兩種帶吡啶基側臂的新型不對稱卟啉的合成與表征

張立娜，劉珂珂，朱莉娜

(天津大學理學院，天津 300072)

兩種帶吡啶基側臂的新型不對稱卟啉的合成與表征

張立娜，劉珂珂，朱莉娜*

(天津大學理學院，天津 300072)

合成了2種帶吡啶基側臂的新型不對稱卟啉，5-[4-(乙烯基氧基)苯基]-10,15,20-三[4-((2-(O-吡啶-3基)乙氧基)氧基)苯基]卟啉和其水溶性陽離子卟啉5-[4-(乙烯基氧基)苯基]-10,15,20-三[4-((2-(O-(N-甲基吡啶)-3基)乙氧基)氧基)苯基]卟啉，并通過紅外光譜、質譜、核磁共振氫譜、紫外光譜和熒光光譜對其結構進行了表征。

不對稱卟啉；陽離子卟啉；吡啶基；合成；表征

卟啉化合物在自然界中普遍存在，是調節生物體生命活動不可或缺的物質，被譽為“生命色素”。卟啉化合物的母體卟吩環是剛性的共軛大環結構，其結構的特殊性使卟啉化合物具有獨特的光電性質，在催化、分析化學、醫藥及化學傳感等領域有著廣泛應用[1-3]。

G-四鏈體(G-quadruplex)是由富含鳥嘌呤堿基G的DNA或RNA序列形成的一種特殊的核酸二級結構，人類染色體末端的單鏈富G序列可以形成G-四鏈體結構，一旦形成G-四鏈體，就不能再被端粒酶所延伸，從而達到終止細胞永生化的目的[4-6]。G-四鏈體成為近年來癌癥治療研究中的一個重要靶標，能識別并穩定G-四鏈體的化合物有望被開發成為一類新型的抗癌藥物。研究表明，一些特殊結構的卟啉可以與G-四鏈體發生作用，如廣泛報道的四-(4-甲基吡啶基)卟啉(TMPyP4)和作者所在課題組報道的一系列帶有較長陽離子側臂的新型卟啉衍生物等[7-10]，這些化合物對G-四鏈體顯示出良好的增穩或識別作用。

目前，已經合成出了多種卟啉類衍生物，并將其應用到了各個研究領域。卟啉的合成方法有很多，Rothemund法是最早提出的卟啉合成方法，是以吡咯和醛類化合物為原料合成四苯基卟啉(TPP)；隨后人們又通過Adler-Longo法[11-12]、Lindsey法[13]、微波激勵法[14]、“2+2”法和“3+1”法[15]合成出不同結構的卟啉。其中，Adler-Longo法是最常用的方法，基于此，作者先通過經典的Adler-Longo法合成出四羥基苯卟啉(THPP)，再通過鹵代烴的親核取代反應，在卟啉環側臂的酚羥基上修飾1，2-二溴乙烷，合成出5，10，15，20-四[4-(2-溴乙氧基)苯基]卟啉(TBrEOPP)；最后基于堿性環境中溴代烷烴可發生親核取代反應及消去反應，在TBrEOPP的側臂上引入3-羥基吡啶基和乙烯基，從而得到帶吡啶基側臂的新型不對稱卟啉化合物5-[4-(乙烯基氧基)苯基]-10,15,20-三[4-((2-(O-吡啶-3基)乙氧基)氧基)苯基]卟啉(TriPyE(V)OPP)和其水溶性陽離子卟啉5-[4-(乙烯基氧基)苯基]-10,15,20-三[4-((2-(O-(N-甲基吡啶)-3基)乙氧基)氧基)苯基]卟啉(TriMPyE(V)OPP)，并通過紅外光譜、質譜、核磁共振氫譜、紫外光譜和熒光光譜對其結構進行了表征。合成路線如圖1所示。

