四羧基四苯基卟啉的合成及光电性能的研究.doc
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1、 题 目: 四羧基四苯基卟啉的合成及光电性能的研究 18目录中文摘要1Abstract2第一章:综述3一、概述31.1 卟啉化合物的简介31.2 卟啉化合物的性质31.2.1物理性质41.2.2化学性质41.2.3光谱性质51.3 卟啉化合物的合成方法51.3.1 Rothemund法51.3.2 Adler-Longo法(单吡咯四聚合)51.3.3 Lindsey法(双吡咯缩合)61.3.4 Macdonald法(2+2法)71.3.5微波激励法8二、实验部分82.1 实验仪器92.2 实验药品92.3 材料的制备92.3.1 5,10,15,20-四(4-羧酸甲酯基苯基)卟啉(TCPP-O
2、Me) 的合成92.3.2 5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)的 合成92.4 图谱分析及表征102.4.1 5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)的紫外可见光谱(UV-vis)表征102.4.2 5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)的核磁共振氢谱(1H NMR)表征112.4.3 5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)的红外光谱 (FT-IR)表征122.4.4 5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)在瞬态光电流的测试12三、实验结果与讨论13四、总结于展望14参考文献15致 谢18中文摘要卟啉p
3、orphyrin(s)是一类由四个吡咯类亚基的-碳原子通过次甲基桥(=CH-)互联而产生的大分子杂环化合物。其母体化合物为卟吩(porphin,C20H14N4),有取代基的卟吩即称为卟啉。卟啉环是由26个电子组成的,是一个高度的共轭的体制,卟啉及其金属配合物是具有独特的结构和性质的化合物,在分析化学、功能材料、生物模拟以及光电转换等领域都有着普遍的运用。卟啉及其金属配合物也广泛应用于催化、生物活性和功能材料中。四羧基四苯基卟啉是最重要的水溶性卟啉化合物之一,它是一种高熔点的深色固体,溶液具有荧光特性,对光和热稳定性比较好,在探索光合机理和提高光合效率方面有重要的应用,因此卟啉化学一直是一个非
4、常活跃的研究领域,本文是在课题组前期工作的基础上进行的。经调研文献与实验室的制备方法相结合制得四羧基四苯基卟啉,以及结合实验室制备四羧基四苯基卟啉,并对四羧基四苯基卟啉采用核磁谱图、紫外可见吸收光谱、红外光谱测试和给光无光条件下瞬态光电流的测试等电化学手段对材料进行了系统的表征,确定其结构,并探究其性能本论文重点阐述了制备四羧基四苯基卟啉的物理方法与化学方法,对他们的优缺点进行了总结,并对其的未来应用进行了展望.关键词: 卟啉;合成;制备方法;四羧基四苯基卟啉;表征.AbstractPorphyrin (s) is a class of macromolecular heterocyclic
5、compounds formed by the interlinking of p-carbon atoms of four pyrrole subunits via the Methine bridge (=CH-).Its parent compound is porphin (C20H14N4), and porphyrin with substituent is called porphyrin. The porphyrin ring has 26 electrons and is a highly conjugated system. Porphyrin and its metal
6、complexes have special structure and properties and are widely used in analytical chemistry, functional materials, biological simulation and photoelectric conversion. Porphyrins and their metal complexes are also widely used in catalysis, biological activity and functional materials. Carboxyl-phenyl
7、 porphyrin is one of the most important water-soluble porphyrin compounds, which has important applications in exploring photosynthetic mechanism and improving photosynthetic efficiency. Porphyrin is a high melting point, dark solid, solution has fluorescence characteristics, good stability to heat
