溴代氮雜氟硼二吡咯類近紅外吸收光敏劑的合成，光物理性質(zhì)及其產(chǎn)生單線態(tài)氧性能研究

吳清華，崔救恩，焦莉娟，郝二紅

(安徽師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

光動(dòng)力學(xué)療法(Photodynamic Therapy,PDT)[1-3]是一種基于光化學(xué)反應(yīng)的新型治療技術(shù)，其有著較多的優(yōu)勢而成為目前人們研究的熱點(diǎn)。光敏劑(Photosensitizers,PS)在PDT中至關(guān)重要，新型高效的光敏劑是人們一直追求的目標(biāo)。PDT治療中具有光活性的化學(xué)藥物和其適當(dāng)?shù)牟ㄩL兩者協(xié)同作用而產(chǎn)生活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)，繼而產(chǎn)生細(xì)胞毒性。在PDT的臨床治療中，通常是使用靜脈注射PS，之后由于細(xì)胞的吞噬轉(zhuǎn)運(yùn)等會(huì)使得PS聚集到病灶上，然后再用適當(dāng)波長的光對病變組織進(jìn)行照射，這些富集在病灶上的PS由于光的激發(fā)而發(fā)生一系列的光物理、光化學(xué)反應(yīng)。綜上所述，光動(dòng)力療法具有其他療法所不能替代的優(yōu)點(diǎn)：選擇性強(qiáng)、微創(chuàng)、基本不傷害正常組織、安全、毒副作用小、療效確切、抗瘤譜廣、操作簡便、不產(chǎn)生耐藥性、可重復(fù)治療、可與其他療法同時(shí)進(jìn)行而不影響其他治療的療效并與多種惡性腫瘤的治療手段有相加或協(xié)同作用。

雖然PDT治療有著較多的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多問題需要解決。目前所發(fā)展的光敏劑的吸收波長較短，限制了PDT治療時(shí)的組織穿透性，一般僅能穿透0.5 cm厚的機(jī)體組織。并且由于人體組織的散射和吸收使得PDT的適用范圍遭到了較大的限制，目前常見的PDT療法主要適用于皮膚的淺表以及空腔臟器的治療。受限于PS的吸收波長使其治療的范圍也遭到了限制。光由于其波長的不同而使其具有不同的組織穿透能力，波長的增加能有效地提高激光的穿透力。光敏劑是光動(dòng)力學(xué)療法的核心物質(zhì)，設(shè)計(jì)開發(fā)理想新型近紅外光敏劑是解決激光穿透力較弱的關(guān)鍵。理想光敏試劑要求：①單一組分的純化合物；②能在腫瘤及癌細(xì)胞中快速選擇性富集停留；③長波近紅外區(qū)域(650～850 nm的PDT激發(fā)光窗口)有強(qiáng)吸收；④治療窗口寬(兼有暗毒性弱和光毒性強(qiáng)的性能)[4]。

氮雜氟硼二吡咯是近年受到廣泛重視的一類熒光染料，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：在650 nm以上近紅外區(qū)域有強(qiáng)烈的吸收；有較好的光穩(wěn)定性；合成簡單等[5-9]。由于重原子效應(yīng)，溴代或碘代的Aza-BODIPY衍生物由于重原子效應(yīng)可以產(chǎn)生單線態(tài)氧，是良好的光敏劑，具有發(fā)展成光動(dòng)力學(xué)療法光敏劑的潛力。系統(tǒng)研究了幾種選擇性溴代氮雜氟硼二吡咯的合成方法，發(fā)現(xiàn)在溴素過量時(shí)，能意外地選擇性生成多溴代產(chǎn)物；研究并比較了產(chǎn)物光物理性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)這些氮雜氟硼二吡咯在2，6-位溴代的分子都能在近紅外光照下高效地產(chǎn)生單線態(tài)氧，進(jìn)一步比較溴原子在氮雜氟硼二吡咯1,7及3,5位的芳環(huán)上時(shí)，其位置對單線態(tài)氧性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品及試劑

