e9f4bb11e65c3b3567ec102de2bd960590c6d9a7.docx

e9f4bb11e65c3b3567ec102de2bd960590c6d9a7.docx

《e9f4bb11e65c3b3567ec102de2bd960590c6d9a7.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《e9f4bb11e65c3b3567ec102de2bd960590c6d9a7.docx（409页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

新型卟啉模拟酶的合成分析

ABSTRACT

Aseriesofporphyrincompounds，asmodelsofCytochromeP一450，werepreparedandapplicatedascatalystsintheoxidationreactionofcyclohaxane．Particularly,synthesesofnewkindsofcalixarenedporphyrincompounds，tethered

porphyrincompoundsandtheirmetalloporphyrinswerestudiedintensively．Theyweredescribedasfollow：

1．Substitutedporphyrincompoundsweresynthesizedinpropanoicacid，usingn-hydroxybenzaldehyde（n--2，3，4），substitutedbenzaldehyde（R=H，C1，OCHs，CH3，eta1）andpyrroleasrawmaterials．Atthesametime，monohydroxyporphyrinwas

preparedrapidlybymeansofmicrowaveirradiation．Ontreatmentwithanexcessof

o，∞-dibromoalkanes（n=3，4）inthepresentofK2C03anddimethylformamide（DMF），monohydroxylporphyrinswereledto∞一bromoalkoxyporphyrinderivativesinhighyield（90—95％），includingelevenkindsofnewcompounds．Furthermorenew

tetheredporphyrincompoundsweresynthesized．Beingtreatedwimanexcessof

2-benzothiazolethiolinthepresentofK2C03anddimethylformamide（DMF），

（1）一bromoalkoxyporphyrinderivativeswereledtofourteenkindsofnew2-benzothiazolethioltetheredporphyrinsthroughathioletherlinkagein85—95％yield．Fourkindsofnewmetalloporphyrins（M=Fe，Co，Mn）werepreparedby

combinationoftetheredporphyrinsandmetalsalts．

2．P-tert—butylphenolandformaldehydeweremixedtogetherinthepresenceofalkalitoproducep-ten-butyl-calix[n]arene（n=4，6）．Thetert-butylgroupsofcalix[n]arene（n=4，6）wereremovedbyanA1C13catalyzedtransalkylationreaction．P-tert-butylcalix[4]areneandcalix[4]arenewerelinkedwith63-bromoalkoxy

porphyrinderivativestopreparefourkindsofnew“calixarenedporphyrin”compoundsin20％yield．ThenthesenewcompoundsreactedwithmetalsaltstosynthesizeFe（II）porphyrinsasenzymemodels．Followinganotherroute，thesame

porphyrincompoundswereobtained．Partialalkylationofp-tert—butylcalix[4]arenewithanexcessofⅡ，u-dibromoalkaneswascarriedoutinthepresentofK2C03．Thetargetcompoundsweresynthesizedbylinkingthepartialalkylationproductto

monohydroxylporphyrinsviaanetherchainin16．4％yield．

3．5-（4-aminophenyl）一10，15，20一triphenylporphyrinwaspreparedbyreducingthenitrogroupofthe5-（4一nitrophenyl）-10，15，20一triphenylporphyrininthepresentofSnCl2．ItsdiazoniumsaltwasobtainedbyreactingwithNaN02inacid．Thenakindofcovalently—connectedazocalix[4]areneporphyrincompoundwassynthesized

byadiazo—couplingreactionbetweencalix[4]areneanddiazoniumsaltin18．6％yield．

4．Theoxidationreactionofcyclohexanewasstudiedinmildconditionsusingmetalloprophyrincomplexesincludingtetraphenyliron（II）porphyrin，tethered

iron（II）porphyrinXXXIIandcalixarenediron（II）porphyrinXXXVascatalysts．

Theyieldofoxidatesinthesereactionswere28．68％．38．6％．41．46％respectively．Thekeyintermediatesandthetargetporphyrincompoundsobtainedinthis