圖1 目標化合物的合成路線

1 實驗

1.1 試劑與儀器

所用試劑均為分析純或色譜純。

Perkin-Elmer 1600型傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片法)，掃描范圍4 000～400 cm-1；Cary-60型紫外可見分光光度計；RF-5301PC型熒光分光光度計；Mercury Vx-500型核磁共振波譜儀，TMS為內標，掃描頻率500 MHz；基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜儀(MALDI-TOF-MS)；Varian 7.0T型FT-MS質譜儀；艾科浦微量無機型超純水機。

1.2 合成方法

1.2.1 四羥基苯卟啉(THPP)的合成與分離

稱取6.1 g對羥基苯甲醛，放入三口瓶中。然后向三口瓶中加入6 mL DMSO，再加入100 mL丙酸作溶劑，攪拌，加熱至100 ℃左右。取5 mL吡咯，避光減壓蒸餾，取3.5 mL重蒸后的吡咯和10 mL丙酸，加入恒壓滴液漏斗中，待反應溫度達到128 ℃時滴加吡咯，控制滴加速度為2～3 s一滴，滴完后升溫至139 ℃，加熱回流2 h。反應完畢，冷卻至100 ℃左右減壓抽濾，得到藍色固體。用30 mL無水乙醇重結晶，抽濾得到紫色固體。以丙酮為洗脫劑，用200～300目硅膠柱分離得到純凈的THPP。

1.2.2 5,10,15,20-四[4-(2-溴乙氧基)苯基]卟啉(TBrEOPP)的合成與分離

稱取0.2 g THPP和300 mg K2CO3于100 mL三口瓶中，再加入50 mL DMF攪拌均勻，使THPP完全溶解在DMF中。取0.5 mL 1，2-二溴乙烷和10 mL DMF混合于分液漏斗中，滴加至三口瓶中，控制滴加速度為1～2 s一滴，常溫攪拌。滴加完畢，將混合液加熱至60 ℃反應4 h，抽濾得到紫紅色液體，用20 mL DMF沖洗上層K2CO3。將濾液用等比例的水和二氯甲烷萃取3次，收集有機相，旋干得TBrEOPP粗品。將粗品溶解混入硅膠粉后裝柱，用洗脫劑二氯甲烷-乙醇(3∶1，體積比，下同)分離，除去未反應完全的1，2-二溴乙烷及一取代、二取代和三取代副產物。

1.2.3 5-[4-(乙烯基氧基)苯基]-10,15,20-三[4-((2-(O-吡啶-3基)乙氧基)氧基)苯基]卟啉(TriPyE(V)OPP)的合成與分離

稱取0.7 g 3-羥基吡啶和300 mg K2CO3于100 mL三口瓶中，再加入40 mL DMF攪拌均勻，使3-羥基吡啶與K2CO3混合均勻。取0.2 mg TBrEOPP和20 mL DMF混合于分液漏斗中，滴加至三口瓶中，控制滴加速度為2～3 s一滴，常溫攪拌。滴加完畢，將混合液加熱至60 ℃反應2.5 h，抽濾得到紫紅色液體，用10 mL DMF沖洗上層K2CO3。將濾液用等比例的水和二氯甲烷萃取3次，得到有機相，旋干得TriPyE(V)OPP粗品。然后采用薄層分離法將粗品分離，展開劑為二氯甲烷-乙醇(16∶1)，分離后的樣品刮取第三帶重結晶后進行進一步純化。

1.2.4 5-[4-(乙烯基氧基)苯基]-10,15,20-三[4-((2-(O-(N-甲基吡啶)-3基)乙氧基)氧基)苯基]卟啉(TriMPyE(V)OPP)的合成與分離

取30 mg TriPyE(V)OPP和30 mL無水二氯甲烷于三口瓶中，在分液漏斗中加入9 mL碘甲烷，整個裝置用黑色塑料袋罩住，將三口瓶抽真空，用N2換氣3次，然后常溫攪拌并滴加碘甲烷，反應24 h后抽濾。用二氯甲烷和乙醚沖洗濾餅上的固體，得到純凈的TriMPyE(V)OPP。

