卟啉的合成與應(yīng)用概述卟啉簡介卟啉是卟吩環(huán)上連有取代基的一類化合物總稱，卟吩的結(jié)構(gòu)是四個(gè)吡咯環(huán)與四個(gè)次甲基橋連的大π共軛體系。卟吩是具備光電磁學(xué)、共軛性、電子緩沖性的平面型分子。卟吩具有八個(gè)β-和四個(gè)meso-（圖2-1所示）取代位置,易于修飾。圖2-1卟吩結(jié)構(gòu)示意圖卟啉的分子易裁剪，具有功能多樣性。近年來，用其他功能單元對卟啉進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾和功能優(yōu)化受到諸多學(xué)者的關(guān)注。卟啉化合物的性質(zhì)與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān),卟啉環(huán)上的八個(gè)β-和四個(gè)meso-均可以被功能基團(tuán)所取代，取代基位置和種類影響,該類化合物的性質(zhì)及功能對其進(jìn)行功能導(dǎo)向的修飾尤為重要。卟啉環(huán)的中心是一個(gè)可以容納幾乎所有金屬元素的空穴，參與配位的金屬離子影響整個(gè)大環(huán)的結(jié)構(gòu)與物化性能。由于卟啉具有高共軛電子系統(tǒng)，它們在可見光區(qū)會(huì)顯示出強(qiáng)吸收，更重要的是，可以利用調(diào)控金屬中心或調(diào)節(jié)外圍取代基的方式來改變卟啉光電活性與氧化還原的性質(zhì)。卟啉化合物同金屬離子可按1:1比例生成配合物，且在400-500nm處有強(qiáng)吸收，可測定Cu、Zn、Cd、Hg、Pb、Mn、Mg、Pd、Co、Fe等各離子。高摩爾吸光系數(shù)的卟啉化合物作為理想的熒光物質(zhì),具有吸收強(qiáng)度高且范圍寬、毒性小、熒光量子產(chǎn)率高的特點(diǎn),在傳感分析、熒光成像領(lǐng)域卟啉均是較理想的材料。卟啉的合成1Rothemund法[4]Rothemund選擇了醛類有機(jī)化合物和吡咯作為原料，以吡啶和甲醇作為有機(jī)溶劑，封于一個(gè)玻璃管內(nèi)進(jìn)行水浴反應(yīng)30min，最先合成出了四苯基卟啉，反應(yīng)液冷卻至室溫后蒸發(fā)掉甲醇，倒入醚中進(jìn)行過濾、洗滌，用乙酸萃取兩次、再用飽和NaHSO3萃取三次，中和反應(yīng)體系后用Willsatter法濃縮得到產(chǎn)物卟吩。Rothemund法反應(yīng)器需要隔絕氧氣，后續(xù)處理麻煩且反應(yīng)收率低。2Alder-Longo法[5]Alder及助手在Rothemund原有的基礎(chǔ)上改進(jìn)以提高卟啉產(chǎn)率。采用苯甲醛與新蒸收集的吡咯于丙酸中回流30min，141℃，等到體系降至室溫后過濾，用少量甲醇、熱水洗滌經(jīng)過濾后的固體，產(chǎn)物為紫藍(lán)色晶體，待真空干燥產(chǎn)物四苯基卟啉測得收率為20%。改變苯甲醛的取代基的種類，適當(dāng)調(diào)整醛與吡咯之間的比例，可以得到不同的對稱或不對稱卟啉化合物。Alder-Longo法是成熟的反應(yīng)路線、操作簡單、產(chǎn)率相對較高。但缺陷在于底物濃度高、反應(yīng)溫度高、反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的焦油狀物質(zhì)增加了產(chǎn)物純化難度，難以從四苯基卟啉中分離副產(chǎn)物四苯基二氫卟啉。3Lindesy法[6]Lindesy結(jié)合前人的研究以吡咯、苯甲醛為原料（圖2-2所示），向體系通N2以保護(hù)，以二氯甲烷作溶劑，催化劑利用BF3-乙醚、三氟乙酸等均可，在室溫下體系直接生成卟啉原，再以DDQ或四氯苯醌作氧化劑，氧化卟啉原至目標(biāo)卟啉化合物，產(chǎn)率提升至30%~40%。多種多樣的原因影響著卟啉的產(chǎn)率，包括溫度、氧化劑、酸性催化劑的選擇、冷凝時(shí)間、酸、吡咯和苯甲醛的濃度乃至溶劑中存在的水。卟啉的生成速率與酸的濃度成正比，較高或較低的酸濃度顯著地改變了反應(yīng)速率，但只導(dǎo)致輕微的改變產(chǎn)率。苯甲醛的濃度和吡咯的濃度對最終產(chǎn)率的起關(guān)鍵性決定作用。