四苯基卟啉及其衍生物的合成

四苯基卟 其衍生物的合成 ． j堑堑 蔓咂 刘轻轻 (i【l西大学化学系 山西，太原，030006) ／ 厂 一 I· Study on the Synthesis of Tetraphenylporphyrin and it's Derivatives PAN Ji-Gang HE Ming-Wei‘ LIU Qing—Qing (Chemist),Department，Shanxi University．030006 Tao,'uan，Shah ) Abstract： Title compounds 1～ 4 have been prepared by the acid camlyst cyclic condensation of pyrrole with benzaldehydes in good yields in organic solvents。 The experimental results show that the pK．of acid， the boiling point and Er(30)of solvent are useful parameters in the choice of the acid and solvent． Key Words~ Porphyrin(P)， synthesis， solvent acid 卧啉类化台物在仿生化学中可以作为模拟 对绿素、血红素、维生素 B ，等天然产物的模 型化合物母体，其有关研究 日益增多，颇为人 们所重视。1964年，Adler就提出了合成四苯 基卟啉 (简称 TppH，) 的反应机理lJ ；直到 1967年他 提出的方法才基本上解决 了此类化 合物的合成问题(产率 20％左右)，至今一直被 人们采用。 1987年，Lindsey等人 提出了一 种产率较高的合成方法，但反应步骤多 条件 — l_+ ＼ ／ H 1： X =H 3= X =，--C1 × 苛刻，难以进行大规模合成 最近，郭灿城等 人 又报道 了一种新方法，使四苯基卟啉及其 一衍生物的收率达 3O％：是合成 卟啉类化合物 的一大进步，但仍需在无水条件下进行反应， 且后处理较复杂。为此，我们对四苯基卟啉及 其衍生物的合成进行了大量研究，探讨了在近 三十种常用的有机溶剂中，选用三十五种常见 的有机酸、无机酸催化毗咯和苯甲醛 (取代苯 甲醛)缩合 2： X =p-OCH 4- X =埘—Cl 1992年 8月 17日收到， 1992年 l2月 12日修回 山西省 自然科学基金， 山西省归国^员基金， 山西省科委资助课题 X 啉 报 张 啉 一 龙 哗一 剐 拌 维普资讯 http://www.cqvip.com 534 l993年 结果发现：在氯苯、二甲苯、苯 甲醚、硝基苯 等溶剂中，用闯硝基苯甲酸 乳酸、氯 乙酸等 强度合适的酸作催化剂，呲咯与相应的取代苯 甲醛在 回流状态下缩合得到 目标化合物 l～ 4，最高产率为加～55％ 结果与讨论 在苯甲醚等溶剂中用不同的酸催化反应所 得目标化合物的产率如表 1所示。 、 表 1 卟啉化台翱的台成产率 Tab 1 Yields of porphyrins Compound ～ Yie1d( m Anisol~ Chlorobenzene Xylene Nitrobenzene Acld(p — ＼ 二=== Chloroacetic acid f2 86l 33～ 37 30～35 40～43 42～ 45 1 Lactic acid f3 08) 38～43 29～34 35～38 34～37 m-Nitrobenzoic acid(3 47) 42--46 36～40 45～ 52 44-- 50 ● Chioroacetic acid 42～ 46 42-- 45 43～ 47 20～ 23 2 Lactic acid 34～ 37 d7～ 50 34～ 37 42～ 45 ， 一Nitrobenzoic acid 48-- 53 44～ 48 5l～ 55 42～ 45 C hloroacetic acid 52～ 55 34～ 37 40-- 43 46～ 50 3 Lactic acid 22～ 25 42-- 45 28～ 33 40～ 43 Ⅲ一Nitroben2oic acid 35～ 40 32～ 34 41～ 44 38～ 43 Chloroacetic acid 36～ 42 32～ 35 38～ 42 37～ 40 4 Lactic acid 26～ 29 26— 30 32～ 36 2O～ 23 ，’ N Jtrobenzoic acid 2l～ 25 40-- 42 20～ 23 28～ 32 ‘ refluxing； 2～3lL Acller方法是在丙酸介质中， 回流温度下 吡咯和苯甲醛直接缩合形成产物 TPPH，；丙 酸既是反应的溶剂，又是催化剂。