8、and light, so porphyrin chemistry has been a very active research field. Based on the preliminary work of the research group,With reference to the method, and combined with the preparation of tetraphenylporphyrin in the laboratory, the structure of tetraphenylporphyrin material was determined by mea
9、ns of the electrochemistry such as NMR, UV-vis and transient photocurrent.In this paper, the physical and chemical synthesis methods of tetracarboxyl tetraphenyl porphyrins are introduced, their advantages and disadvantages are summarized, and their application prospects are prospected.Keywords: Por
10、phyrin ;Synthesis;Preparation method;Tetraphenyl porphyrin;Characterization.第一章 综述一、概述1.1、卟啉化合物的简介卟啉是由卟吩为母体得来的,卟吩(porphine图1-1a)的组成是由亚甲基将4个吡咯环连接在一起的平面大环状结构的化合物,当卟吩环上面的氢原子部分被其他原子取代或者全部被其他原子或者基团取代时,所得到的一系列卟吩的衍生物,这一类衍生物统称为卟啉(porplyrin图1-1b),如果当有金属离子进入了卟吩环内,这时就形成了金属卟啉(metalloporplhyrin图1-1c)。图1-1卟吩(a)四苯
11、基卟啉(b)四苯基卟啉铜(c) Fig.1-1 porphin (a)Tetraphenyl porphyrin (b) Tetraphenyl porphyrin copper(c)说到卟啉就得提到光合作用,因为叶绿素的主要成分是咱们常见的镁卟啉。当然,卟啉不仅仅只存在于植物体内,动物体内也有,卟啉是一类普遍存在于自然界各类生物体中的一类重要的化合物,其具备特殊的生理活性,在各类生物的生理活动中起着不可或缺的作用,因此卟啉也被公认为生命色素。许多的卟啉是以与金属离子配合的形式存在于自然界中的,列如含有二氢卟吩与镁配位结构的叶绿素(镁卟啉 图1-2)以及与铁配位的血红素(铁卟啉 图1-3).,
12、它们的核心结构都是卟啉。卟啉或者经过修饰的卟啉都可以与铁、钴、铝等金属进行配位形成金属卟啉。铁卟啉等金属卟啉在生物体的其他新陈代谢过程中也发挥着重大作用。卟啉类化合物由于具有独特的结构以及其优越的物理、化学性质,以及光学特性吸引着人们不断的对其进行探索研究。由于其特殊的分子结构容易裁剪、修饰以及大的电子体系使其具有强的光电性 能。所以如今,催化、传感、太阳能电池等领域都涉及到了卟啉。图1-2 叶绿素结构示意图 图1-3 血红素结构示意图Fig.1-2 Schematic diagram of chlorophyll structure Fig.1-3 Diagram of heme struc
13、ture1.2、卟啉化合物的性质1.2.1 物理性质通常情况下卟啉分类有两种,第一种是:脂溶性卟啉化合物,通常溶于有机溶剂,如乙酸乙酯,苯,氯仿和二氯甲烷等脂溶性溶剂,第二种是:水溶性卟啉化合物,通常溶于水,丙酮,甲醇,乙腈和乙醇等亲水性有机溶剂中。 卟啉化合物的熔点通常大于300 , 紫红色固体粉末或结晶固体,具有一定的光敏性质,并且大多数的卟啉溶液有荧光性并且热稳定性好。除此之外卟啉的化合物还具有非常高的芳香性,稳定性也非常好,以及光谱响应较好的特点。1.2.2 化学性质(1)氧化还原反应卟啉和金属叶啉都能发生氧化还原反应。卟啉和金属卟啉的可逆还原通常是通过电化学进行的,而不可逆还原则可以
14、通过氢碘酸进行。 (2)配位反应卟啉的空腔中心到周围四个氮原子的距离与过渡态金属原子和氮原子的共价建结构的半径之和相匹配,所以卟啉的化合物极其容易与过渡态金属离子形成稳定的金属配合物。(3)亲电取代反应卟啉类化合物由于具有较高芳香性,所以容易发生硝化、磺化等亲电取代反应。1.2.3 光谱性质卟啉是一类具有强荧光的物质,强荧光的物质一般都具备以的下特征:(1)许多的卟啉以及金属卟啉在室温、溶液状态下既能发射荧光,又能发射磷光。(2)具有刚性的平面结构。(3)卟啉具有最低的单线电子激发态S1为、*型。(4)卟啉具有大的共轭键的结构。金属离子与卟啉配位后,仍呈单电子的结构类型,卟啉环共轭体系受到破坏
15、即不发射荧光, 也不发射确光。1.3、卟啉化合物的合成方法早期的卟啉是从含有卟啉化合物的天然产物中通过提取、分离、纯化等方式得到的,如血红素、叶绿素等。通常情况下有两种途径得到卟啉分子:一种是天对然的卟啉结构进行修饰,另一种是卟啉化合物的全合成。天然卟啉的结构修饰尽管能非常方便地对其进行结构的改变,但是会受到其结构本身带来的一些限制,同时在外环官能基团的选择上也极度有限,此外,卟啉化合物的自身的生理活性也受到了极大的限制。因而,人们一般需要通过全合成的手段来获得卟啉,从而得到具有特定生理活性和性能的卟啉分子。通过合成设计,获取不同种类以及不同功能的卟啉化合物促进了卟啉化学的进步,扩宽了卟啉化