實(shí)驗(yàn)中所使用的試劑除非特殊說明外均使用的分析純，均未經(jīng)進(jìn)一步處理，使用0.25 mm的TLC板(60F-254)對反應(yīng)進(jìn)行跟蹤。1,3-二苯基異苯并呋喃(DPBF,97%，購自Aldrich公司)。

1.2 樣品的測試與表征

實(shí)驗(yàn)中的核磁氫譜(1H NMR)以及碳譜(13C NMR)是從Bruker公司生產(chǎn)的AV-300這一型號(hào)的核磁儀測試得到的，譜圖中的化學(xué)位移的內(nèi)標(biāo)用的是Si(CH3)4(TMS)，化學(xué)位移的單位是ppm。在獲得測試數(shù)據(jù)后，利用Mestrenova軟件進(jìn)行后處理。實(shí)驗(yàn)中的紫外可見吸收光譜是用島津UV2450分光光度計(jì)(190～900 nm掃描范圍)測得。熒光發(fā)射光譜是用Hitachi F-4600FL分光光度計(jì)測得。

單線態(tài)氧產(chǎn)生效率測試。利用染料分子與二苯基異苯并呋喃(DPBF)反應(yīng)，測試其降解速率。在氯仿中將光敏劑和參比光敏劑(MB)以及DPBF的濃度分別配制為2.0×10-6M，2.0×10-6M和5.0×10-5M，使用氙燈照射，以590 nm的長波通濾光片濾光，通過調(diào)節(jié)氙燈的電壓，將其光強(qiáng)調(diào)至0.5 mW/cm2，通過吸收光譜記錄DPBF在415 nm處的吸光度的變化。

紫外光譜性質(zhì)的測定。①稱量：紫外可見吸收光譜的測定需要確定化合物的結(jié)構(gòu)，確?；衔镞_(dá)到很高純度和干燥度，用萬分之一天平稱取質(zhì)量為1.0～3.0 mg左右的樣品。②配樣：首先用0.5～1 mL的二氯甲烷溶解配制10-3mol/L的樣品母液。再用移液槍移取10～30 μL母液加入到4 mL離心管中，等待CH2Cl2揮發(fā)干后，用5 mL移液管移取測試所需的不同溶劑，配成三組濃度梯度不同的數(shù)量級為10-5mol/L的測試樣，并且盡可能確保紫外吸光度在0.2～0.7范圍內(nèi)。③測試：每一種溶劑測試前，用相應(yīng)溶劑的空白樣掃描基線后進(jìn)行紫外可見吸收光譜的測試。

熒光發(fā)射光譜性質(zhì)的測定：熒光發(fā)射光譜通常需要樣品的濃度在10-6mol/L左右。熒光量子產(chǎn)率的測定以1,3,5,7-四苯基AzaBODIPY 4a(氯仿,φ=0.34)為參比，激發(fā)波長為600 nm。研究中所有化合物熒光量子產(chǎn)率的計(jì)算公式為[10]：

式中,Φ為量子產(chǎn)率；A為樣吸收強(qiáng)度；I為熒光光譜線下的積分面積；n為各個(gè)溶劑的折射率；下標(biāo)s和x分別代表標(biāo)準(zhǔn)物和各個(gè)樣品。

1.3 樣品的合成

化合物1-3按文獻(xiàn)報(bào)道的方法合成[5,9,11]，其制備方法如下。

(1)α-β不飽和芳酮1a-c的制備。

稱取B(20 mmol)置于50 mL燒瓶中,并使用20 mL的EtOH將其溶解，在磁力攪拌的條件下往上述溶液中加入A(20 mmol)，之后再將8 mL 10%的NaOH溶液在攪拌條件下逐滴加入到反應(yīng)中，在有大量黃色沉淀固體生成前繼續(xù)攪拌，反應(yīng)完成后,抽濾,濾餅先用水洗,再用乙醇/水混合溶劑(體積比10∶7)洗滌,干燥,得固體產(chǎn)物1,產(chǎn)率分別為：1a(3.9 g,94%),1b(5.4 g,95%),1c(5.2 g,92%)。