Lindesy法由于反應(yīng)過程中溫度低不易產(chǎn)生任何焦油狀的副產(chǎn)物，分離提純目標(biāo)產(chǎn)物時(shí)操作不受影響較容易，產(chǎn)率相對比較高，在溫和的反應(yīng)條件下反應(yīng)物的化學(xué)修飾不受限制，此法適宜制備含敏感基團(tuán)的卟啉。但反應(yīng)也具有一定缺陷：反應(yīng)條件嚴(yán)格即必須無水無氧操作；無法一步得到產(chǎn)物要外加氧化劑：原料昂貴,而且只能在比較稀的溶液(反應(yīng)物濃度小于2.0×10-3mol/L)中進(jìn)行,因?yàn)榉磻?yīng)物濃度增大后收率急劇降低,不利于大量制備。圖2-2Alder-Longo法、Lindesy法4微波合成法除了在溶液中反應(yīng)制取卟啉外，還可向微波誘導(dǎo)的方向發(fā)展，1992年P(guān)etit[7]等創(chuàng)新性地將苯甲醛與吡咯混合然后再覆蓋在無機(jī)載體的硅膠上，利用酸性載體進(jìn)行催化作用，在微波的誘導(dǎo)下首次用此法制得產(chǎn)率9.5%的四苯基卟啉。劉云[8]等用二甲苯作溶劑，硝基苯甲酸催化苯甲醛和吡咯于微波爐中（圖2-3所示）反應(yīng)20min,收率達(dá)到42%。與傳統(tǒng)方法比較，微波法反應(yīng)迅速，污染少,粗產(chǎn)物較易分離純化,有著較大的發(fā)展空間。圖2-3微波合成法示意圖卟啉的應(yīng)用多功能的卟啉類化合物可用于不同的研究領(lǐng)域,與太陽能轉(zhuǎn)化、催化、光譜學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展掛鉤，在此對其部分應(yīng)用做出總結(jié)：1.應(yīng)用于腫瘤診斷和治療方面[9-11]：卟啉的高共軛電子系統(tǒng)使它們在可見光區(qū)，顯示出強(qiáng)烈的吸收。卟啉化合物是一種光敏劑，于特定波長的電磁輻射下會(huì)產(chǎn)生熒光效應(yīng)，利用補(bǔ)光和能量轉(zhuǎn)移這一原理，腫瘤細(xì)胞將在吸收光譜的光波下再現(xiàn)，有效地推斷腫瘤位置、大小與活躍性，從而進(jìn)一步治療。血卟啉衍生物屬于第一代光敏劑，它可以特定地停留在目標(biāo)腫瘤組織內(nèi)。腫瘤組織具有高吸收低新陳代謝的生物特征，因此使用光敏劑時(shí)，會(huì)在其中發(fā)生特異性沉積，再利用特定波長的光線進(jìn)行輻射或者超聲波來激活此化合物，將誘發(fā)腫瘤產(chǎn)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生一種細(xì)胞毒素劑——單線態(tài)氧，從而強(qiáng)有力地抑制或滅殺癌細(xì)胞，此類方法稱為光動(dòng)力學(xué)療法。第二類光敏劑主要有四苯基卟啉及衍生物、酞菁類光敏劑：第三類光敏劑是用糖類修飾卟啉類衍生物，使其分子識別能力更上一層。光動(dòng)力學(xué)療法即光敏療法不會(huì)產(chǎn)生耐藥性，治療費(fèi)用低且不良反應(yīng)小極大的減少了病人的痛苦。首次臨床成功實(shí)驗(yàn)至今只有30多年，光敏技術(shù)發(fā)展完善空間巨大，對皮膚病、癌癥、消化疾病、風(fēng)濕等困然人們多年的慢性疾病有良好的治療效果。光敏技術(shù)治療了超百例動(dòng)物腫瘤，大部分腫瘤被治愈并且六個(gè)月內(nèi)不曾復(fù)發(fā)，如果將某些抗癌藥或者抗體與卟啉類化合物以共價(jià)鍵特異性連接，可以增強(qiáng)其停留在癌細(xì)胞中的濃度，也可減輕抗癌藥物帶來的不良反應(yīng)，具有減毒增效和定位導(dǎo)向優(yōu)越性。卟啉本身的生物相容性、高摩爾吸光系數(shù)、光激發(fā)產(chǎn)生單線態(tài)氧等優(yōu)點(diǎn)成為了光動(dòng)力學(xué)療法的理論基礎(chǔ)和醫(yī)學(xué)界的研究熱點(diǎn)。2.仿酶活性方面的應(yīng)用[12]：酶控制著生物體內(nèi)的的化學(xué)反應(yīng)，每種酶有特異性且生物功能各異，但生物體內(nèi)繁多種類的酶比如血紅蛋白、肌紅蛋白、細(xì)胞色素C等，它們的活性位點(diǎn)均為卟啉。酶具有相同的活性位點(diǎn)但卻具有特異性功能是因?yàn)槲挥阼F卟啉周圍有不同的蛋白環(huán)境。酶的局限性是對熱敏感易失活、種類不足、來源缺乏，很難大規(guī)模開發(fā)利用。