卟啉類化合物的應用及其前景*

孫 吉，唐雅琪，張寶地，田素然，劉 欣，張曉娟

(沈陽工業大學石油化工學院，遼寧 遼陽 111003)

卟啉(Porphyrin)是一類具有共軛結構的大分子雜環化合物，其母體是卟吩(porphin)，由卟吩外環碳原子上的氫被部分或全部取代而形成的一類化合物。在實驗研究過程中常見的卟啉結構有三種：卟啉、卟吩、酞菁。卟啉，主要由含醛基化合物與吡咯在有機溶劑中通過芳香親電取代反應合成，由于醛基化合物種類繁多，導致合成的卟啉種類較多。

圖1 常見卟啉化合物的結構圖

卟啉化合物是廣泛存在于生物體內的天然芳香化合物，由卟啉分子共軛環的空腔中心與金屬離子配合而成的，如植物體內的葉綠素(卟啉鎂)；維生素B12(卟啉鈷)，動物體內的血紅素(卟啉鐵)和血藍素(卟啉銅)。大多數的卟啉化合物是易溶于酸、難溶于水、不溶于堿的、具有良好的耐熱性能、著色性能、且其溶液可呈現熒光色，所以其諸多應用與我們的日常生活息息相關，現如今由于人們的不斷探索和研究，卟啉類化合物被廣泛應用于分析化學、催化化學、新能源、光電性質研究、生物醫學等領域[1]。

1 應 用

1.1 卟啉在分析化學方面的應用

1.1.1 作為顯色劑的應用

卟啉化合物可以部分金屬作用生成金屬卟啉化合物，在400～500 nm處有強吸收帶，能夠測定Fe、Pd、Mg、Co、Mn等。如曹連成等[2]在非水溶性4-甲氧基苯基卟啉與錳的實驗中表明，甲氧基苯基卟啉與錳在氨性堿溶液中在加入表面活性劑并加熱，可生成高靈敏度的卟啉配合物，其中錳的含量很少在0～3.0 μg/25 mL左右，而它的摩爾吸光系數為1.36×105。對大多數的卟啉而言，在對其進行測定時一般都需要加入一些表面活性劑才能正常反應，有的卟啉甚至還需要加入掩蔽劑和絡合劑等。隨著對卟啉作為顯色劑的不斷研究，俞善輝[3]等在為減少卟啉配合物在配位中的干擾作用，在卟啉的共軛體系中引進了F原子，因其產生的空間位阻的作用，減少了卟啉環上電子云密度，使其在不影響卟啉顯色劑靈敏度的情況下，提高了選擇性和使用價值。

1.1.2 在電化學中的應用

卟啉類化合物有明顯的電化學活性，這類化合物可以有效的修飾電極的表面，在被修飾后的電極可用于多種物質的催化氧化過程中。李勛等[4]利用丙氨酸尾式卟啉及其鋅配合物在二氯甲烷，并用四溴鄰苯二甲酸酐作為電解質的作用下，采用循環伏安法其進行了表征分析，在對其分析中兩種物質的氧化還原過程都只發生在卟啉的電子體系里。如今，卟啉在電化學分析領域的應用研究不僅僅只限于測定一些金屬離子，也在生命科學領域也有其重要的價值。孫二軍等[5]在對卟啉的研究中生成了帶有肽鍵的10，15，20-四(對十四酰亞胺基苯基)卟啉和鋅、錳的配體化合物，并對其進行了系列的電化學性質研究和表征分析。

1.1.3 在熒光分析中的應用

早在20世紀末，人們已經開始了對卟啉類化合物的熒光分析。在2002年，郭燦城等[6]研究合成了一種新型的紅色熒光卟啉化合物。2004年，月立平等[7]研究Meso-5,10,15,20-四(4-甲氧基苯基)卟啉與鉛的配合反應中生成了穩定的不發光產物，從而為人們提供了一種測定鉛離子的新方法。2005年，陳新斌等[8]不斷探究卟啉的熒光性能，最終合成了12種不同取代基的卟啉化合物，并對其進行了熒光性能的研究，論述了對其熒光性能的影響因素及其變化。

