含有酯键对称分子钳系列卟啉化合物及其制备方法

摘要

本发明提供含有酯键对称分子钳系列卟啉化合物及其制备方法，其结构式如下：

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的卟啉化合物及其衍生物，特别是用于检测丙苯的含有酯键对称 分子钳的系列卟啉化合物及其制备方法。

背景技术

卟啉化合物具有良好的光、热和化学稳定性，在可见光区有很强的特征电子吸收光谱。 近年来，利用卟啉及其配合物独特的电子结构和光电性能，设计合成光电功能材料和器件 已经成为国际上十分活跃的研究领域。分子钳卟啉是指卟啉单体通过共价键连接的大分 子，按连接体的结构特征分成两大类型：一是柔性“开放”型卟啉，它是两个卟啉环的meso- 苯基以共价柔性单键连接；二是刚性“面对面”型的双卟啉，它是由乙炔基、苯环、乙烯基 等自身为共轭体系的基团或由两个卟啉单体的卟吩核上的碳与碳直接键连的双卟啉。卟啉 分子钳可以用来作为光捕获天线、模拟光合作用的反应中心，能量和电子转移的模型化合 物。卟啉聚合物在现代光、电、磁材料的高科技领域中显示出诱人的前景。卟啉分子钳化 合物在分子识别，催化，降解工业废水等领域也有很好的应用前景。

例如，卟啉分子钳化合物可通过光动力学法检测肿瘤，它们在这些方面的性能比卟啉 单体化合物优越。但是，目前可供医用的卟啉分子钳化合物种类不多，检测性能不全，因 此，设计并合成结构新颖、并具有良好功能的分子钳卟啉化合物是所属领域技术人员有待 解决的课题，具有重大的经济效益和社会效益。

发明内容

针对现有技术卟啉分子钳化合物种类不多，功能不全之不足，本发明的目的是提供一 种新型的含有酯键对称的分子钳卟啉化合物，以及含有酯键对称的分子钳系列金属卟啉化 合物，为开发成为呼出气体检测肺癌患者的敏感材料提供可靠的选择，以满足医用检测的 需要。

本发明还提供所述含有酯键对称的分子钳系列卟啉化合物的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种含有酯键对称分子钳卟啉化合物， 其特征在于，其结构式为：

其中，M为2H，化合物分子式为C₉₆H₆₂N₈O₄，简称自由碱卟啉P。

本发明还提供一种含有酯键对称分子钳系列金属卟啉化合物，其结构式为：

其中，M为Zn、MnCl、Cu、Ni或Co；统称系列金属卟啉；

M为Zn，化合物分子式为C₉₆H₅₈N₈O₄Zn₂；

M为MnCl，化合物分子式为C₉₆H₅₈N₈O₄Cl₂Mn₂；

M为Cu，化合物分子式为C₉₆H₅₈N₈O₄Cu₂；

M为Ni，化合物分子式为C₉₆H₅₈N₈O₄Ni₂；

M为Co，化合物分子式为C₉₆H₅₈N₈O₄Co₂。

本发明还提供所述含有酯键对称分子钳卟啉化合物的制备方法，包括如下步骤：

1）合成单羟基卟啉：向250ml三颈烧瓶中依次加入2.6～3g对羟基苯甲醛，5.5～6ml 苯甲醛和200～250ml丙酸，搅拌，加热沸腾；然后，滴加5～5.5ml新蒸吡咯的30～40ml 丙酸溶液，继续搅拌回流1～1.5小时；

尔后，向冷却到室温的反应液中加入1～1.5升二次蒸馏水，用饱和碳酸氢钠溶液调节 pH=8-9，静置沉淀，抽滤，得紫色固体，真空干燥；再用硅胶过柱，氯仿做洗脱剂，收集 第二色带，得单羟基卟啉；

2）合成自由碱卟啉P：取50～80ml DMF（N,N-二甲基甲酰胺），加入2～2.5g CaH₂， 搅拌回流24～36小时，减压蒸出溶剂备用；然后，冰浴下向三颈烧瓶中依次加入6.4～6.6mg 对苯二甲酸，30～40mg EDC·HCl，50～55mgDMAP，20～30ml干燥的DMF（N,N-二甲基 甲酰胺），充分混合后氮气保护下反应30～45分钟；加入50～60mg步骤1）获得的单羟 基卟啉，室温下避光反应24～36h；

