銥配合物-卟啉偶聯(lián)物的制備及性能探究

馮靜東,李 欣,聶忠彬,程詩涵,于金慧,蔣兆雪

(吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院,吉林 四平 136000)

0 引言

癌癥可能會導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)多種重要器官衰竭,威脅人民的生命健康.因此,科學(xué)工作者一直在努力通過合理的分子設(shè)計,構(gòu)建簡單易得且具有優(yōu)異性能的抗癌材料[1-5].新型光敏劑(PS)分子的設(shè)計合成對癌癥的治療至關(guān)重要[6-9].目前,大多數(shù)報道的光敏劑都是共軛結(jié)構(gòu)的小分子,而配合物類的光敏劑則鮮有開發(fā)[10-12].

金屬銥配合物具有典型的八面體構(gòu)型,擁有結(jié)構(gòu)易調(diào)節(jié)、光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn),因而在免疫調(diào)節(jié)、藥物輸送、抗菌和抗癌等生物科學(xué)領(lǐng)域,都得到了廣泛研究,是一類理想的光敏劑[13-15].然而,銥配合物的吸收帶通常在紫外到可見光范圍內(nèi),這在很大程度上限制了它們在深層組織中的治療作用[16-18].

卟啉不僅具有可達(dá)紅光區(qū)的獨(dú)特長吸收特性,而且是理想的分子治療藥物之一[19].因此,本文設(shè)想能否將卟啉分子通過希夫堿反應(yīng)引入金屬銥配合物結(jié)構(gòu)上,結(jié)合卟啉和銥配合物各自的優(yōu)點(diǎn),得到具有長波長吸收的銥配合物-卟啉偶聯(lián)物.席夫堿作為一種合成簡單、成本低廉、產(chǎn)率和純度都很高的配體,在金屬配合物、光伏器件、熒光成像等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注[20-21].席夫堿配體的結(jié)構(gòu)可以很容易地被調(diào)整,用以適應(yīng)各種氧化態(tài)和配位數(shù)不同的金屬離子,因此,席夫堿可作為金屬配位的通用配體,大量的席夫堿及其金屬配合物被應(yīng)用于抗腫瘤藥物的合成與篩選、抗病毒、細(xì)胞抑制、抗癌和抗真菌等多項醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[22-23].

本文通過巧妙的分子設(shè)計思想,利用席夫堿反應(yīng)將卟啉分子引入,最終成功制備了具有長波長吸收及近紅外發(fā)射的陽離子型銥配合物(TPP-Ir-COOH),克服了傳統(tǒng)銥配合物吸收波長短的固有缺陷.并通過紫外-可見吸收、熒光發(fā)射光譜等測試,對配合物的光物理性質(zhì)和單線態(tài)氧產(chǎn)生能力進(jìn)行了詳細(xì)的研究,證明了該金屬銥配合物-卟啉偶聯(lián)物具有良好的單線態(tài)氧(1O2)產(chǎn)生能力,本文所合成的金屬銥配合物-卟啉偶聯(lián)物在生物成像、光動力治療等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用潛力,這種新的設(shè)計理念將為光敏劑的合理設(shè)計合成及相關(guān)醫(yī)學(xué)應(yīng)用開辟新的機(jī)遇.

1 實驗

1.1 材料

實驗所用IrCl3·3H2O (含53%～56%的Ir)購自于上海久岳化工有限公司.純度為98%的4-(2-吡啶基)苯甲醛、9,10-蒽基-雙(亞甲基)二丙二酸 (ABDA)、吲哚菁綠ICG、 乙二醇乙醚、石油醚、二氯甲烷、二甲基亞砜、無水乙醇、濃鹽酸等分析級試劑均購于安徽澤升科技有限公司.純度為98%的硝酸銀、氫氧化鈉、六氟磷酸鉀、碳酸鈉、無水硫酸鎂均購于北京化工廠.

