卟啉合成實驗的探索與改進

1、卟啉合成實驗的探索與改進基金項目：電子科技大學2013年教學改革項目二類28號；國家自然科學基金(No.1201029) 苑號坤，張冉，方瑞琴作者簡介：苑號坤（1989-），男，碩士研究生，藥物合成與作用機制通信聯(lián)系人：方瑞琴（1980-），女，副教授，藥物合成與作用機制. E-mail: fangrq1.51.51.51.51.5School of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu, 610054;School of Life Scienc

2、e and Technology, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu, 610054;School of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu, 610054電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成都，610054;電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成都，610054;電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成都，610054610054;61005418628305

3、636;15882099010028-83208232子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成都，610054;電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成都，610054yhk1008;zhangran;fangrq苑號坤（1989-），男，碩士研究生，藥物合成與作用機制;方瑞琴（1980-），女，副教授，藥物合成與作用機制苑號坤;張冉;方瑞琴YUAN Haokun;ZHANG Ran;FANG Ruiqin方瑞琴電子科技大學2013年教學改革項目二類28號；國家自然科學基金(No.1201029)1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊

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5、 for functional materials J.Chemical Society Reviews, 2015, 44(4):943-969.<CR>4*|*期刊*|*張彥.卟啉化合物的合成方法綜述J.化學工程與裝備，2010（7）：114-115.<CR>5*|*期刊*|*湯瑩，胡炳成，劉祖亮.卟啉化合物的合成J.廣州化工，2010，38（10）：75-78.<CR>6*|*期刊*|*逯紀濤，林翠花，王林同.meso-四（對硝基苯基）卟啉的合成J.濰坊學院學報.2013，13（4）：61-63.<CR>7*|*期刊*|*張逸，蘇優(yōu)拉，覃麗

6、娟，唐笛，胡清，陸旭芳，吳炎彬，夏晨，駱雪芳，李嘉賓.meso-四(對羥基苯基) 卟啉的合成J.大學化學，2012，27（5）：65-70<CR>8*|*期刊*|*孫二軍，劉陽，宋哲，王彬彬.chr(34)卟啉化合物的合成、表征及性質(zhì)研究chr(34)綜合化學實驗設(shè)計J.長春師范學院學報（自然科學版），2013，32（2）：118-121.<CR>9*|*期刊*|*郭燦城，何興濤，鄒綱要.合成四苯基卟啉及其衍生物的新方法J.有機化學，1991，11（4）：416-419.<CR>10*|*期刊*|*宋建新，郭燦城，朱凌健，孫哲.四(4-羥基-3-苯偶氮基)苯

7、基卟啉的合成、表征及光譜性能J.化學試劑，2004，26（2）：89-90；117.<CR>11*|*期刊*|*胡珍珠，楊水金，陸江林.四苯基外琳衍生物的紫外可見光譜與熒光光譜J.湖北師范學院學報（自然科學版），1994，14（6）：90-95.|1|苑號坤|YUAN Haokun|電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成都，610054|School of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu, 610054|苑號坤（1989-），男，碩

8、士研究生，藥物合成與作用機制|電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成都，610054|610054|yhk100818628305636<CR>|2|張冉|ZHANG Ran|電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成都，610054|School of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu, 610054|zhangran|<CR>*|3|方瑞琴|(zhì)FANG Ruiqin|電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成

9、都，610054|School of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu, 610054|方瑞琴（1980-），女，副教授，藥物合成與作用機制|電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成都，610054|610054|fangrq15882099010卟啉合成實驗的探索與改進|Exploration and Improvement of Synthetic Experiment of Porphyrin|電子科技大學2013

10、年教學改革項目二類28號；國家自然科學基金(No.1201029)（電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，成都，610054）摘要：卟啉化合物是一類特殊的含氮雜環(huán)的大環(huán)共軛芳香體系。天然卟啉化合物具有特殊的生理活性，因此人工模擬天然卟啉一直是人們感興趣的重要課題。在化學實驗教學中，通過卟啉合成實驗使得學生鞏固化合物合成、分離和純化的技能，并熟悉紫外-可見吸收光譜和熒光光譜的檢測方法?；诎踩谝?、減少有機物刺激、簡化操作步驟、增加可操作性的原則，我們對卟啉合成實驗進行了探索與改進，并進行了實驗方案的優(yōu)化。關(guān)鍵詞：有機化學；卟啉合成；分離純化；光譜；實驗教學中圖分類號：G642.1Exploratio

11、n and Improvement of Synthetic Experiment of PorphyrinYUAN Haokun, ZHANG Ran, FANG Ruiqin(School of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu, 610054)Abstract: Porphyrins are kinds of special nitrogen heterocyclic compounds which contains macrocycl

12、ic aromatic conjugation system. Natural porphyrins have particular physiological activities. So artificial simulation of natural has always been an important area. In chemical experiment teaching, Synthetic Experiment of Porphyrin is helpful to students in improvement the experimental skills of synt