對酶的結(jié)構(gòu)分析檢測，選擇在金屬卟啉環(huán)類大環(huán)化合物進(jìn)行修飾，可以模擬出酶催化過程起關(guān)鍵性作用的的生物活性中心。鐵卟啉就是其中一種常見的仿生模擬酶，因?yàn)槠涑霈F(xiàn)于血紅素中，對其進(jìn)行修飾可以模擬細(xì)胞色素中的單加氧酶。卟啉類別的仿生酶優(yōu)秀的催化活性與選擇性促使模擬酶的研究更加熱門。3.卟啉氧還原（ORR）電催化應(yīng)用[13-14]：燃料電池陰極的氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，比陽極上反應(yīng)動(dòng)力學(xué)慢五個(gè)數(shù)量級。通常需要鉑基電催化劑來提高。鉑被認(rèn)為是降低氧還原反應(yīng)活化能最有效的催化劑，但鉑較稀缺、價(jià)格昂貴且耐久性不佳，阻礙了燃料電池的應(yīng)用。為改善這一情況，大環(huán)化合物憑借高共軛平面結(jié)構(gòu)與富氧化還原的性質(zhì)成為鉑基催化劑最理想的替代品。金屬卟啉最吸引人的特點(diǎn)之一是改變配體即可改善催化能力。通過為卟啉類大環(huán)化合物設(shè)計(jì)合適孔徑與大比表面積，增加了可接觸活性位點(diǎn)的密度，高效促進(jìn)了O2快速運(yùn)輸，極大加快了氧還原的動(dòng)力學(xué)進(jìn)程。且普通的膜電極在實(shí)際應(yīng)用中，可能因?yàn)樗蛯?dǎo)致深層的活性位點(diǎn)被隱藏而無法充分利用，將金屬大環(huán)材料設(shè)計(jì)成分級多孔型可以暴露出更多活性位點(diǎn)，促進(jìn)O2傳輸，保證高效利用。現(xiàn)今制造的介孔類卟啉鐵材料具有高導(dǎo)電性、單原子Fe活性位點(diǎn)、獨(dú)特有序的三維多級中孔結(jié)構(gòu)，在氧還原催化進(jìn)程中表現(xiàn)出極高穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐久性，無論在酸性還是堿性介質(zhì)中表現(xiàn)超過幾乎全部非貴金屬催化劑和最精良的鉑基催化劑。另一種通常采用兩種雜化方式構(gòu)成，延展為特殊二維單層骨架的石墨炔，具有優(yōu)秀的電子遷移率，但這類傳統(tǒng)電學(xué)材料與金屬電催化劑相比缺乏高活性位點(diǎn)，因此難以發(fā)揮出其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，并不是高效的電催化劑。利用金屬卟啉修飾石墨炔是改善其催化性能的可行之策。是由于卟啉絡(luò)合金屬離子的能力極強(qiáng)，四個(gè)氮與金屬離子成鍵，這之間的配位結(jié)構(gòu)可以將金屬點(diǎn)位暴露出來，暴露出的不飽和位點(diǎn)被視為理想的電催化活性中心。金屬位點(diǎn)發(fā)生價(jià)態(tài)變化是電催化過程中的關(guān)鍵，卟啉的大環(huán)結(jié)構(gòu)是中心金屬原子價(jià)態(tài)變化的穩(wěn)定環(huán)境。這些優(yōu)點(diǎn)促使卟啉成為構(gòu)建石墨炔的理想單體，金屬卟啉克服了石墨炔活性位點(diǎn)少的不足之處，同時(shí)石墨炔的雜化方式也提供了良好的橋連。橋連形成的平面骨架具有富足的孔徑，極大的拓寬了電催化過程中物質(zhì)傳輸通道。利用金屬卟啉改良的石墨炔電催化劑將在可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中起到巨大作用。4.卟啉類染料敏化太陽能電池[15-17]：太陽能是環(huán)境友好型的可再生能源，對其進(jìn)行合理開發(fā)利用是現(xiàn)今熱門話題。加工無機(jī)太陽能電池的工藝較復(fù)雜，過程苛刻且原材料受限，對比之下，由于生產(chǎn)和制造有機(jī)太陽能電池的成本低且生產(chǎn)工藝簡便，并且它們具有重量輕、可以直接用來制造各種柔性元件的凸顯優(yōu)點(diǎn)，其中目前發(fā)展最為成熟的一類是染料敏化太陽能電池。染料敏化型太陽能電池的主要工作原理是光敏分子吸收光后，進(jìn)行由基態(tài)電子向激發(fā)狀態(tài)的躍遷，接著由于激發(fā)狀態(tài)的電子被直接帶入TiO2半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，空穴則保存在染料分子中，產(chǎn)生高效的電荷分離，導(dǎo)帶電子經(jīng)過導(dǎo)電玻璃流向外電路輸出電流。