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211高校本科毕设论文

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本科生毕业论文（设计）

题目（中文）二吡咯甲烷合成A3B型卟啉的路线研究

（英文）AStudyontheRouteofSynthesisA3BTypePorphyrinUsingDipyrromethanes

院系环境与能源工程学院

专业应用化学

姓名XXX学号XXXXXXXXX

指导老师XXX

提交时间年月日

2014年5月

北京工业大学

毕业设计（论文）任务书

题目二吡咯甲烷合成A3B型卟啉的路线研究

专业应用化学学号XXXXX姓名XXX

主要内容、基本要求、主要参考资料等：

主要内容

研究用二吡咯合成卟啉的新方法，并用此方法合成A3B型卟啉。

基本要求

了解并熟悉实验操作，对实验流程有清晰的思路。

实验设计几种典型的A3B型卟啉并计算出它的产率，对产物进行紫外，氢核磁的光谱鉴定等。

主要参考资料

[1]FernandoFungo,L.A.O.L.,Synthesisofporphyrindyadswithpotentialuseinsolarenergyconversion.J.Mater.Chem,2000（10）:

p.645±650.

[2]Durantini,E.N.,Synthesisof5-（4-X-Phenyl）-10,15,20-tris（SubstitutedPhenyl）PorphyrinsUsingDipyrromethanes.Molecules,2001.533-539（6）.

[3]李凯,A3B型不对称中位取代四苯基卟啉的分子设计、合成及表征,2013,北京工业大学:

北京.

[4]ChandraB.KC,etal.,SequentialPhotoinducedEnergyandElectronTransferDirected

ImprovedPerformanceoftheSupramolecularSolarCellofaZincPorphyrin−ZincPhthalocyanineConjugateModifiedTiO2Surface.TheJournalofPhysicalChemistry,2013（117）:

p.763−773

[5]TaoufikRohand,E.D.T.H.,Efficientsynthesisofaryldipyrromethanesinwaterandtheirapplicationinthesynthesisofcorrolesanddipyrromethenes.ARKIVOC,2007:

p.307-324.

完成期限：

2014年6月5日

指导教师签章：

专业负责人签章：

2013年12月24日

摘要

A3B型不对称卟啉在烃类化合物催化氧化、DNA分子识别、光电器件设计等领域中具有广泛的应用。

其合成方法一般采用Litter等对Alder法的改进方法，即在丙酸介质中两种醛与吡咯以3:

1:

4的比例反应制得。

该法最大的缺点是产率低（一般在2%-5%左右），后处理复杂。

而Macdonald型[2+2]法采用二吡咯甲烷合成A3B型卟啉具有反溶度低，使用高毒性且昂贵的醌类化合物作为氧化剂等特点。

本课题采用混合溶剂（乙酸/丙酸-硝基苯）法，利用正交实验优化条件后，甲基苯基取代的二吡咯甲烷和甲基取代的苯甲醛与R基团取代的苯甲醛以2.2:

1.4:

1的比例反应制备两种5,10,15-（4-甲基苯基）-20-（4-R-苯基）卟啉。

即2.2mmoL的5-（4-甲基苯基）二吡咯甲烷、1.4mmoLl的4-甲基苯甲醛和1mmoLl的R基取代苯甲醛溶于35mL的乙酸和15mL的硝基苯混合溶剂中，在110℃进行1.5h得到光谱产率约为10%的A3B型卟啉。

产率明显提高，并且该方法还具有操作简单、成本低廉、资源节约、污染低的特点。

对得到的A3B型卟啉进行紫外光谱、核磁氢谱对其结构进行鉴定和表征。

关键词：

二吡咯烷；A3B型卟啉；合成；混合溶剂法

Abstract

UnsymmetricalA3B-porphyrinswereusedwidelyincatalyticoxidationofhydrocarbons,DNArecognition,photoelectricdevice.TheycanbeobtainedbyimprovedAldermethod,whichtwodifferentaldehydesandpyrrolereactinpropionicacidwiththeratioof3:

1:

4.Disadvantagesofthismethodarelowyield（about2%-5%）andcomplexaftertreatment.TheMacdonald[2+2]methodusedipyrromethanetosynthesisA3B-porphyrin,whichthereactantconcentrationislowandhightoxicandexpensivequinonecompoundsareused.

