卟啉化合物的合成

2010年38卷第10期广州化工●75.卟啉化合物的合成*汤莹,胡炳成,刘祖亮(南京理工大学化工学院，江苏南京210094 )摘要:卟啉化合物广泛存在于自然界中和生命体中,对生命活动起着重要作用,卟啉化合物因其特殊的结构和生物活性,应用前最广阔。本文主要介绍卟啉化合物的合成方法,根据所采用起始反应物的不同,将卟啉的合成方法分为两大类:全合成法和半合成法,对两类合成方法给予较详细的介绍。关键词:卟啉;全合成;半合成Research on Synthesis of Porphyrins *TANG Ying, HU Bing -cheng, LIU Zu - liang(Department of Chemistry, Nanjing Universty of Science and Technology , Jiangsu Nanjing 210094, China)Abstract: Porphyrins were widely distibuted in nature and played an important role in the activities of life. Porphy-rins had bright prospects in various applications owing to their unique structure and biological activity. The synthesis ofporphyrins was mainly introduced. The methodology for preparation of porphyrins was divided into full and semi - synthe-sis, according to different reactants. The two kinds of synthesis methods of porphyrins were described in detail.Key words: porphyrins; total synthesis; semi - synthesis卟啉是含四个吡咯分子的大环化合物，当卟啉环中N上的两个法,该方法将四个吡咯环按顺时针方向规定为A,B,C,D四个H被金属取代后便成为金属卟啉"。卟啉环共有22个π电子,其环, 如图1所示,再以顺时针方向对卟吩环中所有的碳原子及氮中18个π电子因发生离域作用而使卟啉行生物具有了芳香性,正原子进行编号 .吡咯环上的2,3,7,8,12,13,17,18位通常称为β是这-芳香性使得卟啉衍生物具有了独特的物理和化学性质。位;5,10,15 ,20位通常称为中位( meso- )”。卟啉化合物广泛存在于自然界的生命体中,对生命活动起根据所采用起始反应物的不同，卟啉衍生物的合成方法可着重要作用，如叶绿素血红素细胞色素p -450等都是生命体分为两大类,一 类是以吡咯和醛单体为原料进行的全合成,另- .新陈代谢过程中至关重要的组成部分,被誉为生命色素^2-1。类是以天然产物，如血红素、叶绿素等为原料,对已有的卟啉分卟啉类物质因其特殊的结构和生物活性被广泛应用于催化.仿子官能团进行修饰的半合成。生学、太阳能利用特种材料、医学和分析化学等诸多领域“-01.研究卟啉化合物的合成方法，合成新的卟啉类化合物，对于开发1 卟啉化合物的全合成和利用卟啉类衍生物具有重要意义。卟啉类化合物的全合成- -般步骤多,反应收率低,产物难以分离。如今人们已开发出多种合成卟啉类物质的方法,按照所合成的卟啉化合物结构分类,总结起来有两种8]。-是合成分(AB子结构完全对称的卟啉化合物,采用2位上含甲基(或亚甲基)-YH 212 N=6的吡咯经自身缩合、氧化而合成目标产物或者采用相应2,5位上不含取代基的吡咯与甲醛(或苯甲醛)经缩合、氧化生成目标产物。前提条件是吡咯单体3,4位上的取代基完全相同9。二23 HN是合成分子结构不对称的卟啉化合物，根据连环的顺序以及合C成过程中所采用中间体的不同,这类方法又可分为以下2种情况:13(1)2+2合成法.先分别合成出含有两个吡咯环的中间体圈1环状四吡咯化合 物的命名A-B与D-C(南北2+2法)或者A-D与B-C(东西2+2法)Fig.1 Namning of naturul eyelic terproles二吡咯甲烷(甲撑)再将两中间体连结成环9。例如, Btte中国煤化工二吡咯甲撑A-B组分目前较常使用的环状四吡咯化合物命名法为IUPAC编号与D-YHCNMHG;条件下,A-B组分在其"基金项目:江苏省自然科学基金( BK2009386) :南京理工大学科技发展基金( XKF09008)资助项目。作者简介:汤莹( 1982 -),女,硕士,主要从事绿色催化领域的研究。E - mail: pinghaluoyanO21@ 163. com通讯作者:胡炳成( 1969 - ) ,男,副研究员，主要从事有机合成和绿色催化领域应用研究。E - mail; hubingcheng@ yahoo. com. cn●76.广州化工2010年38卷第10期不含取代基的吡咯a位与D- C组分上的醛基缩合生成线性四合成方法中主要前身卟吩e。三甲酯的合成采用的是东西2 +2吡咯中间体,如图2所示。Woodward!"首次提出的叶绿素的全法(图3为Wwoodward 法合成简化图)。COOCH,C0OCH,H,C0OC-、H,C0OCVC0OBal- .Ht -C0OCH,一。Bzl0OC,C00-BuMeQ,CHO元HH,CoOCH,Cood !H2C0OC0AcCOOCH, .