CN108102408B - 一种基于氮杂氟硼烷的近红外染料的制备及应用 - Google Patents

一种基于氮杂氟硼烷的近红外染料的制备及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氮杂氟硼烷的近红外染料的制备及应用。所述染料由含噻吩类基团和基本的氮杂氟硼烷骨架构成。通过下述步骤制备得到氮杂氟硼烷染料:(1)烯酮的合成,既醛和酮在碱性条件下发生加成消除反应得到；(2)烯酮与硝基甲烷，在碱性条件下发生加成反应；(3)成环反应，在氨源存在条件下，两倍当量的(2)成环；(4)配位反应，既(3)中得到的产物与金属或者二氟化硼配位得到目标产物。目标染料具有强的近红外吸收(在二氯甲烷中的摩尔吸光系数大于100000M‑1cm‑1)、高的单线态氧产率、良好的光热效果，并且可用光热成像、光声成像、荧光成像引导下的单波长激发的光动力和光热协同肿瘤治疗。

Description

一种基于氮杂氟硼烷的近红外染料的制备及应用
技术领域
本发明属于有机光电材料技术及其生物领域。具体涉及一种具有光动力和光热效果的近红外染料氮杂氟硼烷类染料和其制备方法及其在荧光成像、光热成像、光声成像、光热治疗、光动力治疗等领域中的应用。
背景技术
癌症威胁着人类的健康。而传统的肿瘤治疗方法，如手术、化学、放射疗法等往往会伴随着副作用的产生。光动力疗法和光热疗法做为非侵入性肿瘤治疗方法引起人们的广泛关注。成像引导下的光动力疗法和光热治疗可以实时的进行肿瘤部位精确治疗。大大的提高了肿瘤治疗的效果。而用于肿瘤治疗材料的选择对于肿瘤的治疗效果具有决定性作用。因此，如何选择理想的用于肿瘤治疗的材料引起大家的广泛关注。
材料的光动力效果和光热效果是一个相互竞争的过程。一般一种材料只用于单种治疗模式。而多种肿瘤治疗模式往往会涉及到多种材料或多个激发波长，这导致了肿瘤治疗的工作繁琐，治疗效果低效的结果。因此，选择一类可用一种波长激发的具有良好光动力效果和光热效果的材料对实现高效的光动力和光热效果具有重要意义。
近年来一些主要的光热材料和光敏剂，例如，氟硼烷、方酸、花菁、卟啉、罗丹明等染料根据不同的需求被广泛的设计和合成。其中氟硼烷类染料作为一类近红外的染料具有相对较好的光稳定性、大的摩尔消光系数、可调节的近红外吸收。这也使得其广泛应用于光学成像、生物治疗等领域。
与具有相似结构的氟硼烷相比，氮杂氟硼烷具有更长的吸收波长，其在深层活体应用中独具优势。但是目前基于氮杂氟硼烷染料用于光动力和光热协同肿瘤治疗的报道很少。氮杂氟硼烷所具有的强的近红外吸收，使其具有潜在的优异光声信号、荧光信号、光动力效果和光热效果。
氮杂氟硼烷染料一般用于光学器件、生物成像等领域，目前为止，很少有人报道基于氮杂氟硼烷染料的可用一种激发波长去激发的具有优异的光动力和光热效果的近红外染料。本发明将噻吩衍生物基团连接到氮杂氟硼烷上，从而使其具有良好的近红外吸收、光声成像、荧光成像、光热成像、光动力光热协同肿瘤治疗效果。
发明内容
技术问题：鉴于现有技术中存在上述技术问题，本发明的目的在于提供一种近红外的可单光源激发的并具有优异的光动力和光热效果的近红外染料即一种基于氮杂氟硼烷的近红外染料及其制备和应用。
技术方案：本发明的近红外染料是在氮杂氟硼烷上引入含丰富电子的噻吩衍生物功能团并引入卤素，使其不仅具有强的近红外吸收、良好的光声成像、荧光成像、光热成像效果，而且具有很好的光热和光动力肿瘤协同治疗性能，从而使其在成像引导下的肿瘤治疗具有重要意义，同时在指导设计、合成具有优异光动力和光热性能的材料具有重要的指导意义。
本发明提供一类近红外光热染料，具有如下结构通式：
具有近红外吸收的染料合成路线如下：
其中，R1选自中的一种，R2为具有1至16个碳原子的烷氧直链、支链或者环状烷氧基链；
其中X为Br、I或H。
具体是1和2反应合成3,3在发生加成反应后，然后成环合成5,5和氟化硼配位后，然后卤化合成近红外吸收的染料C。