1.2 銥二氯橋的合成方法

首先需要進(jìn)行環(huán)金屬配體ppy—COOH的合成(如圖1):將4.25 g AgNO3加入100 mL蒸餾水中,逐滴加入10 mL質(zhì)量濃度為10%的氫氧化鈉溶液,冰浴10 min,將得到的渾濁液抽濾得到黑色沉淀.直接將沉淀倒入250 mL燒瓶中,加入100 mL蒸餾水,再將5 g 4-(2-吡啶基)苯甲醛和80 mL四氫呋喃(THF)加入燒瓶,升溫至55 ℃,滴加5 g質(zhì)量濃度為10%的NaOH水溶液,反應(yīng)12 h,靜置一夜.抽濾后取濾液加入500 mL燒杯中,冰浴條件加入濃鹽酸調(diào)至pH=2,析出大量白色固體,收集白色固體,用二氯甲烷反復(fù)清洗3次并烘干,產(chǎn)率為85%.

圖1 ppy—COOH的合成路線Fig.1 Synthetic route for ppy—COOH

銥二氯橋的合成路線如圖2:將ppy—COOH配體(0.497 7 g,2.5 mmoL)和IrCl3·3H2O (0.353 g,1 mmoL) 溶解在25 mL乙二醇乙醚和9 mL蒸餾水的混合溶液中,將混合溶液加熱至120 ℃,在惰性氣體氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下持續(xù)回流24 h.待反應(yīng)結(jié)束后將溶液靜置,冷卻至室溫,向圓底燒瓶中加入蒸餾水,觀察到有沉淀析出.將混合物放置于磁力攪拌器上攪拌8 min后使用布氏漏斗進(jìn)行抽濾,將得到的粗產(chǎn)物放入烘箱內(nèi)12 h,直接用于下一步反應(yīng).

1.3 配合物TPP-Ir-COOH的合成方法

如圖3所示,根據(jù)參考文獻(xiàn)合成了配合物TPP-Ir-COOH[12].將2-苯基吡啶羧基二氯橋(0.062 4 g,0.05 mmol)、席夫堿配體(0.071 8 g,0.1 mmol)加入到30 mL二氯甲烷和30 mL甲醇中.將溫度升至80 ℃,并在氮?dú)獗Ｗo(hù)下持續(xù)回流9 h.待反應(yīng)結(jié)束后將混合物冷卻至室溫.加入六氟磷酸鉀并攪拌,六氟磷酸根離子將氯離子置換出來.以二氯甲烷和甲醇為洗脫液,采用硅膠柱層析法對粗產(chǎn)物進(jìn)行提純,最終得到了紫紅色固體,產(chǎn)率為69%.

圖3 TPP-Ir-COOH的合成路線

1.4 樣品表征

通過Varian 600 MHz核磁共振光譜儀記錄了25 ℃下材料的氫核磁譜圖.通過MicroTOF Ⅱ高效液相色譜高分辨率質(zhì)譜儀獲得高分辨率質(zhì)譜,采用Shimadzu UV-3100分光光度計記錄了材料的紫外-可見吸收光譜.在Edinburgh FLS 920熒光光譜儀上記錄了材料在室溫下的發(fā)射光譜.

1.5 單線態(tài)氧的檢測

本文以吲哚菁綠(ICG)和9,10—蒽基—雙(亞甲基)二丙二酸(ABDA)作為指示劑,利用紫外-可見吸收光譜測試了金屬銥配合物TPP-Ir-COOH的單線態(tài)氧產(chǎn)生能力.將金屬銥配合物TPP-Ir-COOH(5×10-6mol/L)分別和ABDA(1 mg/mL,70 μL)、ICG(5 μg/mL)溶液混合均勻后吸取3 mL混合液到比色皿中,用白光LED燈對混合液進(jìn)行光照,每30 s記錄一次吸光度,共測量180 s.

2 結(jié)果與討論

為了對產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,首先采用1H NMR在DMSO—d6中對樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征測試.圖4為環(huán)金屬配體ppy—COOH的核磁譜圖,7 800 Hz為—COOH的特征峰位,證明了配體的成功合成.圖5中1 500 Hz位置上的氫是TPP-Ir-COOH重卟啉環(huán)中兩個—NH的位置,以及圖6中1 307為TPP-Ir-COOH的相對分子質(zhì)量,這都證明配合物的成功制備.

