強磁場對四苯基卟啉及其Co/Zn配合物的影響

杜 次 楚增勇 胡天嬌 吳文健 李效東

(國防科技大學化學與生物系，長沙 410073)

磁場同光、熱、電和壓力等一樣是非常重要的實驗條件和控制手段。隨著超導科學與技術的飛速發(fā)展，超導磁體不斷獲得突破，磁場強度不斷地提高。強磁場同高溫、高壓一樣，作為一種極端條件在新現(xiàn)象和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與認識中發(fā)揮了重要作用，取得了很多重大成果[1-2]，例如量子霍爾效應的發(fā)現(xiàn)、核磁共振?腦功能成像技術等等。磁場對于處于場內(nèi)的物質具有作用力，是因為磁矩的存在。強磁場能有效地誘導原子自旋和軌道有序，改變電子排布，影響原子、分子和離子間的相互作用，從而使物質呈現(xiàn)不同的狀態(tài)、展現(xiàn)豐富多樣的新的物理、化學現(xiàn)象和效應，影響生命活動。

卟啉類化合物廣泛存在于自然中，對于生命體系的維持起到了重要的作用。卟啉同蛋白質、核酸堿基一樣，是最重要的生物配體之一。例如鐵卟啉是血紅素輔基、氧載體的核心，同時鐵卟啉還是氧化還原酶P450的活性中心，對于機體內(nèi)一些代謝物、藥物等的氧化分解起到非常重要的作用[3-7]。卟啉化合物已經(jīng)在光電材料、催化劑、光動力學療法、顯色劑等方面被廣泛研究[8]，這都歸因于卟啉類化合物獨特的大環(huán)結構產(chǎn)生的特殊的物理化學性質及功能各向異性[9-11]。卟啉(porphyrins)是卟吩環(huán)外帶有不同取代基的同系物和衍生物的總稱。卟啉的核心是具有平面π共軛的大環(huán)結構，具有特殊的π電子離域結構(24中心26電子的大π鍵)，符合休克爾規(guī)則中的(4n+2)規(guī)則，具有很強的芳香性和共軛穩(wěn)定性[12]。卟啉的化學合成已日趨完善，一些簡單的對稱卟啉比較容易制得，如四苯基卟啉(TPP，圖1)，為卟啉的研究帶來了方便。

圖1 四苯基卟啉的結構Fig.1 Structure of tetraphenylporphyrin

研究表明芳香體系的π電子環(huán)流會產(chǎn)生與外部磁場相反的感應磁場，或者屏蔽外部磁場[13]。由于π電子環(huán)流產(chǎn)生的感應磁場與外部磁場相反，在磁場中會發(fā)生一定取向[13-17]。卟啉是已知的具有大的抗磁各向異性的大環(huán)共軛體系，是研究分子抗磁信息的優(yōu)異物質[18]。卟啉化合物與磁場相關的研究較少，大多也集中在卟啉作為復合材料和光敏劑用于氧化還原、光電轉換和電子傳導相關的研究中。Waliszewski等[19]于1999年報道了磁場影響線粒體呼吸鏈的研究。在線粒體中，視黃素和卟啉化合物產(chǎn)生自由基對，改變電子傳遞，增加活性氧從而導致細胞損傷；磁場可誘導電子流的自組織，使其更加規(guī)整，利于高效選擇性殺傷癌細胞。Gurinovich等[20]研究了在可變磁場條件下含鹵化物的卟啉溶液的光吸收，發(fā)現(xiàn)卟啉化合物光吸收強度與磁場強度變化呈現(xiàn)線性正相關。Morii等[21]在磁場條件下制備了含不同卟啉分子的DNA固化膜，發(fā)現(xiàn)當受到磁場的作用時卟啉與DNA結合過程中通過界面和磁效應誘導取向排列，磁場效應取決于卟啉分子和相關配體的各向異性。

隨著磁場技術的廣泛應用，以及強磁場技術的發(fā)展，磁場的生物化學效應越來越受到重視。卟啉及金屬卟啉類化合物在生物化學中具有重要作用，卟啉具有大的磁各向異性，而常與卟啉配位的過渡金屬離子也有明顯的磁性或抗磁性，因此，研究強磁場對卟啉化合物的影響，對卟啉相關的磁場化學和生物效應的研究具有重要意義。我們以TPP為對象，研究了強磁場對TPP結晶以及配位反應的影響，為卟啉類化合物及相關的生物活性物質的磁場效應提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

