光活性二茂鐵衍生物的研究進展

安佰龍，喬慶東，李 琪，高培玉

（遼寧石油化工大學 石油化工學院， 遼寧 撫順 113001）

二茂鐵的發現使金屬有機化學進入了一個新領域，半個多世紀以來，人們對二茂鐵的研究一直保持著高度的熱情，每年都有大量的二茂鐵衍生物見報，它們分別應用于醫學、化學、材料學、航空航天、光學等領域。

二茂鐵學名環戊二烯基鐵，分子式Fe(C5H5)2，雙層夾心結構，具有多種性質：

（1）芳香性。二茂鐵中心鐵原子的氧化態為+2價，每個茂環帶有一個單位負電荷。因此每個茂環都含有6個π電子，符合休克爾的4n+2規則，每個環都具有芳香性。容易發生親電取代反應，與苯環類似的是也可發生烷基化、酰化、氯化、磺化等基本反應；

（2）穩定性好且毒性低，具有多種生理活性。由電子結構可知，二茂鐵每個茂環都有6個電子，加上二價鐵離子的6個d電子剛好滿足18電子規則，形成類似于稀有氣體的電子結構，所以非常穩定。因此被廣泛的應用在醫學、生物學、微生物學等領域；

（3）親油疏水性。二茂鐵具有一定厚度的夾心結構，可以阻止其衍生物接近某些酶的活性部位。它可與細胞內的各種酶、DNA、RNA等物質發生作用，應用于藥物學；

（4）氧化還原的可逆性。茂鐵中的亞鐵離子跟環戊二烯基陰離子配合后更容易失去一個電子發生如下的可逆過程：，這使二茂鐵具有優異的可逆氧化-還原性能和電化學活性。控制其衍生物的光化學特性可以制備帶有特殊功能的光電化學材料。

1 Fc在PDT中應用

二茂鐵的低毒性、親脂性、優異的電化學活性、在水溶液和有氧環境下的穩定性，使二茂鐵及其衍生物廣泛的應用于醫藥領域[1]。最初二茂鐵被添加到布洛芬劑中來提高抗癌藥物他莫昔芬(PDT療法中的光敏劑)的活性，后來人們發現共軛二茂鐵基可以顯著增強光敏劑對DNA的光致斷裂性能而被應用于PDT[2]。

光動力療法(Photodynamic Therapy ,PDT)是利用光動力學效應進行疾病診斷和治療的一種新技術，原理是將光敏劑作為藥物靜脈注射到患者體內，光敏劑自動辨別癌細胞并聚集在癌細胞周圍，在外界特定光催化的條件下使藥物在癌癥細胞內發生氧化還原反應，產生純氧分子殺傷癌細胞[3]。由于 PDT的選擇性強，對正常細胞損傷很小，因此PDT具有毒性低，副作用小，選擇性好等優點。是未來醫學中治療癌癥的一種非常重要的治療手段。

1.1 FC-Trp-Cu光敏劑

2011 年 Tridib[4]等以[Cu(Fc-Trp)(L)](ClO4)為基礎合成一系列共軛二茂鐵基-色氨酸-銅(Ⅱ)雜合物：[Cu(Fc-Trp)(L)](ClO4)（L=bpy、phen、dpq、dppz）和鄰二氮雜菲-色氨酸-銅(Ⅱ)雜合物：[Cu(Ph-Trp)(L)(H2O)](ClO4)(L=phen、dppz)和共軛二茂鐵基-色氨酸-鋅雜合物：[Zn(Fc-Trp) (dppz)](ClO4)。在含有50 mM NaCl，pH=7.2的瓊脂凝膠電泳中光致斷裂pUC19 DNA (30μM, 0.2μg, 2 686個堿基對)。激光功率50 W，在可見光下選取藍光(454 nm)、綠光(568 nm)、紅光( 647 nm)進行照射，研究發現在這三種波長的可見光照射下雜合物均具有光活性。

由圖1(a)可知：四種化合物切割超螺旋pUC19 DNA的NC(環形切口)能力依次增大，1號雜合物在藍光(454 nm)下光活性較差(NC＜20%)，2號雜合物的NC接近60%。4號化合物[Cu(Fc-Trp)(dppz)](ClO4)的NC達到95%，光活性最好。

圖1 1-7號雜合物在可見光下切割pUC19 DNA活性[4]Fig.1 Bar diagram showing visible light-induced DNA cleavage activity of complexes1-7using SC pUC19 DNA[4]

對比4號和6號發現含有二茂鐵基的雜合物光活性更好。由圖1(b)可知，在綠光(568 nm)和紅光(647 nm)照射下，雜合物光活性為(Fc-Trp-Cu-dppz)>(Fc-Trp-Cu-dpq)>(Ph-Trp-Cu-d ppz)>(Fc-Trp-Cu-phen)>(Ph-Trp-Cu-phen)>(Fc-Trp-Cu-bpy)≈(Fc-Trp-Zn-dppz)。