圖4 ppy—COOH在DMSO—d6的核磁共振氫譜圖

圖5 TPP-Ir-COOH在DMSO—d6中的核磁共振氫譜圖

圖6 TPP-Ir-COOH的質(zhì)譜

為了更直觀地了解光敏劑的吸收和發(fā)射行為,圖7為TPP-Ir-COOH溶液(5×10-6mol/L)的紫外吸收譜圖和420 nm激發(fā)下的熒光發(fā)射光譜圖.紫外吸收譜圖中500～700 nm的4個Q帶吸收峰歸因于卟啉中存在4個不等價的N原子,這也證明了卟啉配體的成功引入,這使Ir配合物的吸收達(dá)到了650 nm,可以選擇更長波長的激發(fā)光來進(jìn)行治療,有望達(dá)到更好的腫瘤治療效果.

圖7 TPP-Ir-COOH的紫外-可見吸收光譜圖(A)和熒光發(fā)射光譜圖(B)

在光動力治療中,光敏劑、光源、分子氧三個要素都必不可少.當(dāng)光敏劑先在特定病灶部位集中,選擇特定的激發(fā)光源對病灶部位進(jìn)行照射.光敏劑吸收光照能量并傳遞給周圍的分子氧,分子氧接受能量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?xì)胞有殺傷能力的1O2進(jìn)而對病灶部位進(jìn)行治療,所以光敏劑產(chǎn)生活性氧的能力對治療起到了關(guān)鍵的作用.本文采用了對正常組織不產(chǎn)生傷害且易得的白光LED燈(400～700 nm,20 mW/cm2)作為激發(fā)光源,首先采用ICG作為指示劑,通過紫外-可見吸收光譜,監(jiān)測其180 s內(nèi)在320～450 nm處的吸收降解評估其1O2的生成能力.如圖8所示,其紫外吸收強(qiáng)度隨著光照射時間的延長而降低,表明光敏劑TPP-Ir-COOH有著良好的1O2產(chǎn)生能力.

圖8 TPP-Ir-COOH存在時LED燈照射下ABDA的紫外-可見吸收光譜圖

為了更詳細(xì)地了解TPP-Ir-COOH的1O2產(chǎn)生能力,同樣選用白光LED燈 (400～700 nm,20 mW/cm2)作為激發(fā)光源,通過實時監(jiān)測另一種1O2指示劑ABDA的紫外-可見吸收光譜變化來評估TPP-Ir-COOH的1O2產(chǎn)生能力.如圖9所示,在TPP-Ir-COOH存在的情況下,ABDA溶液輻照后,ABDA在790 nm處的吸收峰強(qiáng)度逐漸減弱,證明TPP-Ir-COOH具有優(yōu)異的1O2產(chǎn)生能力.

圖9 TPP-Ir-COOH存在時LED燈照射下ICG的紫外-可見吸收光譜圖

3 結(jié)論

本文利用共價連接的方式在金屬銥配合物中引入具有長吸收特性的卟啉分子,成功制備了具有優(yōu)異單線態(tài)氧(1O2)產(chǎn)生能力的金屬銥配合物—卟啉偶聯(lián)物TPP-Ir-COOH.文中通過詳細(xì)的光物理實驗表征對偶聯(lián)物TPP-Ir-COOH的理化性質(zhì)進(jìn)行了探究.利用紫外吸收光譜和熒光發(fā)射光譜證明了TPP-Ir-COOH不僅具有較寬的吸收范圍 (400～700 nm),更重要的是,發(fā)射也能達(dá)到625～750 nm.成功地規(guī)避了傳統(tǒng)銥配合物普遍存在的只能吸收短波長激發(fā)光的缺陷.同時,在光源的選擇上,本文摒棄了對正常組織有傷害的紫外光源,選取了更為安全的白光燈作為激發(fā)光源,并分別通過指示劑ICG和ABDA對偶聯(lián)物TPP-Ir-COOH的1O2產(chǎn)生能力進(jìn)行檢測.測試結(jié)果驗證了其良好的1O2產(chǎn)生能力.因此,TPP-Ir-COOH有望在生物體內(nèi)造成有效的細(xì)胞殺傷,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,特別是癌癥治療方面具有廣闊的應(yīng)用前景.