團2 Btterby 南北2 +2法合成法简化图Fig.2 Simplied diagam of Bttersby'。norh 2 +2 synthesis西。CH2(2)由Johnson等首先提出的3 +1合成法,即先合成线性三吡略中间产物B-C-D三吡咯二甲烷(甲撑) ,然后让它与吡咯COOCH环A缩合得到目标卟啉(也可以采用A-B-C与D作为中间COOCH;^C00CH3体)。Montforts 在合成伯勒啉二甲酯时采取的是3+1合成法，COOCH:先从吡咯单体合成得到B-C-D三吡咯(烷)二甲撑中间体,然后让它与吡咯单体缩合生成线性四吡略912131,最后环合成卟啉。圈3 Woodward 东西2 +2合成法简化图Fig3 Simplified diagram of Woodward's east and west 2 +2 syntheisCO0B1I-CHO.CN-。CN N,COO-BuCOOCH, COOCH,圈4 Monfots 3 +1合成法简化图Fig.4 Simplifie diagram of Montorts 3 +1 synthesis(3)先合成线性四吡咯,再使之环合生成卟啉。例如,Clezy刻(5-”。 它们的共同特点是对卟啉母核的修饰,依据反应的位置等用1-位被氨基取代和9-位被甲基取代的b-胆色烷,环合我们又可以把卟啉衍生物的半合成分成中位修饰和β位修饰。后成如图5所示的β位多取代卟啉(4)。2.1 中位修饰很典型的例子是铜卟啉或镍卟啉中位的Vilsmeier甲酰化反( )CulOAc, -COOE:应甲。Ogoshi 等用β-八乙基卟啉的二价金属复合物与配成的yqaH). (EjMrOH.Vilsmeier 试剂进行反应,得到了较高产率的5-甲酰化金属卟啉复合物。通过控制反应条件，他们还得到了31%单甲酰化和DoOdbooeDoOC 00D28%的5,15 -双甲酰化得混合产物[19) ,如图6所示。圈5线性四吡咯环合生 成卟啉g.5 Linear ltrapyrole cyclizate to PorphyrinQH0rethihe2卟啉化合物的半合成中国煤化工卟啉衍生物的半合成是指以相对易得的天然环状四吡咯化MHCNMHG合物,如血红素和叶绿素等卟啉化合物为原料进行的合成。与全8%圈6 β-八乙基卟啉的甲酰化合成相比,卟啉衍生物的半合成无论在反应的收率还是在选择性Fig.6 Formylation reaction of β - octaethylporphyrin上较半合成普遍要高，而且反应的条件也没有半合成方法苛2010年38卷第10期厂州化工卟啉的中位也可以烷基化,Senge等用烷基锂试剂和碘代烷烃卟啉的中位也可以发生卤代反应,利用卤代卟啉可进一步与5,15 -二苯基卟啉进行烷基化反应，再经氧化得到相应的中位四转 化获得其他官能团卟啉。Therieny 用N-溴代丁二酰亚胺与取代卟啉四]。而后又通过和二氯二氰苯醌( DDQ)氧化烷基锂试剂5,15-二苯基卟啉反应, 得到10,20-二溴-5,15-二苯基卟与卟吩的亲核加成产物.制得了5,10-二烷基卟啉”。啉 2。Osuka 等用AgPF。和碘与5,15-二苯基卟啉锌反应,得Smith等使用溴的格氏试剂与5-甲酰基- 0EPZn( I)反应到 了较高产率的中位单碘代卟啉和二碘代产物卟啉训。得到了5-甲酰基-15-甲基0EPH,(OEP =2,3,7,8,12,13,另外,控制适宜的反应条件,卟啉的中位的基团也可以转变17,18 - octaethylporphyrin)。他又用CH,MgBr与5-甲酰基成其他基团。 Yeung采用偶合反应和Wittig 反应,把meso位的0EPH2反应,经酸处理,得到5-甲酰基- 15-甲基0EPH2溴 、醛分别转化成烃和烯2.251。(11% )和5-乙晞基- OEPH2(42% )的混合物,并提出反应历2.2 β位修饰程,如图7所示(2-21。在β位上的取代反应常见报道. Ponomarev等人在铜、钴、镍卟啉β位成功引人甲酰基,产率达60%以上01。马登生等”用次卟啉- IX -二甲酯铜溶于二氯甲烷，加人醋酸酐和四氯化锡在0C条件下反应,得到了次卟啉- IX -二甲酯铜的单乙酰化和双乙酰化产物,铜3-乙基酰基次卟啉-IX-二甲酯、铜8-乙基酰基次卟啉- IX-二甲酯和3,8-双乙酰基次卟啉-IX-二甲酯铜,如图8所示。圈7 5- 甲酰基OEPH2的转化Fig.7 The conversion reaction of5 - formyl OEPH2一-H,C0OCCOOCH HcC00CCOOCH HcooCC0OCH;圈8卟啉β位乙酰化Fig. 8 Popbyrin β - acetylationDolphin 等人[用N-氯代丁二酰亚胺( NCS)进行氯代反应,得到了2,3,7,8,12,13,17,18-八氯代Ni - TPP。Franck 等则用N-溴代丁二酰亚胺( NBS)实现了meso-四(2,4,6-三甲MNOb苯基)卟啉的八β位全溴化2.制(如图9) ,并且进- -步磺化制得了四(3 ,5-二磺酸基均三甲苯基) -β八溴卟啉。H-CuSiCo.ZnR-H,J.0CH,(I )Zn(0Ac):/DMF_中0 IABSICHOH(DTE VCH:CL;图10 2-NO2 -5,10,15 ,20 -四芳基金属卟啉的合成Fig. 