TPP(C44H30N4)參考 Adler-Longo法[22-23]合成，并通過3次重結晶，純度達到95%；乙酸鈷、乙酸鋅、氯仿、無水乙醇、亞甲基甲酰胺均為分析純。磁場為美國Cryomagnetics公司低溫超導磁場，型號：90-400VRTB-010-CFGM，磁場強度范圍0～9 T。其他儀器包括紫外可見光分光光度計UV 1201、粉末XRD儀，型號：Bruke D8 Advance(主要表征條件：工作電壓40 kV、工作電流40 mA、輻射源CuKα、入射波長0.154 06 nm、掃描范圍2θ=5°～90°)。

1.2 標準樣品的吸光度標定及標準曲線繪制

在溶液中總卟啉含量的濃度不變的條件下，按金屬卟啉比例從0開始以10%遞增，至金屬卟啉的含量為100%，配制TPP和金屬卟啉(MTPP)的混合溶液，共計11個標準樣，然后測試溶液的紫外吸收光譜。分別測定TPP和金屬卟啉的最大吸收波長。自由卟啉和金屬卟啉在400 nm左右有一個非常強的吸收峰，稱為Soret帶，TPP與其金屬配合物混合溶液在此處的吸收值及頻率與純的TPP溶液相比變化不大；在500～700 nm之間，自由卟啉還有4個相對較弱的Q帶，分別為QⅠ(515 nm)，QⅡ(550 nm)，QⅢ(590 nm)和QⅣ(650 nm)，而自由卟啉由于金屬離子配位后，對稱性增加，Q帶會減少或吸收減弱。TPP、CoTPP和ZnTPP的光譜如圖2所示，TPP、CoTPP和ZnTPP的Q帶的最大吸收波長分別在515、528和548 nm。

圖2 TPP、CoTPP和ZnTPP的紫外可見吸收光譜Fig.2 UV-Vis spectra of TPP,CoTPP and ZnTPP

根據(jù)混合標樣溶液的光譜，選取混合標準溶液在515、528和548 nm處的吸光度，分別按照以下方程進行線性擬合：

式中A為Q帶最大吸收強度，x=1?c/c0，為金屬卟啉與總卟啉的濃度比(c為各濃度梯度中TPP的濃度，c0為純TPP的濃度)，k為斜率，b為截距。標準混合液的紫外測試均重復3次，取3次結果的平均值繪制標準曲線。

1.3 反應設置與數(shù)據(jù)處理

卟啉能與大多數(shù)過渡金屬離子以1∶1的物質的量之比形成配合物。將金屬醋酸鹽溶于DMF等極性溶劑，根據(jù)卟啉的可溶性選擇合適的溶劑溶解，然后混合加熱回流便可得到相應的金屬卟啉，例如TPP與過渡金屬的配位反應，產(chǎn)率一般都在90%以上(圖 3)。

按照金屬離子與TPP物質的量之比(3∶1)，稱取約0.025 mmol的TPP和0.075 mmol的金屬醋酸鹽，分別溶于30 mL的CHCl3和10 mL的DMF中。迅速混合并快速取樣20μL，用氯仿稀釋100倍，然后立即進行紫外光譜測試。取樣后立即將反應器迅速置于磁場腔體中心在設定的磁場強度下進行反應，反應溫度為50℃，反應裝置如圖4a所示。反應過程中未攪拌，以避免液體切割磁力線額外產(chǎn)熱而影響反應速率。反應溫度經(jīng)過溫度計標定，與水浴槽之間存在0.5℃的誤差。根據(jù)預實驗結果，鈷卟啉的配位速率較慢，采樣間隔為30 min，反應180 min，共計7個取樣點；鋅卟啉配位反應速率較快，采樣間隔為10 min，反應時間為60 min，同樣為7個取樣點。

圖3 四苯基金屬卟啉的合成Fig.3 Synthesis of tetraphenyl metalloporphyrin

圖4 實驗裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental apparatus

TPP晶體培養(yǎng)采用溶劑擴散法。稱取約100 mg TPP純化樣品溶于100 mL氯仿中，然后緩慢覆蓋無水乙醇400 mL，置于磁場腔體中14 d，并保持恒溫25℃，實驗裝置如圖4 b所示。采用相同的方法分別在不同磁場條件下培養(yǎng)TPP晶體，然后取出晶體研磨成粉，進行X射線粉末衍射分析。

所有設定磁場強度(0、2、4和8 T)條件下均進行3次重復實驗，最后根據(jù)3次結果計算的產(chǎn)率的平均值繪制產(chǎn)率曲線圖。反應速率常數(shù)分別按照下列方程進行反應動力學擬合求得：

