琥珀酸单酯取代双卟啉对手性氨基酸酯的识别毕业论文.docx

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琥珀酸单酯取代双卟啉对手性氨基酸酯的识别毕业论文

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摘要

手性识别在药物化学、生物化学、材料、催化领域都有着普遍的应用，它是超分子化学研究的热点之一。

在本论文中，我们设计合成了琥珀酸单酯取代双卟啉。

我们以这种新型的双卟啉化合物作为识别主体，对不同的手性氨基酸酯进行手性识别，在该识别体系中由于该双卟啉与配体可能存在多种相互作用，使得圆二色光谱信号强度较强，结果显示该双卟啉对7对不同的氨基酸酯有很好的识别能力。

为了进一步研究其特征和性质，我们进行了紫外滴定和圆二色光谱滴定。

通过紫外滴定我们发现该卟啉与氨基酸酯会形成1:

2主客体配合物。

关键词：

卟啉；手性识别；手性氨基酸酯；圆二色光谱

作者：

王泽昆

指导老师：

胡传江教授

Abstract

Chiralrecognitionhasuniversalapplicationinthefieldofmedicinalchemistry,biochemistry,materials,andcatalysis.Itisoneofthehotspotsinthestudyofsupramolecularchemistry.

Inthispaper,wedesignedandsynthesizedsuccinicmonoesterstoreplacebis-porphyrins.Weusethisnovelbis-porphyrincompoundasahostforrecognitionofdifferentchiralaminoacidesters.Inthisrecognitionsystem,duetopossiblemultipleinteractionsbetweenthebisporphyrinandguests,theintensityofthecirculardichroismspectrasignalsarestrong,andtheresultsshowthatthebisporphyrinhasgoodrecognitionabilitytosevenpairsofaminoacidesters.Inordertofurtherstudyitscharacteristicsandproperties,weperformedUVtitrationandcirculardichroismspectraltitration.Theresultssuggestthattheporphyrinandaminoacidesterforma1:

2host-guestcomplex.

Keywords:

porphyrin;chiralrecognition;chiralaminoacidester;circulardichroism

Writer:

Zekunwang

Instructor:

Chuanjianghu

第一章绪论

1.1手性识别的研究背景

手性是指一个物体与其镜像不重合的的术语。

LordKelvin早在1893年就定义：

如果这个物体是手性的那么这个物体就不能与其镜像重合，也就是说这个物体具有手性呈现镜面对称。

如我们的双手，左手通常与互成镜像的右手不重合，彼此为实物和镜像关系，这样的关系在化学中被称为“对应关系”，而具有对应关系的两个物体互为“对映异构体”。

手性是宇宙间的普遍现象之一，大致星系悬臂、大气气旋，小到有机分子、晶体等，都和手性现象有关。

研究手性具有重要的意义，例如：

不对称催化、合成和分离，另外手性对药物科学、生命科学、材料科学等其他科学也具有重要的科学价值和应用价值。

手性识别是由于大自然漫长进化而选择的结果，天然氨基酸都是L-氨基酸、单糖都是D-单糖，前者是蛋白质和酶的主要组成构型，而后者则是RNA或DNA的主要组成构型。

手性对生物体的生理活性有着很大影响，同种化学物质但构象不同有时会起着相反的作用，例如：

D型多巴胺有很强的毒副作用而L型多巴胺却可以可治疗帕金森综合症[1]，这些都表明了手性识别的重要性。

手性识别是生命体系中非常重要的过程，如载体的酶作用、运输作用[2]、基因表达或者抗体作用，另外，手性识别也是超分子化学的基础[3-5]。

氨基类化合物被广泛应用于药物合成，化工合成和染料行业，同时在生物体中，氨基类化合物也扮演着十分重要的角色。

所以制取这些氨基类化合物并进行分离、检测和识别它们，以及对于胺类与生物体的作用机理的研究显得尤为重要[6,7]。

因此对这类化合物研究被研究者们高度重视。

1.2卟啉简介

Kluster在1912年提出了卟啉这个概念，他认为卟啉的结构为四个吡咯键联的大共轭结构，当时人们认为这个结构不稳定，因而没被认可，但是到了1929年Fishert和Zaile等合成了高氯铁卟啉[8]，卟啉的结构才被验证。

