卟啉的应用

背景及概述^[1][2]

卟啉旧称“㗊族化合物”。自然界中广泛存在的一类化合物。具卟啉的基本结构有由四个^*吡咯环通过四个碳原子所构成的一个多杂环共轭体系的基本结构，在四个吡咯环的β-位可以各有不同的取代基，且在㗊环中间的四个氮原子还可通过共价键及配位键与不同金属原子结合。例如，在叶绿素中结合的是镁；血红素中结合的是铁； 维生素B₁₂中结合的则是一类更复杂的分子，㗊环中结合的是钴。

卟啉(Porphyrin)与生命科学密切相关，卟啉化合物广泛存在于自然界的生命体中，对生命活动起着重要作用。叶绿素、血红素、维生素B，等都可以看作是金属卟啉类化合物，它们在生命过程中，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)等起着十分重要的作用。如今，随着卟啉和金属卟啉合成的发展，它们在仿生化学、催化、太阳能利用、特种材料、医学和分析化学等方面有着越来越重要的作用和应用。

结构^[3]

卟啉是在卟吩环上拥有取代基的一类大环化合物的总称，具有特殊的刚性7c电子离域结构。卟啉的卟吩环基本上在一个平面上，因此它的性质比较稳定。卟吩环高度共轭的体系极易受到吡咯环及次甲基的电子效应影响，从而表现为各不相同的电子光谱。在卟啉大环中，四个氮原子构成了一定空间位置和配位能力的环境，可与金属形成稳定的金属卟啉配合物

。如果在卟啉环上改变取代基、调节4个氮原子的给电子能力，引入不同的中心金属离子或者改变不同亲核性的轴向配体，就会使卟啉和金属卟啉具有不同的性质，因而也具有不同的功能。由于卟啉具有特殊的结构和功能，因而被应用在多方面。卟啉及金属卟啉的基本结构见图：

应用

卟啉和金属卟啉化合物的研究对于光合作用、人工开发太阳能、医药、分子电子学和光化学等许多领域都有重要的意义，有着十分广阔的应用前景。

1. 癌症的诊断与治疗

由于卟啉具有特殊的结构，在医药上，它可以为光动力学疗法(PDT)的光敏剂。所谓光动力学疗法，就是利用能够滞留在病变组织(如癌细胞)中的的光敏剂，在光的照射下产生单线态氧，摧毁病变组织。从而起到治疗作用。此外文献报道卟啉还具有抗HIV(爱滋病)的功能。一系列卟啉化合物都能够优先被恶性肿瘤吸收和滞留，其中应用较多的是血卟啉(HP)，它的结构如图：

卟啉化合物可作为有效光敏剂将肿瘤细胞再现于被吸收光谱的光波下，血卟啉衍生物(HPD)具有非常强的荧光效应，且易用一种特殊的维蓝排斥试验来表征，因此，可以用此效应作为组织中恶性肿瘤的诊断工具。

卟啉化合物优先积累于癌细胞上后，能产生有效的细胞毒素剂——单线态氧，从而导致对肿瘤强有力的摧毁。用光敏剂技术治疗300多例动物肿瘤，效果是肯定的，小鼠在接收5 mg HP/kg 24 h后照射1 h，治疗3次，肿瘤大部分被治愈，且在6个月内未复发。但目前就PDT而言，尚未找到一种疗效好、副作用小的光敏剂。还需进一步探索。

2. 卟啉在太阳能电池中的应用

四苯基卟啉(TPP)是结构对称的共轭分子，较为稳定，具有耐酸碱和耐日晒的性质，光牢度达八级。20世纪70年代以来，TPP及其衍生物作为光敏剂在光电电池中越来越受到重视。将一面镀有SnO 薄层的导电玻璃(Nesa玻璃)，在0．15％ 的TPP氯仿或苯的溶液中浸数秒钟，取出后在玻璃表面形成TPP薄层，其厚度为70 nm～80 nm。用溶剂除去没有SnO 薄层的玻璃面上的TPP。把这样得到的透明电极放到盛有Fe¨/Fe¨电解质溶液的透明容器里。

3. 高密度分子存贮器

有研究发明了一种可永久存贮反复显示的高速高密度存贮数据的光电方法。将锌(JB一十二烷基)卟啉制成薄的光电材料，夹在两片氧化铟电极中间，在电场和光脉冲的同时作用下，通过电子陷阱不断显示和消除，达到存贮信息的目的。这种现象称为“光化学烧空现象(光化学蚀孔)”(PHB)。

4. 用作研究生物体内氧化过程的模型

由于卟啉化合物结构的特殊性，其金属配合物所发生的某些特殊生物化学反应，可作为生物体某些反应机理问题研究的模拟模型。这方面最引人注目的是利用它去模拟单加氧酶P-450，血红蛋白和肌红蛋白。在血红蛋白和肌红蛋白中，血红素的中心离子第五位由组氨酸的咪唑基配位，第六位是空位。

