新型環三磷腈大分子的合成與性能研究

李曉麗， 李志國， 張詩堯， 李 斌， 喬 凱

(1． 東北林業大學 a. 高分子阻燃新材料的分子設計與制備黑龍江省高校重點實驗室； b. 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

磷腈類物質自發現以來，引起了諸多領域的研究興趣，如：光電高分子材料，阻燃材料，特種橡膠及低溫彈性材料，高分子液晶，聚磷腈高分子電解質，高分子催化劑及染料，分離膜，高分子導體，生物化學，藥用及醫用生物材料[1]等。近年來，在醫用生物材料和藥物傳輸系統的應用研究成為磷腈類物質的研究熱點[2～6]，其原因在于：氮-磷單雙鍵交替的無機骨架可以生物降解，且降解產物無毒，無炎癥反應；磷-氯鍵活性大，可以通過簡單的取代反應引入側基，調節側基的結構不同，可實現磷腈衍生物具有廣范的綜合性質。基于磷腈分子的空間結構特性，發現磷腈類物質有能力實現分子間非共價鍵結合或發生超分子自組裝，這種特性使得該類物質在藥物傳輸系統的應用具有很大的潛力。

Scheme1

目前，基于兩親結構的聚磷腈生物材料的研究已見報道[7,8]，但是，具有熒光性能的環三磷腈衍生物的合成及性能未見文獻報道。本文以六對羧基苯氧基環三磷腈(2)為原料，通過羧基活化與縮合反應合成了一種新型的環三磷腈生物大分子(1， Scheme 1)，其結構經1H NMR，13C NMR， IR和MS表征。用UV， 分子熒光光譜和共聚焦激光顯微鏡研究了1的水解降解性能和熒光性能。結果表明，1既具有生物可降解性，又具有熒光特性,有望成為具有熒光示蹤功能的新型藥物負載材料。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Pgeneral T6型紫外分光光度計；美國PE Ls55型分子熒光光度計；德國蔡司LSM 510 Meta型熒光圖像儀；Bruker 400 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內標)；PE Spectrum 400型紅外光譜儀(KBr壓片);Bruker Modi-toff型質譜儀。

2，自制；色氨酸乙酯鹽酸鹽，揚州寶盛生物化工；其余所用試劑均為分析純,其中THF和Et3N經純化處理。

1．2 合成

在帶氣體回收裝置的反應瓶中加入2 2.0 g和二氯亞砜20 mL，攪拌下回流(75 ℃)反應20 h。減壓蒸餾除多余的二氯亞砜得淡黃色固體六對甲酰氯苯氧基環三磷腈(3)。加入THF 60 mL，攪拌使其溶解后，加入色氨酸乙酯3.7 g的THF(60 mL)溶液，滴加三乙胺3 mL，滴畢，回流(66 ℃)反應30 h。旋轉濃縮至20 mL，邊攪拌邊倒入150 mL石油醚中，靜置沉淀，過濾，濾餅用大量去離子水洗滌，真空干燥得黃色固體1，收率90%；1H NMRδ： 6．96～7．80(m, 9H, ArH), 10.83(s, 1H, NH), 8.86(s, 1H, CONH)， 3.28(d, 2H, ArCH2)， 4.69(t, 1H, NHCHCH2), 4.05(q, 2H, OCH2CH3)， 1.05(t, 3H, CH3)；13C NMRδ： 110.3～136.5(Ar)， 27.15(CH2)， 54.61(CH)， 60.95(OCH2)， 14.3(CH3)， 172.4(CO2)， 166.2(CON)； IRν： 3 412(仲酰胺鍵)， 3 058(苯環C-H), 1 731(酯C=O), 1 644(酰胺C=O)， 1 603, 1 494(苯環), 1 204, 1 184, 1 182(磷腈環), 1 097(酯C-O), 887(苯環) cm-1。

2 結果與討論

2．1 表征

1的IR譜圖見圖1。由圖1可見，3 412 cm-1處單峰是N-H鍵(仲酰胺鍵)伸縮振動吸收峰，1 644 cm-1處的強吸收峰是羰基(酰胺鍵)的伸縮振動吸收峰，這兩處吸收峰說明酰胺化反應已經發生。由圖1還可見，羧酸、酰氯和伯胺基的特征吸收峰均消失，說明環三磷腈的六個羧基全部和色氨酸乙酯的氨基反應。

ν/cm-1圖1 1的FT-IR譜圖Figure 1 FT-IR spectrum of 1

1的分子量測定結果顯示，其分子離子峰信號位于m/z=2 266，經計算分子量為2 243，是分子離子峰加鈉峰(M++Na)。綜合1H NMR和13C NMR數據判斷1的結構符合Scheme 1預期。

2．2 水解性能

圖2為1在磷酸鹽緩沖溶液(pH 7.4， 37 ℃)中的紫外吸光度變化曲線。由圖2可見,1在水解24 h時進入平臺階段，從24 h～528 h(22 d)吸光度數值變化很小。水解528 h之后， 吸光度值呈線性增加。據文獻[9]報道，氨基酸酯基磷腈化合物水解可能主要分為兩階段。第一階段，在水分子的作用下，分子結構中水敏性側基團發生斷裂，即氨基酸酯鍵發生水解，生成的羧酸進一步進攻磷-氧鍵，使得側基斷裂。第二階段，由于側基斷裂導致整個分子結構上磷-氮鍵不穩定而發生降解，生成磷酸，銨鹽。因此，1水解過程可能的機理是：24 h之前1沒有發生水解，只是溶解在溶液中的樣品產生的紫外吸收； 24 h～528 h之間，吸光度值幾乎不變，說明氨基酸酯沒有水解；528 h 之后，樣品溶液的吸光度值逐漸增大，說明1分子的側基開始水解，得到的酸性分子在溶液中的溶解度增加，引起的紫外吸光度值變大；實驗測試1 008 h(42 d)后的吸光度值一直在增大，說明水解仍處于第一階段。根據水解實驗結果，本文合成的1在模擬體液環境中可以穩定存在22 d，之后慢慢降解。根據文獻報到，這類物質降解為無毒的的磷酸和氨等小分子產物，不會引起炎癥反應，因此，1可以作為生物友好材料。

2．3 熒光性能

圖3和圖4分別為1的分子熒光激發光譜和發射光譜。由圖3和圖4可知，1的最大激發波長為457 nm，最大發射波長為447 nm，均落在可見光區。結合共聚焦熒光顯微鏡觀察，表明1具有熒光性能。1具有熒光性能是由于側基引入的六個剛性的苯環和色氨酸酯環，這些芳香性環通過分子間的的π-π共軛作用產生發光特性[10]。

λ/nm圖3 1的熒光激發光譜Figure 3 Fluorocence excitated spectrum of 1

λ/nm圖4 1的熒光發射光譜Figure 4 Fluorocence emission spectrum of 1

3 結論

通過羧基活化與縮合反應成功地合成了新型環三磷腈大分子1。通過模擬體液環境研究其水解行為，發現1可以穩定存在22 d,之后慢慢降解。分子熒光光譜結果表明，1的最大激發波長和發射波長均落在可見光區，1有望作為生物體內熒光示蹤材料。

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