卟啉是由四个吡咯类亚甲基的α碳原子通过次甲基桥键联的具有十八个π电子的一类大分子共轭杂环化合物的总称。

卟啉在自然界中广泛的存在于血红蛋白、叶绿素等物质中。

卟啉在化学、生物、医药等学科都具有重要的研究意义，因而被称为“生命过程的燃料”[9]。

卟啉化合物的共同结构为卟吩，卟吩是十八电子共轭体系的平面分子，具有芳香性。

卟吩有两种命名方式（图1-1），分别为IUPAC法（图1-1左）和Fischer法（图1-1右）。

图1-1卟吩的两种命名方式

卟啉及金属卟啉十分稳定，它们都具有较高的熔点，一般都会大于300℃，颜色较深，通常为紫红色的固体粉末或结晶固体因此可被用作染料。

卟啉及金属卟啉多数不溶于水和碱但可以溶于无机酸。

根据它们在水中的溶解性不同，一般可以将卟啉及金属卟啉分为两大类：

水溶性卟啉化合物和非水溶性卟啉化合物。

水溶性卟啉包括四羧基苯基卟啉，四磺酸基苯基卟啉，四吡啶基烷基卟啉等；非水溶性卟啉包括：

四苯基卟啉，四（4-甲基苯基）卟啉等，他们一般不会溶于水，但是会溶于二氯甲烷、氯仿、苯等有机溶剂。

卟啉化合物特别容易与金属离子尤其是过渡金属离子形成稳定的1:

1的金属卟啉配合物，这是由于卟啉的空腔中心与四个氮原子之间的空间距离是204pm，刚好与第一过渡态金属原子和氮原子的共价半径相匹配[10]。

卟啉类化合物大都有良好的电化学活性；卟啉类化合物尤其是金属卟啉容易发生亲电取代反应，例如硝化和磺化等反应。

卟啉化合物在紫外-可见光区有特定的光谱吸收（图1-2），这是因为它们具有刚性共平面的大环共轭体系。

卟啉化合物紫外-可见光谱主要有Soret带和Q带。

根据Gouterman的四轨道理论，a1u→eg和a2u→eg两种跃迁，它们的跃迁之和为卟啉的Soret带，跃迁之差为Q带。

基态（S0）到两个最低激发态S1（又称Q带）和S2（又称）的跃迁构成了卟啉化合物的。

其中Q带波长范围在450到700nm,强度较弱；Soret带波长范围位于400到450nm，强度很大，一般有较强的吸收峰。

图1-2卟啉化合物的紫外吸收光谱

金属配位的卟啉化合物和没有金属配位的卟啉化合物紫外光谱有一定的区别，金属配位的卟啉化合物会发生红移，并且Q带的吸收数目也会减少，这是因为金属与卟啉化合物配位后提高了卟啉环的对称性。

根据这个形状我们可以根据光谱的红移和蓝移来判断卟啉环和卟啉取代基之间是否有相互作用；也可以根据卟啉化合物谱峰的形状和位置来推断是否有卟啉环生成、金属离子是否可以与卟啉环配位。

1.3卟啉体系在手性识别中的研究

卟啉是四个吡咯与四个次甲基桥联起来的一类大环共轭体系的总称，广泛地应用到手性识别、分子开关、分子识别、太阳能电池等方面。

在识别过程中，手性（非手性）客体分子与作为主体分子的非手性（手性）卟啉通过配位、氢键、π-π堆积等相互作用，从而诱导卟啉产生CD信号或者改变CD信号，用来达到识别的目的。

2016年Rath课题组报道了二苯并噻吩键联的的非手性镁双卟啉，用来识别一系列手性醇[11]。

图1-3Rath课题组报道的二苯并噻吩键联的的非手性镁双卟啉

客体分子醇羟基与卟啉环的镁通过配位而结合，当客体分子含量低时会形成1:

1的配合物，随着客体分子含量的升高形成1:

2的配合物，此时两个客体分子间会形成两个氢键。

他们发现，当醇羟基与手性碳直接相连时S构型会诱导卟啉产生正的CD信号；当醇羟基与手性碳通过一个亚甲基相连时S构型会诱导卟啉产生负的CD信号。

2014年Babakborhan课题组报道了联苯二酚键联的非手性双卟啉，用来识别一些列单胺[12]。

图1-4Babakborhan课题组报道的联苯二酚键联的非手性双卟啉

这篇文章最大的亮点在于客体分子通过胺中的氮原子与联苯二酚的两个酚羟基形成两个氢键，卟啉环在这里主要作为发色团。

他们研究发现，当S构型的单胺与主题分子结合时会采取M构型的螺旋方式，从而产生负的CD信号，R构型则相反。

2014年我们课题组报道了间苯二甲酰胺的非手性锌双卟啉，用来识别一系列手性氨基酸酯[13]。

图1-5胡传江课题组合成的间苯二甲酰胺的非手性锌双卟啉

氨基酸酯中的胺基与卟啉环上的锌通过配位作用而结合，同时氨基酸酯的羰基氧与酰胺键中氮上的氢原子形成氢键。

当客体量较少时会形成1:

1三明治构型，随着客体含量的增加，会逐渐形成1:

2的配合物。

2017年Rath课题组报道了联苯二甲酰胺手性锌双卟啉，用来识别不同碳链的非手性双胺[14]。

图1-6Rath课题组报道的联苯二甲酰胺手性锌双卟啉

当碳原子个数为2,3,4,5时，客体与主体会形成1:

1的配合物，随着客体含量的增加则会形成1:

2的配合物，此时产生的CD信号发生翻转；当碳原子个数为6,7,8时，无论客体含量为多少时都只会形成1:

1的配合物，这是由于客体的位阻较大，阻止了客体分子与主体进一步配位。

2017年JianzhuangJiang课题组合成了一种新型的手性锌双卟啉，可以用来识别手性双胺[15]。

图1-7JianzhuangJiang课题组合成的一种新型的手性锌双卟啉

当DACH、PPDA含量较低时，会首先与卟啉形成1:

1的配合物，随着客体含量的增加，会逐渐形成1:

2的配合物，而对于DPEA只会形成1:

1的配合物，根据DFT计算可知这是由于两个苯环位阻较大造成的。

同时他们还发现当卟啉原本的CD符号与手性双胺CD符号相同时，形成的配合物CD会减弱，相反则会增强。

2018年我们课题组合成了一种新型的5位取代的萘甲酰胺锌双卟啉，用来研究手性转移的机理[16]。

图1-8胡传江课题组合成5位取代的萘甲酰胺锌双卟啉结构及与1-萘乙胺CD滴定图

当1-萘乙胺作为手性客体时，随着滴定过程的进行，其CD信号会发生翻转。

这是因为溶液中存在两步配位平衡，当低当量时主客体间形成1:

1的配合物，高当量的时候形成1:

2的配合物，同时通过理论计算表明在形成1:

2的配合物中，第二个配体的萘环与键联基团的萘甲酰胺之间有着较强的位阻。

1.4本论文的研究内容

我们实验室设计并合成了琥珀酸单酯取代双卟啉，并通过金属化使其合成琥珀酸单酯取代锌双卟啉，从而对不同的手性氨基酸酯进行手性识别，在该体系中由于该双卟啉与配体可能存在多种相互作用，故而使得圆二色光谱信号强度较强，实验结果表明该双卟啉对7对不同的氨基酸酯有识别能力。

另外，我们还通过紫外，核磁等一系列手段对其特征和性质进行了表征分析。

琥珀酸单酯取代锌双卟啉的结构如图1-9所示，我们将其作为手性识别的主体，并对一系列手性氨基酸酯进行了识别，通过圆二色光谱和紫外可见光谱研究其手性识别机理。

其中氨基酸酯的结构如图1-10所示。

图1-9琥珀酸单酯取代锌双卟啉结构图

图1-10氨基酸酯的结构图

第二章琥珀酸单酯取代双卟啉的合成

2.1实验和表征

2.1.1试剂和仪器

三乙胺、吡咯使用前要常压蒸馏，新蒸馏出的三乙胺干燥保存，新蒸馏出的吡咯低温避光保存；为二氯甲烷，在无水无氧条件下用氢化钙回流一天，四氢呋喃在无水无氧条件下用钠丝回流直到二甲苯酮变蓝。