蛋白质链上的疏水氨基酸残基构成疏水的“口袋”，既可防止电子从亚铁离子向氧分子的转移，又可防止质子的进入，所以血红蛋白和肌红蛋白至今仍是水溶液介质中的载氧体。人们运用金属卟啉化合物作为模型，首先合成了血红蛋白和肌红蛋白的模型物。并发现这些嵌入的卟啉络合物至少在水存在下也能与分子氧可逆结合。

5. 卟啉与环糊精体系研究与生命科学密切相关

卟啉或金属卟啉与环糊精的包结作用研究在卟啉化学以及人工酶模拟中占有不可低估的地位。环糊精与卟啉的包结作用中，环糊精的作用类似于蛋白质附属物，包结卟啉后，给卟啉提供一个疏水性的环境，阻碍了卟啉进一步形成聚集体，而且像一个分子货车一样，将卟啉运送到适当的细胞环境中去。

卟啉的部分结构单元被包含于环糊精的腔体中，仍然显示了它在自然状态下的性质因此，卟啉与环糊精的包结可作为一类新的人工酶模型。此外，用有机合成的手段将环糊精合成到卟啉分子上，是模拟酶的一个新的模型。

6. 金属卟啉配合物超分子自组装

自然界中的金属卟啉配合物都是与蛋白质或生物膜组装后才发挥其功能的，因此金属卟啉配合物的超分子自组装研究也就成了卟啉仿生化学的热门课题 。在漫长的生物进化过程中，自然界选择了卟啉生色团来捕获太阳能(叶绿素)和运送氧气(血红素蛋白)一定有其深奥的科学道理。

金属卟啉配合物自组装超分子的研究为人们寻找更加有效的仿生卟啉和探索生命系统中卟啉超分子的化学物理机制提供了新的途径。根据对自然界卟啉结构与功能的认识，对其特征进行简化处理来构筑功能超分子组装物理器件是一个很有前途的研究方向。例如，人们已积累了许多关于延长卟啉给体一受体分子光

7. 卟啉及其类似超分子功能的分子识别及分析应用

超分子化学是分子间键的化学，近十多年来得到迅速的发展。卟啉是一类重要的分析试剂，也是超分子化学中研究极为活跃的一类环状化合物。卟啉及其金属配合物、类似物的超分子功能已应用于生物相关物质分析，并展示了更加诱人的景。卟啉及其金属配合物种类繁多，分子具有刚性结构，周边功能的位置和方向可加以控制，且分子有较大表面，其轴向配体周围的空间大小和相互作用的控制余地较大。故作为受体有显著优点，可进行分子大小、形状、功能团和手性异构体的识别。

8. 在保健品、医学和其他方面的应用

如今随着卟啉和金属卟啉研究的不断深入和发展，已有卟啉和金属卟啉化合物作为保健品上市，例如我国自行研制的补血保健品红桃K等就是主要以卟啉铁为成分制备而成的。锌原卟啉(ZPP)是血红蛋白(Hb)合成时形成的一种微量的正常代谢产物。临床上经常用其评价铁的营养状况和辅助诊断铅中毒。但新近研究表明，这可能只是其用途的一部分。

通过与血红素氧化酶(HO)的竞争性抑制作用，ZPP可以调节Hb的分解代谢，影响一氧化碳(CO)和一氧化氮(NO)的代谢，在控制新生儿胆红素(BR)形成，预防高BR血症方面也具有潜在的治疗作用。给新生儿静脉注射非锌的其他金属卟啉化合物可使其迅速分布到全身，数小时后肝、肾、脾的HO即可被抑制，而它从人体循环中能较快被清除。

制备^[1][2]

通常采用两种方法合成卟啉：

1) Alder法，以吡咯和苯甲醛为原料，在回流的丙酸反应60 min合成卟啉。

2) 郭灿城法，以吡咯和苯甲醛为原料，以DMF为溶剂，在无水A1C1 催化的条件下，进一步反应合成卟啉：

主要参考资料

[1] 化学词典

[2] 李超, 张勇, 吴丹, 等. 卟啉类试剂在分析化学中的应用进展[J]. 分析测试技术与仪器, 2010 (2): 65-70.

[3] 张月霞, 杨振华. 卟啉及卟啉衍生物的应用[J]. 广州化学, 2008, 33(3): 50-55.

[4] 张红芬, 潘景浩. 卟啉及金属卟啉的应用[J]. 化学教育, 2005, 26(4): 3-6.

[5] 方瑞琴, 苑号坤, 张冉. 卟啉合成实验的探索与改进[J]. 实验科学与技术, 2017, 15(2): 60-62.