新型鋅酞菁衍生物的合成及其光物理性質(zhì)

李 雙,胡學(xué)雷,姚楚笛,葛燕麗

(武漢工程大學(xué) 化工與制藥學(xué)院 綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430073)

酞菁化合物結(jié)構(gòu)易修飾、光物理與光化學(xué)性質(zhì)良好，易在腫瘤組織或其血管內(nèi)富集，成為開發(fā)抗腫瘤光敏劑的熱點化合物[1-2]。目前，光動力治療(PDT)與光熱治療(PTT)是治療癌癥的重要策略。其中PTT可以通過熱作用殺傷腫瘤細(xì)胞，同時降低對正常組織的損傷。然而，單獨采用PTT對腫瘤細(xì)胞的殺傷能力有限，通常會與PDT、放/化療以及免疫治療等聯(lián)合，以達(dá)到更好的治療效果[3-5]。PDT是在特定波長光照下，光敏劑光照活化后與氧氣結(jié)合產(chǎn)生細(xì)胞毒性物質(zhì)，從而殺死癌細(xì)胞的治療方法[6]。

PDT的3個基本要素為光源，光敏劑和氧。

其中光敏劑最為關(guān)鍵[7]。酞菁環(huán)為18π電子結(jié)構(gòu)，水溶性較差。為改善其水溶性，可在酞菁外周環(huán)連接不同基團(tuán)[8]。酞菁環(huán)中心Zn2+的d10結(jié)構(gòu)使酞菁化合物的光學(xué)光譜不受附加波段影響，且鋅酞菁具有良好的產(chǎn)生單線態(tài)氧的能力[9]。

本文以鋅酞菁為母核，設(shè)計并合成了一個新型的陽離子型鋅酞菁衍生物(1,Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)UV-Vis,1H NMR和HR-MS(ESI)表征。以DMSO為溶劑，檢測了化合物1的光物理性質(zhì)。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

UV-2450型紫外-可見光譜儀；Varian Mercury-VX 300 MHz型超導(dǎo)核磁共振儀(TMS為內(nèi)標(biāo))；Daltonics APEXIII 7.0 Tesla FT型質(zhì)譜儀；RF-5301PC型穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)熒光光譜儀；MW-GX-808/5000 mW型激光燈。

4-硝基鄰苯二甲腈(>98.0%)，N,N-二甲基乙醇胺(98%)，阿拉丁試劑有限公司；1,3-二苯基異苯并呋喃(DPBF，97%)，Sigma公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 4-(N,N-二甲胺基乙氧基)鄰苯二甲腈(2)的合成

在三口燒瓶中依次加入DMF 20 mL，N,N-二甲基乙醇胺0.534 g(6 mmol)、4-硝基鄰苯二甲腈0.865 g(5 mmol)和干燥K2CO32.05 g(0.015 mol)，冰浴冷卻，攪拌下反應(yīng)72 h。倒入100 mL飽和食鹽水中，用乙酸乙酯萃取，有機相減壓蒸除溶劑，殘余物經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑：石油醚/乙酸乙酯=10/1,V/V)純化得黃色固體20.511 g，產(chǎn)率47.3%;1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:8.05～8.03(d,J=8.0 Hz,1H,ArH),7.79～7.78(d,J=4.0 Hz,1H,ArH),7.48～7.45(dd,J=12.0 Hz,1H,ArH),4.23～4.20(m,2H,CH2),2.65～2.62(m,2H,CH2),2.20～2.17(s,6H,CH3)。

(2) 2,9,16,23-四(N,N-二甲胺基乙氧基)鋅酞菁(3)的合成

在圓底燒瓶中依次加入化合物20.238 g(1 mmol)、Zn(OAc)20.055 g(0.3 mmol)和正戊醇8 mL，氬氣保護(hù)下升溫到100 ℃，加入DBU 0.146 mL(0.001 mol)，回流反應(yīng)24 h。冷卻至室溫，反應(yīng)液倒入甲醇中攪拌30 min；離心，固體依次用甲醇、沸乙醇和二氯甲烷洗滌至洗液無色，真空干燥得藍(lán)色固體30.132 g，產(chǎn)率56.1%;1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:9.21～9.14(m,4H,Pc),8.84～8.76(d,J=32.0 Hz,4H,Pc),7.73～7.72(d,J=4.0 Hz,4H,Pc),5.30(s,8H,CH2),4.63(s,8H,CH2),2.45(s,12H,CH3);HR-MS(ESI)m/z:Calcd for C48H52N12O4Zn[M+]924.3528,found 924.3526。

(3) 2,9,16,23-四(N,N,N-三甲胺基乙氧基)鋅酞菁四碘化物(1)的合成

將化合物30.200 g(0.213 mmol)溶解于20 mL無水氯仿中，加入碘甲烷0.270 g(1.908 mmol)，攪拌下反應(yīng)24 h。離心，固體依次用氯仿、二氯甲烷、乙酸乙酯和丙酮洗滌得藍(lán)色固體10.278 g，收率87.1%;1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ:9.40～9.38(d,J=8.0 Hz,4H,Pc),9.03～9.02(d,J=4.0 Hz,4H,Pc),7.91(s,4H,Pc),5.11(s,8H,CH2),4.12(s,8H,CH2),3.41(s,36H,CH3);HR-MS(ESI)m/z:Calcd for C52H64N12O4I4Zn for {[M-4I]4+/4}246.1129,found 246.1123。

1.3 光物理性質(zhì)測試

(1) UV-Vis

溶劑為DMSO，測試濃度為0.5～5 μM，掃描范圍為800～250 nm。

(2) FL

溶劑為DMSO，測試濃度為0.5 ～5 μM，激發(fā)波長為610 nm，狹縫寬為Ex=2.0和Em=2.0，記錄目標(biāo)化合物和ZnPc在630～800 nm的熒光發(fā)射曲線。

