CN104151173B

CN104151173B - 一种寡聚苯乙炔化合物及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN104151173B
Application number: CN201410355235.2A
Authority: CN
Inventors: 王静; 魏洪源; 阚文涛; 周志军; 蹇源
Original assignee: Institute of Nuclear Physics and Chemistry China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Institute of Nuclear Physics and Chemistry China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: CN104151173A

Abstract

本发明是涉及一种式（I）和式（II）的寡聚苯乙炔化合物及其制备方法以及它们在光诱导抗菌过程中作为光敏剂的应用。采用本发明的制备方法合成了一种长度约为2.8nm的寡聚苯乙炔分子并通过末端引入氨基方法，增加寡聚苯乙炔化合物的水溶性。该寡聚苯乙炔化合物合成路线简单，条件温和，试剂通用，产率高，适合放大生产并具有良好的光诱导抗菌效果。抗菌实验表明：式（I）和式（II）寡聚苯乙炔化合物具有良好的光活性抗菌效果，使用紫外光及白光作为光源光照时均能够发挥抗菌活性，而不光照时的抗菌效果很弱。

Description

一种寡聚苯乙炔化合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于寡聚苯乙炔类化合物制备技术领域，具体涉及一种寡聚苯乙炔化合物及其其制备方法以及它们在光诱导抗菌过程中作为光敏剂的应用。

背景技术

寡聚苯乙炔（OPE）是一类苯基和乙炔基交替构成的，具有大π共轭电子结构化合物。该类化合物具有很独特的光化学、光物理、生物物理及生物化学性质，合成方法简便。

Whitten研究组2009年合成了2个非对称的OPE和2个对称结构的OPE（Tang, Zhou,et al., J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry, 2009,207, 4-6.），并详细研究了其超分子自组装性质。他们发现，带正电的OPE分子在羧甲基纤维素钠（CMC）和羧甲基淀粉钠（CMA）的作用下较容易发生超分子自组装，并使得气吸收光谱和发射光谱产生明显的红移，同时，放射光谱的强度大大增强；圆二色谱研究发现，OPE分子能诱导CMA产生双螺旋结构；然而，带负电的OPE却不能与CMA或CMC产生超分子自组装，相应的也没有明显的光谱变化。进一步的研究发现，带正电的OPE分子与其他的负电高分子材料也能产生相似的作用（Tang, Zhou, et al., Langmuir, 2009, 25 (1), 21-25; Tang, Zhou, et al.,Langmuir, 2011, 27, 4945-4955.），比如，在OPE的水溶液中加入不同长度的DNA，也能发现明显的光谱变化（Tang, Achyuthan, et al., Langmuir, 2010, 26(9), 6832-6837）。

利用带正电的OPE分子可以与DNA可以相互作用从而产生明显光谱变化，Whitten课题组尝试了OPE作为生物传感器的应用潜力（Tang, Achyuthan, et al., Langmuir,2010, 26(9), 6832-6837）。通过合成完全匹配和DNA和部分错配的DNA，他们发现，OPE与上述DNA相互作用后产生明显不同的光谱特征。光谱的变化还与DNA的错配位置，错配的碱基对数量等有直接关系。因此，通过分析OPE与DNA相互作用后光谱的变化，得到DNA碱基相互匹配的正确度。该方法对于研究DNA的突变（如辐射条件下发生的DNA断裂，DNA错配，甲基化等）具有潜在的应用价值。

