新型锌酞菁衍生物的合成及其光物理性质

李 双,胡学雷,姚楚笛,葛燕丽

(武汉工程大学 化工与制药学院 绿色化工过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430073)

酞菁化合物结构易修饰、光物理与光化学性质良好，易在肿瘤组织或其血管内富集，成为开发抗肿瘤光敏剂的热点化合物[1-2]。目前，光动力治疗(PDT)与光热治疗(PTT)是治疗癌症的重要策略。其中PTT可以通过热作用杀伤肿瘤细胞，同时降低对正常组织的损伤。然而，单独采用PTT对肿瘤细胞的杀伤能力有限，通常会与PDT、放/化疗以及免疫治疗等联合，以达到更好的治疗效果[3-5]。PDT是在特定波长光照下，光敏剂光照活化后与氧气结合产生细胞毒性物质，从而杀死癌细胞的治疗方法[6]。

PDT的3个基本要素为光源，光敏剂和氧。

其中光敏剂最为关键[7]。酞菁环为18π电子结构，水溶性较差。为改善其水溶性，可在酞菁外周环连接不同基团[8]。酞菁环中心Zn2+的d10结构使酞菁化合物的光学光谱不受附加波段影响，且锌酞菁具有良好的产生单线态氧的能力[9]。

本文以锌酞菁为母核，设计并合成了一个新型的阳离子型锌酞菁衍生物(1,Scheme 1)，其结构经UV-Vis,1H NMR和HR-MS(ESI)表征。以DMSO为溶剂，检测了化合物1的光物理性质。

Scheme 1

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

UV-2450型紫外-可见光谱仪；Varian Mercury-VX 300 MHz型超导核磁共振仪(TMS为内标)；Daltonics APEXIII 7.0 Tesla FT型质谱仪；RF-5301PC型稳态-瞬态荧光光谱仪；MW-GX-808/5000 mW型激光灯。

4-硝基邻苯二甲腈(>98.0%)，N,N-二甲基乙醇胺(98%)，阿拉丁试剂有限公司；1,3-二苯基异苯并呋喃(DPBF，97%)，Sigma公司；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1) 4-(N,N-二甲胺基乙氧基)邻苯二甲腈(2)的合成

在三口烧瓶中依次加入DMF 20 mL，N,N-二甲基乙醇胺0.534 g(6 mmol)、4-硝基邻苯二甲腈0.865 g(5 mmol)和干燥K2CO32.05 g(0.015 mol)，冰浴冷却，搅拌下反应72 h。倒入100 mL饱和食盐水中，用乙酸乙酯萃取，有机相减压蒸除溶剂，残余物经硅胶柱层析(洗脱剂：石油醚/乙酸乙酯=10/1,V/V)纯化得黄色固体20.511 g，产率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)锌酞菁(3)的合成

在圆底烧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，氩气保护下升温到100 ℃，加入DBU 0.146 mL(0.001 mol)，回流反应24 h。冷却至室温，反应液倒入甲醇中搅拌30 min；离心，固体依次用甲醇、沸乙醇和二氯甲烷洗涤至洗液无色，真空干燥得蓝色固体30.132 g，产率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)锌酞菁四碘化物(1)的合成

将化合物30.200 g(0.213 mmol)溶解于20 mL无水氯仿中，加入碘甲烷0.270 g(1.908 mmol)，搅拌下反应24 h。离心，固体依次用氯仿、二氯甲烷、乙酸乙酯和丙酮洗涤得蓝色固体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 光物理性质测试

(1) UV-Vis

溶剂为DMSO，测试浓度为0.5～5 μM，扫描范围为800～250 nm。

(2) FL

溶剂为DMSO，测试浓度为0.5 ～5 μM，激发波长为610 nm，狭缝宽为Ex=2.0和Em=2.0，记录目标化合物和ZnPc在630～800 nm的荧光发射曲线。

(3) 单线态量子产率

以1,3-二苯基异苯并吡喃(DPBF)为探针，检测目标化合物产生单线态氧的能力。在室温和避光条件下，以DMSO为溶剂，配制3 mL待测溶液，使目标化合物(或ZnPc)终浓度为0.2 μM，DPBF浓度为40 μM；以只含DPBF(40 μM)的DMSO溶液为空白对照。待测液用150 W卤素灯照射(距离样品15 cm)，每隔10 s取样进行紫外扫描。