理想的高性能敏化劑應(yīng)該在整個(gè)太陽光光譜內(nèi)均有強(qiáng)吸收、氧化態(tài)激發(fā)態(tài)高穩(wěn)定性、氧化還原電勢高，當(dāng)接收來自還原態(tài)的電子后可重生，即能在長期光照下發(fā)生循環(huán)反應(yīng)。敏化劑也應(yīng)該直接溶解于與半導(dǎo)體一起共存的溶劑中，以便形成一個(gè)不聚集的單分子層，并覆蓋于TiO2上。因此，使用染料作為光敏劑是由于有機(jī)染料吸收光譜范圍寬，染料的光量子產(chǎn)率高并且激發(fā)態(tài)壽命長，電子在轉(zhuǎn)移過程中能量損失低，同時(shí)具有良好的光熱穩(wěn)定性。在獲取能源時(shí)，大自然選擇了卟啉配合物，如葉綠素、胡蘿卜素——卟啉衍生物，它們是光能轉(zhuǎn)換反應(yīng)中心，收集得到大量太陽能后，卟啉的生色團(tuán)就會(huì)將之有效地轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。因此受光合作用啟發(fā)，卟啉脫穎而出被選擇為太陽能電池光敏染料。在可見光區(qū)、近紅外區(qū)卟啉具有良好的光捕獲特性，有很強(qiáng)的S帶和中等吸收的Q帶，卟啉可以作為全光譜響應(yīng)的敏化劑。利用卟啉制作的固體太陽能電池還有一個(gè)顯著優(yōu)勢，它可以同時(shí)緊密結(jié)合納米TiO2與固體電解質(zhì)，確保了電子傳輸順利進(jìn)行。對卟啉分子進(jìn)行改性，例如將氰基和羧基修飾到卟啉的β位上的π取代基中，能顯著提高敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率，或在meso-位修飾系列羧基吸附基團(tuán)，也可達(dá)到較高的光電轉(zhuǎn)化效率。制作染料敏化電池成本之低、工藝之簡單是其他類別太陽能電池?zé)o法比較的。5.卟啉應(yīng)用于二氧化碳吸附及轉(zhuǎn)化[18-21]:二氧化碳肆意排放造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題，但從資源角度看，二氧化碳是安全豐富的碳資源，因此實(shí)施碳捕獲是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略。通過催化反應(yīng)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可利用資源是解決環(huán)境壓力和能源危機(jī)一舉兩得的方法?；诮饘龠策潴w的多孔材料能夠參與各類催化反應(yīng)，因?yàn)槠涓缓须娮雍突钚越饘僦行模瑑?nèi)部結(jié)構(gòu)的孔道排列井然且大小適中，孔隙率高，增強(qiáng)和二氧化碳分子之間的相互作用，可以吸收大量二氧化碳，電子遷移速度快。卟啉作為金屬-有機(jī)框架這類獨(dú)特的多孔晶態(tài)材料的有機(jī)配體，大幅提升了光敏劑的可見光響應(yīng)能力，提升了光催化活性并且可以抑制活性中心位點(diǎn)的快速失活，這類框架材料的組裝具有無限性、可修飾性，近幾年應(yīng)用于二氧化碳的捕獲與轉(zhuǎn)化上有顯著成效。6.卟啉熒光材料的應(yīng)用[22-24]:有機(jī)熒光物質(zhì)會(huì)在受到光電的激發(fā)時(shí)自動(dòng)釋放出一種稱為熒光的有機(jī)化學(xué)分子，可以制作成熒光涂料、顏料、增白劑，應(yīng)用于塑料、合成洗滌劑、合成纖維、紙張油墨等傳統(tǒng)工藝，還可以設(shè)計(jì)成有機(jī)場效應(yīng)晶體管、熒光標(biāo)記、熒光分子探針等，為人們帶來很多便利。分光光度法靈敏度比熒光分析法低2至3個(gè)數(shù)量級，熒光分析檢測限低，響應(yīng)時(shí)間也優(yōu)于光度法。熒光法近年來發(fā)展迅速，熒光探針依靠待測物與分子識別基團(tuán)發(fā)生特異性結(jié)合，達(dá)到定性定量的檢測，可測量的生物物質(zhì)、有機(jī)物、無機(jī)物、藥物數(shù)目龐大，逐漸成為必須掌握的分析手段。摩爾吸光系數(shù)高的卟啉化合物是理想的熒光物質(zhì)，具有吸收強(qiáng)度高且范圍寬、毒性小、斯托克位移大、熒光量子產(chǎn)率高的特點(diǎn)，可有效減弱背景熒光的干擾。