一种合成四‑2,3‑(5‑叔丁基吡嗪)金属卟啉的方法与流程

本发明涉及有机化工合成技术领域，具体的说是一种合成四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉的方法。

背景技术：

近年来，科技工作者对四吡嗪取代卟啉(TPyzPzs)的研究热情日益高涨，这源于此类物质在众多领域的潜在实际应用。截止目前，此类TPyzPzs大环化合物已经频繁出现在报道中，比如作为电子元器件材料(光学信息刻录、电子照相光感器和光电导体、有机晶体管、液晶膜、电致发光元件)、印刷油墨用染料以及碳粉着色剂、鲜切花防腐剂、聚合物热稳定剂、光能疗法中单线态氧的光活化剂和用于DNA检测的荧光猝灭剂。

研究人员最初研究最多的是最易获得的外围无取代基的非金属TPyzPzsH₂及其金属卟啉化合物MTPyzPzs。但是，无取代基的TPyzPzs水溶性很差，这极大地限制了其在实际应用中潜能，也正因此，近年来研究人员的研究重点转移到外围带各种官能团取代基的TPyzPzs以及金属卟啉MTPyzPzs。外围取代基赋予TPyzPzs在水溶液和有机溶剂中较高的溶解性，同时也轻微改变了光谱及其它物理化学特性和生物活性。近十年来，数量众多的此类大环化合物被合成出来并加以研究，尤其在医学领域，它们被看做是应用光能疗法多发性肿瘤疗法最有希望的一类物质，同时还作为氧化还原过程的催化剂。

四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉的结构如下：

文献(M.G.Gal'pern,E.A.Luk'yanets.TETRA-2,3-(5-TERT-BUTYLPYRAZINO)PORPHYRAZINES.Chem.Heterocycl.Compd.8(1972)780.)报道了一种合成四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉的方法，该方法使用了大量高锰酸钾及有机溶剂作原料，需要四步才能得到目标产物，过程异常繁琐且需要严格控制反应条件，产率很低，并且产生含锰残渣及大量废液，既不经济也不环保。文献中的所述的四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉的合成过程如下：

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种过程简易、成本低、三废产生少的四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉的合成方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下一种技术方案：合成四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉的方法，包括以下步骤：

以3,3-二甲基-2-丁酮为原料，与二氧化硒进行硒化反应，并对产物精馏得到3,3-二甲基-2-氧代丁醛；

将上述步骤中得到的3,3-二甲基-2-氧代丁醛在2,3-二氨基-2-丁烯二腈、尿素和金属氯化物存在的条件下加热，将产物提纯得到四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉。

优选的是：所述二氧化硒与3,3-二甲基-2-丁酮的摩尔比为1～1.5:1。

优选的是：所述硒化反应的回流温度为50～80℃；所述硒化反应的时间为4～5h。

优选的是：所述的精馏温度为112～115℃。

优选的是：所述3,3-二甲基-2-氧代丁醛：2,3-二氨基-2-丁烯二腈：金属氯化物：尿素的摩尔比为1:1:0.5～1:4～6。

优选的是：所述3,3-二甲基-2-氧代丁醛、2,3-二氨基-2-丁烯二腈、金属氯化物和尿素的加热过程为：先加热温度达到130～140℃，保持15～20min后再继续升温，达到190～220℃后保持2～3h至原料充分反应。

优选的是：所述的提纯过程包括反复洗涤过程和重结晶过程。

优选的是：所述的洗涤过程为：先采用蒸馏水、稀酸或稀碱溶液反复洗涤多次，再用无水乙醇或丙酮反复洗涤多次至滤液无色。

优选的是：所述的重结晶提纯过程使用的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜或浓硫酸。

本发明的有益效果在于：本发明以3,3-二甲基-2-丁酮为原料，经硒化反应和合成反应两步，再经简单的提纯，即可得到四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉，过程简易，产物可控；所用原料简单，成本低廉；且中间过程不产生有毒有害的废弃产物，大大减少了后期处理的过程。本发明制得的四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉产率高，方法值得推广。

附图说明

附图1为四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉钴的紫外可见光谱；

附图2为四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉铜的紫外可见光谱；

附图3为四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉锌的紫外可见光谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种合成四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉的方法，包括以下步骤：

以3,3-二甲基-2-丁酮为原料，与二氧化硒进行硒化反应，并对产物精馏得到3,3-二甲基-2-氧代丁醛；

将上述步骤中得到的3,3-二甲基-2-氧代丁醛在2,3-二氨基-2-丁烯二腈、尿素和金属氯化物存在的条件下加热，将产物提纯得到四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉。

进一步的，二氧化硒与3,3-二甲基-2-丁酮的摩尔比为1～1.5:1。二氧化硒是一种氧化剂，为了使硒化反应更加完全，二氧化硒的量可以适当多一些。

进一步的，硒化反应的回流温度为50～80℃，此温度下，可以加速反应进行，同时防止目标产物挥发损耗；所述硒化反应的时间为4～5h，以使原料充分反应。

进一步的，精馏温度为112～115℃。因为中间产物3,3-二甲基-2-氧代丁醛的沸点为112～115℃，因此此精馏过程的温度范围要求很窄。

进一步的，3,3-二甲基-2-氧代丁醛：2,3-二氨基-2-丁烯二腈：金属氯化物：尿素的摩尔比为1:1:0.5～1:4～6。其中，金属氯化物的金属可以是钴、铜、锌、镍、铁等过渡金属元素。