1HNMR在常温下由Agilent400MHz型核磁共振仪测得，溶剂为氘代氯仿和氘代DMSO。

圆二色谱使用PMTModeJ815圆二色谱仪得到。

紫外可见光谱则使用ShimadzuUV-3150紫外光谱仪测得。

2.1.24-（2-（甲基丙烯酰）乙氧基）-4-氧桥丁酸（HEMA-COOH）的合成

4-（2-（甲基丙烯酰）乙氧基）-4-氧桥丁酸的制备[17]。

其具体实验步骤如下：

量取6.1mL（0.05mol）甲基丙烯酸-2-羟基乙酯（HEMA）于Schlenk管中，向Schlenk管中加入50mL干燥后的四氢呋喃，在室温通氮气下搅拌15分钟。

然后依次加入6g（0.06mol）丁二酸酐、12mL吡啶、0.49g（0.004）mol二甲基吡啶，于40℃氮气条件下反应24h。

之后冷却到室温，抽干溶剂，得到黄绿色粘稠液体。

用二氯甲烷、0.1M盐酸反复萃取上述粘稠液体三次。

有机相用无水硫酸镁干燥一夜，旋干溶剂即可获得微黄色粘稠液体的产物。

1HNMR（400Hz，CDCl3）：

δ6.06（s,1H）,5.53（s,1H）,4.29（s,4H）,2.60（s,4H）,1.87（s,3H）。

合成图如下：

图2-14-（2-（甲基丙烯酰）乙氧基）-4-氧桥丁酸的合成

2.1.35-（邻氨基苯基）-10,15,20三苯基卟啉的合成

5-（邻氨基苯基）-10,15,20三苯基卟啉的制备。

其具体实验步骤如下：

将邻硝基苯甲醛（33.67g,0.22mol）、苯甲醛（47.2g,0.45mol），冰醋酸1000mL，加入到2.5L的三颈烧瓶中，通冷凝水，加热搅拌至出现回流（140℃）时关闭加热装置，使用常压漏斗，逐滴滴加吡咯（44.62g,0.67mol），待吡咯加入完成后继续加热30分钟左右，温度保持在150℃。

抽滤，用甲醇淋洗至无色，收集固体，红外灯下烤干。

通过400目硅胶色谱柱进一步提纯，用石油醚和二氯甲烷（DCM）3:

1作洗脱剂，收集产物后旋干，得紫红色固体，即为5-（邻硝基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉。

然后对得到的5-（邻硝基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉进行还原，其具体实验流程如下：

将5-（邻硝基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉（3.5g,5.31mmol），氯化亚锡（7.5g,33.2mmol），浓盐酸200毫升加入到2升圆底烧瓶中，先在常温下搅拌45分钟，再加热至65摄氏度搅拌30分钟。

实验过程中发现：

溶液由紫红色变为绿色继而又变为深绿色。

搅拌结束后，停止加热，冷却到室温，然后在冰浴下加入1.5升氨水，中和反应体系中的酸，加入氨水时应注意刚开始加入时逐滴加入，以防止反应过于剧烈，待加入一定量的氨水后可加快加入速度，此时溶液变为棕黄色。

然后用二氯甲烷和去离子水进行萃取，之后通过400目硅胶色谱柱进一步提纯，用石油醚和二氯甲烷（DCM）2:

1至1:

1作洗脱剂，收集产物后旋干，得紫红色固体获得纯的5-（邻氨基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉。

1HNMR（400Hz，CDCl3）：

δ8.87-8.67（m,7H）,8.11（d,J=5.5Hz,6H）,7.79（d,J=7.2Hz,1H）,7.64（d,J=6.9Hz,9H）,7.47（t,J=7.6Hz,1H）,7.06（d,J=7.3Hz,1H）,6.96（d,J=8.0Hz,1H）,3.41（s,2H）,-2.83（s,2H）。

合成图如下：

图2-25-（邻氨基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉的合成流程图

2.1.4N,N-二[5-（邻氨基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉]-5-氨基间苯二酰胺的合成

