铱配合物-卟啉偶联物的制备及性能探究

冯静东,李 欣,聂忠彬,程诗涵,于金慧,蒋兆雪

(吉林师范大学 化学学院,吉林 四平 136000)

0 引言

癌症可能会导致机体内多种重要器官衰竭,威胁人民的生命健康.因此,科学工作者一直在努力通过合理的分子设计,构建简单易得且具有优异性能的抗癌材料[1-5].新型光敏剂(PS)分子的设计合成对癌症的治疗至关重要[6-9].目前,大多数报道的光敏剂都是共轭结构的小分子,而配合物类的光敏剂则鲜有开发[10-12].

金属铱配合物具有典型的八面体构型,拥有结构易调节、光化学性质稳定、生物相容性好等优点,因而在免疫调节、药物输送、抗菌和抗癌等生物科学领域,都得到了广泛研究,是一类理想的光敏剂[13-15].然而,铱配合物的吸收带通常在紫外到可见光范围内,这在很大程度上限制了它们在深层组织中的治疗作用[16-18].

卟啉不仅具有可达红光区的独特长吸收特性,而且是理想的分子治疗药物之一[19].因此,本文设想能否将卟啉分子通过希夫碱反应引入金属铱配合物结构上,结合卟啉和铱配合物各自的优点,得到具有长波长吸收的铱配合物-卟啉偶联物.席夫碱作为一种合成简单、成本低廉、产率和纯度都很高的配体,在金属配合物、光伏器件、荧光成像等领域受到了广泛的关注[20-21].席夫碱配体的结构可以很容易地被调整,用以适应各种氧化态和配位数不同的金属离子,因此,席夫碱可作为金属配位的通用配体,大量的席夫碱及其金属配合物被应用于抗肿瘤药物的合成与筛选、抗病毒、细胞抑制、抗癌和抗真菌等多项医学领域[22-23].

本文通过巧妙的分子设计思想,利用席夫碱反应将卟啉分子引入,最终成功制备了具有长波长吸收及近红外发射的阳离子型铱配合物(TPP-Ir-COOH),克服了传统铱配合物吸收波长短的固有缺陷.并通过紫外-可见吸收、荧光发射光谱等测试,对配合物的光物理性质和单线态氧产生能力进行了详细的研究,证明了该金属铱配合物-卟啉偶联物具有良好的单线态氧(1O2)产生能力,本文所合成的金属铱配合物-卟啉偶联物在生物成像、光动力治疗等医学领域都具有广泛的应用潜力,这种新的设计理念将为光敏剂的合理设计合成及相关医学应用开辟新的机遇.

1 实验

1.1 材料

实验所用IrCl3·3H2O (含53%～56%的Ir)购自于上海久岳化工有限公司.纯度为98%的4-(2-吡啶基)苯甲醛、9,10-蒽基-双(亚甲基)二丙二酸 (ABDA)、吲哚菁绿ICG、 乙二醇乙醚、石油醚、二氯甲烷、二甲基亚砜、无水乙醇、浓盐酸等分析级试剂均购于安徽泽升科技有限公司.纯度为98%的硝酸银、氢氧化钠、六氟磷酸钾、碳酸钠、无水硫酸镁均购于北京化工厂.

1.2 铱二氯桥的合成方法

首先需要进行环金属配体ppy—COOH的合成(如图1):将4.25 g AgNO3加入100 mL蒸馏水中,逐滴加入10 mL质量浓度为10%的氢氧化钠溶液,冰浴10 min,将得到的浑浊液抽滤得到黑色沉淀.直接将沉淀倒入250 mL烧瓶中,加入100 mL蒸馏水,再将5 g 4-(2-吡啶基)苯甲醛和80 mL四氢呋喃(THF)加入烧瓶,升温至55 ℃,滴加5 g质量浓度为10%的NaOH水溶液,反应12 h,静置一夜.抽滤后取滤液加入500 mL烧杯中,冰浴条件加入浓盐酸调至pH=2,析出大量白色固体,收集白色固体,用二氯甲烷反复清洗3次并烘干,产率为85%.

图1 ppy—COOH的合成路线Fig.1 Synthetic route for ppy—COOH

铱二氯桥的合成路线如图2:将ppy—COOH配体(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蒸馏水的混合溶液中,将混合溶液加热至120 ℃,在惰性气体氮气的保护下持续回流24 h.待反应结束后将溶液静置,冷却至室温,向圆底烧瓶中加入蒸馏水,观察到有沉淀析出.将混合物放置于磁力搅拌器上搅拌8 min后使用布氏漏斗进行抽滤,将得到的粗产物放入烘箱内12 h,直接用于下一步反应.

1.3 配合物TPP-Ir-COOH的合成方法

如图3所示,根据参考文献合成了配合物TPP-Ir-COOH[12].将2-苯基吡啶羧基二氯桥(0.062 4 g,0.05 mmol)、席夫碱配体(0.071 8 g,0.1 mmol)加入到30 mL二氯甲烷和30 mL甲醇中.将温度升至80 ℃,并在氮气保护下持续回流9 h.待反应结束后将混合物冷却至室温.加入六氟磷酸钾并搅拌,六氟磷酸根离子将氯离子置换出来.以二氯甲烷和甲醇为洗脱液,采用硅胶柱层析法对粗产物进行提纯,最终得到了紫红色固体,产率为69%.

