雷春欣，周鵬程，唐艷柳，譚兵斌，張展，吳臘梅

（中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，武漢 430074）

德州卟啉（texaphyrin）是SESSLER課題組1987年首次報(bào)道的一種擴(kuò)展卟啉［1-3］（如圖1），是一個(gè)具有22-п電子的芳香性大環(huán)化合物，因?yàn)樵摥h(huán)的結(jié)構(gòu)與德克薩斯州的五角星旗形狀類似，故而這個(gè)大環(huán)被冠名為德州卟啉［4］.由于其結(jié)構(gòu)與卟啉［5-6］類似，且共軛體系比18-п電子的卟啉更大，吸收波長也比卟啉更長，可達(dá)730 nm左右.而730 nm的長波能有效地穿透人體組織到達(dá)病變部位［7］，非常適合病變組織的光動治療，故而具有長波吸收的德州卟啉可作為腫瘤光動療法的光敏劑.目前，該方面的研究已比較深入［8-9］，例如lutrin就是德州卟啉絡(luò)合了金屬Lu3+的光敏劑藥物，這類光敏劑藥物對子宮癌、直腸癌都顯示了良好的療效［10-12］.與卟啉相比，德州卟啉具有更大的環(huán)狀空腔，可以和體積較大的金屬離子如鑭系金屬離子高效絡(luò)合，這就為德州卟啉在生物成像方面的應(yīng)用提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ).事實(shí)上，德州卟啉的釓（III）配合物對于腦部腫瘤具有優(yōu)良的顯影效果，已在臨床研究中用于腦部腫瘤的MRI（磁共振成像）造影劑［9，13］.無論作為光敏劑還是造影劑，德州卟啉都顯示出良好的腫瘤選擇性，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)與天然的卟啉（如血紅素）具有非常相似的結(jié)構(gòu)，因而也具有相似的生理效應(yīng).利用德州卟啉良好的腫瘤選擇性，SESSLER課題組近年把德州卟啉發(fā)展為順鉑類抗癌藥物的靶向載體工具，從而較大提高了毒副作用較大的順鉑類抗癌藥物的選擇性，在降低這類藥物對正常組織的毒性的同時(shí)也提高了選擇性殺死癌細(xì)胞的效率［14-15］.

圖1 德州卟啉與咔唑德州卟啉Fig.1 Texaphyrin and carbozoletexaphyrin

雖然有關(guān)德州卟啉的研究和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但是這些研究都是基于原有的德州卟啉結(jié)構(gòu)，到目前為止少有關(guān)于德州卟啉骨架結(jié)構(gòu)改造或德州卟啉衍生物的研究報(bào)道.為此，本文進(jìn)行了擴(kuò)展德州卟啉共軛結(jié)構(gòu)的嘗試，設(shè)計(jì)了如圖2所示的咔唑德州卟啉5的合成，即引入兩個(gè)苯環(huán)單元并環(huán)在吡咯上（即咔唑單元）以擴(kuò)展德州卟啉的共軛結(jié)構(gòu)或改變其共軛路徑，而不改變德州卟啉的希夫堿結(jié)構(gòu).具體合成及結(jié)構(gòu)表征如下.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品、試劑和儀器

所有反應(yīng)均在惰性氣體氬氣保護(hù)下進(jìn)行；紫外-可見光吸收光譜采用Varian Cary 5000紫外分光光度計(jì)；核磁共振采用Bruker AV400或AV600；X-ray單晶衍射用的是Brucker D8.

1.2 中間產(chǎn)物及目標(biāo)化合物的合成

所有化合物的合成路線及反應(yīng)條件均如圖2所示.

1.2.1 化合物1的合成

據(jù)文獻(xiàn)方法合成化合物1，所得氫譜與文獻(xiàn)一致［16］.在氬氣保護(hù)下，于250mL圓底燒瓶中用100 mL乙酸溶解0.81 g 3，6-二叔丁基咔唑，再往其中加入0.92 g液溴，升溫至90℃反應(yīng)3.5 h.反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)混合液稍冷卻后減壓旋蒸去掉大部分液體，冷卻抽濾并水洗濾餅至濾液中性，干燥濾餅得到化合物1的白色固體1.20 g，產(chǎn)率95%.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ8.14（s，1H），7.98（s，2H），7.64（s，2H），1.44（s，18H）.