待避光反应结束后，往反应体系中加入蒸馏水和饱和食盐水进行洗涤，先使用蒸馏水 洗涤三次，每次往反应体系中加入30～40ml蒸馏水，再向反应体系中加入30～40ml饱和 食盐水洗涤一次，充分洗涤后，用无水MgSO₄干燥有机层；然后，旋干溶剂，用硅胶装柱， 再使用（V:V）=3:2氯仿和石油醚的混合溶剂做洗脱液，收集第二带紫色产物，得到自由 碱卟啉P，产率50%。

进一步，本发明还提供一种含有酯键对称分子钳系列金属卟啉化合物的制备方法，包 括如下步骤：

称取100～120mg自由碱卟啉P到三颈烧瓶中，加入30～40ml DMF，搅拌溶解，通 氮气除尽反应体系中的氧气，加入20ml含有200～400mg金属盐的DMF溶液，氮气保护 下加热回流反应1～3h，回流反应温度120～140℃；

冷却后加入150ml二次蒸馏水，用50ml氯仿萃取3次；旋转蒸干溶剂；

粗产品加到硅胶柱上，先用氯仿洗去未反应的自由碱卟啉P，再用体积比(V:V)=10:1 的氯仿和乙醇混合溶剂做洗脱剂，第二带为目标产物金属卟啉化合物。

所述金属盐为ZnCl₂、CuCl₂、NiCl₂、CoCl₂或者MnCl₂。

进一步，本发明还涉及含有酯键对称分子钳卟啉化合物用于检测丙苯的应用。以及含 有酯键对称分子钳系列金属卟啉化合物用于检测丙苯的应用。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明分子钳金属卟啉化合物由两分子的5-对羟基苯基-10,15,20-三苯基卟啉与一 分子对苯二甲酸缩合后得到；两个分子之间通过桥联结构连接，所合成的系列卟啉均是具 有特定空腔尺寸的分子钳化合物；其酯键官能团处于空腔结构微环境中，可以通过分子间 氢键，范德华力等多种作用力与检测对象作用，两个卟啉环可通过π-π堆积作用，配位键 等作用力与检测对象作用，酯键官能团和两个卟啉环生色团协同作用，可实现对检测对象 的特异和灵敏检测。

2、本发明分子钳金属卟啉化合物二聚体自由碱卟啉和系列金属卟啉，由于不同金属 原子的吸电子能力不同，以及配位后对卟啉环共轭结构带来的影响不同，最终表现为不同 金属卟啉及自由碱卟啉与丙苯分子作用后，在可见光区形成不同的响应，将6种卟啉构建 为交叉响应传感阵列，可实现对丙苯气体的检测。特别是作为肺癌病人呼出气体标志物己 醛的敏感材料，进而为开发成为呼出气体检测肺癌患者的敏感材料提供可靠的选择。可进 一步开发为检测醛酮类，胺类，芳香烃类的敏感材料。

3、采用本发明合成二聚体自由碱卟啉和系列金属卟啉化合物的方法，制备过程简单， 而产率分别高达75%和90%以上，极大地降低合成难度，显著提高反应收益。

4、在单羧基卟啉的制备过程中，采用体积比为1：1的蒸馏的吡咯丙酸的混合溶液作 为反应溶液，可以降低产物中的杂质，提高反应速率。

附图说明

图1为分子钳自由碱卟啉和金属卟啉的结构图。

图2为分子钳自由碱卟啉在氯仿中的紫外可见光谱图。

图3为分子钳自由碱卟啉的红外光谱图。

图4为分子钳自由碱卟啉的核磁共振氢谱图。

图5为卟啉阵列检测丙苯气体的差谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明含有酯键对称的分子钳卟啉化合物及制备方法，以及用 于检测丙苯的应用作进一步详细说明。

一、一种含有酯键对称的分子钳卟啉化合物。

所述卟啉化合物的结构式如图1所示：

所述含有酸酐键对称的分子钳卟啉化合物，当M为2H，分子式为C₉₆H₆₂N₈O₄，简称 自由碱卟啉P。

所述含有酸酐键对称的分子钳系列金属卟啉化合物：M为Zn、MnCl、Cu、Ni或Co。

当M为Zn时，分子式为C₉₆H₅₈N₈O₄Zn₂；

当M为MnCl时，分子式为C₉₆H₅₈N₈O₄Cl₂Mn₂；

当M为Cu时，分子式为C₉₆H₅₈N₈O₄Cu₂；

当M取Ni时，分子式为C₉₆H₅₈N₈O₄Ni₂；

当M为Co时，分子式为C₉₆H₅₈N₈O₄Co₂。

二、制备方法。

本发明中的DMF是指N,N-二甲基甲酰胺，EDC·HCl是指1-乙基-(3-二甲基氨基丙基） 碳二亚胺盐酸盐，DMAP是指（4-二甲氨基吡啶）。

1、一种含有酯键对称的分子钳卟啉化合物（即自由碱卟啉P）的合成方法：

1）单羟基苯基卟啉的合成：向250ml三颈烧瓶中依次加入2.6g对羟基苯甲醛，5.5ml 苯甲醛和200ml丙酸，搅拌，加热沸腾；然后，滴加5ml新蒸吡咯的30ml丙酸溶液，继 续搅拌回流1h；

