3 MALDI-TOF-MS spectrum of CoPz(S-Bu)6(COOH)

由圖3可知，CoPz(S-Bu)6(COOH)的MALDI-TOF-MS圖譜中分子離子峰為1 086.38，與理論值相符。說明不對稱含硫四氮雜鈷卟啉CoPz(S-Bu)6(COOH)已成功合成。

2.5 ASMNP@CoPz(S-Bu)6(COOH)的FTIR圖譜(圖4)

圖4 SMNP(a)、ASMNP(b)、CoPz(S-Bu)6(COOH)(c)、 ASMNP@CoPz(S-Bu)6(COOH)(d)的FTIR圖譜Fig.4 FTIR spectra of SMNP(a),ASMNP(b), CoPz(S-Bu)6(COOH)(c) and ASMNP@CoPz(S-Bu)6(COOH)(d)

從圖4可以看出，b曲線中2 900.00 cm-1處為-NH2的特征吸收峰，說明NH2已成功包裹在SMNP的表面；c曲線中2 975.18 cm-1和2 780.91 cm-1處為四氮雜鈷卟啉中C-H的特征吸收峰；d曲線中1 639.74 cm-1和1 436.41 cm-1處為酰胺鍵的特征吸收峰，2 929.29 cm-1處為四氮雜鈷卟啉中C-H的特征吸收峰。表明四氮雜鈷卟啉已經成功接枝到磁性納米粒子上。

3 結論

以4-對甲酸乙酯苯氧基鄰苯二腈、雙正丁硫基馬來二腈為前驅體，通過鎂模板法成功合成了目標產物六(正丁硫基)-(4-對羧基苯氧基苯)四氮雜鈷卟啉；并通過共價鍵將其負載在磁性納米粒子上得到一種負載型催化劑。該催化劑具有易分離、穩定、能重復使用的特點，為其它負載型催化劑的制備提供了參考，其光催化活性有待進一步研究。

[1] 周賢太,紀紅兵,裴麗霞,等.金屬卟啉催化應用于均相氧化反應的研究進展[J].有機化學,2007,27(9):1039-1049.

[2] ESMELINDRO M C,OESTREICHER E G,MARQUEZ-ALV-AREZ H,et al.Catalytic oxidation of cyclohexane by a binuclear Fe(Ⅲ) complex biomimetic to methane monooxygenase[J].Journal of Inorganic Biochemistry,2005,99(10):2054-2061.

[3] DENG K J,HUANG F,WANG D Y,et al.A novel catalyst iron(Ⅱ) tetra(1,4-dithin)porphyrazine for oxygenating degradation of organic pollutants in aqueous solutions[J].ChemInform,2004,33(1):34-35.

[4] MANECKE V G,WOHRLE D.Synthese und halbleitereigensch-aften einiger komplexe und der aus ihnen hergestellten poly-meren.Teil 2. polymere mit phthalocyaninartiger und triazinartiger stuktur[J].Die Makromolekulare Chemie,1968,120(1):176-191.

[5] 劉涌洲,汪海川,彭正合,等.低對稱性硫代烴基四氮雜卟啉的合成、表征及電化學性質研究[J].高等學校化學學報,2004,25(4):598-602.

[6] 盧同同.四氮雜卟啉的量子化學計算和光譜研究[D].合肥:中國科學技術大學,2010.

[7] ZHOU Q,XU S,YANG C J,et al.Modulation of peripheral substituents of cobalt thioporphyrazines and their photocatalytic activity[J].Applied Catalysis B:Environmental,2016,192:108-115.

[8] HAES A J,ZOU S L,ZHAO J,et al.Localized surface plasmon resonance spectroscopy near molecular resonances[J].Journal of the American Chemical Society,2006,128(33):10905-10914.

[9] ZHANG X B,TONG H W,LIU S M,et al.An improved St?ber method towards uniform and monodisperse Fe3O4@C nanospheres[J].Journal of Materials Chemistry A,2013,1(25):7488-7493.

[10] 駱華鋒.二氧化硅包覆磁性納米粒子的制備與表征[J].青島科技大學學報(自然科學版),2012,33(3):225-228.

[11] REZAEIFARD A,JAFARPOUR M,NAEIMI A,et al.Aqueous heterogeneous oxygenation of hydrocarbons and sulfides catalyzed by recoverable magnetite nanoparticles coated with copper(Ⅱ) phthalocyanine[J].Green Chemistry,2012,14(12):3386-3394.

[12] MODISHA P,NYOKONG T,ANTUNES E.Photodegradation of Orange-G using zinc octacarboxyphthalocyanine supported on Fe3O4nanoparticles[J].Journal of Molecular Catalysis A:Chemical,2013,380:131-138.

[13] DUPOUY E A,LAZZERI D,DURANTINI E N.Photodynamic activity of cationic and non-charged Zn(Ⅱ)tetrapyridinopor-phyrazine derivatives:biological consequences in human erythrocytes andEscherichiacoli[J].Photochemical & Photobiological Sciences,2004,3(11/12):992-998.

Synthesis of Asymmetric Cobalt Thioporphyrazine with Mono(p-carboxylphenoxy)-benzo Substituent and Covalent-Bonded to Magnetic Nanoparticle

LI Huan,GAO Lan-chang,YANG Meng-fan,ZHANG Bing-guang,DENG Ke-jian*

(CollegeofChemistryandMaterialsSciences,South-CentralUniversityforNationalities,KeyLaboratoryofCatalysisandMaterialsScienceoftheStateEthnicAffairsCommission&MinistryofEducation,Wuhan430074,China)

Using4-nitrophthalonitrileandethylp-hydroxybenzoicacidasrawmaterials,aprecursor4-phenoxyphthalicnitrile(Ⅰ)wassynthesized,andusingdithiomaleonitriledisodiumsaltand1-bromobutaneasrawmaterials,anotherprecursor2,3-bis(butylthio)maleonitrile(Ⅱ)wassynthesized.Then,magnesiumporphyrinwassynthesizedbymagnesiumtemplatemethodofthetwopreparedprecursors.Hexa-(n-butylthio)-(4-p-carboxylphenoxy)benzocobaltporphyrazine(Ⅳ)wassynthesizedbyacidizing,de-magnesiumandgrafting-cobaltofmagnesiumporphyrin.Thecovalent-bondedcatalystASMNP@CoPz(S-Bu)6(COOH)(Ⅴ)wasobtainedbyloadingcobaltporphyrazineonthemagneticnanoparticlesFe3O4@SiO2@NH2(ASMNP).TheintermediatesandfinalproductswerecharacterizedbyUV-Vis,1HNMR,13CNMR,MALDI-TOF-MS,FTIR,etc.

asymmetriccobaltthioporphyrazine;magneticnanoparticle;synthesisandcharacterization;graft

國家自然科學基金資助項目(20977115，21272281)

2016-12-15

李歡(1988-)，女，河南周口人，碩士研究生，研究方向：有機合成和仿生催化，E-mail:1284786762@qq.com；通訊作者：鄧克儉，教授，E-mail:dengkj@scuec.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.04.004

O643

A

1672-5425(2017)04-0014-05

李歡，高蘭昌，楊夢凡，等.含單個(4-對羧基苯氧基苯)取代不對稱含硫四氮雜鈷卟啉的合成及與磁性納米粒子的共價連接[J].化學與生物工程，2017，34(4)：14-18.