光物理研究表明， OPE分子在光照条件下，可以激发基态氧气产生单线态氧，因此具有较强的细胞毒性。这也是光动力治疗的基础。通过对不同的细菌的毒性实验可以看出，非光照条件下OPE的细菌毒性（无论是革兰氏阳性菌或革兰氏阴性菌）很小（Wang, Zhou,et al., Polymers, 2011, 3, 1199-1214.），然而，光照条件下，OPE的细菌毒性迅速增加（Tang, Corbitt, et al., Langmuir, 2011, 27(8), 4956-4962.）。研究发现，重复单元越多，OPE的细菌毒性越强，且OPE对革兰氏阳性菌具有更强的毒性；光源的波长对OPE的细菌毒性也有明显的影响，可见光照（波长> 400 nm）OPE产生的细菌毒性要远小于紫外光照（UV 365 nm）。通过光谱分析可以发现，OPE的最大吸收峰（2个）在360纳米和420纳米附近，更加接近紫外区，因此，紫外光更容易激发OPE。因此，紫外光照下其三线态产率将更高，从而通过能量转移激发基态氧气（三线态）产生氧化性较强的单线态氧。OPE的细菌毒性不仅与苯乙炔的重复单元多少有关，也与支链有非常密切的关系。研究发现，不带支链且苯基上直接连接铵盐的EO-OPE具有更强的细胞毒性，甚至，非光照条件下也具有一定程度的细菌毒性。对病毒，真菌也有一定的毒性（Zhou, Corbitt, et al., J.Phy.Chem.Lett. 2010,1, 3207-3212.）。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种寡聚苯乙炔化合物；

本发明要解决的另一技术问题是提供一种寡聚苯乙炔化合物的制备方法；

本发明要解决的再一技术问题是提供一种寡聚苯乙炔化合物作为光活抗菌剂在抗菌方面的用途；

本发明的寡聚苯乙炔化合物，其化学结构式如（I）和（II）：

所述寡聚苯乙炔化合物的制备方法，包括以下反应式：

还包括以下反应步骤：

1）化合物b的制备

将化合物a溶解于醋酸中，依次加入碘化钠、碘酸钾、碘和浓硫酸，搅拌加热回流。薄层层析检测反应进度（石油醚：乙酸乙酯=4:1），反应完全后，减压旋转蒸发除去醋酸，反应瓶内剩余黑色油状液体重新溶解在甲醇中，加入适量的活性碳并加热脱色，过滤除去活性碳和其他不溶物得到无色溶液。减压下旋转蒸发除去甲醇，得到白色固体，该白色固体在乙酸乙酯经重结晶得到白色晶体状化合物b。

2）化合物c的制备

将化合物b溶解在无水二氯甲烷中，并冷至-78度，逐滴加入三溴化硼（预先溶解在二氯甲烷里），加料过程中保持温度在-78度。加完三溴化硼后，反应体系逐渐恢复到室温，并继续搅拌，得到粉红色的反应液。搅拌条件下，将该粉红溶液缓慢滴加入冰水中，立即有固体产生，过滤收集固体，得到灰白色固体，真空干燥后得到化合物c。

3）化合物OPE-1的制备

在氮气保护下，将化合物c溶解在二甲基亚砜中，依次加入氢氧化钾，N, N-二甲基-2-氯乙烷盐酸盐，室温条件搅拌。得到红棕色的悬浊液，将该悬浊液倒入冰水中立即产生白色固体，过滤收集固体，并用大量的水冲洗固体，直到淋洗液变成中性为止。该白色固体经真空干燥后得到产物OPE-1。

4）化合物e的制备

将1,4-二碘苯溶解在无水二氯甲烷中，加入二异丙胺，得到无色溶液，该体系在冰浴下氩气鼓泡后，依次加入三甲基硅乙炔，二（三苯基膦）氯化钯，碘化亚铜。反应完成后，加入二氯甲烷稀释该反应体系后，依次加入饱和氯化胺溶液洗涤，纯水洗涤和饱和氯化钠洗涤后，收集有机相，并用适量的无水硫酸镁干燥，过滤除去硫酸镁，收集有机相，并在减压下旋蒸除去有机溶剂得到深红棕色油状液体，将该液体重新溶解在甲醇和二氯甲烷（体积比=1:1）的混合液中，加入无水碳酸钾，室温下搅拌，过滤除掉固体，剩下的液体减压旋蒸除去有机溶剂的到深红棕色油状液体，加入二氯甲烷溶解后，先后用1mol/L的盐酸洗涤，饱和碳酸氢钠洗涤，纯水洗涤和饱和食盐水洗涤，收集有机溶液，并用适量无水硫酸镁干燥，过滤除去无水硫酸镁，减压下除去有机溶剂，得到深红棕色油状液体，该液体用硅胶层析柱纯化后得到白色晶体状化合物e。