1.2.2 化合物2的合成

在100 mL圓底燒瓶中依次加入217 mg化合物1與385.2 mg吡咯甲酸酯的硼酸酯（如圖2），50 mg四（三苯基膦）鈀，然后加入混合溶劑：25 mL甲苯、12 mL乙醇和2.5 mL濃度為2 mol?L-1的K2CO3水溶液.升溫至90℃后反應(yīng)24 h.反應(yīng)結(jié)束，分液出有機(jī)層，然后用水洗有機(jī)層.濃縮后通過柱層析法分離得到247.8 mg棕色固體化合物2，產(chǎn)率為75%.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ8.95（s，2H），8.12（s，2H），7.99（s，1H），7.46（s，2H），4.32（d，J=7.1 Hz，4H），2.83（d，J=7.4 Hz，4H），2.50（d，J=7.5 Hz，4H），1.62（s，6H），1.47（s，18H），1.35（t，J=7.1 Hz，6H），1.02（t，J=7.5 Hz，6H）.13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ161.4，143.1，136.5，134.3，130.0，125.1，124.8，123.9，118.9，116.6，115.4，60.0，34.9，32.1，18.6，17.7，16.3，15.8，14.6.

圖2 咔唑德州卟啉的合成路線Fig.2 Synthesis of carbozole texaphyrin

1.2.3 化合物3的合成

665 mg化合物2與200 mg固體氫氧化鈉加入到25 mL的圓底燒瓶中，加入10 mL乙二醇作溶劑.升溫至180℃后反應(yīng)2 h，結(jié)束反應(yīng)并冷卻反應(yīng)液至室溫然后倒入冰水中，立刻有固體析出，抽濾得468.9 mg棕色固體即化合物3，產(chǎn)率90%.1H NMR（400 MHz，CDCl3）δ8.05（d，J=1.6 Hz，3H），7.86（s，2H），7.44（d，J=1.6 Hz，2H），6.54（s，2H），3.73（s，1H），2.58～2.43（m，8H），1.47（s，18H），1.11（t，J=7.5 Hz，12H）.13C NMR（100 MHz，CDCl3）δ142.7，136.2，129.2，128.4，126.2，124.6，123.9，122.4，115.3，34.9，32.1，18.4，18.0，16.1，14.1.

1.2.4 化合物4的合成

向100 mL圓底燒瓶中加入50 mL二氯乙烷，1 mL DMF，613.3 mg POCl3，室溫下攪拌10 min.將反應(yīng)體系冰浴冷卻至0℃，并在冰浴下緩慢滴加由521 mg的化合物3與5 mL二氯乙烷配成的溶液，滴加完成后將反應(yīng)溫度升高至80℃繼續(xù)反應(yīng)5 h.然后冷卻至0℃，緩慢加入30 mL K2CO3溶液（138.2 mg），之后再升溫至80℃反應(yīng)2 h.待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)混合液減壓蒸餾，濃縮液用二氯甲烷萃取三次，合并有機(jī)相并用水洗兩次.濃縮后通過柱層析分離產(chǎn)物，得到536.5 mg黑色固體化合物4，產(chǎn)率為93%.1H NMR（600 MHz，CDCl3）δ9.69（s，2H），9.52（s，2H），8.63（s，1H），8.15（d，J=1.5 Hz，2H），7.52（d，J=1.7 Hz，2H），2.79（d，J=7.6 Hz，4H），2.58（d，J=7.5 Hz，4H），1.48（s，18H），1.28（t，J=7.6 Hz，6H），1.09（t，J=7.5 Hz，6H）.13C NMR（151 MHz，CDCl3）δ142.6，136.1，128.7，125.2，124.7，124.1，116.7，114.6，34.8，31.9，17.5，15.9.