1a:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ7.92(d,J=7.12 Hz,2H),7.85(d,J=6.89 Hz,1H),7.78(d,J=5.85 Hz,1H),7.69(d,J=9.30 Hz,4H),7.49～7.51(m,4H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ189.9,145.7,137.2,135.7,132.9,131.5,130.7,129.5,129.0,127.8,122.9.HRMS Calcd for:C15H12O:208.088 8.Found:208.089 8.

1b:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ7.88(d,J=7.58 Hz,2H),7.82(d,J=6.37 Hz,1H),7.65(d,J=5.92 Hz,4H),7.41～7.45(m,4H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ189.3,145.4,136.9,134.7,131.9,130.7,130.0,129.0,128.5,127.8,121.5.HRMS Calcd for:C15H11BrO:285.999 3.Found:285.998 9.

1c:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ8.02(d,J=6.88 Hz,2H),7.69～7.79(m,3H),7.49～7.60(m,4H),7.37(d,J=5.32 Hz,2H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ190.4,143.7,138.4,138.3,134.5,133.2,130.0,128.8,128.7,122.8,97.1.HRMS Calcd for:C15H11BrO:285.999 3.Found:285.999 6.

(2)硝基甲烷與烯酮的邁克爾加成反應(yīng)制備2a-c。

在50 mL圓底燒瓶中將化合物1(8 mmol)溶于30 mL無水乙醇中,再加入二乙胺(8mL)和硝基甲烷(8 mL)。反應(yīng)混合物加熱回流，70 ℃條件下反應(yīng)24 h。反應(yīng)混合物倒入200 mL水中，用二氯甲烷(100 mL×3)萃取，無水硫酸鈉干燥，減壓旋干后得到油狀產(chǎn)物2。其產(chǎn)率分別為：2a(2.02 g,94%),2b(2.64 g,95%),2c(2.55 g,92%)。

2a:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ7.85(d,J=7.14 Hz,2H),7.51(t,J=7.41 Hz,1H),7.39(d,J=7.14 Hz,2H),7.19～7.29(m,5H),4.74～4.80(m,1H),4.59～4.65(m,1H),4.11～4.16(m,1H),3.31～3.46(m,2H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ196.8,139.1,136.4,133.5,129.1,128.7,128.0,127.8,127.4,79.5,41.5,39.3.HRMS Calcd for C16H15NO3:269.105 2.Found:269.106 1.

2b:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ7.76(d,J=8.12 Hz,2H),7.58(d,J=8.35 Hz,2H),7.31～7.34(m,2H),7.26～7.28(m,3H),4.78～4.82(m,1H),4.65～4.70(m,1H),4.17～4.22(m,1H),3.36～3.45(m,2H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ195.8,138.9,135.1,132.1,129.5,129.1,128.8,127.9,127.4,79.5,41.5,39.2.HRMS Calcd for C16H12BrNO3:345.000 1.Found:345.000 9.

2c:1H NMR(500 MHz,CDCl3):δ7.80(d,J=7.56 Hz,2H),7.59(d,J=8.12 Hz,2H),7.23～7.35(m,5H),4.81～4.84(m,1H),4.74～4.78(m,1H),4.11～4.25(m,1H),3.36～3.40(m,2H).13C NMR(126 MHz,CDCl3):δ196.3,139.0,138.2,135.8,129.5,129.3,128.1,127.6,101.8,79.6,41.5,39.4.HRMS Calcd for C16H12BrNO3:345.000 1.Found:345.000 5.