尔后，向冷却到室温的反应液中加入1L二次蒸馏水，用饱和碳酸氢钠溶液调节 pH=8-9，静置沉淀，抽滤，得紫色固体，真空干燥；再用100-200目硅胶过柱，氯仿做洗 脱剂，收集第二带，得单羟基卟啉。

2）自由碱卟啉P的合成：取50ml DMF（N,N-二甲基甲酰胺），加入2g CaH₂，搅拌回 流24小时，减压蒸出溶剂即为干燥的氯仿，以待使用；然后，冰浴下向三颈烧瓶中依次 加入6.4mg对苯二甲酸，30mgEDC·HCl，50mgDMAP，20ml干燥的DMF（N,N-二甲基甲 酰胺），充分混合后氮气保护下反应30分钟；加入50mg步骤1）获得的单羟基卟啉，室 温下避光反应24h。

待避光反应结束后，往反应体系中加入蒸馏水和饱和食盐水进行洗涤，先使用蒸馏水 洗涤三次，每次往反应体系中加入30ml蒸馏水，再向反应体系中加入30ml饱和食盐水洗 涤一次，充分洗涤后，用无水MgSO₄干燥有机层；然后，旋干溶剂，用100-200目硅胶装 柱，再使用（V:V）=3:2氯仿和石油醚的混合溶剂做洗脱液，收集第二带紫色产物，得到 自由碱卟啉P，产率50%。

2、含有酯键对称的分子钳系列金属卟啉化合物的合成方法：

2.2.1锌卟啉ZnP的合成方法：

称取100mg自由碱卟啉P到三颈烧瓶中，加入30ml DMF，搅拌溶解，通氮气除尽反 应体系中的氧气，加入20ml含有200mg ZnCl2的DMF溶液，氮气保护下加热回流反应 1h，回流反应温度140℃。冷却后加入150ml二次蒸馏水，用50ml氯仿萃取3次。旋转 蒸干溶剂，得到锌卟啉ZnP粗产品；将锌卟啉ZnP粗产品进行硅胶柱层析分离，先用氯仿 洗去未反应的自由碱卟啉P，再用洗脱剂洗脱，第二带为目标产物锌卟啉ZnP；真空干燥， 得到紫色固体，产率90%。

所述硅胶柱层析分离的吸附柱采用100～200目的硅胶，洗脱剂采用体积比为10：1 的氯仿和乙醇的混合溶液。

2.2.2铜卟啉CuP合成方法：

称取100mg自由碱卟啉P到三颈烧瓶中，加入30ml DMF，搅拌溶解，通氮气除尽反 应体系中的氧气，加入20ml含有260mgCuCl₂的DMF溶液，氮气保护下加热回流反应1h， 回流反应温度140℃，冷却后加入150ml二次蒸馏水，用50ml氯仿萃取3次。旋转蒸干 溶剂，得到铜卟啉Cu P粗产品，将铜卟啉Cu P粗产品进行进行硅胶柱层析分离，先用氯 仿洗去未反应的自由碱卟啉P，再用洗脱剂洗脱，第二带为目标产物铜卟啉Cu P；真空干 燥，得到砖红色固体，产率90%。

所述硅胶柱层析分离的吸附柱采用100～200目的硅胶，洗脱剂采用体积比为10：1 的氯仿和乙醇的混合溶液。

2.2.3镍卟啉NiP合成方法

称取100mg自由碱卟啉P到三颈烧瓶中，加入30ml DMF，搅拌溶解，通氮气除尽反 应体系中的氧气，加入20ml含有360mg NiCl2·6H₂O的DMF溶液，氮气保护下加热回流 反应2h，回流反应温度140℃。冷却后加入150毫升二次蒸馏水，用50毫升氯仿萃取3 次。旋转蒸干溶剂，得到镍卟啉NiP粗产品，将镍卟啉NiP进行硅胶柱层析分离，先用氯 仿洗去未反应的自由碱卟啉P，再用洗脱剂洗脱，第二带为目标产物铜卟啉Cu P；真空干 燥，得到酒红色固体，产率90%。