Thissubjectadoptedmixedsolvent（acetate/propionate-nitrobenzene）method,andweoptimizedconditionsbyorthogonalexperiment.twokindsof5,10,15-（4-methylphenyl）-20-（4-R-hydroxyphenyl）porphyrinwerepreparedbythereactionofmethylphenylsubstituteddipyrromethanemethylsubstitutedbenzaldehydeandRsubstitutedbenzaldehydewiththeratioof2.2:

1.4:

1.2.2mmol5-（4-methylphenyl）dipyrromethane1.4mmoL4-methylbenzaldehydeand1mmoLsubstitutedbenzaldehydeweredissolvedinmixtureof35mLaceticacidand15mLnitrobenzene,andreacted1.5hat110℃.thespectrayieldisabout10%.Yieldincreasedsignificantly,andthemethodalsohasthecharacteristicsofsimpleoperation,lowcost,resourcesavingandlowpollution.

ThestructuresoftheA3B-porphyrinswereidentifiedandcharacterizedbyUVandNMR.

Keywords:

Dipyrromethane；A3B-porphyrins；Synthesis；Mixedsolventmethod

第1章绪论

1．1卟啉化合物简介

卟啉是卟吩外环带有代基的同系物和衍生物的总称。

卟啉化合物由于其母体卟吩具有刚性为主兼有柔性的大环共轭结构，因而，具有一定芳香性，稳定性好，光谱响应宽，对金属离子络合能力强，一般都为具有高熔点的深色结品。

[1]。

卟吩环中4个吡咯环的8个β位和4个中位的氢原子均可被其他基团所取代，从而生成各种类型的卟啉衍生物，同时卟吩环中氮原子上的H原子被金属离子取代后又可形成种类繁多的金属卟啉配合物其通用结构式如图1-1：

图1-1金属卟啉配合物通用结构式

Fig.1-1StructuresofMetalporphyrincomplexes

R1~R8为取代吡咯，5,10,15,20也被称为α，β，γ，δ位,一般为苯基或取代苯基。

按照5,10,15,20位点取代基团相同与否，人们将卟啉分为A4型、A3B型、A2B2型、AB3型和B4型。

在众多卟啉化合物中，A3B-型不对称卟啉化合物（如图1）具有诸多优点：

在卟吩外环单点修饰，可简单高效地研究卟啉中位取代基对卟啉物理化学性质的影响，进而精确调控金属卟啉的各种性能[2]；将卟啉“嫁接”到载体上及其他功能化合物，最低程度减小对卟啉性能的影响，最大限度将金属卟啉裸露于载体上，发挥卟啉的功能特性[3]；或者利用卟啉电化学特性、空间位阻等进行进一步修饰[4]；通过金属配位键，B-链含有孤对电子的杂原子（N、O、S等）的不对称金属卟啉可实现自组装[5,6]，甚至传统有机合成难以胜任的多卟啉阵列结构，可以利用B侧链含有特殊功能的位点特异性原子或基团，与其他金属离子[7]或者配位体[8]组装为大分子或者超分子等等。

图1-2A3B型-不对称卟啉化合物结构

Fig.1-2StructuresofA3B-porphyrins

现在卟啉几乎与所有的金属离子都能形成配合物[9]。

他们在生命过程中，对氧的传递（血红蛋白）、贮存（肌红蛋白）、活化（细胞色素P-450）和光合作用（叶绿素）等起着重要的作用，是一类活性极高，选择性突出的生物催化剂，被称之为“生命的染料（PigmentofLife）”。