进一步的，3,3-二甲基-2-氧代丁醛、2,3-二氨基-2-丁烯二腈、金属氯化物和尿素的加热过程为：先加热温度达到130～140℃，保持15～20min后再继续升温，此温度下尿素开始融化，待尿素全部融化后再继续升温有利于原料完全利用。当升温温度达到190～220℃后保持2～3h至原料充分反应，此过程中容器内的混合物由液态变为泥浆状最后完全固化，反应结束。

进一步的，提纯过程包括反复洗涤过程和重结晶过程。

进一步的，洗涤过程为：先采用蒸馏水、稀酸或稀碱溶液反复洗涤多次，再用无水乙醇或丙酮反复洗涤多次至滤液无色。

进一步的，重结晶提纯过程使用的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜或浓硫酸。

本发明具体发生的反应方程过程如下：

①硒化：

②成环：

卟啉化合物有两个特征吸收带，分别为250～350nm处的B带和600～700nm处的Q带。

本发明对最终合成的产物进行表征，以验证卟啉成环与否，具体步骤如下：

①将0.01g四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉溶入50ml N,N-二甲基甲酰胺，充分搅拌使其完全溶解；

②使用普析通用TU-1901型紫外可见分光光度计，以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为参照和空白样品，波长范围300～800nm，基线校准；

③使用①中的溶液润洗比色皿三次后，加至比色皿9/10处；

④设置扫描间隔0.5nm，扫描速度为中速，得到紫外可见光谱。

下面以三种氯化物为原料分别进行合成试验，对本发明进行详细阐述。

实施例1

用天平准确称取0.11mol(12.2g)二氧化硒倒入三颈烧瓶内，移液枪移取0.1mol(12.5ml)3,3-二甲基-2-丁酮加入滴液漏斗内。油浴锅温度保持在50℃，冷凝管通水，开动搅拌器维持转速在200r/min左右，打开滴液漏斗，缓慢滴入3,3-二甲基-2-丁酮，此过程为放热反应，连续搅拌5h。整个反应在通风橱内进行。随着反应的进行我们可以观察到，瓶内的无色液体逐渐变为黄色，瓶底固体由白色变为灰黑色。反应结束后，静置片刻，将上层液体倒入烧瓶，用少量3,3-二甲基-2-丁酮润洗药渣，一并倒入烧瓶。烧瓶内液体即为原料3,3-二甲基-2-丁酮、产物3,3-二甲基-2-氧代丁醛和水的混合物。使用精馏柱对混合物进行精馏，采用玻璃弹簧做填料，精馏柱外包有电热带，115℃条件下蒸出黄色液体，冷却至室温得10.1g白色固体即为3,3-二甲基-2-氧代丁醛，产率为45.5％。

反应原料3,3-二甲基-2-氧代丁醛：2,3-二氨基-2-丁烯二腈：水合氯化钴：尿素的摩尔比为1:1:0.5:4。电子天平准确称取3,3-二甲基-2-氧代丁醛0.02mol(2.2828g)、二氨基马来腈0.02mol(2.162g)、水合氯化钴0.01mol(2.3793g)和尿素0.08mol(4.8048g)混合均匀后倒入三颈烧瓶。油浴加热，缓慢升温至140℃，保持此温度至尿素全部融化，期间不断搅拌保证原料充分混合均匀。继续升温至200℃并保持2h，反应物由液态迅速膨胀为泥浆态然后缓慢收缩直至最终变为固态。待冷却至室温，取出固体物质用玛瑙研钵研细得反应粗产物。粗产物先用蒸馏水洗涤，过滤至滤液无色，真空干燥箱70℃烘干，后用煮沸的无水乙醇反复洗涤至滤液无色。滤饼真空干燥后研细溶于DMF，过滤除去无机杂质，向溶有四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉钴的DMF溶液加入蒸馏水，析出蓝黑色沉淀，过滤，滤饼用蒸馏水多次冲洗后烘干即得9.49g四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉钴，产率为81.6％。

对于上述产物进行表征，得到四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉钴的紫外可见光谱图，参见图1。从图1中可以看出，在330nm及620nm附近出现两处特征吸收带，符合卟啉化合物分别在250～350nm处和600～700nm处形成B带和Q带的要求。说明经上述反应，得到了四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉钴。