1.2.5 化合物5（咔唑德州卟啉）的合成

將115.4 mg化合物4與24.76 mg鄰苯二胺加入到250 mL的燒瓶中，用100 mL甲苯與50 mL甲醇作混合溶劑，室溫?cái)嚢柘戮徛渭?.05 mL乙酸乙酯的氯化氫飽和溶液，滴加完畢后，升溫至80℃，回流反應(yīng)12 h.然后將反應(yīng)液減壓濃縮得到固體，并在甲醇與二氯甲烷體系中重結(jié)晶，得到105.1 mg淡黃色粉末狀化合物5，產(chǎn)率為81%.1H NMR（400 MHz，CD2Cl2）δ9.48（s，1H），8.17（s，2H），8.13（d，J=1.6 Hz，2H），7.71（d，J=1.6，2H），7.25～7.19（m，4H），6.00（s，2H），2.80～2.72（m，8H），1.54（s，18H），1.32～1.26（m，12H）.13C NMR（100 MHz，CD2Cl2）δ143.2，142.9，142.5，136.9，136.0，135.7，129.1，126.1，125.5，124.2，123.6，116.1，116.0，115.7，34.7，31.7，17.8，17.3，17.2，15.7.

1.3 晶體結(jié)構(gòu)的檢測

用甲醇、乙醇、THF、二氯甲烷、乙腈、氯仿、石油醚、正己烷等體系培養(yǎng)化合物5的單晶，最終在二氯甲烷-甲醇體系中通過慢速揮發(fā)法得到了無色針狀化合物5的單晶.將化合物5的單晶置于X-射線單晶衍射儀上，于150（2）K，采用石墨單色化Mo Kα射線（λ=0.071 073 nm）為衍射光源，晶體結(jié)構(gòu)用直接法解得，具體晶體參數(shù)見表1.

表1 化合物5的晶體參數(shù)Tab.1 Crystallographic data for compound 5

2 結(jié)果與討論

2.1 咔唑德州卟啉的合成

以商品化的3，6-二叔丁基咔唑?yàn)樵?，與N-溴代琥珀酰亞胺（NBS）或液溴在乙酸中90℃反應(yīng)2 h都可生成目標(biāo)化合物1，使用液溴與3，6-二叔丁基咔唑反應(yīng)副產(chǎn)物較少、產(chǎn)率更高，反應(yīng)的后處理也較為簡單，雜質(zhì)通過水洗即可除去，剩下的白色固體便是化合物1.故最終采用液溴進(jìn)行溴化的反應(yīng)方案.

Suzuki偶聯(lián)合成化合物2的反應(yīng)是整個(gè)合成路線中較為關(guān)鍵的一步，本文對該步反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化.平行實(shí)驗(yàn)表明：對于鈀催化劑，雙三苯基膦二氯化鈀或二氯化鈀/三苯基膦的催化效果都不夠理想，只有四（三苯基膦）鈀才能較好地催化該偶聯(lián)反應(yīng).對于溶劑的篩選，發(fā)現(xiàn)以甲苯作為溶劑以乙醇作為助溶劑，反應(yīng)的效果較好.在優(yōu)化的催化劑和溶劑體條件下，原料化合物1基本可以反應(yīng)完全，目標(biāo)化合物2的產(chǎn)率可達(dá)到75%.在分離純化目標(biāo)產(chǎn)物時(shí)，通過柱層析分離得到了一種由兩分子原料化合物1自耦連形成的副產(chǎn)物，如圖3所示.

圖3 化合物2及耦連產(chǎn)物的合成路線Fig.3 Synthesis of compound 2 and the bi-carbozole

化合物3可由化合物2在強(qiáng)堿高溫條件下水解脫羧得到.由于化合物3的吡咯單元α位沒有取代基，化學(xué)性質(zhì)十分活潑，很容易被氧化.所以該脫羧反應(yīng)要在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，而且在升溫至180℃后約2 h就要結(jié)束反應(yīng)，否則反應(yīng)時(shí)間過長會導(dǎo)致產(chǎn)物變質(zhì).化合物3不宜在溶液中保存過久，但在固體狀態(tài)可以長期存放.