1．2卟啉化合物的应用

由于卟啉具有独特的结构及性能，近年来在生物化学、医学、分析化学、合成化学、材料科学等领域有着广泛的应用。

卟啉化学的研究也有迅速的发展。

以下就目前卟啉及其金属化合物在不同领域的应用和合成研究分别加以阐述。

[10]

1．2．1在有机合成化学方面的应用

四苯基卟啉和一氯二乙基铝反应生成四苯基卟啉氯化铝，它遇水、醇、羧酸、胺等活泼氢化合物时，氯原子可被取代，生成卟啉铝化合物，它们可引发环氧、内酯等环化物开环聚合[11]。

东京大学Inoue、Aida等对四苯基卟啉氯化铝（TPPAlCl）体系进行了10余年深入研究，也证明是环氧、内酯等环化物非常优良的活性开环催化剂。

其反应特点是：

①链引发反应比链增长反应快得多；②所得产物相对分子质量随转化率线性增加；③聚合体相对分子质量是窄分布的，MWD（相对分子质量分布）为1.05~1.10；④100%转化时，产物平均聚合度与理论值符合很好。

由于是活性聚合，可用它制备窄分布的聚醚、聚酯及它们的嵌段共聚体。

此外它还可引发酸酐等活性聚合物聚合并进行嵌段共聚合，还能使酸酐、二氧化碳聚合。

此类催化剂进行的活性聚合不能被醇等含活泼氢化合物终止，相反通过醇与活性链的快速交换反应，醇起到与催化剂相当的作用，能够有效调节聚合物的相对分子质量。

而且四苯基卟啉烷氧基铝在光照下可引发甲基丙烯酸甲酯等烯类单体进行活性聚合。

1．2．2在分析化学方面的应用

人们在化学仿生学的启示下，于20世纪50年代后期将卟啉化合物作为试剂用于分析化学中。

1979年童沈阳首次介绍了卟啉这种超高灵敏度试剂在分析化学中的应用。

由于卟啉化合物具有很大的平面共轭结构，颜色深，与许多金属离子可生成1:

1的配合物，在400~500nm处有强的吸收带，摩尔吸光系数一般在2×l05~5×105m2/moL，可测定Cu、Zn、Cd、Hg、Pb、Mn、Mg、Pd、Co、Fe等多种离子。

化学推进剂与高分子材料虽然卟啉化合物是一种灵敏度高、稳定性好的金属离子显色剂，已应用于痕量金属离子的分光光度分析、荧光分析、磷光分析，但卟啉显色剂对金属离子的选择性较差，且多数是非水溶性的，测定时需加表面活性剂或掩蔽剂。

新型尾式卟啉如尾式卟啉-吡啶（三乙胺）季铵盐化合物，具有较好的表面活性和选择性，可很方便地用于金属离子的分析。

由文献[12]可知。

1．2．3在分子生物学中的应用

金属卟啉应用于核酸定位断裂是近年来发展起来的一个研究方向，其原因是：

①金属卟啉在适当条件下可形成具有氧化活性的Fe=O中间体；②金属卟啉易在组织细胞特别是肿瘤细胞中聚集，在光照下对肿瘤具有显著抑制作用；③金属卟啉在生物体内相当稳定。

为达到对核酸的定位断裂，将适当的核酸识别剂组装于金属卟啉上，将有望设计出高性能的核酸定位断裂剂，这不仅是对金属卟啉研究领域的扩展，同时对癌症的基因治疗、大片段基因的分子识别、基因免疫印迹分析等都具有重要意义[13,14]。

金属卟啉类DNA定位断裂剂由金属卟啉和识别剂2部分构成，金属卟啉一般为H2T（4-Py）P类的过渡金属（Fe（III）、Mn（II）、Co（II）等）配合物，识别剂是那些对DNA具有一定定位识别能力的化合物，如吖啶、寡聚核苷酸、DNA结合药物、蛋白肽链等。