实施例2：

用天平准确称取0.13mol(14.43g)二氧化硒倒入三颈烧瓶内，移液枪移取0.1mol(12.5ml)3,3-二甲基-2-丁酮加入滴液漏斗内。油浴锅温度保持在80℃，冷凝管通水，开动搅拌器维持转速在200r/min左右，打开滴液漏斗，缓慢滴入3,3-二甲基-2-丁酮(放热反应)，连续搅拌4h。整个反应在通风橱内进行。随着反应的进行我们可以观察到，瓶内的无色液体逐渐变为黄色，瓶底固体由白色变为灰黑色。反应结束后，静置片刻，将上层液体倒入烧瓶，用少量3,3-二甲基-2-丁酮润洗药渣，一并倒入烧瓶。烧瓶内液体即为原料3,3-二甲基-2-丁酮、产物3,3-二甲基-2-氧代丁醛和水的混合物。使用精馏柱对混合物进行精馏，采用玻璃弹簧做填料，精馏柱外包有电热带，115℃条件下蒸出黄色液体，冷却至室温得10.3g白色固体即为3,3-二甲基-2-氧代丁醛，产率为38.2％。

反应原料3,3-二甲基-2-氧代丁醛：二氨基马来腈：水合氯化铜：尿素的摩尔比为1:1:1:5。电子天平准确称取3,3-二甲基-2-氧代丁醛0.02mol(2.2828g)、二氨基马来腈0.02mol(2.162g)、水合氯化铜0.02mol(3.4096g)和尿素0.1mol(6.606g)混合均匀后倒入三颈烧瓶。油浴加热，缓慢升温至130℃，保持此温度至尿素全部融化，期间不断搅拌保证原料充分混合均匀。继续升温至220℃并保持2h，反应物由液态迅速膨胀为泥浆态然后缓慢收缩最终变为固态。待冷却至室温，取出用玛瑙研钵研细得反应粗产物。粗产物先用1mol/L的稀盐酸溶液和1mol/L的氢氧化钠溶液交替洗涤，过滤至滤液无色，真空干燥箱70℃烘干，后用丙酮反复洗涤至滤液无色。滤饼真空干燥后研细溶于DMF，过滤除去无机杂质，向溶有四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉铜的DMF溶液加入蒸馏水，析出蓝色沉淀，过滤，滤饼用蒸馏水多次冲洗后烘干即得10.17g四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉铜，产率为70.3％。

对于上述产物进行表征，得到四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉铜的紫外可见光谱图，参见图2。从图2中可以看出，在345nm及625nm附近出现两处特征吸收带，符合卟啉化合物分别在250～350nm处和600～700nm处形成B带和Q带的要求。说明经上述反应，得到了四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉铜。

实施例3：

用天平准确称取0.15mol(16.65g)二氧化硒倒入三颈烧瓶内，移液枪移取0.1mol(12.5ml)3,3-二甲基-2-丁酮加入滴液漏斗内。油浴锅温度保持在65℃，冷凝管通水，开动搅拌器维持转速在200r/min左右，打开滴液漏斗，缓慢滴入频哪酮(放热反应)，连续搅拌4.5h。整个反应在通风橱内进行。随着反应的进行我们可以观察到，瓶内的无色液体逐渐变为黄色，瓶底固体由白色变为灰黑色。反应结束后，静置片刻，将上层液体倒入烧瓶，用少量3,3-二甲基-2-丁酮润洗药渣，一并倒入烧瓶。烧瓶内液体即为原料3,3-二甲基-2-丁酮、产物3,3-二甲基-2-氧代丁醛和水的混合物。使用精馏柱对混合物进行精馏，采用玻璃弹簧做填料，精馏柱外包有电热带，115℃条件下蒸出黄色液体，冷却至室温得10.2g白色固体即为3,3-二甲基-2-氧代丁醛，产率为35％。

反应原料3,3-二甲基-2-氧代丁醛：二氨基马来腈：氯化锌：尿素的摩尔比为1:1:0.8:6。电子天平准确称取3,3-二甲基-2-氧代丁醛0.02mol(2.2828g)、二氨基马来腈0.02mol(2.162g)、氯化锌0.016mol(2.1808g)和尿素0.12mol(7.2072g)混合均匀后倒入三颈烧瓶。油浴加热，缓慢升温至135℃，保持此温度至尿素全部融化，期间不断搅拌保证原料充分混合均匀。继续升温至220℃并保持2h，反应物由液态迅速膨胀为泥浆态然后缓慢收缩最终变为固态。待冷却至室温，取出用玛瑙研钵研细得反应粗产物。粗产物先用蒸馏水洗涤，过滤至滤液无色，真空干燥箱70℃烘干，后用丙酮反复洗涤至滤液无色。滤饼真空干燥后研细溶于DMF，过滤除去无机杂质，向溶有四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉锌的DMF溶液加入蒸馏水，析出蓝黑色沉淀，过滤，滤饼用蒸馏水多次冲洗后烘干即得11.06g四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉锌，产率为80％。

对于上述产物进行表征，得到四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉锌的紫外可见光谱图，参见图3。从图3中可以看出，在325nm及645nm附近出现两处特征吸收带，符合卟啉化合物分别在250～350nm处和600～700nm处形成B带和Q带的要求。说明经上述反应，得到了四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)卟啉锌。

经上述反应可知，通过本发明的方法合成四-2,3-(5-叔丁基吡嗪)金属卟啉，过程简单易控，原料种类少，且价格低廉，合成成本低，中间产物无毒无害，减少了后期处理的过程，且经试验可知，产物的产率均为70％以上，产率高。