(4)、(5)式分別為一級反應動力學方程和二級反應動力學方程，c0為反應物TPP初始濃度，c為t時刻TPP的濃度。所有曲線的繪制和方程擬合在Origin 8.0軟件中進行。

2 結果與討論

2.1 四苯基卟啉和金屬卟啉工作曲線

根據(jù)不同方程進行線性擬合結果，發(fā)現(xiàn)1?c/c0的值與A528(or548)/(A528(or548)+A515)比值之間存在良好的線性關系，R2＞0.99，如圖5所示。因此，實驗數(shù)據(jù)可直接根據(jù)標準曲線擬合方程計算得到反應轉化率。

圖5 CoTPP和ZnTPP分別與TPP混合標樣的標準曲線Fig.5 Standard curve of CoTPP with TPP(a)and ZnTPP with TPP(b)

2.2 強磁場對TPP結晶度的影響

通過粉末XRD測試TPP在0、2、4和8 T磁場強度條件下培養(yǎng)獲得的晶體，發(fā)現(xiàn)不同磁場強度下獲得的TPP晶體的粉末XRD衍射圖存在明顯差異，如圖6所示。通過物相檢索和結構精修，得到TPP晶體物相為C44H30N4(晶體學開放數(shù)據(jù)庫COD：4116117)[24]，晶胞參數(shù)為：a=1.047 nm，b=1.241 nm，c=0.644 nm；α=99.35°，β=101.23°，γ=95.84°。TPP晶體以分子平面堆疊，同時發(fā)生錯位，屬于三斜晶系，晶胞空間結構如圖7所示。強磁場條件下培養(yǎng)獲得的TPP晶體的各個衍射峰的2θ沒有發(fā)生變化，表明并沒有新的物相形成，峰強比發(fā)生變化，衍射峰的對稱度提高。通過分析半峰高寬(FWHM)，強磁場條件下TPP晶體的粉末衍射圖的相同衍射峰的FWHM隨磁場強度的增強而減小，同時根據(jù)晶體尺寸計算公式(Size=Kλ/(βcosθ)，K為Scherrer常數(shù)，λ為X射線波長，β為半高峰寬，θ為衍射角)計算晶粒尺寸。結果表明，隨磁場強度的增強TPP的結晶度提高，晶粒尺寸增大(圖8)，因此TPP在強磁場中發(fā)生了明顯的取向，且取向程度隨磁場強度的增大而增加。

圖6 在不同的磁場強度下得到的TPP晶體的X射線粉末衍射圖Fig.6 X-ray powder diffraction patterns of TPP crystals obtained under different magnetic field strengths

圖7 TPP的晶胞結構圖Fig.7 Cell structure of TPP crystal

卟啉環(huán)具有特殊的大環(huán)結構，具有很強的芳香性，π共軛大環(huán)結構在強磁場中易產(chǎn)生感生電磁，因而極易受到強磁場的影響，從而導致卟啉分子的取向。在TPP結晶的過程中，相較于0 T磁場時，強磁場作用下TPP分子產(chǎn)生感生電磁場，其感生磁場與外部強磁場方向相反，從而導致TPP分子發(fā)生取向，因此在強磁場中TPP晶體生長過程有一定的取向優(yōu)先，并且隨磁場增強TPP的取向程度增加。

2.3 強磁場對Co2+和Zn2+與TPP配位反應速率的影響

圖8 不同磁場強度下TPP晶體的尺寸Fig.8 Crystal sizes of TPP crystals obtained under different magnetic field strengths

根據(jù)實驗測定結果，Co2+與TPP的配位反應速率較慢，180 min的轉化率僅達到62%。反應過程中，隨外部磁場增強，CoTPP的轉化率總體上呈下降趨勢，但在0～4 T磁場范圍內(nèi)產(chǎn)率變化不顯著，而當磁場強度增強到8 T時，CoTPP的產(chǎn)率顯著低于0 T時的產(chǎn)率(圖9a)。根據(jù)反應動力學方程擬合結果，Co2+與TPP的配位反應在0 T和強磁場條件下均符合一級反應動力學方程，測定的反應速率常數(shù)隨磁場強度的增加而減小，當磁場強度達到8 T時，反應速率明顯下降(圖9b)。

圖9 不同磁場強度下CoTPP(a,b)及ZnTPP(c,d)配位反應產(chǎn)率及反應速率常數(shù)Fig.9 Reaction yields and rate constants of CoTPP(a,b)and ZnTPP(c,d)under different magnetic field strengths