金属卟啉类定位断裂剂对DNA的作用模式主要是识别剂通过分子内氢键或其他非共价键的方式与DNA结合，在氧化剂如KHSO3、PhIO或分子氧和还原剂的作用下，金属卟啉形成活性中间体，该中间体对DNA特定区域的糖基或者碱基进行氧化，从而导致DNA链的断裂[15]。

1．2．4在分子识别中的应用

生物大分子间的专一结合现象称为分子识别。

配体上带有某种官能团，有特定空间构象的配合物，与有机分子和生物分子之间也存在着不同程度的专一结合现象，称为配合物的分子识别。

卟啉是血红素、细胞色素和叶绿素等生物大分子的核心部分，金属卟啉配合物作为主体分子有其独特的优点：

①卟啉环具有刚性结构，周边官能团的方向和位置可较好地得到控制，使之与客体分子（guestmolecular）之间有最佳的相互作用；②卟啉分子有较大的表面，对金属卟啉分子轴向配体周围的空间容积和相互作用方向的控制余地较大；③金属卟啉配合物具有多样性。

基于此，金属卟啉配合物可对多种有机和生物分子进行识别。

氨基酸是生命体内蛋白质的重要组分，在主客体化学中，它的分子识别颇受重视。

氨基酸中的氨基、羧基可形成氢键、库仑力、偶极-偶极作用力，􎄭碳上的取代基可作为另外的识别点，与主体分子间产生静电力、范德华力、疏水作用、立体效应等。

如果主-客体体系中包含有金属离子，氨基和主体分子之间还会形成配位键。

金属卟啉化合物中含有金属离子及氨基或羟基，因此氨基酸的分子特性使其适合作为客体分子与人工合成的主体分子棖卟啉化合物相结合，从而达到分子识别的目的。

金属卟啉和氨基酸分子之间的作用有以下几种类型，即金属离子与氨基之间的配位作用，氨基酸中的氨基与卟啉取代基之间的氢键作用。

人工设计合成的卟啉化合物，可有手性识别中心，并提供必要的立体构型以实现氨基酸分子的识别。

由文献[10]可知。

1．2．5作为生物体内氧化过程的模型

作为单加氧酶的模型，卟啉化合物的研究与应用主要在以下方面[16]：

①对烷烃进行单加氧化（如氧化环己烷为环己醇和环己酮）；②对烯烃进行环氧化（如氧化苯乙烯为苯基环氧乙烷或氧化丙烯为甲基环氧乙烷）；③对萘酚进行氧化[17]（如制2-羟基-1,4-萘醌）；④对木质素、污染物及含硫、含氮等杂原子化合物的氧化，同时也可用于药物的代谢；⑤对DNA进行氧化从而使其裂解，以判明DNA的结构。

作为单加氧酶的模拟物，金属卟啉化合物的催化活性是以其共轭大π键电子体系和金属原子价态的改变为基础的。

在研究中，人们得出以下结论：

①具有疏水结合部位的金属卟啉，如环糊精-金属卟啉化合物及冠醚-金属卟啉化合物等具有良好的催化性能[18]。

②卟啉化合物间位苯环上的取代基团对金属卟啉化合物的催化性能有两方面影响，即对氧源中氧的脱离活性有影响，对卟啉化合物的稳定性有影响。

如位阻型金属卟啉化合物（即在四苯基卟啉的苯基邻位上引入了适当的取代基）对烷烃的羟基化和烯烃的环氧化显示出特殊的选择性和稳定性。

1．2．6在材料科学方面的应用

由于金属卟啉化合物作为一种功能性客体，引入夹层化合物中后，赋予许多优良的性能，因此在光电材料方面用途广泛，可用于磁性材料、非线性光学材料等。

而且卟啉能与许多金属形成金属有机液晶，现今发现Cu、Cd、Zn、Co金属卟啉都具有液晶性能，如2,3,7,8,12,13,17,18-八辛硫基四氮杂卟啉（II）在67.6~151.7℃有稳定的介晶相，液晶态为六角柱状相。