5）化合物（I）的制备

将OPE-1溶解在无水二氯甲烷中，加入二异丙胺，得到无色溶液，该体系在冰浴下氩气鼓泡后，依次加入e，二(三苯基膦）氯化钯，碘化亚铜。反应完成后，加入二氯甲烷稀释该反应体系后，依次加入饱和氯化胺溶液洗涤，纯水洗涤和饱和饱和氯化钠溶液洗涤后，收集有机相，并用适量的无水硫酸镁干燥，过滤除去硫酸镁，收集有机相，并减压旋蒸除去有机溶剂得到浅红色固体。该固体经硅胶层析柱纯化得到白色固体化合物（I）。

6）化合物（II）的制备

将化合物（I）溶解在无水二氯甲烷中，逐滴加入碘甲烷，室温下搅拌，反应很快产生白色固体。过滤收集得到白色固体化合物（II）。

本发明制备的寡聚苯乙炔由苯基和乙炔基交替构成，具有大π共轭电子结构，物理化学稳定性良好，制备方法简单，制备条件容易满足，可用于抗菌药物、抗癌药物、光电器件、药物载体、生物传感器和生物医学领域。

本发明与现有技术相比具有以下有益技术效果：本发明合成的一种寡聚苯乙炔化合物，通过缩短侧链的长度，增加OPE的水溶性，从而增加其药用价值；本发明提供的合成路线简单，条件温和，试剂通用，产率高，适合放大生产；本发明合成的寡聚苯乙炔化合物（I）的抗菌性能要远好于已报道的同类化合物；本发明合成的寡聚苯乙炔化合物（I）和化合物（II）可以作为良好的光诱导抗菌药物。

附图说明

图1为化合物（I）的核磁氢谱谱图；

图2为化合物（II）的核磁氢谱谱图。

具体实施方式

下面通过实施例以对本发明进行基本的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整。

实施例1 化合物（I）的制备

将1g (1.98 mmol) OPE-1溶解在10 mL无水二氯甲烷中，加入396 mg (3.96mmol)二异丙胺，得到无色溶液，该体系在冰浴下氩气鼓泡20分钟后，依次加入125 mg(0.99mmol) e，21 mg (0.03mmol) (三苯基膦）氯化钯，12 mg (0.06mmol) 碘化亚铜。7小时后，加入50 mL二氯甲烷稀释该反应体系后，20 mL依次加入饱和氯化胺溶液洗涤，20 mL纯水洗涤和饱和20 mL氯化钠洗涤后，收集有机相，并用适量的无水硫酸镁干燥30分钟，过滤除去硫酸镁，收集有机相，并在减压下旋蒸除去有机溶剂得到浅红色固体。该固体经硅胶柱过柱得到白色固体（二氯甲烷：甲醇=10:1），产率：75%。¹H NMR （600 MHz， DMSO-d⁶）。δ7.51~7.55 (多峰，4H, 苯环)，7.45~7.43 (多峰，6H, 苯环),7.20（单峰，2H, 苯环），4.15（三重峰，-OCH₂-，4H），2.73（三重峰，-NCH₂-，4H），2.30（单峰，-NCH₃，12H）。图1为化合物（I）的核磁氢谱谱图。