paperwerecharacterizedbyNMRspectraetc．

Keywords：

Porphyrin，Metalloporphyfin，Calix[n]arene，

Enzymemodel，Catalyticoxidation

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：

亡作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学

位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已

在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：

签字日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。

特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检

索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。

同意学

校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。

（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名导师签名

签字日期：

年月日签字日期：

年月日

前言

烷烃尤其是低级烷烃的化学性质极不活泼，将其转化为可利用的化工原料，必须提高反应条件，这样就不可避免地增加了副反应发生的可能性。

近百年来，在较温和的条件下使低级烷烃选择性地高效转化一直是有机化学及化工领域中非常具有挑战性的课题。

我国有丰富的天然气和炼厂气资源，其中饱和烷烃所占比例非常大。

现代有机化学工业对乙烯、丙烯等基本化工原料的生产压力很大，如果能将低级烷烃作为起始原料直接生产醇或酮类等化学产品，势必将扩大化工原料的来源，从而对整个化学工业的结构和现状产生重大影响。

单加氧酶对生物体内的各种代谢、解毒过程至关重要，对于工业化学家来讲，单加氧酶引人注目的性质是它们能够在温和的条件下高效率地将烃类有选择性地氧化成醇类或环氧化合物，在化学惰性的碳氢化合物上引入活泼的氧原子，使其非常容易地转化为各种有机化合物，如果以石油和天然气形式存在的大量碳氢化合物能方便地转化为便于利用的醇类、环氧化物等含氧化台物，其经济价值难以估计。

但现今工业上实现这一过程却需要严格、苛刻的条件，而且反应选择性很差。

大量有机碳以CO和C02形式损失掉。

生物酶催化烃类氧化高效且具有非常高的选择性，但酶反应也有其限制性，特别是在体外应用于工业生产的情况时，还有很多不尽人意的地方，如不稳定、易失活、要求生理条件等。

另外，酶体系及其专一的底物选择性在工业上往往也是一种不利的限制因素，因而具有工业价值的底物往往不一定是酶的专一底物。

因而研究模型化合物，主要用酶效力的一小部分就可能具有很大的工业价值。

目前研究单加氧酶模型体系很多，如铁、锰、钴卟啉等金属配位物。

金属卟啉可以在温和条件下催化底物进行高效、高选择性的氧化反应，因而以金属卟啉作为仿生催化剂的研究备受关注，已取得初步的但令人鼓舞的结果。

但由于金属卟啉化合物易二聚，影响了其催化性能和应用，故近年来新的金属卟啉配位物模型不断涌现，例如，含氮配位体钴、铁配位物作为模拟酶、双核金属单加氧酶、酚氧双羧酸根桥联Fe2（III）芹1]Mn2（III）配厶物等，均表现

出优良的单加氧催化性能。

杯芳烃（Calixarene）是70年代末随着冠醚、环糊精而发展起来的第三代主体分子，它是由苯酚类单元通过亚甲基在酚羟基邻位连接而组成的大环化合物。

由于这类化合物具有大小可调节的空腔，是一类更具广泛适应性的模拟酶。

在仿生、仿酶催化反应中，疏水作用与反应的效率及选择性密切相关，将杯芳烃引入金属卟啉，能显著的提高其催化性能，该类模型分子进行酶催

化反应研究得到了很好的效果。

本论文试图从分子角度设计并合成杯芳烃一金属卟啉配位物、尾式金属卟啉配位物等一系列新型金属配位物，利用杯芳烃的疏水性以及与金属卟啉的催化性能，作为酶模型分子用于烷烃单氧化反应制备醇类等含氧化合物的反应，该项研究不仅对于超分子化学具有重要学术价值，而且用于石油化学工业中的烃类氧化，具有重大的经济效益和社会意义。

2

天津大学博士学位论文第一章文献综述

第一章文献综述

生命现象是事物变化发展到最高靥次的体现，其中新陈代谢及其伴随的生物化学过程一刘也离蚕开酶秘蛋叁矮。

酶建在生镑{搴逡起毽纯{乍臻爨一类蛋白质（包括复合鬣白质），其引人注目的特点是具有很高的催化效率和选择性（包括结构选择性、区域选择性和立体选择性）。

一殿而言，酶催化反应比菲酶反应终快10’％10¨穗。

对其毫效率熬探索不仅有羹要懿褒论意义，两显具有重大的实际意义，因此吸引了因内外众多的研究者，成为化学家长期研究的课题之一。

从生物化学的蹩度来看，一个缨骢畜上予魏化学夏应，人体有1000多季孛酶，每一种脯控制着一种化学反应，人体新陈代谢过程就是许许多多种酶的催化反应，簿一种酶都有特定的活性部位和生物功能。

