新型環(huán)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(yè)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(fā)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(yī)用生物材料[1]等。近年來，在醫(yī)用生物材料和藥物傳輸系統(tǒng)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(jié)側基的結構不同，可實現磷腈衍生物具有廣范的綜合性質?；诹纂娣肿拥目臻g結構特性，發(fā)現磷腈類物質有能力實現分子間非共價鍵結合或發(fā)生超分子自組裝，這種特性使得該類物質在藥物傳輸系統(tǒng)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(huán)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(huán)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(huán)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(huán)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(huán)C-H), 1 731(酯C=O), 1 644(酰胺C=O)， 1 603, 1 494(苯環(huán)), 1 204, 1 184, 1 182(磷腈環(huán)), 1 097(酯C-O), 887(苯環(huán)) 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(fā)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(huán)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(fā)生斷裂，即氨基酸酯鍵發(fā)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(wěn)定而發(fā)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(fā)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(huán)境中可以穩(wěn)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(fā)光譜和發(fā)射光譜。由圖3和圖4可知，1的最大激發(fā)波長為457 nm，最大發(fā)射波長為447 nm，均落在可見光區(qū)。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(huán)和色氨酸酯環(huán)，這些芳香性環(huán)通過分子間的的π-π共軛作用產生發(fā)光特性[10]。

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

λ/nm圖4 1的熒光發(fā)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(huán)三磷腈大分子1。通過模擬體液環(huán)境研究其水解行為，發(fā)現1可以穩(wěn)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(fā)波長和發(fā)射波長均落在可見光區(qū)，1有望作為生物體內熒光示蹤材料。

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