(4) 光热转换效率

使用808 nm的激光照射化合物1(或ZnPc)，溶剂为DMSO，测试浓度为50～300 μg/mL，使用红外成像装置测量溶液的温度，每隔30 s记录溶液温度，测量时间为10 min，以DMSO为空白对照。测试循环曲线时，照射10 min后关闭10 min，循环5组，间隔30 s记录数据。

2 结果与讨论

2.1 紫外-可见吸收光谱

图1为化合物1的UV-Vis谱图，插图为化合物1在Q-band最大吸收峰(λmax=682 nm)处的吸光度-浓度图。由图1可知，化合物1在600～750 nm的可见区(Q-band)和300～400 nm的近紫外区(B-band，Soret带)有强吸收峰。Q-band是酞菁类化合物的特征吸收带，可作为酞菁成环的标志。此外，化合物1在Q-band最大吸收峰附近存在一个较弱的吸收峰，它是分子内电子跃迁引起的振动峰[10]。除这3个特征峰外，图中没有发现其它吸收峰，且插图中化合物1在Q-band 最大吸收峰(λmax)处的吸光度与浓度呈线性关系，说明化合物1在DMSO中以单体形式存在，无聚集现象[11]。

λ/nm图1 化合物1的UV-Vis谱图Figure 1 UV-Vis absorption spectrum of compound 1

λ/nm图2 化合物1的FL谱图Figure 2 FL spectra of compound 1

2.2 荧光光谱

在610 nm激发波长下，化合物1的荧光发射谱图见图2，插图为最大发射峰(λEm=690 nm)处的荧光强度-浓度图。从图2可以看出，化合物1在610 nm激发波长下，最大发射峰(λEm=690 nm)处的荧光强度随浓度增加而增强，且呈线性关系。以ZnPc[ΦF(ZnPc)=0.20]为参比[12]，根据文献[13]方法计算得化合物1的荧光量子产率(ΦF)为0.22。

λ/nm

λ/nm

λ/nm图3 DPBF的UV-Vis谱图Figure 3 UV-Vis absorption spectra of DPBF

2.3 单线态氧量子产率

图3为DPBF的UV-Vis谱图。由图3可见，DPBF在416 nm处有最大吸收，将不同光照时间下DPBF在416 nm处的吸光度减去化合物存在下DPBF的吸光度记为△OD，以△OD值对光照时间作图(图4)，所得直线斜率即为化合物存在下DPBF的光降解速率(K1=0.00309，KZnPc=0.0027)。化合物在波长610～800 nm的Q带吸收峰的积分面积分别为A1=38.925和AZnPc=40.049。以ZnPc(ΦΔ(ZnPc)=0.67[12])为参比，根据文献[13]方法计算得到化合物1的单线态氧量子产率(ΦΔ)为0.71。

Time/s图4 DPBF被化合物1产生的单线态氧降解引起的吸光度变化Figure 4 Plot of change in absorbance of DPBF in the presence of compound 1

Time/s图5 化合物1的光热升温曲线Figure 5 The photothermal heating curves of 1

Time/min图6 1的辐射/冷却循环曲线Figure 6 The irradiation/cooling cycle curves of 1

2.4 光热转换效率

图5为不同浓度的化合物1在808 nm激光(功率为1.98 W/cm2)持续照射10 min内的温度-时间曲线图。由图5可知，化合物1温度由31.4 ℃升至50.8 ℃。图6为同等条件下化合物1的辐射/冷却循环曲线。由图6可知，经过数次辐射/冷却，化合物1的温度均未发生发生明显变化，说明化合物1的热稳定性良好，加热后化合物结构未被破坏。根据文献[14]方法计算得到化合物1的光热转换效率(ηT)为48.8%。

设计并合成了一个阳离子型锌酞菁衍生物1。化合物1的Q-带最大吸收峰(λmax)为682 nm；最大发射波长为690 nm；以ZnPc(ΦF=0.20，Φ△=0.67)为参照，得出化合物1的荧光量子产率(ΦF)为0.22，单线态氧量子产率(Φ△)为0.71，优于ZnPc。检测了化合物1的光热转换能力和热稳定性，计算得到光热转换效率为48.8%。化合物1具有良好的光物理性质，有望用于光动力/光热双重疗效抗肿瘤光敏剂的开发。