1.3 表征方法

1.3.1 質譜表征

將待測樣品溶解在易溶的溶劑中，TBrEOPP溶解在DMF中，TriPyE(V)OPP溶解在二氯甲烷中，TriMPyE(V)OPP溶解在乙醇中，濃度均約為1 mg·mL-1，溶解后的樣品在無絮狀物、無沉淀的情況下進行質譜分析。

1.3.2 核磁共振氫譜表征

取10 mg左右的待測樣品裝入石英核磁管中，選用氘代試劑溶解，TriPyE(V)OPP用CDCl3溶解，TriMPyE(V)OPP用DMSO-d6溶解。管內樣品高度3 cm左右。

1.3.3 紫外光譜和熒光光譜表征

待測樣品濃度為5 μmol·L-1，總體積為100 μL，用Tris-HCl緩沖液(10 mmol·L-1，pH值為7.0)調節溶液pH值。紫外光譜掃描范圍為300～850 nm；熒光光譜的激發波長為420 nm，掃描范圍為600～800 nm，狹縫寬度為5 nm。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析

化合物TBrEOPP、TriPyE(V)OPP和TriMPyE(V)OPP的紅外光譜數據見表1。

表1 化合物的紅外光譜數據

Tab.1 FTIR data of compounds

從表1可以初步推斷，TBrEOPP是通過1，2-二溴乙烷與THPP發生反應生成，THPP酚羥基上的氫被溴代乙基鏈取代后，在2 924 cm-1處出現了亞甲基的C-H伸縮振動吸收峰，在1 240 cm-1處則出現了與苯環相連的芳醚的C-O特征伸縮振動吸收峰，初步證明了TBrEOPP的生成；與TBrEOPP比較，TriPyE(V)OPP在3 034 cm-1、1 640 cm-1處以及TriMPyE(V)OPP在3 062 cm-1、1 641 cm-1處的新峰分別為烯烴基團的C-H和C=C伸縮振動；與TriPyE(V)OPP比較，TriMPyE(V)OPP在2 941 cm-1處的峰為甲基的C-H伸縮振動，進一步驗證了TriMPyE(V)OPP的成功合成。另外，3個化合物在3 315 cm-1附近的吸收峰為吡咯N-H伸縮振動；1 604～1 450 cm-1之間的吸收峰為芳香環上C=C和C=N伸縮振動；700～900 cm-1之間3個中強峰可歸屬為對位取代苯環上C-H面外彎曲振動吸收峰。

2.2 低分辨質譜分析

圖2為TBrEOPP和TriPyE(V)OPP的低分辨質譜圖，其主要數據見表2。

圖2 TBrEOPP(a)與TriPyE(V)OPP(b)的低分辨質譜圖

表2 化合物的主要質譜數據

圖2檢測的是正離子場的質量，一般情況下分子離子峰是由M+H代表。從表2可知，理論m/z與實際m/z基本一致，其誤差在低分辨質譜所允許的范圍內。表明成功合成了TBrEOPP和TriPyE(V)OPP。

2.3 高分辨質譜分析(圖3)

圖3檢測的是正離子場的質量，一般情況下分子離子峰是由M+H代表。從圖3可以看出，TriMPyE(V)OPP的m/z為370.8254，理論m/z為370.82，其誤差在高分辨質譜所允許的范圍內。證明成功合成了較純凈的TriMPyE(V)OPP。

2.4 核磁共振氫譜分析(圖4)

