新颖卟啉阵列以及卟啉类似物的设计、合成与性能研究进展

卟啉是“生命色素”分子, 在自然界中广泛存在, 如血红素和叶绿素. 卟啉类似物与卟啉分子具有相似的结构和性能, 它们在光电器件、光动力治疗、太阳能电池、生物传感以及人工智能等领域有着广泛的应用前景. 本文基于近年来湖南师范大学宋建新课题组的工作, 系统地介绍了多种卟啉阵列及卟啉类似物的设计、合成与性能方面的研究, 在此基础上对该领域的发展进行了简单地展望, 旨在为设计、合成结构新颖、性能优异的卟啉类似功能分子提供参考.

卟啉是由4个吡咯亚基与4个次甲基相互交替连接而形成的大环芳香化合物. 卟啉单元间可以进一步通过共价键、配位键、氢键及其他弱相互作用结合, 形成具有特定结构的多聚体, 即卟啉阵列(图1). 卟啉对于生物的进化和生命的延续具有重要的意义. 在“明星分子”LH2中, 若干卟啉单元有序排列形成环状聚集体, 为光能的捕获与传输提供了物质基础, 血红素则是氧气在动物体内传输的载体.

图1 卟啉阵列及卟啉类似物的结构示意图

卟啉的结构具有优良的可拓展性, 对其母核结构进行修饰可得到多种结构类似、性质各异的化合物, 即卟啉类似物(图1). 按照改变卟啉结构方式的不同, 卟啉类似物可分为以下5类: (1) 去除一个或多个卟啉母核中的吡咯亚基或次甲基, 则得到缩环卟啉类化合物, 如咔咯、去甲咔咯、亚卟啉; (2) 向卟啉母核中插入若干吡咯亚基或次甲基, 可得到扩环卟啉类化合物, 如六元卟啉、八元卟啉、卟啉(2.1.2.1); (3) 改变卟啉母核中4个吡咯亚基与4个次甲基的连接顺序, 可得到异卟啉类化合物, 如卟啉烯、氮错位卟啉; (4) 用其他原子替代卟啉母核中吡咯亚基或次甲基上的任意原子, 可得到杂原子掺杂的卟啉, 如碳杂卟啉、氧杂卟啉、氮杂卟啉. (5) 同时使用上述多种方式对卟啉结构进行改变而得到的卟啉类化合物.

典型卟啉类化合物中存在大π共轭的结构, 其在400 nm附近具有强烈的吸收, 当π共轭体系进一步拓展和延伸时, 其吸收光谱可红移至近红外区. 近年来, 卟啉化学的蓬勃发展使卟啉类分子的修饰方式变得更为多样, 也使得精细调控卟啉类功能分子的最高占据分子轨道(HOMO)、最低未占分子轨道(LUMO)能级变得更为可行. 因此可以根据材料的具体用途确定相应分子的HOMO、LUMO能级, 进而设计、合成对应的功能分子, 这使得卟啉类分子在染料敏化太阳能电池、电子器件等领域中的应用前景更为广阔. 高度稠合的卟啉类化合物具有大的双光子吸收截面, 在光学器件领域具有好的应用前景.

湖南师范大学宋建新课题组在卟啉阵列及卟啉类似物的设计、合成与性能研究中取得了系列进展. 本文以课题组近期合成的化合物为例, 重点介绍了卟啉阵列及卟啉类似物的设计思路、合成方法与构性关系, 旨在为卟啉工作者提供参考.

本文将收录于《中国科学：化学》2022年第8期“卟啉酞菁化学前沿专刊”，点击下方链接或“阅读原文”可获取全文 ▼

宋双骐, 周明波, 饶玉滔, 徐凌, 宋建新. 新颖卟啉阵列以及卟啉类似物的设计、合成与性能研究进展. 中国科学 : 化学, 2022, doi:10.1360/SSC-2022-0054