(3)四芳基氮雜二吡咯甲川3a-c的合成。

將化合物2(1.0 mmol)溶于20 mL無水乙醇中，再加入醋酸銨(1.54 g,20 mmol)，混合物在70 ℃條件下加熱回流24 h。冷卻到室溫后抽濾，固體用乙醇洗滌，再減壓干燥得到粗產(chǎn)物，通過硅膠柱色譜分離提純(石油醚/二氯甲烷=3/1，v/v)得到產(chǎn)物3。其產(chǎn)率分別為：3a(207 mg,46%),3b(236 mg,39%),3c(272 mg,45%)。

3a:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ8.04～8.08(m,4H),7.94～7.97(m,4H),7.33～7.57(m,12H),7.21(s,2H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ155.1,149.6,142.7,133.7,132.2,130.1,129.2,129.1,128.3,128.0,126.6,114.9.HRMS Calcd for C32H24N3[M+H]+:450.197 0.Found:450.194 8.

3b:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ8.03(d,J=8.12 Hz,4H),7.77(d,J=8.33 Hz,4H),7.66(d,J=8.12 Hz,4H),7.41～7.43(m,4H),7.35～7.38(m,2H),7.15(s,2H).MS(MALDI-TOF):C32H21Br2N3[M]+calcd:m/z 607.008 2.Found:m/z 607.03 4.

3c:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ7.88～7.95(m,8H),7.48～7.60(m,10H),7.19(s,2H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):Compound was too insoluble to record a spectrum.HRMS Calcd for C32H22Br2N3[M+H]+:606.018 0.Found:606.019 2.

(4)Aza-BODIPY 4的合成。

將化合物3(10 mmol)、醋酸銨(11.6 g,15 eq)溶于30 mL醋酸中，置于120 ℃下反應(yīng)8 h，趁熱過濾、洗滌、烘干得到黑綠色固體，然后將它溶解在甲苯中，置于65 ℃下分別加入三乙胺(10 mL)、三氟化硼乙醚(15 mL)反應(yīng)30 min，然后用二氯甲烷萃取、干燥、旋干得到粗產(chǎn)物，進(jìn)一步通過重結(jié)晶(二氯甲烷和石油醚)得到化合物4。其產(chǎn)率分別為：4a(4.27 g,86%),4b(5.62 g,86%),4c(5.55 g,85%)。

4a:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ8.05～8.07(m,8H),7.4～7.55(m,12H),7.02(s,2H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ158.9,1454.6,143.8,131.8,130.2,129.9,129.1,128.8,128.3,127.9,127.5,118.8.HRMS Calcd for C32H23BF2N3[M+H]+:498.195 3.Found:498.196 3.

4b:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ8.01～8.02(m,4H),7.78～7.86(m,4H),7.53～7.59(m,4H),7.41～7.48(m,6H),6.99(s,2H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ158.1,145.5,144.3,131.7,130.8,130.7,130.6,129.5,129.2,128.4,125.7,118.6.HRMS Calcd for C32H21BBr2F2N3[M+H]+:656.003 3.Found:656.006 1.

4c:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ8.01～8.04(m,4H),7.90(d,J=8.3 Hz,4H),7.61(d,J=8.3 Hz,4H),7.48～7.51(m,6H),7.03(s,2H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ159.6,145.1,142.6,131.6,131.0,129.8,129.6,129.3,128.4,124.1,119.1,107.5.HRMS Calcd for C32H21BBr2F2N3[M+H]+:654.016 3.Found:654.017 1.