实施例2 化合物（I）的制备

将1g (1.98 mmol)OPE-1溶解在10 mL无水二氯甲烷中，加入401 mg (3.96mmol)三乙胺，得到无色溶液，该体系在冰浴下氩气鼓泡20分钟后，依次加入125 mg (0.99mmol)e，21 mg (0.03mmol)二(三苯基膦）氯化钯，12 mg (0.06mmol)碘化亚铜。7小时后，加入50mL二氯甲烷稀释该反应体系后，20 mL依次加入饱和氯化胺溶液洗涤，20 mL纯水洗涤和饱和20 mL氯化钠洗涤后，收集有机相，并用适量的无水硫酸镁干燥30分钟，过滤除去硫酸镁，收集有机相，并在减压下旋蒸除去有机溶剂得到浅红色固体。该固体经硅胶柱过柱得到白色固体（二氯甲烷：甲醇=10:1），产率：62%。¹H NMR （600 MHz， DMSO-d⁶）。δ7.51~7.55 (多峰，4H, 苯环)，7.45~7.43 (多峰，6H, 苯环), 7.20（单峰，2H, 苯环），4.15（三重峰，-OCH₂-，4H），2.73（三重峰，-NCH₂-，4H），2.30（单峰，-NCH₃，12H）。

实施例3.化合物（I）的制备

将1g (1.98 mmol)OPE-1溶解在10 mL无水二氯甲烷中，加入396 mg (3.96mmol)二异丙胺，得到无色溶液，该体系在冰浴下氩气鼓泡20分钟后，依次加入125 mg(0.99mmol) e，42 mg (0.06mmol)(三苯基膦）氯化钯，24 mg (0.12mmol)份碘化亚铜。7小时后，加入50 mL二氯甲烷稀释该反应体系后，20 mL依次加入饱和氯化胺溶液洗涤，20 mL纯水洗涤和饱和20 mL氯化钠洗涤后，收集有机相，并用适量的无水硫酸镁干燥30分钟，过滤除去硫酸镁，收集有机相，并在减压下旋蒸除去有机溶剂得到浅红色固体。该固体经硅胶柱过柱得到白色固体（二氯甲烷：甲醇=10:1），产率：81%。¹H NMR （600 MHz， DMSO-d⁶）。δ7.51~7.55 (多峰，4H, 苯环)，7.45~7.43 (多峰，6H, 苯环),7.20（单峰，2H, 苯环），4.15（三重峰，-OCH₂-，4H），2.73（三重峰，-NCH₂-，4H），2.30（单峰，-NCH₃，12H）。

实施例4 化合物（II）的制备

将化合物（I） 1g (1.98 mmol)溶解在10 mL无水二氯甲烷中，逐滴加入0.56 g(3.96mmol)碘甲烷，室温下搅拌1小时，反应很快产生白色固体。过滤收集得到白色固体。产率91%。。¹H NMR （600 MHz， DMSO-d⁶）。δ7.536~7.386 (多峰，12H, 苯环)，4.579（单峰，-OCH₂-，4H），3.863（单峰，-NCH₂-，4H），3.237（单峰，-NCH₃，18H）。图2为化合物（II）的核磁氢谱谱图。

实施例5 化合物（II）的制备

将化合物OPE(C2t) 1g (1.98 mmol)溶解在10 mL无水二氯甲烷中，逐滴加入1.12g (7.92mmol)碘甲烷，室温下搅拌1小时，反应很快产生白色固体。过滤收集得到白色固体。产率95%。¹H NMR （600 MHz， DMSO-d⁶）。δ7.536~7.386 (多峰，12H，苯环)，4.579（单峰，-OCH₂-，4H），3.863（单峰，-NCH₂-，4H），3.237（单峰，-NCH₃，18H）。

实施例6 化合物（II）的制备

将化合物OPE(C2t) 1g (1.98 mmol)溶解在10 mL无水二氯甲烷中，逐滴加入2.255 g (15.84mmol)碘甲烷，室温下搅拌1小时，反应很快产生白色固体。过滤收集得到白色固体。产率99%。¹H NMR （600 MHz， DMSO-d⁶）。δ7.536~7.386 (多峰，12H, 苯环)，4.579（单峰，-OCH₂-，4H），3.863（单峰，-NCH₂-，4H），3.237（单峰，-NCH₃，18H）。