所述近红外染料的应用为：细胞共聚焦成像。
所述近红外染料的应用为：肿瘤鼠光声成像。
所述近红外染料的应用为：肿瘤鼠荧光成像。
所述近红外染料的应用为：肿瘤鼠光热成像。
所述近红外染料的应用为：肿瘤鼠光热和光动力协同治疗。
本发明具有如下有益效果：
本发明所述染料近红外光激发和强的近红外发射，减少了激发光源对生物组织的伤害，削弱了背景荧光对检测信号的干扰，并具有较深的组织穿透深度；
本发明所述染料可用于荧光成像、光热成像、光声成像等多模成像引导下的光动力和光热协同肿瘤治疗，是很好的生物治疗材料；
本发明所述染料制备方法工艺简单，原料丰富，便于工业化生产；
附图说明
图1.本发明实施例1中C MALDI-TOF/TOF图；
图2.本发明实施例2中D MALDI-TOF/TOF图；
图3.本发明实施例1中C1H-NMR图；
图4.本发明实施例2中D1H-NMR图；
图5.本发明实施例1中C的紫外-可见光谱图；
图6.本发明实施例2中D的紫外-可见光谱图；
图7.本发明实施例1中C的发射光谱图；
图8.本发明实施例2中D的发射光谱图；
图9.本发明实施例1中C样品的不同浓度的PBS溶液的光热效果；
图10.本发明实施例2中D样品的不同浓度的PBS溶液的光热效果；
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实例。
实施例1：氮杂氟硼烷光热染料C的合成
化合物1的合成
取一洁净两口瓶，加入磁子、2.44g的对对羟基苯甲醛(约20mmol)、19.31 g的溴辛烷(约100mmol)、13.82g碳酸钾和50ml的无水磁力搅拌下，80℃反应24h。反应结束后，水/二氯甲烷萃取多次，合并有机相。经层析柱分离，得到浅黄色液体4.68g(产率约99％)。
化合物2的合成
取一洁净两口瓶，加入磁子、4.68g的1(约20mmol)、4.1g的2-溴乙酰噻吩(约20mmol)和40ml的乙醇溶液。搅拌待固体全部溶解后，缓慢加入5ml氢化钠溶液(含1.00g氢氧化钠)。该反应于室温下搅24h，反应过程中有黄色固体析出。反应结束后，1M的盐酸溶液调节反应液至中性，抽滤得固体，去离子水洗涤三次。真空干燥得7.58g的黄色固体(产率约90％)。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ(ppm)＝7.81(d,J＝15.6Hz,1H),7.58(dd,J＝2.4,6.8Hz, 3H),7.19(d,J＝11.6Hz,1H),7.14(d,J＝4.0Hz,1H),6.92(d,J＝8.8Hz,2H),4.00(t,J＝6.8 Hz,2H),1.83–1.76(m,2H),1.50–1.29(m,10H),0.90-0.87(m,3H).
化合物3的合成
取一洁净双口瓶，加入磁子，在氮气的保护下加入7.58g的2(约18mmol)、 4.68ml的硝基甲烷(约90mmol)、9.36ml的二乙胺(约90mmol)和50.0ml 的无水甲醇。加热回流24h后，用1M的盐酸溶液调节反应液至中性，抽滤得固体，冷甲醇洗涤三次。真空干燥后得到6.77克的产品(产率约78％)。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ(ppm)＝7.41(d,J＝4.0Hz,1H),7.14(d,J＝8.4Hz,2H),7.08(d,J＝4.0Hz,1H),6.83(d,J＝8.4Hz,2H),4.76(dd,J＝12.4,6.8Hz,1H),4.63(dd,J＝12.4,7.6Hz,1H),4.13-4.06(m,1H),3.90(t,J＝6.8Hz,2H),3.26(dd,J＝6.4,2.8Hz,2H),1.78 –1.71(m,2H),1.46–1.28(m,10H),0.90-0.86(m,3H).