Zn2+與TPP的配位反應較快，在60 min內(nèi)，不同磁場強度下，ZnTPP的產(chǎn)率在83.24%～92.93%之間，其中0 T磁場強度下的產(chǎn)率最高達到了92.93%，8 T磁場強度時最低(83.24%)；隨磁場強度的增強，ZnTPP的產(chǎn)率都低于0 T磁場條件下的產(chǎn)率，其中2和4 T強磁場條件下的產(chǎn)率相比于0 T時下降并不顯著，當磁場強度為8 T時ZnTPP的產(chǎn)率顯著低于0 T時的產(chǎn)率(圖9c)。在強磁場條件下，ZnTPP的配位反應比較符合二級反應動力學方程，而且隨磁場強度的增加擬合相關性提高。同樣地，Zn2+與TPP的配位反應速率常數(shù)隨磁場強度的增加而減小，其中8 T時的速率約為0 T時的2/5(圖9d)。

在強磁場中Co2+與TPP及Zn2+與TPP的配位反應速率均隨磁場強度的增加而減小，配位反應動力學沒有發(fā)生變化，因此強磁場在配位反應過程中并未改變配位反應的機理。在強磁場中，TPP分子在溶液中發(fā)生取向從而使金屬離子與TPP發(fā)生有效碰撞形成配合物的幾率下降，磁場對TPP分子產(chǎn)生的取向等作用是造成配位速率減小的主要原因。8 T強磁場下Zn2+與TPP的配位反應速率約為無外加磁場時的2/5，Co2+與TPP配位反應速率在強磁場中下降較小。假定在TPP分子未取向時TPP分子和金屬離子配位反應的自由度為3，若TPP分子完全取向則其反應的自由度變?yōu)?，理論上反應速率會接近未取向時的1/3；由此可知8 T強磁場并未使TPP發(fā)生完全取向。同時Co2+的順磁性可能會與TPP的抗磁性發(fā)生抵消作用，因而其反應速率的變化更小。磁場強度的變化與反應速率的變化并非線性相關，當卟啉部分取向時，金屬離子從各個方向進攻卟啉中心腔體的數(shù)量依然很大，因此能形成配合物的概率基本保持不變，而當磁場強度更強時，卟啉分子取向程度進一步增加，金屬離子和TPP分子有效碰撞的概率就會明顯下降，因此導致反應速率明顯下降。

芳香共軛分子能夠產(chǎn)生與外部磁場相反的感應磁場，其分子平面將垂直或平行磁場取向，但更傾向于后者，因為所需能量更低，更加穩(wěn)定[13-14]。根據(jù)晶體XRD測試結果，TPP分子更傾向于垂直于磁場方向。假設TPP分子平行于磁場取向，那么在強磁場條件下取向程度便會基本一致，其XRD圖也會基本相同，不會隨磁場強度的增加而使衍射圖發(fā)生明顯變化。同樣對于配位反應來說，如果TPP分子平行于磁場方向，其反應的自由度由3變?yōu)?，其影響將會更小，強磁條件下反應速率也不存在明顯差異；同時Co2+的順磁性與TPP的抗磁性的抵消作用便不存在，那么其反應的變化規(guī)律便與Zn2+基本一致。因此，TPP分子平面在強磁場中更傾向于垂直磁場方向取向，如圖10所示。

圖10 四苯基卟啉在磁場中的取向Fig.10 Orientation of tetraphenyl porphyrin in magnetic field

3 結 論

TPP在強磁場的結晶過程存在明顯的取向優(yōu)先，隨磁場強度的增加取向程度明顯提高，磁場可以作為調控π共軛大環(huán)分子結晶的有力手段。磁場對四苯基卟啉配位反應的動力學影響較小，改變反應速率的主要原因是基于磁場作用下TPP分子在溶液中發(fā)生了明顯的取向效應，并且其分子平面垂直于磁場方向。生物體內(nèi)存在大量的卟啉類化合物，既有自由存在的卟啉分子，也有和蛋白質相結合并參與結構的組成，作為功能和活性中心，強磁場可能通過對卟啉分子和蛋白質的作用，產(chǎn)生與之相關的磁場生物效應。同時卟啉類化合物大量應用于材料領域，通過強磁場的作用會使卟啉類新材料產(chǎn)生新穎的結構、呈現(xiàn)新物化特性及獲得獨特功能。

致謝：本文作者非常感謝實驗家實驗室(www.shiyanjia.com)員工張洪菡在XRD數(shù)據(jù)分析方面提供的幫助和指導。