因此耍提高 目标化合物的产率，必须选择合适的反应介质 和作为催化剂的酸。 酸对反应的影响 从文献_1 J报道的反应机理可以看出，H 的存在对反应至关重要，大量的实验事实也证 明无 酸催化 时吡咯与 苯 甲醛难 以缩 合生成 TppH 因此，本工作探讨 了脂肪酸、取代苯 甲酸、磷酸等三十五种酸在二甲苯中对 TppH， 合成产率的影响。实验结果表 明：若以酸在水 中的 p砰 表示酸的强度，TppH2的合成产率 与催化剂(酸)的 p 之间存在着图 1的关系。 p 在 2 0～4．0范围的酸作为催化剂，TppH2 的合成产率都比较高。而 在此范围之外的酸， TppH，产率 比较低。其主要原因是酸性较 强 的催化剂易使吡咯质子化，生成吡咯的直链聚 合物 j，不利于形成目标化合物，而得到黑色 聚合物；酸性较弱的催化剂，催化能力弱，反 应速度较慢，导致产率低或得不到产品。 反应在非水介质中进行，不同的酸在不同 的溶剂中强度可能发生变化，但在本实验条件 下，在 同溶剂中，TppH2的合成产率与 p 之间都存在着类似于图 l的相互关系，只是最 维普资讯 http://www.cqvip.com 5期 四荤基口h咻及其衍生物的合成 535 佳 p 范 围发生 变化 如苯 甲醚最 佳 p 范 围 为 2- 5、 氯苯 2～4、 硝 基苯 2～ 5 氯 乙 酸 、 乳 酸 、 问 硝 基 苯 甲酸 的 pK 分 别 为 2 86．3．O8、3 47，用它们作催化剂，‘、目标化台 物产率较高 (见表 1) ． 图1 在二甲苯溶剂中，酸对TppH2合 成产率的影响 Fig．1 Effect ofacid on yield ofTppH： The quantities of the reactants：PhCHO． 0．0ImL；Pyrrole．O．0lmol；Xylene． 20tool； Acid， 0 005mol， The reaction time is 2～ 3h； rEfluxing 30 40 50 60 E (3O)Kca 1，功0l 溶剂对反应的影响 同一种酸在不同溶剂中的催化效果是不相 同的 以间硝基苯甲酸为例，用其在不同溶剂 中催化合成 TppH，，实验结果表 明：在二甲 苯、甲苯、氯苯、硝基苯、苯甲醚等溶剂中， TppH，的产率较高，一般达 30～50％；而在 环已烷、氯仿、石油醚、脂肪醇、丙酮、乙酸 酐、乙酸乙酯、毗啶等溶剂中， 回流温度下反 应 2～3h， 几乎没有 得到产 品。基 于这些实验 结果分析发现：TppH，的合成产率不仅与反 应温度 (溶剂沸点)有关，而且与溶剂的极性 密切相关 因此，选定溶剂的沸点及其极性标 度 ET(30)kcal／mol 』作为参数，以沸点对 ET (30)作 图(图 2)， 归纳 p =2～4的酸催化 TppH，合成产率的实验结果，可以得到一条 直 线 (b．P．) =7．85ET(30)一163 5， 将 图 2分为 A、B两区域。分布于区域 A 的溶剂 (羧酸除外)。不适于作为合成 目标化合物的溶 剂；分布于 区域 B中的溶剂，选用它们作为 反应介质，TppH2产率都较高；此结论亦适 用于合成 2～4时的溶剂选择。二 甲苯、苯甲 醚、氯苯、硝基苯均分布于区域 B中，在这 些溶剂中， 目标化舍物的产率见表 l。 l M ethano1 2 2-propanol 3 J． 2一Dichloroethane 4 Acetone 5 ChlorOform 6 Ethyl acEtatE 7．Acetic anhydride 8 pyridine 9 Benzene 10．Cyclohexanol Il DM F 12 Cyclohexanone 13 1． 4一Dioxane l4 Cyclohexane 15 DM SO l6．C111orobenzene l7 Toluene 18 Nitrober比ene l9 Anisole 20．Xylene 21 AcetophenOBE 图2 溶剂沸点 )与r~3o)之间关系 Fig．2 The correlation of b．P．(℃)with Ex(30)(Kcal／mo1)of solvent 苯 乙酮 分布在 区域 B 中， 但 以其 为溶 为溶剂本身含有 C— O基团，也能接受 H ， 剂，乳酸为催化剂，1的产率仅 为 20--25％； 与 目标化合物形成竞争所致。因此选择在区域 2的产率 为。