化合物4的合成
取一洁净100ml单口瓶，加入磁子、6.77g(14.0mmol)3、37.61g(约490 mmol)醋酸铵固体、60mL正丁醇,磁力搅拌下加热回流约12h。减压浓缩到原来体积的1/4,待溶液冷却到室温,过滤得到褐色固体,无水乙醇洗涤，干燥后得到0.613g蓝色固体产物(产率约5％)。
化合物C的合成
取一洁净50ml单口瓶，加入磁子、0.613g(0.7mmol)4、10mL干燥的二氯甲烷溶解。在0～5℃下,氮气保护下加入0.11g新蒸三乙胺(1.1mmol),再逐滴缓慢加入三氟化硼-乙醚(0.44g,3.2mmol),滴加完毕,移至室温搅拌6h,反应结束后，混合溶液经水洗、饱和氯化钠洗、无水硫酸钠干燥、减压浓缩,柱层析纯化,得0.52g蓝色固体产物(产率约80％)。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ(ppm)＝7.96-7.92(m,6H),7.15(d,J＝4.0Hz, 2H),6.89-6.87(m,6H),3.96(t,J＝6.4Hz,4H),1.84–1.77(m,4H),1.52–1.32(m, 20H),0.93-0.89(m,6H).
13C NMR(100MHz,CDCl3):δ(ppm)＝160.54,147.87,145.49,142.38,135.66,132.80,132.51,130.70,124.62,119.36,116.28,114.59,68.18,31.87,29.38,26.11,22.70,14.14.
19F NMR(377MHz,CDCl3):δ(ppm)＝-137.01(q,2F).
实施例2：氮杂氟硼烷光热染料D的合成
化合物D的合成
取一洁净50ml单口瓶，加入磁子、0.14g(0.15mmol)5、10mL干燥的二氯甲烷溶解。在0℃下,加入0.107g(0.60mmol)NBS后，搅拌6h,反应结束后，混合溶液经水洗、饱和氯化钠洗、无水硫酸钠干燥、减压浓缩,柱层析纯化,得0.13 g蓝色固体产物(产率约80％)。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ(ppm)＝7.91(d,J＝4.4Hz,2H),7.80(d,J＝8.8 Hz,4H),7.21(d,J＝4.4Hz,2H),6.95(d,J＝8.8Hz,4H),4.02(t,J＝6.8Hz,4H), 1.86-1.79(m,4H),1.52–1.45(m,4H),1.38–1.29(m,16H),0.92-0.88(m,6H).
13C NMR(100MHz,CDCl3):δ(ppm)＝160.64,148.03,144.68,142.52,135.53,132.51,131.87,131.10,122.87,121.21,114.13,108.82,68.20,33.85,31.90,31.52,30.15,29.56,29.26,26.09,22.69,14.13
19F NMR(377MHz,CDCl3):δ(ppm)＝-132.06(q,2F).
实施例3：C的分子量的测试
取少量样品C，与基质混匀，然后点样，用MALDI-TOF/TOF进行测定，如图 1，初步证明了C分子的正确性。
[m/e](M,MALDI-TOF)理论值:923.62，实验值:923.63
实施例4：D的分子量的测试
取少量样品D，与基质混匀，然后点样，用MALDI-TOF/TOF进行测定，如图2，初步证明了D分子的正确性。
[m/e](M,MALDI-TOF)理论值:1081.41，实验值:1080.97
实施例5:C的核磁测试
取0.5mg样品C溶于0.5ml氘代氯仿中，经核磁测试，如图3,进一步证明了C 分子的正确性。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ(ppm)＝7.96-7.92(m,6H),7.15(d,J＝4.0Hz, 2H),6.89-6.87(m,6H),3.96(t,J＝6.4Hz,4H),1.84–1.77(m,4H),1.52–1.32(m, 20H),0.93-0.89(m,6H).