例如：

舷红蛋白、肌红蛋嶷、缨臆色素P一450单热糕骜、过氧化氯酶、过氧纯臻酶帮细霪餐色素￡以及一氧化氮合成酶等。

下面戬缁胞色索P-450单蕊氧酶为例，简荦介绍生物酶的结构特征和催化

性能。

1．{纲胞色素P-450篱会

鑫然界有足静簿因箕其畜鬣著豹镗纯氧化能力雨受鄹佬掌家静广泛关注。

细胞色素P-450等铁血红素酶靼甲烧单氧化酶等非铁血红素酶在诸翅不饱和烃粪等的催化氧化反应中具有很好的选择性[1J。

缳德色素P-450（cytochrome，CyO怒--粪含盎红豢静电予传遴蛋自，英在生物氧化、圆氮和能量转换及存媸中有重要功能。

绷胞色素予1962年被T．Omura和R．Sato睇1发现，因为其电子光谱和磁学性质和已知的细胞色素b相似，它被错误缝命名为“绥藏色索”。

霹它静名字P-450刚源于篓CO络合穆在450nm处呈现独特的Sorer谱带，因此将其命名为缬胞色素p-450。

1．1．1细胞色素P-450的晶体结构

现在已经知道，疏水的相互作用对细胞色索P-450的结构很煎要。

因面，

天津大学博士学位论文第一章文献综述

第一章文献综述

生命现象是事物变化发展到最高靥次的体现，其中新陈代谢及其伴随的生物化学过程一刘也离蚕开酶秘蛋叁矮。

酶建在生镑{搴逡起毽纯{乍臻爨一类蛋白质（包括复合鬣白质），其引人注目的特点是具有很高的催化效率和选择性（包括结构选择性、区域选择性和立体选择性）。

一殿而言，酶催化反应比菲酶反应终快10’％10¨穗。

对其毫效率熬探索不仅有羹要懿褒论意义，两显具有重大的实际意义，因此吸引了因内外众多的研究者，成为化学家长期研究的课题之一。

从生物化学的蹩度来看，一个缨骢畜上予魏化学夏应，人体有1000多季孛酶，每一种脯控制着一种化学反应，人体新陈代谢过程就是许许多多种酶的催化反应，簿一种酶都有特定的活性部位和生物功能。

例如：

舷红蛋白、肌红蛋嶷、缨臆色素P一450单热糕骜、过氧化氯酶、过氧纯臻酶帮细霪餐色素￡以及一氧化氮合成酶等。

下面戬缁胞色索P-450单蕊氧酶为例，简荦介绍生物酶的结构特征和催化

性能。

1．{纲胞色素P-450篱会

鑫然界有足静簿因箕其畜鬣著豹镗纯氧化能力雨受鄹佬掌家静广泛关注。

细胞色素P-450等铁血红素酶靼甲烧单氧化酶等非铁血红素酶在诸翅不饱和烃粪等的催化氧化反应中具有很好的选择性[1J。

缳德色素P-450（cytochrome，CyO怒--粪含盎红豢静电予传遴蛋自，英在生物氧化、圆氮和能量转换及存媸中有重要功能。

绷胞色素予1962年被T．Omura和R．Sato睇1发现，因为其电子光谱和磁学性质和已知的细胞色素b相似，它被错误缝命名为“绥藏色索”。

霹它静名字P-450刚源于篓CO络合穆在450nm处呈现独特的Sorer谱带，因此将其命名为缬胞色素p-450。

1．1．1细胞色素P-450的晶体结构

现在已经知道，疏水的相互作用对细胞色索P-450的结构很煎要。

因面，

天津大学博上学位论文第一章文献综述

从细胞膜分离P-450会破坏它的完整结构，但目前已有可能从一些酶中分离出纯的和稳定的p-450，使研究其理化‘陛质成为可能。

Poulos第一次报道了细胞色素p-450的晶体结构，如图1—1所示，它包含414个氨基酸残基（相对分子黾约45000），蛋白质呈三角形，整个结构由12个螺旋组成，卟啉原平面平行于该三角形平面，被包埋于邻近（螺旋L）和末端（螺旋I）的单环中，除与精氨酸和组胺酸生成酯键以外，还被非极性的残基包围陀，31。