N,N-二[5-（邻氨基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉]-5-氨基间苯二酰胺的制备。

其具体实验步骤如下：

取5-氨基间苯二甲酸（0.08g，0.42mmol）于100mLSchlenk中，加入二氯亚砜（12mL），温度控制在78到80℃之间，在氮气保护下回流5h，减压抽去二氯亚砜，得到淡黄色固体。

向淡黄色固体中加入40mL除水的二氯甲烷，并向所得的溶液中加入3滴三乙胺，冰浴条件下搅拌十分钟后，在氮气保护下向其中加入5-（邻氨基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉（0.50g,0.79mmol）,冰浴条件搅拌，用TLC点板跟踪取产率最大时，有机相用无水硫酸镁干燥后旋干，得到固体烘干后进行色谱柱分离（200-300目硅胶作为为填充料，二氯甲烷作淋洗剂），收集烘干得到目标产物。

1HNMR（400Hz，DMSO）：

δ8.92（s,2H）,8.74（t,J=22.5Hz,8H）,8.62（s,8H）,8.19（s,2H）,8.13（s,6H）8.04（t,J=9.9Hz,4H）,7.98（d,J=6.9Hz,2H）,7.82（d,J=6.2Hz,6H）,7.77（s,8H）,7.66（s,6H）,7.61-7.55（m,2H）7.52（d,J=7.7Hz,2H）,5.66（s,1H）,5.54（s,2H）,3.90（s,2H）,-3.02（s,4H）。

合成图如下：

图2-3N,N-二[5-（邻氨基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉锌]-5-氨基间苯二酰胺的合成

2.1.5琥珀酸单酯取代锌双卟啉的合成

琥珀酸单酯取代双卟啉的制备。

其具体步骤如下：

先把一个100mL的装有磁力搅拌棒的Schlenk管抽真空，然后充高纯氮气三次；向Schlenk管中加入0.04g的4-（2-（甲基丙烯酰）乙氧基）-4-氧桥丁酸（HEMA-COOH）和5mL的无水二氯甲烷；在向其中滴加0.5ml新蒸馏的二氯亚砜然后加热到40℃，在该温度下回流大约2h；减压抽去二氯亚砜，在真空条件下得到下一步的反应物HEMA-COCl。

冰浴下向Schlenk管中加入5ml干燥的DCM，并滴加3滴TEA（三乙胺），0.05gN,N-二[5-（邻氨基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉]-5-氨基间苯二酰胺，得到双卟啉1。

1HNMR（400Hz，CDCl3）：

δ8.92（d,J=4.6Hz,2H）,8.83（d,J=4.6Hz,2H）,8.63（d,J=4.6Hz,2H）,8.49（d,J=4.6Hz,2H）,8.19-8.05（m,5H）7.88-7.82（m,1H）,7.78（dd,J=14.2Hz,2H）,7.76-7.60（m,8H）,7.49（d,J=5.0Hz,4H）,6.98（s,1H）,5.28（s,1H）5.09（s,1H）,4.91（d,J=22.5Hz,1H）,4.31（s,1H）,3.30（s,1H）,2.31（s,1H）,0.88（d,J=6.9Hz,2H）,-1.10（s,2H）,-2.58（s,2H）。

合成图如下：

图2-4双卟啉A的合成

琥珀酸单酯取代锌双卟啉[Zn2-A]的制备。

将琥珀酸单酯取代双卟啉（0.3g,0.19mmol）溶解到30mL甲醇和100mL二氯甲烷的混合溶液中，搅拌并回流加热；另外配置20mL含二水合乙酸锌（0.20g,0.91mmol）的甲醇溶液，通过恒压漏斗逐滴加入到琥珀酸单酯取代双卟啉溶液中，在加入的过程中，不断地使用TLC板跟踪反应，在目标产物出率最高时停止反应，等回复常温后萃取，旋干并干燥，得到固体通过300目硅胶色谱柱进一步提纯，旋干，得到产物[Zn2-A]。

合成图如下：

compoundA[Zn2-A]