所述硅胶柱层析分离的吸附柱采用100～200目的硅胶，洗脱剂采用体积比为10：1 的氯仿和乙醇的混合溶液。

2.2.4钴卟啉CoP合成方法

称取100mg自由碱卟啉P到三颈烧瓶中，加入30ml DMF，搅拌溶解，通氮气除尽反 应体系中的氧气，加入20ml含有360mgCoCl2·6H₂O的DMF溶液，氮气保护下加热回流 反应2h，回流反应温度140℃。冷却后加入150ml二次蒸馏水，用50ml氯仿萃取3次， 旋转蒸干溶剂，得到钴卟啉CoP粗产品；将钴卟啉CoP粗产品进行硅胶柱层析分离，先用 氯仿洗去未反应的自由碱卟啉P，再用洗脱剂洗脱，第二带为目标产物铜卟啉Cu P；真空 干燥，得到砖红色固体，产率90%。

所述硅胶柱层析分离的吸附柱采用100～200目的硅胶，洗脱剂采用体积比为10：1 的氯仿和乙醇的混合溶液。

2.2.5锰卟啉MnClP合成方法

称取100mg自由碱卟啉P到三颈烧瓶中，加入30ml DMF，搅拌溶解，通氮气除尽反 应体系中的氧气，加入20ml含有300mg MnCl₂·4H₂O的DMF溶液，加热回流反应3h， 回流反应温度140℃。冷却后加入150ml二次蒸馏水，用50ml氯仿萃取3次。旋转蒸干溶 剂，得到锰卟啉MnClP粗产品。将锰卟啉MnClP粗产品进行硅胶柱层析分离，先用氯仿 洗去未反应的自由碱卟啉P，再用洗脱剂洗脱，第二带为目标产物铜卟啉Cu P；真空干燥， 得到绿色固体，产率90%。

所述硅胶柱层析分离的吸附柱采用100～200目的硅胶，洗脱剂采用体积比为10：1 的氯仿和乙醇的混合溶液。

三、结构表征：

运用核磁共振氢谱、紫外可见光谱、红外光谱以及元素分析对本发明新型含有酸酐键 对称的分子钳卟啉化合物，以及含有酸酐键对称的分子钳系列金属卟啉化合物的结构进行 表征，证明合成了目标化合物。

1、紫外可见光谱：用紫外分光光度计测试为浓度为1×10^-6mol/L的自由碱卟啉的紫外 可见光谱，测试结果如图2所示，由图中可以看到自由碱卟啉在419nm处出现强的Soret 带，在516nm，552nm，590nm，645nm出现四个典型的Q带。锌卟啉在420nm处出现强 的Soret带，在548nm出现Q带。

表1为卟啉化合物的紫外光谱数据，从表中可以看出自由碱卟啉在419nm处出现强的 Soret带，在516nm，552nm，590nm，645nm出现四个典型的Q带。锌卟啉在420nm处出 现强的Soret带，在548nm出现Q带。铜卟啉在416nm出现强的Soret带，在540nm处出 现Q带。镍卟啉在416nm出现强的Soret带，在524nm处出现Q带。锰卟啉在478nm出 现强的Soret带，在585nm和620nm处出现Q带。钴卟啉在432nm出现强的Soret带，在 550nm处出现Q带。

表1卟啉化合物的紫外光谱数据

Compound Solvant Soret bands Q bands P CH₂Cl₂419 516，552，590，645 ZnP CH₂Cl₂420 548 CuP CH₂Cl₂416 540 NiP CH₂Cl₂416 524 CoP CH₂Cl₂432 550 MnClP CH₂Cl₂478 585，620

2、红外光谱图：用红外光谱仪对自由碱卟啉和金属卟啉化合物进行测试，如图3所 示为自由碱卟啉的红外光谱图，由图中可以看出，自由碱卟啉在3317cm^-1和966cm^-1处出 现吡咯环中吡咯N-H键的伸缩和弯曲振动特征频率，在2919cm^-1和2850cm^-1出现的振动 峰归属为CH₂的C-H振动频率，1745cm^-1为酯基中羰基振动峰。

如表2为金属卟啉的红外光谱数据，由表中可以看出形成金属卟啉后，3317cm^-1处吸 收峰消失而966cm^-1处的吸收峰红移到997-1011cm^-1附近，表明形成了M-P键，原因在于 卟啉环上的N原子与金属配位后，导致大环振动性增强，吸收峰移向高频区。形成金属卟 啉后，酯键的特征吸收峰和自由碱卟啉相比并无明显变化，表明金属离子对该键造成的影 响有限。