(5)溴代Aza-BODIPY 5a-c的合成。

路線a:在干燥的50 mL圓底燒瓶中，稱取3a-c(1 mmol)溶于30 mL的二氯甲烷，另稱取NBS(390 mg,2.1 mmol)溶于5 mL的二氯甲烷，滴加到圓底燒瓶中，室溫下攪拌，TLC跟蹤，待原料完全反應(yīng)后，用二氯甲烷萃取(3×50 mL)、收集有機(jī)相水洗(3×50 mL)、干燥、減壓濃縮得到粗產(chǎn)品之后將其溶于10 mL甲苯中，依次加入1 mL三乙胺和1.5 mL三氟化硼乙醚，在65 ℃的條件下反應(yīng)30 min，用二氯甲烷萃取(3×50 mL)、收集有機(jī)相水洗(3×50 mL)、干燥、減壓濃縮得到粗產(chǎn)品，重結(jié)晶得到5a-c。其產(chǎn)率分別為：5a(392 mg,60%),5b(533 mg,66%),5c(566 mg,70%)。

路線b:在干燥的50 mL圓底燒瓶中，稱取4(1 mmol)溶于30 mL的二氯甲烷，另稱取NBS(712 mg,4 mmol)溶于10 mL的二氯甲烷，滴加到圓底燒瓶中，室溫下攪拌，TLC跟蹤，待原料完全反應(yīng)后，用二氯甲烷萃取(3×50 mL)、收集有機(jī)相水洗(3×50 mL)、干燥、減壓濃縮得到粗產(chǎn)品，再經(jīng)柱層析分離得到產(chǎn)物5。其產(chǎn)率分別為：5a(559 mg,85%),5b(719 mg,89%),5c(727 mg,90%)。

路線c:在干燥的250 mL圓底燒瓶中，稱取4(1 mmol)溶于150 mL的二氯甲烷，將稱好的液溴溶于10 mL的二氯甲烷，冰水浴條件下逐滴滴加到反應(yīng)溶液中，滴加完后再繼續(xù)攪拌15 min。待反應(yīng)完全后，加入100 mL飽和的硫代硫酸鈉溶液淬滅反應(yīng)，用二氯甲烷萃取(3×50 mL)、收集有機(jī)相水洗(3×50 mL)、干燥、減壓濃縮得到粗產(chǎn)品，再經(jīng)柱層析分離得到產(chǎn)物5。其產(chǎn)率分別為：5a(601 mg,92%),5b(768 mg,95%),5c(760 mg,94%)。

5a:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ7.86～7.90(m,4H),7.71～7.74(m,4H),7.42～7.50(m,12H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ157.2,143.1,141.7,129.5,129.4,129.1,129.0,128.3,128.1,126.8,126.5,109.4.HRMS Calcd for C32H21BBr2F2N3[M+H]+:654.016 3.Found:654.031 4.

5b:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ7.88～7.97(m,4H),7.58～7.69(m,4H),7.42～7.51(m,6H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ153.7,143.3,141.4,131.9,131.5,130.8,130.3,129.9,128.1,126.0,122.7,114.5.HRMS Calcd for C32H19BBr4F2N3[M+H]+:814.812 1.Found:814.8099.

5c:1H NMR(300 MHz,CDCl3):δ7.69～7.72(m,8H),7.56～7.58(m,4H),7.45～7.48(m,6H).13C NMR(75 MHz,CDCl3):δ158.5,143.8,141.5,131.9,131.7,131.3,130.6,129.5,129.3,128.5,124.7,110.8.HRMS Calcd for C32H19BBr4F2N3[M+H]+:813.828 2.Found:813.827 0.

(6)四芳基氮雜二吡咯甲川3c直接多溴代合成Aza-BODIPY 5b。

在干燥的250 mL圓底燒瓶中，稱取3a(449 mg,1 mmol)溶于150 mL的二氯甲烷，將稱好的液溴(5.7 g,36 mmol)溶于10 mL的二氯甲烷，冰水浴條件下逐滴滴加到反應(yīng)溶液中，滴加完后再繼續(xù)攪拌15 min。待反應(yīng)完全后，加入100 mL飽和的硫代硫酸鈉溶液淬滅反應(yīng)，用二氯甲烷萃取(3×50 mL)、收集有機(jī)相水洗(3×50 mL)、干燥、減壓濃縮得到粗產(chǎn)品之后將其溶于10 mL甲苯中，依次加入1 mL三乙胺和1.5 mL三氟化硼乙醚，在65 ℃的條件下反應(yīng)30 min，用二氯甲烷萃取(3×50 mL)、收集有機(jī)相水洗(3×50 mL)、干燥、減壓濃縮得到粗產(chǎn)品，重結(jié)晶得到產(chǎn)物5b(646 mg,80%)。