由文献[19]可知。

卟啉具有很强的吸光特性，尤其是与过渡金属络合后，使其能发射出很强的磷光，而这种磷光又可被O2猝灭，所以被用作压敏器件的磷光材料[20]。

谢腾峰等人[21]的研究表明，Pd卟啉及其衍生物有非常强的磷光辐射，痕量氧对其磷光辐射有明显的猝灭作用，利用Pd卟啉的这种功能特性可研制高效能的生物氧传感器。

1．2．7在地球化学中的应用

石油卟啉由叶绿素、血红素降解得到，并基本完整地保存在古代沉积物中，因此又被称为生物标志物。

石油卟啉中多以镍、氧钒络合物的形式存在，较稳定，因而成为地球化学的分子化石。

按含侧链不同，石油卟啉可分为初卟啉（ETIO）和脱氧初卟啉（DPEP）。

在石油成熟过程中，ETIO和DPEP的比例发生变化，平均碳数减少。

因此，分析石油卟啉的组成、类型、含量等，对获得地球化学信息有重要意义[22]。

因此人们对卟啉的研究一直比较重视。

诺贝尔化学奖获得者Lehn等提出超分子概念以后。

引起人们对超分子研究极大兴趣，而对作为具有超分子特性的卟啉研究更趋活跃。

以卟啉和金属卟啉为原料的新行业正在不断地兴起，对卟啉和金属卟啉的需求量也越来越大，但是低的合成收率和高的合成成本已成为卟啉及金属卟啉应用和发展的瓶颈之一，导致其在放生催化反应、模拟光合作用体系、制作分子器件磁性材料和抗肿瘤药物等方面的应用收到极大的限制。

因此，通过对卟啉化合物的合成方法及合成规律进行研究，可以了解这类化合物的产生机理、作用条件到模拟各种反应、合成类似化合物，再将他们的特殊性质和功能应用于各个领域，推动科学发展。

1．3卟啉化合物的合成

自1929年Fisher和Zeile首次合成了血晶素之后，人们对卟啉类化合物的合成进行了广泛的研究。

Rothemund在1935年将苯甲醛和吡咯于150℃下回流24～48h后首次合成了四苯基卟啉（TPP）。

但该方法合成产率低，而且在此条件下能用作反应物的取代苯甲醛也很有限；Adler等人在1967年改进了Rothemund的方法，采用丙酸作溶剂，将苯甲醛和吡咯在141℃下回流，得到四苯基卟啉。

但由于该法在酸性介质中合成，易生成副产物四氢卟啉（TPC）而造成目标产物与副产物不易分离；1987年，Lindsey进一步改进了上述四苯基卟啉的合成方法，该合成方法产率较高，达30～40%左右，其缺点是反应过程需要N2保护，合成步骤复杂。

我国郭灿城小组采用DMF作溶剂，无水AlCl3作催化剂，产率可达30%，该合成方法不生成副产物TPC，适用范围广。

在前人工作的基础上，国内外一些研究小组对卟啉的合成方法也在不断地改进和完善。

根据卟啉种类的不同我们将卟啉的合成方法归为四类，它们是:

对称型卟啉合成,不对称型卟啉合成,双卟啉型卟啉合成和高分子型卟合成。

1．3．1对称型卟啉的合成

这类卟啉的合成，通常用等物质的量的吡咯和芳醛,在丙酸介质中回流20～30min（以下简称标准法），收率为10%～30%,所得粗品中除高聚物外，往往含有5%～10%的二氢化卟啉,它可用二氯二氰基对苯醌（DDQ）或二甲基亚砜（DMSO）或亚硫酰氯进行氧化脱氢，使其转化为卟啉。