图2-5[Zn2-A]的合成流程图

2.2氢谱分析

图2-64-（2-（甲基丙烯酰）乙氧基）-4-氧桥丁酸1HNMR（400MHz,CDCl3）

图2-75-（邻氨基苯基）-10,15,20三苯基卟啉1HNMR（400MHz,CDCl3）

图2-8N,N-二[5-（邻氨基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉]-5-氨基间苯二酰胺1HNMR（400MHz,DMSO）

图2-9琥珀酸单酯取代双卟啉1HNMR（400MHz,CDCl3）

值得注意的是琥珀酸单酯取代双卟啉的核磁负位氢分为两个位移，一个在-1.12，另一个在-2.56，这可能是琥珀酸链的扭曲使得两个卟啉环的磁环境不同，从而造成负位氢的化学位移不同。

2.3小结

本论文在合成琥珀酸单酯取代双卟啉A的基础上，进一步反应得到琥珀酸单酯取代锌双卟啉（[Zn2-A]），并通过核磁手段确定了该化合物的分子结构及其特征，为进一步研究该卟啉配合物与手性氨基酸酯的相互作用打下了坚实的基础。

第三章琥珀酸单酯取代双卟啉对不同的手性氨基酸酯识别

3.1实验测试方法

配制琥珀酸单酯取代锌双卟啉溶液：

对琥珀酸单酯取代双卟啉用二氯甲烷进行重结晶、抽真空来除去杂质，用以配制浓度为1.5×10-6mol/L的卟啉主体溶液。

配制手性氨基酸酯溶液：

用市售的手性氨基酸与乙醇反应从而获得氨基酸乙酯，然后分别配制浓度数量级10-1mol/L、10-2mol/L、10-3mol/L左右的手性氨基酸酯溶液。

紫外和CD均采用无水二氯甲烷作为溶剂。

测试CD和紫外具体操作方法：

使用1000ul移液枪精确确量取2mL的卟啉主体溶液加入到石英比色皿，然后按照浓度从小到大的顺序将手性氨基酸酯溶液分多次滴加到比色皿中，每次加入的量要定量且微量，并记录好滴加的溶液的量和浓度，仔细观察信号变化，直到信号稳定不再变化为止，停止滴定，此时我们把这种状态称为饱和状态。

测试所用设备及参数设置：

PMTModeJ815圆二色谱仪，温度为295K，波长测试范围为390-460nm，步长1nm，狭缝宽度1nm；ShimadzuUV-3150紫外光谱仪，波长测试范围为350-650nm，速度设置为中速。

3.2结果与讨论

3.2.1琥珀酸单酯取代双卟啉与一系列手性氨基酸酯形成的主客体化合物的圆二色谱研究

我们使用本实验合成的琥珀酸单酯取代锌双卟啉对一系列手性氨基酸酯进行识别，并进行了CD滴定测试，结果如图所示（图3-1至图3-14），由图可知，该锌双卟啉与手性氨基酸酯配位时，手性氨基酸酯诱导卟啉在其Soret带产生了Cotton效应。

该锌双卟啉在与D型手性氨基酸酯的识别过程中，圆二色光谱峰型从长波处到短波处，由正峰逐渐转变为负峰；而对相应的L型手性氨基酸酯的峰型正好相反，其圆二色光谱峰型从长波处到短波处，由负峰逐渐转变为正峰。

表3-1列出了该卟啉主体对不同手性氨基酸酯的识别响应，从表3-1可以明显看出，phe-oet、leu-oet、phg-oet三种手性氨基酸酯的CD信号在这七种中较强，trp-oet、thr-oet、ala-oet、val-oet这四种手性氨基酸酯的信号强度较弱。

这是因为苯丙氨基酸酯、苯酐氨基酸酯、亮氨基酸酯的取代基位阻较大，在与卟啉结合时作用力较强的缘故，尤其对于苯丙氨基酸酯与苯酐氨基酸酯来说，它们与卟啉之间可能存在π-π相互作用。

根据文献，我们对琥珀酸单酯取代锌双卟啉与手性氨基酸酯识别机理做出如下推测，[Zn2-1]卟啉环中的锌与手性氨基酸酯的胺基进行配位，同时键联基团酰胺键上的氮与氨基酸酯的羰基氧形成氢键。

由于胺基酸酯与卟啉间有较多的相互作用，故CD信号相比于一般的单齿