另外在Hela，MCF-7癌細胞中對七種雜合物進行光致DNA斷裂實驗，前6種雜合物都具有使癌細胞凋亡的能力，其中4號雜合物[Cu(Fc-Trp) (dppz)](ClO4)最為突出，使HelaMCF-7癌細胞凋亡IC50值分別達到1.3，0.65μM。

1.2 FC-Met-Cu光敏劑

2009年 Tridib[5]等發現二茂鐵基蛋氨酸雜合物中 Cu-S鍵使其產生羥基自由基在紅光下使牛血清蛋白DNA光致斷裂。

2012年，Tridib[6]等合成共軛二茂鐵基-蛋氨酸-銅(Ⅱ)雜合物：[Cu(Fc-met)(L)](NO3（L=phen、dpq、dppz、nip）和鄰二氮雜菲-蛋氨酸-銅(Ⅱ)雜合物：[Cu(Ph-met)(L)](NO3)(L=phen、dppz)進行光致斷裂pUC19 DNA (30μM, 0.2μg, 2 686個堿基對)實驗，在可見光下選取藍光(454 nm)、綠光(568 nm)、紅光( 647 nm)進行照射，結果表明在這三種波長的可見光照射下雜合物均能通過生成的羥基自由基切割DNA。結果顯示這些雜合物在波長為545、568、647 nm可見光下都具有良好的光活性，含有二茂鐵基的雜合物切割超螺旋pUC19 DNA的NC都在50%以上，3號雜合物NC值最大，達到95%。對比二茂鐵基雜合物與鄰二氮雜菲基雜合物可以發現含有二茂鐵基的雜合物光活性更好。3號雜合物[Cu(Fc-met)(dppz)](NO)3在可見光下可以顯著改變Hela細胞核的形態。4號雜合物[Cu(Fc-met)(nip)](NO)3在Hela細胞內共焦成像如圖2所示。

圖2 [Cu(Fc-met)(nip)](NO)3在Hela細胞內圖像[6]Fig.2 Images of HeLa cells treated with[Cu(Fc-met)(nip)](NO)3[6]

1.3 FC-Phen-Cu光敏劑

Maity[7]實驗室近年來對光活性二茂鐵雜合物進行了許多研究。2009年他們合成了一種三元雜合物[Cu(L)(L’)](ClO4)2(L=FcCH2N(CHPy)2；Fc=(η5-C5H4)Fe(η5-C5H4)；L’=phen)。對雜合物進行光致斷裂超螺旋DNA的實驗，光敏劑為H2O2與MPA時，超螺旋DNA沒有變化。以[Cu(L)(L’)](ClO4)2為光敏劑，H2O2存在的情況下，雜合物光活性增強，H2O2本身沒有光致切割DNA的能力，但可以增加雜合物光活性。進一步研究表明，雜合物在照射下先生成羥基自由基，從而切割 DNA致其斷裂。雜合物[Cu(L)(dpq)](ClO4)2和[Cu(L)(dppz)](ClO4)2在波長為647的紅光下顯示出很強的光活性。

同樣地，Maity[8]等在研究二茂鐵基-三聯吡啶-Cu(Ⅱ)雜合物后發現此雜合物也可以使DNA致斷裂。

2 Fc在NLO中應用

二茂鐵衍生物具有獨特的電化學及光學特性，給體-受體型二茂鐵衍生物在共軛體系的兩端分別連有電子給體和受體，使其易于發生分子內電荷轉移，能有效地誘導體系的非對稱極化，表現出很大的非線性光學響應。利用二茂鐵基團的可逆氧化還原特性，則有可能通過可逆的電化學來控制其衍生物的光化學特性，實現氧化還原開關效應，這類氧化還原開關材料在電致變色、光電記憶和光通訊領域具有很大的應用價值。

非線性光學材料是一類受外部光場、電場和應變場的作用，頻率、相位、振幅等發生變化，從而引起折射率、光吸收、光散射等變化的材料。在用激光做光源時，激光與介質間相互作用產生的非線性光學現象，利用非線性光學材料的變頻和光折變功能，尤其是倍頻和三倍頻能力，可將其廣泛應用于有線電視和光纖通信用的信號轉換器、激光頻率轉換、四波混頻、光束轉向、光信息處理、光存儲、光纖通訊、激光對抗及核聚變等研究領域[9]。

檢測材料的光學非線性系數的方法有多種，如三階諧波產生(THG)、電場誘導二次諧實波(EFISH)、簡并四波混頻(DFWM)、激光 Z-掃描、自聚焦和自散焦、光邏輯門技術(OKG)等等。其中簡并四波混頻（DFWM）和激光 Z-掃描應用較為普遍[10,11]。