实施例7 实施例1和实施例4中的化合物的抗革兰氏阴性菌大肠杆菌性能：

测试了化合物（I）和化合物（II）对大肠杆菌在光照和非光照条件下的毒性，考察了光照强度，光照时间，化合物（I）和化合物（II）的浓度等因素对细菌毒性的影响。

测试条件：大肠杆菌（ATCC 25922）在通用培养液里37^oC下培养18小时，离心后，倒掉上清液，底部细菌用经高温消毒的0.9%NaCl溶液洗涤3次后，调节OD₆₀₀至~1备用。用二甲基亚砜新鲜配置1mg/mL 和 0.1 mg/mL的化合物（I）或化合物（II）储备液。取上述菌液100μL用0.9%NaCl稀释至500 μL。加入不同数量的化合物（I）或化合物（II）储备液，并在光照和非光照条件下保存一定时间（分别为1小时和2小时）。稀释90000倍后，取上述溶液100 μL加入固体培养皿，并用涂布器涂抹均匀后放置在37^oC细菌培养箱下培养12-15小时后，计算菌斑，并和空白对照（不含化合物（I）或化合物（II）的细菌0.9%NaCl溶液）。计算出细菌存活百分比。光照条件：一定强度的紫外光（波长365纳米）或白光（400-800纳米）。

测试结果：（a）化合物（I）和化合物（II）在非光照条件下，1 μg/mL，3 μg/mL 和9 μg/mL的化合物（I）和化合物（II）在非光照条件下具有很小的细菌毒性，即使在暗处保存2小时，上述浓度条件下，大肠杆菌的存活率依然超过95%；同时，1小时和2小时药物作用并没有发现明显不同的杀菌效果；（b）光强对细菌的毒性有很大的影响，较强的光强对细菌产生很强的毒性，因此本发明设置光强为60 mW·cm^-2，该条件下，细菌本身对光不敏感，该光强不会产生细胞毒性；（c）上述光照条件下，化合物（II）基本没有细菌毒性，而化合物（I）具有很强的细菌毒性；（d）上述光照条件下，化合物（I）随光照时间的延长，对细菌的毒性越强，9 μg/mL 浓度条件下，2小时细菌存活量为0；（e）化合物（I）的浓度对细菌毒性有明显影响，2小时后测试细菌存活量发现：1 μg/mL 存活为38%，3 μg/mL 存活1%，9 μg/mL存活为0。

实施例8 实施例1和实施例4中的化合物的抗革兰氏阳性菌金黄葡萄球菌性能：

测试了化合物（I）和化合物（II）对金黄葡萄球菌在光照和非光照条件下的毒性，考察了光照强度，光照时间，化合物（I）和化合物（II）的浓度等因素对细菌毒性的影响。

测试条件：金黄葡萄球菌（ATCC 25923）在通用培养液里37^oC下培养18小时，离心后，倒掉上清液，底部细菌用经高温消毒的0.9%NaCl溶液洗涤3次后，调节OD₆₀₀至~1备用。用二甲基亚砜新鲜配置0.1mg/mL 和 0.01 mg/mL的化合物（I）或化合物（II）储备液。取上述菌液100 μL用0.9%NaCl稀释至500 μL。加入不同数量的化合物（I）或化合物（II）储备液，并在光照和非光照条件下保存一定时间（分别为1小时和2小时）。稀释90000倍后，取上述溶液100 μL加入固体培养皿，并用涂布器涂抹均匀后放置在37^oC细菌培养箱下培养12-15小时后，计算菌斑，并和空白对照（不含化合物（I）或化合物（II）的细菌0.9%NaCl溶液）。计算出细菌存活百分比。光照条件：一定强度的紫外光（波长365纳米）或白光（400-800纳米）。