關(guān)鍵前體化合物4則可通過Vilsmeier-Haack反應(yīng)由化合物3制備.進(jìn)行Vilsmeier-Haack反應(yīng)時(shí)，先向反應(yīng)液中加入POCl3使其與DMF（N，N-二甲基甲酰胺）形成活性中間體，在此反應(yīng)階段會放出大量熱量，因此需要在低溫下緩慢將POCl3加入到反應(yīng)液中，待DMF與POCl3反應(yīng)生成活性中間體之后，再與化合物3反應(yīng)，最后加入堿水解得到目標(biāo)產(chǎn)物.由于POCl3極易發(fā)生水解，生成磷酸與鹽酸，因此在反應(yīng)體系中應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行除水并用惰性氣體保護(hù).引入醛基之后，化合物4相較于化合物3穩(wěn)定性大大增強(qiáng).

得到關(guān)鍵前體化合物4之后，本文探索了其與鄰苯二胺縮合制備咔唑德州卟啉的反應(yīng).分別嘗試了用HNO3、TFA、HCl、FeCl3等無機(jī)酸或路易斯酸作為催化劑，通過TLC監(jiān)測反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)只有在使用HCl作為催化劑時(shí)，反應(yīng)初期有小極性的黃色產(chǎn)物點(diǎn)出現(xiàn)，推測其很有可能是目標(biāo)產(chǎn)物.然而，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，TLC監(jiān)測到黃色點(diǎn)又逐漸消失，可能是由于咔唑德州卟啉是構(gòu)建在可逆共價(jià)鍵基礎(chǔ)上的，在酸性條件下，亞胺鍵很容易水解造成咔唑德州卟啉的解構(gòu).為了盡量避免新生成的咔唑德州卟啉水解解構(gòu)，使用溶解在乙酸乙酯中的氯化氫代替鹽酸作催化劑，最終成功合成了咔唑德州卟啉.所得粗產(chǎn)物可用無水二氯甲烷與甲醇進(jìn)行重結(jié)晶純化，從而得到咔唑德州卟啉5.

2.2 咔唑德州卟啉5的結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 核磁氫譜圖

化合物5的核磁氫譜共有9組峰，其中化學(xué)位移為1.29左右的多重信號峰對應(yīng)吡咯β位相連的多個(gè)乙基的甲基—CH3上的氫；化學(xué)位移為2.76的多重信號峰則對應(yīng)于這些多個(gè)乙基的亞甲基—CH2—上的氫，出現(xiàn)在1.54的單峰對應(yīng)咔唑環(huán)上的叔丁基上甲基的氫；7.22左右的多重信號峰對應(yīng)苯環(huán)上的4個(gè)氫；而7.72與8.13處的兩組峰相互遠(yuǎn)程耦合，對應(yīng)咔唑環(huán)上4個(gè)氫；化學(xué)位移為8.17的單峰對應(yīng)兩個(gè)亞胺鍵的2個(gè)氫；6.00處的小包峰為活潑氫的信號峰，它們對應(yīng)兩個(gè)吡咯上的的2個(gè)氮?dú)洌?.48出現(xiàn)的信號峰，為咔唑環(huán)氮上的一個(gè)氫.大環(huán)孔穴內(nèi)的氮?dú)湫盘柗鍥]有出現(xiàn)在高場屏蔽區(qū)，表明該化合物沒有形成芳香性共軛體系.