铁卟啉的轴向配体是半胱氨酸，通过巯基与铁原子相连。

图1—1细胞色素P．450的活性位晶体结构

Fig．1-1Crystalstructureofp-450camreactionsite

1．2细胞色素P-450的催化循环

细胞色素P．450属于血红蛋白类酶，是微粒体混合功能氧化酶系中最重要的一族氧化酶，分布在多种器官、组织中，它参与的生化反应有固醇类的生物合成、脂肪酸和类固醇激素等内源性底物的氧化代谢、大部分药物和外源物的生物氧化等。

细胞色素p-450的生物活性主要是作为单加氧酶催化单氧合作用（mono—oxygenation），它可以在常温常压即温和的条件下实现对氧分子的活化，并使底物发生选择性氧化，总反应如下式：

SH（底物）+DH2（氢供体）+02——卜S-OH+D+H20（】）

该反应中主要涉及到四个各具特征而又独立的状态（如图1．2），在发生

天津大学博上学位论文第一章文献综述

从细胞膜分离P-450会破坏它的完整结构，但目前已有可能从一些酶中分离出纯的和稳定的p-450，使研究其理化‘陛质成为可能。

Poulos第一次报道了细胞色素p-450的晶体结构，如图1—1所示，它包含414个氨基酸残基（相对分子黾约45000），蛋白质呈三角形，整个结构由12个螺旋组成，卟啉原平面平行于该三角形平面，被包埋于邻近（螺旋L）和末端（螺旋I）的单环中，除与精氨酸和组胺酸生成酯键以外，还被非极性的残基包围陀，31。

铁卟啉的轴向配体是半胱氨酸，通过巯基与铁原子相连。

图1—1细胞色素P．450的活性位晶体结构

Fig．1-1Crystalstructureofp-450camreactionsite

1．2细胞色素P-450的催化循环

细胞色素P．450属于血红蛋白类酶，是微粒体混合功能氧化酶系中最重要的一族氧化酶，分布在多种器官、组织中，它参与的生化反应有固醇类的生物合成、脂肪酸和类固醇激素等内源性底物的氧化代谢、大部分药物和外源物的生物氧化等。

细胞色素p-450的生物活性主要是作为单加氧酶催化单氧合作用（mono—oxygenation），它可以在常温常压即温和的条件下实现对氧分子的活化，并使底物发生选择性氧化，总反应如下式：

SH（底物）+DH2（氢供体）+02——卜S-OH+D+H20（】）

该反应中主要涉及到四个各具特征而又独立的状态（如图1．2），在发生

人津大学"【‘学位论义始一章文献综述

mt芏澎Z．文@

④川Shunl"④

琴5≥-H$一$20。

爹篓$

一w峙㈣㈣≮∥柏

细胞色素P-450酶催化的反应类型有：

羟化作用、环氧化、杂原子氧化、还原反应（多发生在分子氧供应有限并且有其它电子受体的情况下）[51。

利用生物酶的高效专一性催化普通化学反应，具有重要的理论意义和现实意义。

由于天然的酶分子庞大、结构复杂，因而研究其结构和作用机制相当困难，各种谱学甚至x一射线结构研究也不易给出天然酶精确的结构信息。

但是酶可以简单的看成是由生物配体与金属离子形成的大配位化合物，从这一点出发合成在结构或功能上与衾属酶相似的小分子简单配合物，即模拟物或模型化合物，就成为认汉天然酶的一种1具。