TriPyE(V)OPP的核磁共振氫譜數據見表3。

圖3 TriMPyE(V)OPP的高分辨質譜

圖4 TriPyE(V)OPP的核磁共振氫譜

表3 TriPyE(V)OPP的核磁共振氫譜數據

Tabl.3 1HNMR data of TriPyE(V)OPP

從圖4和表3可以看出，δ(ppm)：-1.91(s，2H，pyrrole NH)，8.86(s，8H，pyrrole H)，8.07、8.14(d，8H，Ph-H)，7.18、7.37 (d，8H，Ph-H)，4.37(s，12H，OCH2CH2O)，8.44(s，3H，pyridine H)，8.29(s，3H，pyridine H)，7.27(s，6H，pyridine H)，7.16(s，1H，-CH=CH-)，5.05(s，1H，-CH=CH-)，4.64(s，1H，-CH=CH-)。結果與合成產物的結構一致，證明已成功合成出較純凈的TriPyE(V)OPP。

2.5 紫外光譜和熒光光譜

陽離子卟啉TriMPyE(V)OPP具有良好的水溶性，有望用于生物體系的研究中。TriMPyE(V)OPP在pH=7.0時的紫外光譜和熒光光譜如圖5所示。

圖5 TriMPyE(V)OPP的紫外光譜(a)和熒光光譜(b)

從圖5a可以看出，TriMPyE(V)OPP紫外光譜的最大吸收峰對應于該化合物的最高占據軌道(HOMO)和最低空軌道(LUMO)之間的能級差，其紫外吸收光譜的吸收峰是由HOMO和LUMO之間的π→π*躍遷產生。其中HOMO有2個能量接近的α1μ(π)和α2μ(π)軌道，LUMO對應有一對間并的eg(π)能級。TriMPyE(V)OPP的紫外特征吸收峰分別位于Soret帶(B吸收帶)423 nm處和Q帶525 nm、562 nm、597 nm、651 nm處。其中423 nm處的紫外吸收峰為卟吩環和苯環π軌道的α1μ(π)→eg(π)躍遷所產生；Q帶525 nm、562 nm、597 nm、651 nm處的紫外吸收峰為π軌道的α2μ(π)→eg(π)躍遷所產生。

從圖5b可以看出，TriMPyE(V)OPP的熒光發射峰位于658 nm和720 nm處。

3 結論

采用Adler-Longo法先合成THPP，再在酚羥基上引入溴代烷基鏈取代基，然后通過鹵代烴的親核取代反應和消去反應，修飾卟啉環側臂，合成了帶吡啶基側臂的新型不對稱卟啉TriPyE(V)OPP及其水溶性陽離子卟啉TriMPyE(V)OP。該研究豐富了不對稱卟啉衍生物的合成，合成出的陽離子卟啉具有良好的水溶性，有望進一步用于生物活性的研究中。

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Synthesis and Characterization of Two Novel Asymmetric Porphyrinwith Pyridyl Side Arm

ZHANG Li-na,LIU Ke-ke,ZHU Li-na*

(SchoolofScience,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Wesynthesizedtwonovelasymmetricporphyrinwithpyridylsidearm,whichwere5-[4-(ethenyloxy)phenyl]-10,15,20-tri[4-(2-(O-pyridyl)ethoxyl)oxyphenyl]porphyrinanditswater-solublecationicporphyrin5-[4-(ethenyloxy)phenyl]-10,15,20-tri[4-(2-(O-(N-methylpyridyl)ethoxyl)oxyphenyl]porphyrin.AndwecharacterizedtheirstructuresbyFTIR,MS,1HNMR,UVandfluorescencespectra.

asymmetricporphyrin;cationicporphyrin;pyridylgroup;synthesis;characterization

國家自然科學基金項目(21371130)，天津市應用基礎研究項目(15JCYBJC48300)

2017-04-05

張立娜(1990-)，女，滿族，河北承德人，碩士研究生，研究方向：生物無機化學，E-mail：844123962@qq.com；通訊作者：朱莉娜，副教授，E-mail：linazhu@tju.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.08.005

O626

A

1672-5425(2017)08-0022-05

張立娜，劉珂珂，朱莉娜.兩種帶吡啶基側臂的新型不對稱卟啉的合成與表征[J].化學與生物工程，2017，34(8)：22-26，36.