图3 TPP-Ir-COOH的合成路线

1.4 样品表征

通过Varian 600 MHz核磁共振光谱仪记录了25 ℃下材料的氢核磁谱图.通过MicroTOF Ⅱ高效液相色谱高分辨率质谱仪获得高分辨率质谱,采用Shimadzu UV-3100分光光度计记录了材料的紫外-可见吸收光谱.在Edinburgh FLS 920荧光光谱仪上记录了材料在室温下的发射光谱.

1.5 单线态氧的检测

本文以吲哚菁绿(ICG)和9,10—蒽基—双(亚甲基)二丙二酸(ABDA)作为指示剂,利用紫外-可见吸收光谱测试了金属铱配合物TPP-Ir-COOH的单线态氧产生能力.将金属铱配合物TPP-Ir-COOH(5×10-6mol/L)分别和ABDA(1 mg/mL,70 μL)、ICG(5 μg/mL)溶液混合均匀后吸取3 mL混合液到比色皿中,用白光LED灯对混合液进行光照,每30 s记录一次吸光度,共测量180 s.

2 结果与讨论

为了对产物的化学结构进行分析,首先采用1H NMR在DMSO—d6中对样品的结构进行了表征测试.图4为环金属配体ppy—COOH的核磁谱图,7 800 Hz为—COOH的特征峰位,证明了配体的成功合成.图5中1 500 Hz位置上的氢是TPP-Ir-COOH重卟啉环中两个—NH的位置,以及图6中1 307为TPP-Ir-COOH的相对分子质量,这都证明配合物的成功制备.

图4 ppy—COOH在DMSO—d6的核磁共振氢谱图

图5 TPP-Ir-COOH在DMSO—d6中的核磁共振氢谱图

图6 TPP-Ir-COOH的质谱

为了更直观地了解光敏剂的吸收和发射行为,图7为TPP-Ir-COOH溶液(5×10-6mol/L)的紫外吸收谱图和420 nm激发下的荧光发射光谱图.紫外吸收谱图中500～700 nm的4个Q带吸收峰归因于卟啉中存在4个不等价的N原子,这也证明了卟啉配体的成功引入,这使Ir配合物的吸收达到了650 nm,可以选择更长波长的激发光来进行治疗,有望达到更好的肿瘤治疗效果.

图7 TPP-Ir-COOH的紫外-可见吸收光谱图(A)和荧光发射光谱图(B)

在光动力治疗中,光敏剂、光源、分子氧三个要素都必不可少.当光敏剂先在特定病灶部位集中,选择特定的激发光源对病灶部位进行照射.光敏剂吸收光照能量并传递给周围的分子氧,分子氧接受能量转变为对细胞有杀伤能力的1O2进而对病灶部位进行治疗,所以光敏剂产生活性氧的能力对治疗起到了关键的作用.本文采用了对正常组织不产生伤害且易得的白光LED灯(400～700 nm,20 mW/cm2)作为激发光源,首先采用ICG作为指示剂,通过紫外-可见吸收光谱,监测其180 s内在320～450 nm处的吸收降解评估其1O2的生成能力.如图8所示,其紫外吸收强度随着光照射时间的延长而降低,表明光敏剂TPP-Ir-COOH有着良好的1O2产生能力.

图8 TPP-Ir-COOH存在时LED灯照射下ABDA的紫外-可见吸收光谱图

为了更详细地了解TPP-Ir-COOH的1O2产生能力,同样选用白光LED灯 (400～700 nm,20 mW/cm2)作为激发光源,通过实时监测另一种1O2指示剂ABDA的紫外-可见吸收光谱变化来评估TPP-Ir-COOH的1O2产生能力.如图9所示,在TPP-Ir-COOH存在的情况下,ABDA溶液辐照后,ABDA在790 nm处的吸收峰强度逐渐减弱,证明TPP-Ir-COOH具有优异的1O2产生能力.

图9 TPP-Ir-COOH存在时LED灯照射下ICG的紫外-可见吸收光谱图

3 结论

本文利用共价连接的方式在金属铱配合物中引入具有长吸收特性的卟啉分子,成功制备了具有优异单线态氧(1O2)产生能力的金属铱配合物—卟啉偶联物TPP-Ir-COOH.文中通过详细的光物理实验表征对偶联物TPP-Ir-COOH的理化性质进行了探究.利用紫外吸收光谱和荧光发射光谱证明了TPP-Ir-COOH不仅具有较宽的吸收范围 (400～700 nm),更重要的是,发射也能达到625～750 nm.成功地规避了传统铱配合物普遍存在的只能吸收短波长激发光的缺陷.同时,在光源的选择上,本文摒弃了对正常组织有伤害的紫外光源,选取了更为安全的白光灯作为激发光源,并分别通过指示剂ICG和ABDA对偶联物TPP-Ir-COOH的1O2产生能力进行检测.测试结果验证了其良好的1O2产生能力.因此,TPP-Ir-COOH有望在生物体内造成有效的细胞杀伤,在生物医学领域,特别是癌症治疗方面具有广阔的应用前景.