共軛發(fā)展的卟啉熒光甚至可紅移至近紅外區(qū)域，有利于規(guī)避生物組織自發(fā)光影響。卟啉的熒光性能受取代基種類和位置影響，對于四苯基卟啉，修飾給電子取代基將增加熒光強(qiáng)度,、反之，吸電子取代基降低熒光強(qiáng)度，苯環(huán)上鹵素原子的數(shù)量同熒光強(qiáng)度呈反比。當(dāng)卟啉與待測分析物結(jié)合后，熒光強(qiáng)度或波長顯著改變，對檢測生物體內(nèi)分析物十分便利，例如卟啉自由堿的熒光強(qiáng)度大，金屬卟啉熒光強(qiáng)度相對弱，但當(dāng)金屬引入，會(huì)與很多氣體小分子從卟啉平面上下兩個(gè)不同方向跟環(huán)中金屬發(fā)生相互絡(luò)合，將減弱金屬和卟啉間相互作用，卟啉的熒光逐漸恢復(fù)并達(dá)到強(qiáng)值，因此，可以用熒光強(qiáng)度恢復(fù)這一現(xiàn)象來研究、檢測氣體小分子。在傳感分析、熒光成像領(lǐng)域卟啉均是較理想的材料。參考文獻(xiàn)Wang,H.;Ding,H.;Meng,X.;Wang,C.,Two-dimensionalporphyrin-andphthalocyanine-basedcovalentorganicframeworks.ChineseChemicalLetters2016,27(8),1376-1382.Mukhopadhyay,R.D.;Kim,Y.;Koo,J.;Kim,K.,PorphyrinBoxes.Accountsofchemicalresearch2018,51(11),2730-2738.李國寧.多孔有機(jī)聚合物在CO_2吸附及催化轉(zhuǎn)化上的應(yīng)用[D].大連理工大學(xué),2020.郝曉伶,韓士田,劉彥欽.卟啉及金屬卟啉配合物的化學(xué)研究進(jìn)展[J].河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,33(01):85-88.楊建東,王都留.卟啉及金屬卟啉化合物的合成及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,33(04):14-18.王周鋒,鄧文禮.卟啉化合物的合成[J].化學(xué)進(jìn)展,2007(04):520-526.APetit,ALoupy,PhMaillardetal.SyntheticCommunications,1992,22(8):1137.劉云,徐同寬,肖德寶,等.四苯基卟啉的催化合成和微波合成研究[J].北京輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1998,16(4):37-44張紅芬,潘景浩.卟啉及金屬卟啉的應(yīng)用[J].化學(xué)教育,2005(04):3-6+8.汪凌云,曹德榕.卟啉類光敏劑在光動(dòng)力治療中的應(yīng)用研究[J].有機(jī)化學(xué),2012,32(12):2248-2264.李德平，胡靜．血卟啉類化合物診治腫瘤的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]．中國生化藥物雜志，2003,24:162-163．計(jì)亮年,彭小彬,黃錦汪.金屬卟啉配合物模擬某些金屬酶的研究進(jìn)展[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2002(02):10-19.鄭薇,王爽.二維鐵卟啉石墨炔的合成及其氧還原電催化性能的研究[J].現(xiàn)代化工,2021,41(04):185-189.郭佳寧,向中華.金屬大環(huán)化合物基氧還原電催化劑的研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報(bào),2021,72(01):384-397.吳迪,沈珍,薛兆歷,游效曾.卟啉類光敏劑在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用[J].無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào),2007(01):1-14.湯雅蕓,梅群波,徐志杰,凌啟淡.卟啉化合物在有機(jī)染料敏化