2.1 Fc在二階NLO的應用

二茂鐵具有共軛體系的氧化還原中心和低能耗的金屬-配體轉換，巴基碗(Buckybowl)是一種介于平面和球體之間的具有獨特空間構型的碳納米材料，它在保留了巴基球穩定結構之上又有獨特的電子結構，使得它在電子轉移模式上不同于其他化合物，二茂鐵-巴基碗化合物將是非常好的NLO開關裝置[12,13]。

圖3 二茂鐵-巴基碗開/關超極化率[15]Fig.3 Ferrocene?Buckybowl of NLO “on/off” [15]

Wang[14]等研制出一系列具有良好熱光化學穩定性的光電子和非線性光學開關，二茂鐵-巴基碗光學開關具有良好二階非線性光學性質，超極化率達到100.2 esu（圖3），研究前景極其誘人。

Tiffany[15]等在研究二茂鐵、八甲基二茂鐵、二茂釕等電子供體的二階非線性光學理論指出：化合物具有線性或者非線性光學性質取決于金屬-受體和Π鍵-受體的能量大小，更好的了解和運用Π鍵-給體的勢能對設計具有Π鍵體系的光活性物質有很大幫助。

2.2 Fc在三階NLO的應用

Li[16]等研制出三種具有二茂鐵基的雜合物[Zn(4-PFA)2(NO3)2](H2O)、[Cd2(OAc)4-(4-BPFA)2] 和[Hg2(OAc)4(4-BPFA)2](CH3OH) 。通過X射線單晶衍射方法測定[Zn(4-PFA)2(NO3)2](H2O)、[Hg2(OAc)4(4-BPFA)2](CH3OH) 結構，結果顯示[Zn(4-PFA)2(NO3)2](H2O)結構單體以四面體單鏈條形式鏈接，4-PFA中的二個氮原子和硝酸鹽離子中二個氧原子組成的四面體結構，Zn原子處于四面體上。雜合物[Hg2(OAc)4(4-BPFA)2](CH3OH)由4-BPFA和Hg原子組成的環狀結構，其結構單體以環形單鏈條形式鏈接。用Z-scn技術測量三個雜合物的三階非線性光學性質。結果表明所有的雜合物都具有強烈的自聚焦效應，極化率值在1.51×10-28～3.12×10-28esu。

Liu[17]和同事合成雜合物 Fe(η5-C55X5)2(X=CH、N、B)，用密度泛函數理論研究其幾何結構，電子光譜和三階非線性光學性質(NLO)。通過電子吸收光譜計算得知分子內二茂鐵和 C50的交互作用：短波長光子從Fc分子轉移到C50分子，同時伴隨了少量的能量轉移。SOS表明了這些Fc/Fu雜合物具有相當大的三階NLO響應。由γ值分析可知電子轉移沿著雜合物的 Z軸(穿過鐵原子和富勒烯分子中心)，這使得雜合物由較大的 NLO響應。Fe(η5-C55B5)2能隙較小，使整個分子結合的更加緊密，增大了非線性光學性能，其靜態三階極化率值達到10 410×10-36esu，二階極化率 0.250。因此 Fe(η5-C55B5)2將成為非常優秀的NLO材料。

3 在其他方面應用

Yuan[18]等將稀土引入二茂鐵基雜合物，合成了Fc-Ln-Phen雜合物：Ln(tta)3-(Fc2phen)](Ln=La、Nd、Eu、Yb)。這些雜合物的結構相似，近似于扭曲的十二面球體。引入的二茂鐵基使雜合物光吸收范圍由紫外光拓展到可見光420 nm。使得雜合物具有疏水性，易溶于非極性有機溶劑。[Eu(tta)3-(Fc2phen)]可在紅色光的激發下發光。[Nd(tta)3-(Fc2phen)]和[Yb(tta)3-(Fc2phen)]可以在近紅外光下光致發光。

Coe[19]等在研究 NLO的理論后提出：模仿二茂鐵的夾心結構重新組建更大的夾心結構可以提高物質的NLO性質。Wang[20]等以此理論進行創新，嘗試合成與二茂鐵具有相似更大夾心結構的雜合物，VnBzn+1-(C2H2)3-NO2(n=1、2、3)，測試表明此雜合物具有很大的NLO響應。

4 展 望

二茂鐵基雜合物在PDT和NLO的應用都取得了一定的成果。在 PDT中研究的寬度和深度還不夠，應用在PDT中的物質還比較少。國外在此領域的研究處于領先的地位，國內對此領域的報道很少，且創新性都不高。在NLO領域的研究我國于領先地位，我國科研工作者更傾向于合成高響應NLO的二茂鐵基雜合物，國外科研人員在此領域研究更注重物質的結構和反應理論。

設計合成生物型二茂鐵光敏劑是未來二茂鐵衍生物研究的一個重點，可以預期，光活性的二茂鐵衍生物將在治療癌癥中發揮重要的作用。

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