实施例6:D的核磁测试
取0.5mg样品D溶于0.5ml氘代氯仿中，经核磁测试，如图4，进一步证明了 D分子的正确性。
1H NMR(400MHz,CDCl3):δ(ppm)＝7.91(d,J＝4.4Hz,2H),7.80(d,J＝8.8 Hz,4H),7.21(d,J＝4.4Hz,2H),6.95(d,J＝8.8Hz,4H),4.02(t,J＝6.8Hz,4H), 1.86-1.79(m,4H),1.52–1.45(m,4H),1.38–1.29(m,16H),0.92-0.88(m,6H).
实施例7：C的紫外-可见光谱测试：
配置实施例1中的C的稀溶液(10-5M，甲苯为溶剂)，移取2mL C溶液于比色皿中进行紫外-可见发光谱测试，如图5表明：随着引入供电子基团后，实现了更大的近红外吸。
实施例8：D的紫外-可见光谱测试：
配置实施例1中的D的稀溶液(10-5M，甲苯为溶剂)，移取2mLD溶液于比色皿中进行紫外-可见发光谱测试，如图6表明：随着溴原子的引入，较C,D样品的最大吸收蓝移。
实施例9：C的发射光谱测试：
配置实施例1中的C的稀溶液(10-5M，甲苯为溶剂)，移取2mL C溶液于比色皿中进行发射光谱测试。如图7表明：材料C在甲苯溶液中具有很好的近红外发射，最大发射765nm。
实施例10：D的发射光谱测试：
配置实施例1中的D的稀溶液(10-5M，甲苯为溶剂)，移取2mL C溶液于比色皿中进行发射光谱测试。如图8表明：材料D在甲苯溶液中具有很好的近红外发射，最大发射约766nm。
实施例11:C的光热效果
将实施例1中的C用DMSO溶解，用pH＝7.4的PBS缓冲溶液将其稀释成不同浓度梯度的溶液(10、15、20μM)，用730nm激光器照射5min(0.4W/cm2),用光热成像仪记录不同时间、不同浓度下，溶液温度的变化。由图9表明，随着浓度增加，实施例1中C的溶液温度最大变化高达16℃。
实施例12:D的光热效果
将实施例2中的D用DMSO溶解，用pH＝7.4的PBS缓冲溶液将其稀释成不同浓度梯度的溶液(10、15、20μM)，用730nm激光器照射7min(0.5W/cm2),用光热成像仪记录不同时间、不同浓度下，溶液温度的变化。实施例2中D的溶液温度最大变化高达21℃。

Claims (2)

1.一种基于氮杂氟硼烷的近红外染料，其特征在于，具有如下结构通式：
其中，R1选自中的一种，R2为具有1至16个碳原子的烷氧直链、支链或者环状烷氧基链；
其中X为Br、I或H。
2.如权利要求1所述染料的制备，其特征在于，具体步骤为：
具体是：
(1)10.0mmol的1与10.0mmol的2在10ml的10％氢氧化钠aq和20ml乙醇混合溶液中反应12h后，用稀盐酸调节反应液pH到5～7后，过滤、冷乙醇洗涤，得到产物3；
(2)在碱性条件下，5.0mmol的3与25.0mmol的硝基甲烷发生加成反应后，用稀盐酸调节反应液pH到5～7；过滤、冷乙醇洗涤，得到产物4；
(3)2.0mmo的4在乙醇溶液中与乙酸铵发生成环反应后，浓缩、过滤、冷乙醇洗涤，得到产物5；
(4)在干燥二氯甲烷溶液中，1.5mmol的5与三氟化硼乙醚发生配位反应后，浓缩，加水抽滤后，通过柱层析得到产物6，无卤素时的目标产物C；在二氯甲烷或氯仿溶液中，碘源或溴源与1.0mmol的6发生取代反应得目标产物C。
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