测试结果：（a）化合物（I）和化合物（II）在非光照条件下，0.1 μg/mL，0.3 μg/mL和0.9 μg/mL的化合物（I）和化合物（II）在非光照条件下具有很小的细菌毒性，即使在暗处保存2小时，上述浓度条件下，大肠杆菌的存活率依然超过95%；同时，1小时和2小时药物作用并没有发现明显不同的杀菌效果；（b）光强对细菌的毒性有很大的影响，较强的光强对细菌产生很强的毒性，因此本发明设置光强为60 mW·cm^-2，该条件下，细菌本身对光不敏感，该光强不会产生细胞毒性；（c）上述光照条件下，化合物（II）基本没有细菌毒性，而化合物（I）具有很强的细菌毒性；（d）上述光照条件下，化合物（I）随光照时间的延长，对细菌的毒性越强，0.9 μg/mL 浓度条件下，1小时细菌存活量为24%，2小时细菌存活量为0%；（e）化合物（I）的浓度对细菌毒性有明显影响，2小时后测试细菌存活量发现：0.1 μg/mL 存活为97%，0.3 μg/mL 存活43%，9 μg/mL存活为0%。

Claims

1.一种寡聚苯乙炔化合物，其化学结构式如（I）和（II）：

。

2.一种寡聚苯乙炔化合物的制备方法，包括以下反应式：

还包括以下反应步骤：

1）化合物b的制备

将化合物a溶解于醋酸中，依次加入碘化钠，碘酸钾，碘和浓硫酸，搅拌加热回流；反应完成后，反应瓶内剩余黑色油状液体重新溶解在甲醇中,加入适量的活性碳并加热脱色，过滤后得到无色溶液，除去甲醇，得到白色固体，该白色固体经重结晶得到白色晶体状化合物b；

2）化合物c的制备

将化合物b溶解在无水二氯甲烷中，并冷至-78度，加入三溴化硼后，并继续搅拌，得到粉红色的反应液；将该粉红溶液加入冰水后，有固体产生，过滤收集，得到灰白色固体化合物c；

3）化合物OPE-1的制备

在氮气保护下，将化合物c溶解在二甲基亚砜中，依次加入无机碱，N, N-二甲基-2-氯乙烷盐酸盐，室温搅拌，得到红棕色的悬浊液，将该反应液倒入冰水中产生白色固体，过滤收集得到化合物OPE-1；

4）化合物e的制备

将化合物d溶于无水二氯甲烷中，加入有机碱，该体系在冰浴下氩气鼓泡后，依次加入三甲基硅乙炔，二（三苯基膦）氯化钯，碘化亚铜；反应完成后，依次用饱和氯化胺溶液、纯水洗涤和饱和氯化钠洗涤后，干燥并除去有机溶剂得到深红棕色油状液体，将该液体重新溶解在甲醇和二氯甲烷的混合液中，加入无机碱，室温下反应，得到深红棕色油状液体，该液体用硅胶层析柱纯化后得到白色晶体化合物e；

5）化合物（I）的制备

将OPE-1溶解在无水二氯甲烷中，加入有机碱，该体系在冰浴下氩气鼓泡后，依次加入e、二(三苯基膦）氯化钯、碘化亚铜；反应完成后，加入二氯甲烷稀释该反应体系后，依次用饱和氯化胺溶液、纯水和饱和氯化钠溶液洗涤后，收集有机相，干燥并除去有机溶剂得到浅红色固体；该固体经硅胶层析柱纯化得到白色固体化合物I；

6）化合物（II）的制备

将化合物（I）溶解在无水二氯甲烷中，加入碘甲烷，室温下搅拌，反应产生白色固体，过滤收集得到化合物（II）。

3.按照权利要求2的方法，其中步骤3）所述的无机碱为氢氧化钾或氢氧化钠。

4.按照权利要求2的方法，其中步骤4）所述的有机碱为二异丙胺或三乙胺。

5.按照权利要求2的方法，其中步骤4）所述的无机碱为碳酸钾或碳酸钠。

6.按照权利要求2的方法，其中步骤5）所述的有机碱为二异丙胺或三乙胺。

7.权利要求1中化合物（I）和（II）在制备光诱导抗菌药物中的应用。