13、hesis, separation and purification, and acquaintance the detection methods of the ultraviolet -visible absorption spectrum and fluorescence spectrum. Based on the principles of safety first, reduction irritation of organic substances, simplification of operation steps and increase the maneuverabilit

14、y, the porphyrin synthesis experiment has been explored and improved, and the experimental scheme has been optimized.Key words: Organic Chemistry; Synthesis of Porphyrin; Separation and purification; Spectrum; Experimental Teaching0 引言卟啉（讀音：b lín）porphyrin(s)化合物是一類特殊的含氮雜環(huán)的大環(huán)共軛芳香體系, 其中環(huán)上各原子處于一個平

15、面內(nèi)。其母體化合物為卟吩（porphin，C20H14N4），有取代基的卟吩即稱為卟啉。卟啉環(huán)中含有4個吡咯環(huán)，每2個吡咯環(huán)在2位和5位之間由一個次甲基橋連，次甲基位置也可鍵合4個取代苯基，形成四取代苯基卟啉。 當兩個氮原子上的質(zhì)子電離之后，形成的空腔可以容納Fe、Co、Mg、Cu、Zn等金屬離子而形成金屬配合物，這些配合物在自然界中廣泛存在。如血紅素、細胞色素C、葉綠素a、維生素B12、細胞色素P-450、過氧化氫酶等。由于卟啉化合物獨特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的物理、化學及光學特征，使得卟啉化合物常用于人工模擬光合作用、氣體傳感器、生物模擬氧化反應(yīng)的催化劑、生物大分子探針、光動力學醫(yī)療等領(lǐng)域1-3。1

16、 實驗方案及準備1.1 合成方法目前本科化學實驗通常采用兩種方法合成卟啉4-8。一種方法是Alder法，以吡咯和苯甲醛為原料，在回流的丙酸反應(yīng)60min合成卟啉。另一種方法是郭燦城法9-10，以吡咯和苯甲醛為原料，以DMF為溶劑，在無水AlCl3催化的條件下，經(jīng)一步反應(yīng)合成卟啉。Alder法由于丙酸具有強烈的刺激性氣味且極易泄露，會使學生產(chǎn)生抵觸心理，也極大地影響學生的健康。而郭燦城法沒有使用刺激性的丙酸，保證實驗?zāi)軌蛟诹己铆h(huán)境下進行。因此本實驗選擇郭燦城法進行卟啉合成。1.2 安全防護郭燦城法以DMF為溶劑，其沸點為152.8，需用電熱套進行加熱回流，而反應(yīng)中所需的DMF、苯甲醛、吡咯等有機

17、物易燃，一旦操作不當，就可能發(fā)生火災(zāi)。因此要在實驗前未雨綢繆，一方面事先準備滅火器、滅火沙、厚手套和厚防火服，一旦發(fā)生火災(zāi)可立即處理。另一方面要強調(diào)操作安全和防火注意事項，并且在實驗過程中做好密切防范。另外本實驗中所用試劑具有一定的毒性和刺激性，吸入或接觸均會對人體造成一定毒害，所以需要提前發(fā)放活性炭口罩、橡膠手套等物品，避免有機物與人體進行直接接觸。2 合成步驟優(yōu)化2.1 反應(yīng)裝置的搭建(1) 反應(yīng)容器改進 以往的實驗中常選用三頸燒瓶，但三頸燒瓶底部較寬，與電熱套貼合效果差，加熱效率低，磁力攪拌效果差，容易導致反應(yīng)不徹底。而將三頸燒瓶改為圓底燒瓶，即可有效解決反應(yīng)容器與電熱套的貼合度，提高加

18、熱和磁力攪拌效率，從而使反應(yīng)進行較為徹底。(2) 反應(yīng)裝置改進 以往的實驗需要在回流結(jié)束后改為蒸餾裝置，蒸出圓底燒瓶中的溶劑。而在實際操作中，學生可能在燒瓶未冷卻時就進行改裝，容易打破反應(yīng)容器，進而引發(fā)腐蝕、燙傷甚至火災(zāi)等。經(jīng)驗證，反應(yīng)裝置改為如圖1，由下到上依次為升降臺、電熱套、圓底燒瓶、恒壓滴液漏斗、球形冷凝管、U型干燥管，此裝置避免了回流后進行裝置的改裝，在回流2小時后將滴液漏斗的活塞關(guān)閉，即可進行蒸餾。(3) 磁力攪拌子的選擇 磁力攪拌子并非越大越好，另外其形狀也會影響反應(yīng)效果。本實驗中，無水AlCl3溶于DMF后容易形成固體粘附于容器底部，因此最好選用梭型磁力攪拌子，而不是柱狀磁力攪