10 Synthesis of2 - NO2-5, 10,15,20 - 4 of Arene Metal porphyrinsrCH,原卟啉-IX -二甲酯中的β位乙烯双键与位于环周上的吡咯图9卟啉β位卤化( meso-四(2,4,6-三甲苯基)双键构成双烯体系，采用结构不对称的取代乙炔.3 - ( Phenylulfo--β -八溴卟啉的合成)myl) - ehylpropiolale与原卟啉- IX -二甲酯在溶剂CH2C2中回流Fig.9 β- halogenated pophyrin( meso - Telra20h7则} ,会发生有区域选择性的环加成反应，如图11所示。(Synthesis of2,4,6 - TrimethyI - phenyl)-β-8 bromo - porphyin)CC:OH黄齐茂[29]等人用乙酸酐做催化剂,硝酸盐硝化金属四苯基类卟啉化合物,合成了2- NO, -5,10,15 ,20 -四苯基金属卟啉、2- NO2-5,10,15,20-四(4一氯苯基)金属卟啉和2- NO2-中国煤化工5,10,15 ,20-四(4-甲氧基苯基)金属卟啉。合成路线如图10HcoocTYHC NMH G'COOCH所示。图11原卟啉 -IX-二甲酯β位双烯加成Fig. 11 Diene addition of the Bβ of Protoporphyrin - IX - dimethyl●78.广州化工2010年38卷第10期依据β位官能团的活性,也可以实现β位官能团的转换,生rolic compounds. LIV. The chemistry of hodins, verdins and related成新的官能团.常见的卟啉官能团转化反应有Pd催化的偶合反compounde. Aust. J. Chem. , 1984 ,37<(1);:143 -154.应。Therien 等人采用此法把3-溴- TPP转化成了3-羟基15] JohansenJ E, Piematie v, AngstC, et al. Reciprocal conversion ofTPP[31]。the chromophere systen of porphyrinogen and 2,3,7,8,12,13 - hexa-dchyroporphyrin. Angew Chem, 1981 ,93(3) :273 -275.3.结语[16] Waditschalka R, Eechenmoser A. Chemistry of prophins: sereoseleetivity duing porphyrinogen - procerphin tautomeism. Angew Chem,卟啉化学已有百多年历史,自然界广泛存在着卟啉类衍生1983 ,95(8) :639 -640.物,这类物质对生命过程起着十分重要的作用。因为卟啉化合[17] Facssler A. Pralzx A, Mueller P M, et al. Preparation and properies of物具有稳定性和优良的生物活性等特殊性质，应用前景广阔,现some hyrocophinoid nicke( I1) complexces. Helv Chim Acta, 1982,已广泛用于医药、分析化学、催化.光合作用、人I开发太阳能、65:812 -816.仿生学石油地质、光电子功能材料以及环保等领域,随着对卟[18] Amold D P, Jonnson A w. Mahendram M J. Some reacions of meso-fomyloctaethylporhyrin. J. Chem. Soe, Perkin Trans. 1978, 1: 366啉及其金属化合物的更进- -步研究,其用途必将越来越广。寻.-370.找卟啉化合物的有效合成方法，在卟啉环meso-位和β-位引[19] Watanabe E, Nichimura s, Ogoshi H, Yoshida z. Oientation of elec-人优良基团,合成性能优良的新的卟啉类化合物是拓展卟啉化trophilic meso - substittion in mellooctaethylporphyrins. Tetrahed-合物应用的必然之路。ron, 1975, 31(11):1385 -1390. .[20] FengX M, Senge M 0. One - pot Synthesis of Funtinalized Asym参考文献metrie 5 ,10,15 ,20 - Subetituted Porphyrins from5,15 -Diaryl- or -[1] Smith K M, Falk J E. Porphyrin and Malloporphyrins[ M]. Amster-Dialkyl - porphyrins. Tetrahedron, 2000,56(4) :587 - 590.lam, Elevier,1975(1):2-10.[21] HatecherS, Senge M 0. Synthetie aces to 5,10 - dsbetituted por-[2] Golubchikov 0 A, Berezin B D. Applied aspects of the chemistry of thephyrins Tetrahedron Lett., 2003 ,44(1);157 -160.Porphyins[J]. Russ Chem Rev. , 1986, 55(8) :768.[22]石伟明,吴健。meo -四芳基卟啉芳环的定位硝化及其衍生物合成3] Dolphin. D. The Porphyrins[ M]. 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