表2金属卟啉的红外光谱数据

Assignment Intensity ZnP CuP NiP CoP MnClP V_C-Hs 2923 2923 2923 2925 2923 V_C-Hs 2852 2852 2852 2853 2852 V_C=Os 1738 1741 1739 1739 1740 V_C=Cm 1597 1599 1599 1601 1600 V_C=Nm 1486 1494 1494 1494 1490 V_C-H(pyrrole) m 1199 1198 1198 1200 1201 V_C-C-N(pyrrole) m 1072 1075 1075 1074 1066 V_C-H(pyrrole) m 997 1003 1008 1009 1011 V_C-H(pyrrole) m 796 799 797 797 803

3、核磁共振氢谱¹HNMR，如图4所示，为自由碱卟啉的核磁共振氢谱¹HNMR，其 中试剂为CDCl₃，由图中可以看出δ：-2.76(s,4H,NH),7.71-7.72(m,4H,ArH),7.77–7.80 (m,18H,ArH),8.22-8.25(m,12H,ArH),8.32–8.34(d,4H,ArH),8.62(s,4H,ArH),8.86-8.94(m,16H, py-CH)。

4、元素分析，对自由碱卟啉和金属卟啉分别进行元素分析测试，测试结果如表3所 示，由表中可以看出，各元素的理论含量和测试含量之间的相对误差小于5%，其在允许 的范围内，各元素的含量符合目标产物中各元素的含量。

表3卟啉化合物的元素分析结果

综合以上结构表征数据证明合成出了目标产物。

四、对丙苯进行定性检测。

通过对比试验，表明本发明的新型化合物与肺癌标志物丙苯具有响应，能够对己醛进 行定性检测：

1、传感阵列的构建：

传感阵列采用疏水的聚偏氟乙烯膜作为基底材料，可有效的防止空气湿度对阵列检测 造成的影响。采用毛细管手工点样将浓度为1×10-6mol/L的本发明的系列新型化合物的溶 液点到基底材料上，然后将制作好的阵列芯片密封保存于氮气黑暗环境中，保持其反应活 性。

2、配气及检测：

配气装置采用现有的气体发生器（容积10L），配带换气装置，加热装置和循环装置。

换气：打开阀门，用氮气作载气，将气体发生器中的气体置换，以使整个发生器中为 氮气填充，然后关闭阀门；

加热：用移液枪精确量取10μL液体丙苯，迅速转入气体发生器中的加热片上，控制 加热温度（<分解温度）和时间（<30s），关闭加热腔；

循环：开启循环泵（功率10L/min）20min，使气体充分混合，关闭循环泵；

将配气装置的出气和进气口分别与检测系统对接，开启检测装置的循环泵（功率 5L/min），使检测系统稳定；

检测：开启卟啉传感检测装置，采集时间点为0、1、2、3、4、5min下卟啉阵列反射 光谱的RGB信息；

最后，将采集的六种卟啉化合物的反射光谱的RGB信息输入计算机软件中进行分析， 该软件是基于中值滤波和域值分割方法编写的卟啉阵列的传感检测软件（掌握基本编程方 法的技术人员均可完成编写）。

分析结果如图5，图5中从左往右依次为自由碱卟啉（绿色），锌卟啉（杏色），锰卟 啉（橙色），铜卟啉（暗绿色），镍卟啉（黄绿色），钴卟啉（暗黄色）。从图中可以看出， 不同的金属卟啉与丙苯作用后产生程度不一的响应，该六种卟啉能够构成一个交叉响应阵 列，实现对丙苯气体的检测。

五、具体应用。

本发明所述含有酯键对称的分子钳卟啉化合物，以及含有酯键对称的分子钳系列金属 卟啉化合物用于作为肺癌病人呼出气体标志物丙苯的敏感材料，检测丙苯的应用前景广 阔。由于不同金属原子的吸电子能力不同，以及配位后对卟啉环共轭结构带来的影响不同， 最终表现为不同金属卟啉及自由碱卟啉与丙苯分子作用后，在可见光区形成不同的响应， 将6种卟啉构建为交叉响应传感阵列，可实现对丙苯气体的检测。特别是作为肺癌病人呼 出气体标志物丙苯的敏感材料，进而为开发成为呼出气体检测肺癌患者的敏感材料提供可 靠的选择。可进一步开发为检测醛酮类，胺类，芳香烃类的敏感材料。

本发明用于检测肺癌呼出气体丙苯的新型化合物，采用第三部份的方法检测患者呼出 气体中是否含有丙苯，当检测出患者呼出气体中含有丙苯，则表示该患者很可能已罹患肺 癌，若未检测出丙苯则认为该患者未罹患肺癌。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实 施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。