卟啉

本Valsler

本周的大院是马特·哈特尔在推特上提出的要求@ChemistryWorld说:

@ChemistryWorld你能做一个关于卟啉、血红素或酞菁的播客吗?

——马修·哈特尔(@MattHartleChem)2016年1月28日

布莱恩·克莱格(Brian Clegg)接受了这个要求，并研究了色彩丰富的化合物家族——卟啉……

布莱恩·克莱格

有一个流行的神话，血液的红色来自血红蛋白中的铁，但事实要有趣得多——是血红素色素的形状赋予了这种独特的红色，而血红素只是一种被称为卟啉的有机化合物家族之一。

有点尴尬的是，鉴于标志性的红色，“卟啉”一词起源于希腊语中的紫色“porphyra”。卟啉(Porphyrin)是原血卟啉(haematoporphyrin)的缩写，但由于这些化合物的范围包括红色和紫色，所以这个名字的德国鼻祖菲利克斯·霍普-赛勒(Felix Hoppe-Seyler)是可以原谅的。这些芳香族有机化合物之间的共同因子是一组4个五边形环，每个环有4个碳和1个氮，每个环通过一个碳桥和一个氢连接到下一个环。

卟啉在结构上与叶绿体非常相似，而叶绿体是光合色素叶绿素的核心，不同之处在于它的四个环中的一个碳原子之间的键，因此在环中有两个以上的氢原子。这种结构不仅出现在血红蛋白中，还出现在一种经常与血液混淆的物质中，即肌肉中被称为肌红蛋白的红色液体中。这是一种从肉块中渗出的物质，一种只有一个血红素基团的蛋白质，而血红蛋白有四个。

卟啉及其近亲作为生物载体如此常见的原因是，它们是大自然的捕梦网——或者更确切地说，是原子捕梦网——还有一个额外的好处，与礼品店里出售的捕梦网不同，卟啉真的有效。四个氮尖状物指向环之间的中心间隙。它们非常善于与金属结合，形成具有极大灵活性的所谓复合物，无论是血红素中的铁还是叶绿素中的镁。卟啉擅长于这种捕获过程，并会与从锂到铅的任何金属形成络合物。不过，这只是在原子捕集器里放了一个陷阱。血红素中的铁可以捕获氧气并将其运输到生物体中需要氧气的地方，或者将其二氧化碳去除。

不过，卟啉的化学能力太广泛了，不足以限制它们在有氧生活中携带氧气。例如，它们出现在一种叫做细胞色素P450的蛋白质家族中(这个模糊的数字指的是蛋白质在与一氧化碳的复合物中吸收的光的波长——450纳米)。几乎所有生物，甚至病毒，都利用这些蛋白质作为酶来促进涉及电子转移的反应;在许多情况下，蛋白质起着使疏水分子溶于水的作用。

尽管迄今为止卟啉的生物用途占主导地位，但它已被考虑用于许多不同的应用。染料敏化太阳能电池是众多薄膜太阳能电池中的一种，它可以使用基于卟啉的染料制成。这种廉价且易于生产的电池形式利用了某些染料在光照下发射电子的方式，实际上是在模仿光合作用。这种电池效率很低，而且随着时间的推移有退化的趋势，但如果这项技术变得更强大，将具有很高的成本效益。

卟啉的颜色方面也出现在一个名为“嗅觉观察”的出色项目中。伊利诺伊大学的化学家们发明了一种可以检测挥发性有机化合物的人造鼻子。通过使用一系列不同的卟啉/金属配合物，当与化合物相互作用时会改变颜色，视觉传感器根据空气中存在的化合物产生独特的颜色模式。这有可能被用于从工作场所环境监测到医疗诊断的任何领域，因为疾病通常会导致呼吸中的挥发性有机化合物。

卟啉还作为实验合成的基石，从卟啉结构的集合中创造超分子。迄今为止最大的一种含有1024个卟啉单位，由日本京都大学的Atsuhiro Osuga教授合成。虽然目前还没有应用，但这些结构有可能被用于制造纳米级电子电路。

当卟啉结构的中心有一个固定的铁原子时，它可能看起来像一个捕梦网，但它的作用更重要的是它捕获和运输氧气的能力。卟啉是一种化合物，毫不夸张地说，任何热血生物都离不开它。

本Valsler

刚才是布莱恩·克莱格在吃卟啉。下周，空气中弥漫着浪漫气息……

Kat Arney

2010年，利物浦的一组勇敢的科学家发现了雄性老鼠产生的一种有趣的信息素，这种信息素会让雌性老鼠对它们产生疯狂的吸引力。为了向简·奥斯汀小说《傲慢与偏见》中性感至极的主人公达西先生致敬，他们将其命名为达辛。

本Valsler

在下周的播客中和Kat Arney一起心跳加速。在那之前，任何关于化合物的建议都可以通过通常的方式联系:电子邮件chemistryworld@rsc.org或者推特@chemistryworld。我是本·瓦尔斯勒，感谢收看。