(7)溴代Aza-BODIPY 5d的合成。

在干燥的50 mL圓底燒瓶中，稱取4a(497 mg,1 mmol)溶于30 mL的二氯甲烷，另稱取NBS(196 mg,1.1 mmol)溶于5 mL的二氯甲烷，滴加到圓底燒瓶中，室溫下攪拌，TLC跟蹤，待原料完全反應(yīng)后，用二氯甲烷萃取(3×50 mL)、收集有機(jī)相水洗(3×50 mL)、干燥、減壓濃縮得到粗產(chǎn)品，再經(jīng)柱層析分離得到產(chǎn)物5d(448 mg,78%)。

5d:1H NMR(300 MHz,CDCl3)δ7.96～8.01(m,4H),7.87(d,J=8.9 Hz,2H),7.63(d,J=8.9 Hz,2H),7.41～7.47(m,12H),7.09(s,1H).13C NMR(75 MHz,CDCl3)δ162.4,155.5,146.3,145.6,143.2,140.7,131.9,131.8,131.5,130.6,130.1,129.9,129.6,129.1,128.8,128.7,129.4,128.3,127.8,127.7,127.0,126.9,119.9,108.8.HRMS(EI)Calcd.for C32H22BBrF2N3[M+H]+577.092 6.Found 577.093 9.

2 結(jié)果與討論

2.1 氮雜氟硼二吡咯的合成

Aza-BODIPY按文獻(xiàn)報(bào)道的方法合成[9]。主要經(jīng)過羥醛縮合合成查爾酮1，其產(chǎn)率分別是1a(94%),1b(95%),1c(92%)；再與二乙胺發(fā)生邁克爾加成生成2，其產(chǎn)率分別是2a(94%),2b(95%),2c(92%)；后者在乙醇中回流與醋酸銨縮合得到二吡咯甲川3如圖1所示。其產(chǎn)率分別是3a(46%),3b(39%),3c(45%)，這三步反應(yīng)都很高效，無需柱色譜分離?；衔?經(jīng)與三氟化硼配位得到氮雜氟硼二吡咯4。作為親電取代反應(yīng)的一種，溴化反應(yīng)更傾向于發(fā)生在二吡咯甲川和Aza-BODIPY母核上電負(fù)性最強(qiáng)2,6位。由圖1可知，研究了未配位的二吡咯甲川3a-c的溴化反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)2.1倍當(dāng)量的NBS在二氯甲烷中反應(yīng)30 min，能高效地對其2,6位進(jìn)行溴化，之后再用三氟化硼乙醚進(jìn)行配位，以60%～70%的產(chǎn)率從3a-c得到了雙溴代Aza-BODIPYs 5a-c。

圖1 雙溴代氟硼二吡咯的合成

在溴化3a的時(shí)候，當(dāng)增加液溴的當(dāng)量時(shí)，有新的不同于5a的極性更小的產(chǎn)物出現(xiàn)，優(yōu)化液溴當(dāng)量到36倍當(dāng)量時(shí)如圖2a所示，能得到一個(gè)主要的產(chǎn)物。核磁鑒定得到的是一種意外的4溴代的Aza-BODIPY 5b，并通過X單晶衍射進(jìn)一步得到證實(shí)如圖3所示。同時(shí)，5b的結(jié)構(gòu)也與從對應(yīng)的溴代苯乙酮B2出發(fā)合成得到的溴化產(chǎn)物一致。這個(gè)結(jié)構(gòu)說明二吡咯甲川3a能先選擇性溴化吡咯位，然后進(jìn)一步溴化3，5-位取代的苯環(huán)的對位。進(jìn)一步增大液溴的當(dāng)量有新的溴化產(chǎn)物出現(xiàn)，但是產(chǎn)物比較復(fù)雜，未進(jìn)一步分離。