1.1.4 在探針中的應用

探針是指能與一些特定的靶分子相互作用，且其能通過這種相互作用來檢測某些特定分子。目前，卟啉配合物作為探針廣泛應用于生物大分子化合物，如探測蛋白質和脫氧核糖核酸性能、結構和功能，相比而言卟啉則是以小分子的形式與其相互作用，并通一定的光譜技術手段測定其結構與性能。被廣泛用于做RTR探針的鈀-四(1甲基-4-吡啶基)卟啉能在RNA的作用下測定人體結腸組織的DNA，而隨著研究的不斷突破鈀(4-羧基苯基)卟啉有望被用作RTP探針去檢測生物體內氧含量，這種壽命探針可有效的檢測出與氧氣含量變化的疾病。鈀的三甲氨基苯基化合物的磷光發射光譜因其接近紅外波的波長所以其受到的大生物分子的干擾相對較少且具有靈敏度高等特點，袁雯等[9]以鈀的三甲氨基苯基為探針在水介質的作用下和ct-DNA相互作用，并研究其光譜性能，從而建立了測定ct-DNA的新方法。

隨著卟啉化合物的研究發展的突飛猛進，卟啉配合物在分析化學領域的應用也越來越重要，其在光度分析領域的研究以被作為首選試劑，而一些選擇性好、靈敏度高的卟啉化合物用于顯色劑和探針具有良好的發展前景。除此之外其在超分子化學、電化學等領域的研究也有非常好的研究前景。

1.2 卟啉在催化方面的應用

金屬卟啉在有機化學領域作為一種高活性生物酶，被廣泛當作催化劑使用，如釕卟啉有很高的催化活性。金屬卟啉因其與蛋白質具有相同的化學結構特征，可作為催化反應各種類型的催化劑，卟啉類化合物作為與酶催化性能相近的非催化劑，常用于催化芳烴化合物C-H鍵的活化[10]。仿生催化作為一種新型技術，其研究應用已獲得較好的成果。金屬卟啉活性高、易于功能化，在金屬催化反應中研究的范圍非常廣泛，且其在有機化學領域是一類潛力巨大的催化劑。研究表明，金屬卟啉的催化氧化反應是基于不同結構和反應效果的自由基反應[11]。因其結構的多樣性，使其具有很好研究方向和發展前景。如今均相金屬卟啉反應催化劑體系在和金屬進行催化氧化環己烷的研究領域已成為了一種主要的研究方向[12]。金屬卟啉化可進行各種類型的有機合成反應，在某些特定性能的特殊功能材料的作用下，能夠合成多種金屬卟啉化合物[13]。金屬卟啉化合物的多樣組分和結構材料可形成具有生物多樣性的三組分反應，進一步發生多組分化學反應，為新生物活性分子的合成提出了新的策略。

近年來卟啉類化合物具有很好的發展前景，在催化領域也有很大的發展空間和應用前景。通過總結國內外研究結果的分析表明：金屬卟啉也能夠催化促進合成含氧化合物，在催化烴類選擇氧化反應過程中金屬材料卟啉具有很大的催化活性和選擇性，簡化了復雜有機分子的合成流程。同時也有效的減少了生產成本，可以快速合成結構復雜的有機化合物，并不會對環境造成危害，屬于“綠色化學”。通過人們對卟啉類化合物的深入研究和探索，不斷開發卟啉類化合物的潛力，使之造福人類和社會。

1.3 卟啉在太陽能電池方面的應用

近年來，由于化學能源本身的不可再生性，導致化學能源過度消費致使人們生活的環境質量大幅度下降，因此低能、高效的太陽能光伏技術研究開發是我們目前最緊要的事情。區別于傳統的剛性結構、復雜的制作過程、對環境有著極大的硅太陽能電池而言，Gratzel教授所研究的染料敏化納米晶太陽能電池-料敏化太陽能電池(DSSCs)成為了最有可能代替傳統的化學能源的光伏技術之一。卟啉因其具有的強吸光性和易修飾的特點，是得染料敏化太陽能電池被人們廣泛研究，卟啉類化合物可通過改變其自身結構來進行修飾、提高其光電轉換效率，并總結了DSSCs中高效的卟啉光敏劑的研究及其研究的進展。DSSCs的性能取決于光敏劑的選擇與應用，產生了多種高效的多吡叮釕光敏劑[14]，例如，N719,N3等已超過11%的光電轉換效率。因金屬釕的價格昂貴，不能作為低價能源使用，且TiO2能分解釕光敏劑，致使其穩定性能差。因此，應尋找價格更低廉和安全性能更高的光敏劑來彌補多吡叮釕光敏劑的不足。近年來有機光敏劑和經濟更實惠的金屬光敏劑的發展十分迅速，尤其是卟啉，因其自身特殊的結構而被人們廣泛研究。譚松庭等把噻吩基團引入到橋接基團，得到了高達5.14%的染料。張憲璽等分析研究染料分子的基態能量和光譜性質，得出：許多的取代基可有效的減少分子的HOMO-LUMO寬度，并提高其吸收紅移，以及很好的前線軌道空間分布，其結果為以后人們對卟啉結構修飾提供依據。