由化合物5的核磁碳譜和其碳?xì)渲苯酉嚓P(guān)譜HSQC譜圖，可知碳譜中34.7的碳在HSQC中無氫對應(yīng)，應(yīng)該為叔丁基的叔碳.15.7的碳與1.29左右的多重峰的氫直接相連，所以為乙基中甲基碳，依次類推17.3的碳是乙基中—CH2—上的碳，31.7的碳與單峰的18個(gè)氫相連，是叔丁基中的甲基碳，115.6的碳與8.13的氫相連，123.6的碳與7.72的氫相連，143.2的碳與8.17的氫相連，116和125左右的碳與7.22左右的氫相連.另外從雜核多鍵氫碳相關(guān)譜HMBC可以發(fā)現(xiàn)8.13的氫分別與34.7，123.6，136.0的碳相關(guān)，7.72的氫分別與34.7，115.6，135.7的碳相關(guān).說明8.13的氫是咔唑環(huán)4，5位碳上的氫而7.72的氫是咔唑環(huán)上的2，7位上的氫，7.22左右的氫為苯環(huán)上的4個(gè)氫.

2.2.2 紫外-可見吸收

如圖4所示，咔唑德州卟啉5的紫外可見最大吸收波長在336 nm處，體現(xiàn)出典型的非共軛大環(huán)化合物的光學(xué)吸收特征，既沒有明顯的S吸收帶，也沒有出現(xiàn)吸收波長大于600 nm的Q帶吸收峰.該化合物呈淡黃色，而非卟啉及類似物的深紫色或深綠色，這些現(xiàn)象都支持該化合物沒有形成有效的共軛芳香體系.

圖4 咔唑德州卟啉的紫外-可見吸收光譜Fig.4 UV-vis of carbozole texaphyrin

2.2.3 X-射線晶體數(shù)據(jù)

咔唑德州卟啉5的晶體結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示.顯而易見，化合物5分子具有非平面的、類似馬鞍的結(jié)構(gòu)，其中的兩個(gè)吡咯單元平面都和咔唑單元平面具有一定的夾角（其二面角分別為：42.67°與41.18°）.而來自鄰苯二胺的苯環(huán)既不和吡咯單元也不和咔唑單元共平面.根據(jù)休克爾規(guī)則的共平面原則，可以判定化合物5不具有芳香性結(jié)構(gòu)，這和該化合物的紫外與核磁的數(shù)據(jù)提供的信息相一致.

值得注意的是在化合物5的單晶結(jié)構(gòu)中（注：在二氯甲烷-甲醇中通過慢速揮發(fā)法生長得到），每個(gè)咔唑德州卟啉分子還結(jié)合了一分子的甲醇分子.根據(jù)單晶結(jié)構(gòu)可以清晰判斷出該甲醇分子與兩個(gè)吡咯單元的NH基團(tuán)及兩個(gè)亞胺氮形成了有效的氫鍵（O1…N2距離為2.936?；O1…N5距離為2.970?；N3…O1距離為2.919?；N4…O1距離為2.912?）.此外，咔唑單元的NH基團(tuán)與相鄰但翹起的吡咯單元的氮原子也形成了稍弱的分子內(nèi)氫鍵（N2…N1距離為3.075?；N5…N1距離為3.036?）.詳細(xì)氫鍵如表2及圖5（b）所示.這些固體狀態(tài)下存在的氫鍵特別是甲醇分子與咔唑德州卟啉的分子間氫鍵表明德州卟啉有可能是良好的陰離子絡(luò)合主體分子，甚至有可能可以用于調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)某一陰離子的濃度，這方面的研究目前正在進(jìn)行之中.

表2 化合物5的氫鍵鍵長（?）及鍵角（°）Tab.2 Hydrogen bond length（?）and bond angle（°）for compound 5

圖5 化合物5的單晶結(jié)構(gòu)Fig.5 Single crystal structure of compound 5

3 結(jié)語

本文報(bào)道了由3，6-二叔丁基咔唑?yàn)樵?，?jīng)過五步反應(yīng)合成咔唑德州卟啉的方法，并通過1H NMR、13C NMR、紫外-可見及單晶X-衍射方法對咔唑德州卟啉進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，為卟啉類化合物的合成與研究提供了一些有效的方案.雖然目前產(chǎn)物沒能形成環(huán)狀共平面的芳香性結(jié)構(gòu)，沒有得到具有近紅外吸收性能的類卟啉化合物，但該研究為類卟啉化合物的陰離子絡(luò)合開辟了研究空間.