同时，金属酶在催化某些化学反应时，是在温和条件下进行的，并且具有非常高的转化率和选择性，这

天津大学博士学位论文第一章文献综述

是许多化学反应难以实现的。

酶促反应的这些特点，也促使化学家模仿酶从而合成具有酶功能的类酶化合物，寻求新的高效工业催化剂。

基于上述原因，金属酶的小分子配合物的合成与性质研究已成为当今配位化学、生物无机化学和仿生化学及催化研究中最为活跃的前沿课题之一。

12酶模型研究进展

酶模型是人工合成或制备的具有生物酶主要功能的小分子有机物或分子集团。

虽然它的分子比较小，结构也比较简单，但是含有酶所具有的主要活性基团以及与酶的活性中心相似的空间结构，能够模拟酶的某些关键性功能。

在设计模型之前应当了解如下知识：

．1）酶活性中心的结构及酶．底物络合物的结构；，2）酶同底物结合的方式与能力；3）反应的动力学及反应过程中各中间物的知识。

比较理想的酶模型应当具备如下特征：

1）因为非共键相互作用是生物

酶柔韧可变性与专一性的基础，故模型应为底物提供良好的疏水洞穴；2）

模型应提供形成价键、氢键的可能性，以利于它以适当方式同底物结合；3）精心拣选的催化基团必须相对于相结合点尽可能同底物的功能团相接近，以促使反应定向发生；4）模型的结构应是确定的，且具有一定的柔韧性或半刚性，这既有利于发挥模型与底物之间的诱导效应，对于反应的定向与立体化学也是至关重要的；5）模型应具有足够的水溶性，并在接近生理条件下保持催化活性。

仿效生化过程并将酶模型化，发展新的非生物的催化剂一一人工酶，以实现普通化学反应的高效性和高选择性，亦即在分子水平上模仿酶的活性部位、微环境等结构特征及作用机理是功能有机化学（即生物有机化学）的基本任务。

它必须借助物理化学的方法和手段研究生物酶本身的特殊性，并探讨模型物在促进化学反应中的行为。

其基本方法是从酶中拣选出那些起主导作用的因素来设计并模拟能表现酶功能的分子模型，以便进一步研究这些因素影响化学过程的机制。

人工模型的优点在于，它可以调节合成物的配位场、电子、空间等因素，以便对每一特性进行仔细而准确研究。

然而，在设计酶模型方面，除了一些零碎的感性知识外，目前尚缺乏系

6

天津大学博士学位论文第一章文献综述

是许多化学反应难以实现的。

酶促反应的这些特点，也促使化学家模仿酶从而合成具有酶功能的类酶化合物，寻求新的高效工业催化剂。

基于上述原因，金属酶的小分子配合物的合成与性质研究已成为当今配位化学、生物无机化学和仿生化学及催化研究中最为活跃的前沿课题之一。

12酶模型研究进展

酶模型是人工合成或制备的具有生物酶主要功能的小分子有机物或分子集团。

虽然它的分子比较小，结构也比较简单，但是含有酶所具有的主要活性基团以及与酶的活性中心相似的空间结构，能够模拟酶的某些关键性功能。

在设计模型之前应当了解如下知识：

．1）酶活性中心的结构及酶．底物络合物的结构；，2）酶同底物结合的方式与能力；3）反应的动力学及反应过程中各中间物的知识。

比较理想的酶模型应当具备如下特征：

1）因为非共键相互作用是生物

酶柔韧可变性与专一性的基础，故模型应为底物提供良好的疏水洞穴；2）

模型应提供形成价键、氢键的可能性，以利于它以适当方式同底物结合；3）精心拣选的催化基团必须相对于相结合点尽可能同底物的功能团相接近，以促使反应定向发生；4）模型的结构应是确定的，且具有一定的柔韧性或半刚性，这既有利于发挥模型与底物之间的诱导效应，对于反应的定向与立体化学也是至关重要的；5）模型应具有足够的水溶性，并在接近生理条件下保持催化活性。

仿效生化过程并将酶模型化，发展新的非生物的催化剂一一人工酶，以实现普通化学反应的高效性和高选择性，亦即在分子水平上模仿酶的活性部位、微环境等结构特征及作用机理是功能有机化学（即生物有机化学）的基本任务。

它必须借助物理化学的方法和手段研究生物酶本身的特殊性，并探讨模型物在促进化学反应中的行为。

其基本方法是从酶中拣选出那些起主导作用的因素来设计并模拟能表现酶功能的分子模型，以便进一步研究这些因素影响化学过程的机制。

人工模型的优点在于，它可以调节合成物的配位场、电子、空间等因素，以便对每一特性进行仔细而准确研究。

然而，在设计酶模型方面，除了一些零碎的感性知识外，目前尚缺乏系

6

天津大学博士学位论文第一章文献综