經過人們不斷的努力，卟啉染料敏化太陽能電池取已取得了非常大的研究進展，但對于聯吡叮釕染料而言，光電性能差距較大，主要問題在于其吸收光的范圍窄。自2007年起，人們把對卟啉meso位與β環并環結構的原理引入到卟啉敏化太陽能電池中，使其吸收寬度增加了，但是其光電轉換效率并沒有明顯的提高[15]。人們對卟啉在敏化太陽能電池領域的研究從未間斷，相信終會合成結構和性能更高的卟啉類化合物。

1.4 卟啉在光學方面中的應用

卟啉類化合物作為生色基團時具有易修飾等特點,可以和多種物質進行絡合反應。其微小的結構變化可以通過紫外、紅外、熒光等光譜技術與電化學方法檢測出,致使卟啉有成為新的熒光分子發光基團的巨大潛力，通過對其分子結構中的反應位點調控顯示出其光學、電化學特性。因此,卟啉類化合物在電極材料和光學材料的引用被廣泛的研究。

1.4.1 在光電催化制氫中的應用

光催化制氫體系主要包括光敏化劑(P)、氫氣形成催化劑(HEC)、電子犧牲劑(SED)和中間電子受體(EA),EA主要的作用是充當P和HEC之間的媒介，主要包括以下幾個過程：(1)P在光照下由基態向激發態轉變為P*；(2)激發態P*通過熒光等操作回到基態；(3)P*貢獻的一個電子注入到TiO2導帶中，若無EA，P*會直接把電子注入到HEC中；(4)注入到TiO2導帶中的電子重新與氧化鈦的P+結合發生復合反應；(5)氧化態的P+被SED還原；(6)在TiO2導帶中的電子遷移到表面；⑦HEC捕獲電子[16]TiO2因其只與紫外光反應，所以其對可見光有較低的利用率，TiO2可有效的拓寬其對可見光的吸收范圍，使染料分子在可見光區域有較強的吸收[17]。因此,光催化制氫中卟啉類化合物被廣泛應用。盡管卟啉在光催化制氫中已經取得了很大的進展,但卟啉在水中的穩定性很差,為此提高卟啉在水中的穩定性成為了卟啉在光催化制氫研究中的重點[18]。

1.4.2 卟啉在液晶材料中的應用

液晶是介于液態和晶態之間的一種有序相態。卟啉類化合物具有的特殊平面共軛結構，在一定溫度下可以呈現出液晶的狀態且具有低粘度、高相區和高熱穩定性。1980年，Goodby等[19-22]首次合成卟啉液晶，使得卟啉液晶光電性質的研究引起了人們的廣泛關注。目前卟啉類液晶材料主要應用于顯示技術和電子存儲等方面,人們對液晶卟啉的研究工作大部分停留在新型卟啉的合成與液晶性能的表征上。卟啉液晶材料已經由高溫液晶材料向室溫液晶材料發送轉變,其液晶相變區間發生大幅提高，液晶穩定性提高。根據液晶柔性基團取代卟啉分子位置的不同，可以把卟啉液晶材料分為兩大類。第一類為β-取代卟啉液晶衍生物，這類卟啉液晶材料通常顯示寬的相變溫度和較低結晶溫度。但β-取代卟啉人工合成困難,目前卟啉核心卟吩多由生物提取，產率較低，難于實現工業化。第二類為meso-取代卟啉液晶衍生物，該類卟啉液晶材料能夠顯示近晶、向列、層狀以及柱狀等常見的液晶相態。早期合成的該類液晶材料通常液晶溫度區間很窄，不利于液晶材料的應用。但該類液晶材料合成比較簡單，產率較高,易于實現工業化。通過改變卟啉周邊烷基取代基長度、取代位置、對稱性以及取代鏈個數,可以調節液晶材料的相變性質。