16、合物的使用前景。卟啉的合成方式概括如下:1.3.1 Rothemund法此方法是以荃类和吡咯为原料,以吡啶和甲醇为溶剂。在密闭的玻璃管中反应,水浴90-95摄氏度下反应30个小时。将反应液降温后过滤,用吡啶清洗反应管和虑饼,合成虑液,再以百分之五十的乙酸进行两次萃取。最后将滤液用饱和的NaHSO3萃取三次后,用水洗至中性。这种方法是在1936年Rothemund首次提出的四苯基卟啉的合成方法,这种方法存在着一些的缺点是反应时间比较长,反应条件较为苛刻,且要求反应器密闭,底物浓度较低,后期处理非常的费事,反应的产率低。1.3.2 Adler-Longo法(单吡咯四聚合)这种方式选用苯甲醛和新蒸的
17、吡咯在丙酸中回流30分钟。冷却至室温后再进行过滤,然后分别用甲醇和热水对滤饼进行清洗,得到蓝紫色的晶体。最后进行真空干燥。此方法是在1967年,Adler和Longo在Rothmund合成法的合成基础上进行了一些改进。该反应条件相对比较温和,产率也较好。其反应机理如(图1-4)由于反应条件有一些约束,一些带敏感基团或对酸敏感的取代基,那么苯甲醛就不能用作原料,同时带有强吸电基的苯甲醛进行合成时产率也特别低,而且因为底物浓度较大以及反应的温度较高,在反应的过程中容易产生大量的焦油,产物就不容易被纯化。图1-4 Adler-Longo法反应机理Fig.1-4 Reaction mechanism
18、of adler-longo method1.3.3 Lindsey法(双吡咯缩合)此方法是在室温的条件下采用苯甲醛和吡咯为原料,在氮气的保护下,以二氯甲烷或者三氯甲烷作为溶剂,三氟化硼乙醚络合物作为催化剂,生成卟啉原,最后以二氯二氰基苯酮将卟啉原氧化之后得到最终的产物四苯基卟啉,这周方法的收率可达20或20%以上。反应过程如(图1-5)这种方法存在的优点是:反,应的条件温和,不会产生焦油状的副产物,而且产率较高,比较适合合成一些带有敏感基团或者是空间位阻较大的卟啉。这种方法存在的缺点是:此反应只能在比较稀的溶液中进行,且反应步骤相对较多。不仅原料较为昂贵,而且反应过程需要无水及无氧的操作。图
19、1-5 Lindsey法的合成过程Fig.1-5 Synthesis process of Lindsey method1.3.4 Macdonald法(2+2法)此方法就是,最先用吡咯和醛产生二吡咯甲烷,继而使用两分子的二吡咯甲烷进行缩合得到卟啉。这种方法是MacDonald等在国际上率先在这方面进行了探究。合成途径如(图1-6)此方法的长处在于:可以很容易的合成出各种带有不同取代基的不对称的卟啉,且产率比较高,具有较强的灵活性和区域选择性此方法的短处在于:合成过程中消耗会比较大且这类反应要在酸性条件下催化进行,而在该反应条件下容易使得二吡咯甲烷裂解,从而不利于反应的实行。同时,吡咯也容易发
20、生自身的缩合反应,且缩合产物难于分离。图1-6 MacDonald法的合成过程Fig.1-6 Synthesis process of MacDonald method1.3.5微波激励法这种方法是将吡咯和苯甲醛附于无机载体硅胶上,运用载体的酸性催化的影响,在微波激励下合成四苯基卟啉,反应10 min后,直接投入层吸柱进行吸分离,获得四苯基卟啉,产率可达到9.5%。传统的卟啉合成方法由于反应时间比较长(般需回流 2-3 h)、副反应较多、产率不高并且产物难分离和提纯,使得卟啉化合物的合成与应用受到了一定的束缚。相比于传统的方法微波激励法的优点更多,产量也相对较高。二、实验部分2.1、实验仪器紫
21、外分光光度计(UV-1750,日本岛津);超声波清洗器(KQ-100B,昆山市超声仪器);电子天平(BSA224S,赛多利斯科学仪器);pH计(Metrohm-632,瑞士万通仪器有限公司);自动集热式恒温加热磁力搅拌器DF-101S(郑州长城科贸有限公司);循环水真空泵(SHB-,郑州长城);鼓风烘箱(101型,北京科伟永兴仪器);旋转蒸发仪(YRE2000A,予华仪器);核磁共振仪Varian Gemin-400型(美国Varian公司);紫外可见光谱仪Agilent-8453(Agilent 公司);2.2、实验药品吡咯(6.7 mL,0.1 mol),丙酸,对甲酰基甲酸甲酯(16.4
22、g,0.1 mol),无水乙醇(C2H6O),二次水,二氯甲烷(CH2Cl2),乙酸乙酯(C4H8O2),四氢呋喃(C4H8O),甲醇(CH3OH),氢氧化钾溶液KOH(12 mL, 40%),浓盐酸。2.3、材料的制备2.3.1 5,10,15,20-四(4-羧酸甲酯基苯基)卟啉(TCPP-OMe) 的合成此过程是通过减压蒸馏重蒸吡咯,并将重蒸的吡咯(6.7 mL,0.1 mol)加入装有20 mL的丙酸的恒压滴液漏斗中待用。把对甲酰基甲酸甲酯(16.4 g, 0.1 mol)和250 mL的丙酸倒入500 mL的圆底烧瓶中,在140 的恒温下搅拌溶化至微沸。之后将上述待用的吡咯于丙酸的混合
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