進(jìn)一步，嘗試對配位后的產(chǎn)物Aza-BODIPY 4a直接溴化。如圖2b所示，Aza-BODIPY 4a與1.1倍當(dāng)量的NBS在二氯甲烷中室溫反應(yīng)，TLC跟蹤反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)能以78%的產(chǎn)率得到了單溴代的產(chǎn)物5d，控制好反應(yīng)當(dāng)量和時(shí)間，能較好地控制雙溴化產(chǎn)物的量和原料的剩余。當(dāng)增加NBS的當(dāng)量到4倍時(shí)(圖1，路線b)，以較高的產(chǎn)率選擇性得到了雙溴代的產(chǎn)物5a-c(85～90%)，TLC基本上觀察不到原料和單溴代產(chǎn)物。值得一提的是，當(dāng)該反應(yīng)在使用NBS時(shí)用的是二氯甲烷/甲醇的混合溶劑，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，溶液中的原料及產(chǎn)物點(diǎn)都會(huì)消失，造成該現(xiàn)象可能是由于NBS與甲醇反應(yīng)生成MeOBr，后者破壞了Aza-BODIPY母核。最后，將NBS換成Br2時(shí)(圖1，路線c)，在同樣的當(dāng)量下，使用液溴也能很好地得到相應(yīng)的產(chǎn)物，并且反應(yīng)的產(chǎn)率有所提升(92%～95%)。

圖2 四溴代氟硼二吡咯5b和單溴代5d的合成

2.2 溴化Aza-BODIPY 5b的晶體結(jié)構(gòu)

在甲醇與二氯甲烷的混合溶液中培養(yǎng)出單晶5b，并通過X射線單晶衍射對其表征，通過表征數(shù)據(jù)可以知道，這些溴化的Aza-BODIPY的母體骨架表現(xiàn)出很好的平面性，其F-B-F鍵的鍵長與傳統(tǒng)的鍵長相比，變化不大。其B-N鍵的鍵長在1.57 ?左右，表明其正常的正電荷的離域。其1,7位苯環(huán)與其母核的二面角在40°以內(nèi)。Aza-BODIPY 5b的晶體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其晶體學(xué)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 Aza-BODIPY 5b的晶體結(jié)構(gòu)

表1 Aza-BODIPY 5b的晶體學(xué)數(shù)據(jù)

注：abond distance(?),bdihedral angle between aromatic ring and Aza-BODIPY core(°)

2.3 Aza-BODIPY的光物理性質(zhì)

對設(shè)計(jì)合成的Aza-BODIPYs 4-5染料分子進(jìn)行光物理性能的測試。Aza-BODIPY 5a-d(a,b,c,d)在氯仿中歸一化的紫外吸收及熒光發(fā)射譜如圖4所示，Aza-BODIPYs 4和5在氯仿中的光物理性質(zhì)如表2所示。這些染料在600～700 nm范圍內(nèi)都有強(qiáng)的吸收。通過對其吸收波長的比較可知，當(dāng)1,7或3,5位芳環(huán)中含有溴原子時(shí)，其吸收波長相對于芳環(huán)中不含溴原子時(shí)有微弱的紅移，并伴隨著熒光發(fā)射波長的紅移。該類染料都有著較大的摩爾消光系數(shù)，與單體相類似。通過對其熒光量子產(chǎn)率的測試，4a-c在氯仿中的量子產(chǎn)率為0.32～0.34，激發(fā)態(tài)下1,7或3,5位芳環(huán)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的內(nèi)轉(zhuǎn)換可能會(huì)損耗一部分吸收的能量[12]，同時(shí)發(fā)現(xiàn)1,7或3,5位芳環(huán)溴化的4b和4c熒光量子產(chǎn)率沒有明顯的減弱。而2，6-位溴化的5a-d由于重原子效應(yīng)使得激發(fā)態(tài)單重態(tài)能量通過系間竄越到激發(fā)態(tài)三重態(tài)而導(dǎo)致熒光量子產(chǎn)率明顯減弱。其中，2-位單溴代的5d熒光量子產(chǎn)率下降相對較少。這些結(jié)果顯示溴代的位置對系間竄越影響很大。