1.5 卟啉作為光敏劑在生物醫學的應用

光動力療法[23-24](PDT)是新型的一種治療惡性腫瘤的方法，在不影響正常組織功能的前提下，利用特定的光敏劑在腫瘤組織中的聚集性和光動力殺傷作用，對腫瘤組織進行定向的損傷。目前，卟啉及其衍生物是研究最廣泛的光敏劑，他們作為一種天然衍生物，能夠優先聚集于腫瘤細胞，在一定光照下，可吸收能量并被激發到單線激發態定向殺死細胞。

卟啉分子中存在于許多天然的色素，如血紅素、葉綠素等，其中葉綠素能夠捕獲光能而且是電荷分離的反應系統；血紅素不僅是人體血液中載氧組份也是一種生物催化劑。在卟啉環的中心可以配位金屬離子，形成金屬卟啉，其金屬絡合物對特定組織有特殊的親和力，會對光敏劑的光學吸收及其光敏性能有一定的影響。

第一代卟啉光敏劑是以卟啉姆鈉為代表的血卟啉衍生物，用于治療食道癌和胃癌等淺表腫瘤。但由于其特異性及在治療區域的吸收能力較差，而且難以人工合成、大量生產，因此其應用受到很大的限制[25]。第二代卟啉光敏劑是以含有四吡咯與亞甲基連接形成的大環結構的卟啉、卟吩、酞菁及其相關金屬配合物等，可以有效減少皮膚的不良光敏反應，而且能夠為各代謝器官所清除，也利于激發光組織穿透；但由于疏水的天性，其生物利用性低，無法在腫瘤治療中達到預期效果[26]。

第三代光敏劑在進入21世紀以來開展大量研究，將卟啉基與納米技術相結合，主要應用于腫瘤治療中具有非侵入性，對周圍正常組織損傷小等優點的光動力療法。其研究成果主要有以下這些：(1)卟啉基的金屬有機納米片。利用配位缺陷策略，一鍋法合成 NMOF ZnDiCPp-I2UiO-66。通過細胞實驗表明，ZnDiCPp-I2UiO-66 在組織模擬環境下具有良好的化學穩定性和光穩定性,具有優異的光動力治療能力；一鍋法制備了納米復合材料Py-UiO-66/C，通過細胞實驗證實，復合材料具有一定的光熱和光動力治療效果，光熱和光動力聯合使治療效果顯著增強[27]。(2)卟啉基的共價有機納米片。COFs通過HHTP給體與卟啉受體兩個建筑基元的能級水平充分匹配后構成，CONs通過超聲剝離COFs制備而成。其優點是可提供生物降解能力；有利于殺死腫瘤細胞；擁有較高的水分散性， 可以賦予CONs實現靜脈注射[28]。(3)金屬有機框架與多孔有機高分子納米復合物。利用使用Uio型的NMOF自模板,合成了基于光活性卟啉的POP與MOF形成納米復合材料 (UNM)，在光照條件下，能夠誘導癌細胞凋亡，產生活性氧物質，殺死癌細胞[29]。(4)血卟啉-納米復合物。利用聚乙二醇(PEG)修飾血卟啉合成光動力納米材料(HPP)，分散性較好,由于血卟啉是生物自有材料，因此HPP的生物相容性好，細胞靶向性強，藥物載藥率高(HPP載抗腫瘤藥物阿霉素制成光動力納米藥物HPPD)[30]。

第三代光敏劑逐漸將卟啉實現納米化，在用于腫瘤治療方面的效果已有顯著的提升，但是如何將卟啉應用至臨床治療中仍然道阻且長，需要更深入研究卟啉基納米材料，提高其藥代動力學，更精準實現腫瘤細胞的主動靶向，建立相對高效的治療方法，使其具有更加優異的生物安全性。

2 結 語

隨著時間的推移，卟啉的研究已有百年的歷史，人們早已深刻的認知卟啉化合物的結構特點，隨著卟啉化合物研究的加深，卟啉化合物在各領域的應用也被不斷地拓展，光學領域仍是目前研究的熱點，但目前對噻吩卟啉類化合物的光電性能研究較少，而其具有良好的發光性能，我相信對噻吩類卟啉發光性能的研究將會成為新的浪潮。在醫學領域由于第三代光敏劑納米化的成功研發，治療腫瘤的效果得到了明顯的提升。未來，卟啉化合物在醫學領域的應用研究將會越來越好。