进一步的提纯，常用柱层析、溶剂重结晶等手段[23]。

1．3．2不对称型卟啉的合成

非对称型卟啉是指在卟吩环的5,10,15,20位上有3个取代基相同,另一个取代基不同。

其合成方法有2种：

（1）直接合成法。

即2种芳醛之和与吡咯等物质的量反应，一般可同时形成6种不同取代基的卟啉，尔后经柱层析分离目标产物。

（2）利用含单羟基或单氨基的不对称型卟啉再与含卤化合物反应。

1．3．3双卟啉的合成

双卟啉有2种类型,一种是柔性“开放”型的双卟啉,它是2个卟啉环端以共价柔性键相连接；另一种是刚性“面对面”型的双卟啉[24，25]，它是2个卟啉环“平面”相对，“周边”有的地方被某些基团所连接，如Kagan[24]合成的一种双卟啉，是2份TPP的5,10,15,20位的苯基对位被羰氧乙氧基所连接。

因此，一般认为“开放”型比“面对面”型的卟啉容易合成，且“开放”型卟啉的催化活性比单卟啉好，摩尔吸光系数也较大[26]。

本文仅介绍“开放”型双卟啉的合成，它通常利用双卤代化合物将含单—OH基或单—NH2基的卟啉连接起来。

1．3．4高分子卟啉的合成

将含氨基或吡啶基的卟啉引入含氯的高分子母体，可得高分子卟啉。

总体来说，一锅卟啉合成法为现行最为普遍的卟啉合成方法，它体现了动态共价化学反应的特征，醛和吡咯以自组装方式生成的各式卟啉配体，其合成方法缺乏通用性，因此，对于不同种类的卟啉配体，需要对其合成条件进行探索以求最佳合成条件。

Ghosh[27]指出酸催化吡咯与醛缩合是自组装的过程。

吡咯与醛的比例、有无溶剂及溶剂种类、氧化性终止条件、催化剂种类及用量、反应温度将影响主产物的种类。

目前尚无一种详尽的机理用于指导卟啉配体合成，因此优化合成条件对于不同种类卟啉配体的合成尤为重要。

王兰芝、孙志成等深入研究混合溶剂法合成四苯基金属卟啉，总结近百种卟啉化合物的合成条件。

目前应用比较广泛的合成中位不对称卟啉的方法是在Adler法和Lindsey法基础上发展起来得以混合醛代替单一醛的合成法，但是产率较低，产物分离困难。

混合溶剂法合成卟啉化合物，条件较温和，操作简便，产率较高。

常规手段合成卟啉配体化合物需要较长时间加热回流，导致原料芳醛、吡咯极易发生氧化、聚合等副反应,使分离提纯困难,产率很低。

借助微波辅助方法合成不对称卟啉化合物，可以使反应操作简便，副产物少，收率高，产品容易提纯，反应速度快，目前是比较理想的绿色合成方法之一。

以A3B型-不对称卟啉及其衍生物为模型，可逐步解决金属卟啉仿生催化体系尚存问题并深入的探讨研究，因此A3B型-不对称卟啉的合成、衍生化、催化氧化应用研究具有很重要的理论和实际意义。

1．4A3B型-不对称卟啉化合物

1．4．1A3B型-不对称卟啉配体的合成

20世纪30年代Rothemund首先合成了四苯基卟啉（TPP），但收率很低，反应条件难控制。

近百年来，卟啉类化合物的合成方法不断改进，产物收率大大提高，其合成方法学不断取得新进展。

到目前为止，A3B型-卟啉类化合物的合成主要以吡咯或者取代吡咯与相应的醛类或者各种取代醛为原料，根据反应方式的不同可以将卟啉类化合物合成方法系统地分为Little法、Lindsey法、2+2合成法、3+1合成法、线性四烷基吡咯合成法、meso-修饰法和微波合成法。

Little法

1967年Adler[28]以丙酸为溶剂，苯甲醛和吡咯接触空气回流30min，得到TPP。

Little法[29-32]源于Adler法，使用两种醛或多种醛代替单一醛与吡咯缩合分离得到不对称卟啉化合物，合成反应路径如下（图1-3）：

图1-3Little法合成卟啉反应路径

Fig.1-3Reactionrouteofporphyrin