表2 Aza-BODIPYs 4和5在氯仿中的光物理性質(zhì)

注：a4,5 were excited at 600 nm,bFluorescence quantum yields were calculated using 1,3,5,7-tetraphenyl-Azadipyrromethene(φ=0.34 in chloroform),The standard errors are less than 10% based on three independent measurements

2.4 Aza-BODIPY的產(chǎn)生單線態(tài)氧性質(zhì)

為了探究Aza-BODIPYs 5a-c作為光敏劑在PDT治療中的潛在應(yīng)用，進(jìn)一步研究了他們的單線態(tài)氧產(chǎn)生效率。以亞甲基藍(lán)(MB)作參比，在氯仿中研究了它們對DPBF的光降解實(shí)驗(yàn)(DPBF能與活性氧發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致其濃度的降低)。根據(jù)文獻(xiàn)中的方法[13]，在氯仿中將5a-c和MB以及DPBF的濃度分別配制為2.0×10-6M，2.0×10-6M和5.0×10-5M，使用氙燈照射，以590 nm的長波通濾光片濾光，通過調(diào)節(jié)氙燈的電壓，將其光強(qiáng)調(diào)至0.5 mW/cm2，通過吸收光譜記錄DPBF在415 nm處的吸光度的變化。Aza-BODIPYs 5a-c及MB的單線態(tài)氧產(chǎn)生效率及5a-c在氯仿中隨時(shí)間變化的吸收譜如圖5所示。從圖5的DPBF的降解速率可以知道，雙溴化及四溴化的Aza-BODIPY都有較高的單線態(tài)氧產(chǎn)生速率，并且5a及5b在氯仿中的降解速率都比MB的要快。不同的是，對于四溴化的5b和5c來說，當(dāng)溴原子的位置在3,5位的芳環(huán)時(shí)，其DPBF的降解速率要高于溴原子在1,7位的，造成該現(xiàn)象的原因可能是溴原子在3,5位時(shí)能有效地促進(jìn)其系間竄越。

圖5 Aza-BODIPYs 5a-c及MB的單線態(tài)氧產(chǎn)生效率及5a-c在氯仿中隨時(shí)間變化的吸收譜

3 結(jié)論

綜上所述，研究發(fā)展并比較了三種選擇性合成溴代氮雜氟硼二吡咯的方法，發(fā)現(xiàn)溴素和NBS都能有效地溴化氮雜氟硼二吡咯或者其未配位前體氮雜二吡咯甲川，并且反應(yīng)會(huì)選擇性地先在2,6位引入溴原子，當(dāng)?shù)s氟硼二吡咯的1，3，5，7位基團(tuán)相同時(shí)，過量的溴會(huì)選擇性地在3，5位苯環(huán)的對位溴化。產(chǎn)物光物理性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)2,6位溴化能非常有效地降低產(chǎn)物熒光量子效率，而1，3，5，7位取代芳環(huán)上溴化對熒光量子效率影響較小。2,6-位溴代氮雜氟硼二吡咯分子能有效地促進(jìn)其系間竄越，在近紅外光照下高效地產(chǎn)生單線態(tài)氧。