18--2O％：产率低的原因可能是因 B中的溶剂作为反应介质时，也应考虑溶剂本 维普资讯 http://www.cqvip.com 536 有 机 化 学 1993年 身的性质 综上所述，本工作为上述 目标化台物的合 成提供了一个较实用、高产率的方法 实 验 意大利 Carlo Erba公司 l106型元素分析 仪。美国 PE岱司 Lambda2型 紫外可见光谱 仪。 美国 Varian公司 FT=80A型核磁共振 仪。 毗咯、对氯苯 甲醛、 问氯苯 甲醛 (德国 Fluka公司) 对甲氧基 苯甲醛、苯 甲醛 (分 析纯)，其它试剂为化学纯或分析纯 所有试 剂用前不需处理。 。 四苯基卟啉(1)的合成 、 在装有 回流冷凝管和搅拌装置 的反应瓶 中，加入 2 25mL有机溶剂和 5× 10 tool 酸，加热回流，搅拌下，加入 l×10 tool吡 咯和 l×l旷 苯 甲醛，反应持续 2～3h 然后 加入一定量的甲醇或乙醇静置过夜．抽滤，得 紫色晶 体。(母液经处理， 可回收一定量产 品)，粗产品用二甲苯、二氟 甲烷、甲醇、乙 醇等 混合溶 剂重结 晶。C“H30N4，计算值： C，85 97；H，4．92； N，9．I1。 实测 值： C， 86．15； H，4．89； N， 8．91。 CH2Cl2)： 4l 6．8． 484．0， 5l4 4， 548 8， 5 8 9．6， 645．6rim H(CDC1{)： -2．71(2H， N～ H， 环 内 H)， 7．68～ 8、26(20H， 苯 环 H)， 8．84 (8H，吡咯环上 H)ppm。 对照实验：在上述相同的反应条件下，反 应体系中加入 l×10-2mol或少量水，对 1的 合成产率没有明显的影响 四I对甲氧基)苯基卟啭I2)的台成 ． 方 法 同上 C 4}}H如N4O4，计 算 值 ： C， 78．45：H．5．2l；N．7．62 实测值：C．78．55： H，5 l6： N， 7．7O。 x(CH2CI2)： 42 1．6 488．8， 5 18．4， 555 2， 594．4．650．4nm。 iH (CDCl )：-2．7 l(2H，N——H环 内 H)，7．26～ 8．4Or16H， 苯 环 H)， 8．87(8H， 吡 咯 环 上 H)，4．12(12H，甲氧基 H)ppm。 四(对氯)苯基卟啉(3)的台成。 方 法 同上 。C44H26N4Cl4， 计算 值： C， 70．23；H，3．48；N，7．44。实测值：C，70．15： H，3．64；N，7．16 -H(CDCI )：-2．71(2H N—H．环 内 H)．7 56～8．20(16H，苯环 H)， 8 85(8H，吡咯环上 H)ppm。 四(阃氯)苯基卟啉I4)的合成 方法 同上。C“Hz6N4C14, 计 算 值： C一 7O．23；H．3．48：N．7．44 实测值：C．70．26： H，3．52；N7．25．Zm x(CH2Clz)；417．6．482．4． 5 13．6，547．2．588．0， 644．0rim．6-H(CDCI )： - 2．80(2H．N—H 环 内 H)， 7．60～8．45(16H．苯 环 H)，8．85(8H．吡咯环上 H)ppm。 美键词：卟啉、合成、溶剂、酸 元素分析、 H NMR由中科院山西煤炭 化学研究所有关实验室测试，特此致谢。 参 考 文 献 I1】Adler．A．D ．Longo，F R．．Shergalis．W．、J Am Chem Soe．1964．86, 3145 [2 1 Adler．A．D．．Longo．F．R．，Finarelli，J．D ． Goldmacher． J．Assour．J Korsakoft．L． Org．Chem．．1967， 32， 476 【3]Lindsey,J S．，Schre]man、I C ．Hsu．H C． Kearney．P C ．M arguerettaz,A M 、 0rg． Chem ，1987，52．827 【4 1郭灿娥、何兴涛、邹纲要 有机化学 1991． ， ． 416 [5 1 Carey．F A．． Orgaak Cheinisto： Mc．Graw- Hill Book Company,New York、1987，p-744 【6]Finar、I．L、“Orga,ic Chemistry Vol I，Sixth E；,tn， Longman,Londo~ 1973，p．838 [71 Reichardt，C． SolveotEffectsInot。gulricChem- istry Verkag Chemie、Weiheim、New York f979， P．242 维普资讯 http://www.cqvip.com