19、拌子，攪拌子大小應(yīng)根據(jù)反應(yīng)容器和反應(yīng)液體粘稠度等因素來選擇。圖1 卟啉合成實驗反應(yīng)裝置 2.2 反應(yīng)試劑的取用(1) 無水AlCl3的取用 實驗中所用的無水AlCl3具有強腐蝕性，遇水、DMF會大量放熱。因此要在通風櫥中取用該試劑。通過對比無水AlCl3和DMF的加入順序發(fā)現(xiàn)，先加無水AlCl3會導致DMF暴沸而使DMF汽化，大量DMF氣體充斥于空氣中，易發(fā)生危險。因此應(yīng)該先加入DMF，然后用藥匙緩慢、少量、多次加入無水AlCl3，降低因無水AlCl3遇DMF大量放熱而存在的安全隱患。(2) 吡咯的取用和滴加 首先取4ml DMF于恒壓滴液漏斗中，然后取0.7ml 吡咯溶解于其中，將盛放吡咯溶

20、液的恒壓滴液漏斗如圖1放置。待反應(yīng)液加熱至回流，然后緩慢滴加吡咯與DMF的混合液，5分鐘內(nèi)加完，溶液顏色會由黃色變?yōu)榧t棕色、黑褐色、黑色。這種滴加方式，可以使得每一滴吡咯都處于飽和苯甲醛中，有利于反應(yīng)向正方向進行。3 產(chǎn)物的分離提取根據(jù)文獻所述，產(chǎn)物的分離常選用Al2O3柱層析法。通過具體實驗操作發(fā)現(xiàn)，該方法并未出現(xiàn)明顯的色帶劃分，分離效果不是非常理想，不適于本科實驗教學。而選用薄層層析硅膠板分離提取產(chǎn)物，操作簡單，分離效果較好。（1）硅膠板的制作過程：a. 選擇面積合適的玻璃板（本實驗適宜選擇20*20cm），并將其洗刷干凈，烘干備用；b. 配制硅膠液，至少提前72小時制備5 CMCNa溶液

21、，用5 CMCNa溶液溶解硅膠，用玻璃棒攪拌均勻，將攪拌均勻的硅膠溶液置于超聲儀中30min，除去硅膠液中的氣泡；c. 鋪板，用勺子取適量的硅膠液倒在玻璃板上，涂勻并且輕輕振動玻璃板，使硅膠均勻地鋪在玻璃板上，無明顯波痕；d. 取下涂好薄層的玻板，置于室溫下晾干，后在110烘30分鐘，即放入干燥器中備用；e. 使用前檢查其均勻度。制備的薄層層析硅膠板如圖2。（2）薄層層析硅膠板分離產(chǎn)物：a. 選擇毛細管點樣進行帶狀點樣，距硅膠板底部約1.5cm，用洗耳球吹干；b. 配制展開劑，本實驗中用展開劑為二氯甲烷：石油醚=1.5：1，將點好樣的硅膠板放入盛有展開劑的展缸中，觀察現(xiàn)象，待產(chǎn)物條帶展開到合適

22、的位置時，將硅膠板取出，畫出展開劑最前沿和產(chǎn)物條帶，用于計算Rf值，所得硅膠板薄層層析圖片如圖3。c. 將硅膠板晾干，分別刮下展開的不同條帶，用二氯甲烷溶解、過濾，即得分離后的各組分。 圖2. 薄層層析硅膠板 圖3. 薄層層析硅膠板的分離條帶圖 4 產(chǎn)物及光譜學檢測取分離后的紫紅色條帶溶液，通過紫外-可見光譜確定該組分是否為預期合成的卟啉11。典型的卟啉化合物的紫外-可見吸收光譜包括一個強的Soret吸收帶和若干個弱的Q帶。這是由于電子躍遷造成的，電子從基態(tài)(S0)可以躍遷到兩個最低激發(fā)單重態(tài) ( S1和S2 ) ，電子從S0®S1在可見光區(qū)域產(chǎn)生四個弱的Q帶( 500-700 nm

23、)，S0®S2在近紫外區(qū)( 380-450 nm) 產(chǎn)生強的Soret吸收帶。卟啉的Soret吸收帶出現(xiàn)在420 nm，四個弱的Q 帶分別為515 n m、550 nm、590 nm、645 nm。分離所得的硅膠板最上方的紫紅色條帶其紫外-可見吸收光譜結(jié)果如圖4，與典型的卟啉紫外-可見吸收光譜數(shù)據(jù)相符。采用420nm波長激發(fā)，得到紫紅色組分溶液的熒光發(fā)射光譜如圖5，卟啉的熒光發(fā)射峰為653nm和718nm，與文獻相符。圖4. 紫紅色條帶的紫外-可見吸收光譜 圖5. 紫紅色條帶的熒光發(fā)射光譜經(jīng)紫外-可見吸收和熒光發(fā)射光譜分析，紫紅色條帶確為卟啉，旋蒸得紫色晶體見圖6。圖6. 紫色卟啉晶體產(chǎn)物5 結(jié)論本文從實驗方案及準備、合成步驟、產(chǎn)物的分離提取、產(chǎn)物及光譜學檢測四個方面對卟啉合成經(jīng)典實驗進行了探索與改進，一方面提高了實驗的可操作性和安全性，另一方面提高了產(chǎn)物的分離效率，有利于培養(yǎng)學生的科研興趣和綜合實驗?zāi)芰?。參考文獻 1 Drain C M,Varotto A, Radivojevic I.Self-Organized Porphyrinic Mater