(3) 單線態(tài)量子產(chǎn)率

以1,3-二苯基異苯并吡喃(DPBF)為探針，檢測目標(biāo)化合物產(chǎn)生單線態(tài)氧的能力。在室溫和避光條件下，以DMSO為溶劑，配制3 mL待測溶液，使目標(biāo)化合物(或ZnPc)終濃度為0.2 μM，DPBF濃度為40 μM；以只含DPBF(40 μM)的DMSO溶液為空白對照。待測液用150 W鹵素?zé)粽丈?距離樣品15 cm)，每隔10 s取樣進(jìn)行紫外掃描。

(4) 光熱轉(zhuǎn)換效率

使用808 nm的激光照射化合物1(或ZnPc)，溶劑為DMSO，測試濃度為50～300 μg/mL，使用紅外成像裝置測量溶液的溫度，每隔30 s記錄溶液溫度，測量時間為10 min，以DMSO為空白對照。測試循環(huán)曲線時，照射10 min后關(guān)閉10 min，循環(huán)5組，間隔30 s記錄數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外-可見吸收光譜

圖1為化合物1的UV-Vis譜圖，插圖為化合物1在Q-band最大吸收峰(λmax=682 nm)處的吸光度-濃度圖。由圖1可知，化合物1在600～750 nm的可見區(qū)(Q-band)和300～400 nm的近紫外區(qū)(B-band，Soret帶)有強吸收峰。Q-band是酞菁類化合物的特征吸收帶，可作為酞菁成環(huán)的標(biāo)志。此外，化合物1在Q-band最大吸收峰附近存在一個較弱的吸收峰，它是分子內(nèi)電子躍遷引起的振動峰[10]。除這3個特征峰外，圖中沒有發(fā)現(xiàn)其它吸收峰，且插圖中化合物1在Q-band 最大吸收峰(λmax)處的吸光度與濃度呈線性關(guān)系，說明化合物1在DMSO中以單體形式存在，無聚集現(xiàn)象[11]。

λ/nm圖1 化合物1的UV-Vis譜圖Figure 1 UV-Vis absorption spectrum of compound 1

λ/nm圖2 化合物1的FL譜圖Figure 2 FL spectra of compound 1

2.2 熒光光譜

在610 nm激發(fā)波長下，化合物1的熒光發(fā)射譜圖見圖2，插圖為最大發(fā)射峰(λEm=690 nm)處的熒光強度-濃度圖。從圖2可以看出，化合物1在610 nm激發(fā)波長下，最大發(fā)射峰(λEm=690 nm)處的熒光強度隨濃度增加而增強，且呈線性關(guān)系。以ZnPc[ΦF(ZnPc)=0.20]為參比[12]，根據(jù)文獻(xiàn)[13]方法計算得化合物1的熒光量子產(chǎn)率(ΦF)為0.22。

λ/nm

λ/nm

λ/nm圖3 DPBF的UV-Vis譜圖Figure 3 UV-Vis absorption spectra of DPBF

2.3 單線態(tài)氧量子產(chǎn)率

圖3為DPBF的UV-Vis譜圖。由圖3可見，DPBF在416 nm處有最大吸收，將不同光照時間下DPBF在416 nm處的吸光度減去化合物存在下DPBF的吸光度記為△OD，以△OD值對光照時間作圖(圖4)，所得直線斜率即為化合物存在下DPBF的光降解速率(K1=0.00309，KZnPc=0.0027)。化合物在波長610～800 nm的Q帶吸收峰的積分面積分別為A1=38.925和AZnPc=40.049。以ZnPc(ΦΔ(ZnPc)=0.67[12])為參比，根據(jù)文獻(xiàn)[13]方法計算得到化合物1的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率(ΦΔ)為0.71。

Time/s圖4 DPBF被化合物1產(chǎn)生的單線態(tài)氧降解引起的吸光度變化Figure 4 Plot of change in absorbance of DPBF in the presence of compound 1

Time/s圖5 化合物1的光熱升溫曲線Figure 5 The photothermal heating curves of 1

Time/min圖6 1的輻射/冷卻循環(huán)曲線Figure 6 The irradiation/cooling cycle curves of 1

2.4 光熱轉(zhuǎn)換效率

圖5為不同濃度的化合物1在808 nm激光(功率為1.98 W/cm2)持續(xù)照射10 min內(nèi)的溫度-時間曲線圖。由圖5可知，化合物1溫度由31.4 ℃升至50.8 ℃。圖6為同等條件下化合物1的輻射/冷卻循環(huán)曲線。由圖6可知，經(jīng)過數(shù)次輻射/冷卻，化合物1的溫度均未發(fā)生發(fā)生明顯變化，說明化合物1的熱穩(wěn)定性良好，加熱后化合物結(jié)構(gòu)未被破壞。根據(jù)文獻(xiàn)[14]方法計算得到化合物1的光熱轉(zhuǎn)換效率(ηT)為48.8%。

設(shè)計并合成了一個陽離子型鋅酞菁衍生物1。化合物1的Q-帶最大吸收峰(λmax)為682 nm；最大發(fā)射波長為690 nm；以ZnPc(ΦF=0.20，Φ△=0.67)為參照，得出化合物1的熒光量子產(chǎn)率(ΦF)為0.22，單線態(tài)氧量子產(chǎn)率(Φ△)為0.71，優(yōu)于ZnPc。檢測了化合物1的光熱轉(zhuǎn)換能力和熱穩(wěn)定性，計算得到光熱轉(zhuǎn)換效率為48.8%。化合物1具有良好的光物理性質(zhì)，有望用于光動力/光熱雙重療效抗腫瘤光敏劑的開發(fā)。