CN109331189B - 一种顺磁性钆基金属富勒醇的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水溶性的顺磁性钆基金属富勒醇的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将溶解于有机溶剂的顺磁性钆基金属富勒烯、强碱水溶液、双氧水以及用作相转移催化剂的四丁基氢氧化铵分别投料于反应容器，分层，上层为水相，下层为有机溶剂相；所述的有机溶剂选自相对密度高于水相溶液且不互溶的有机物；(2)将步骤(1)的反应体系在惰性气体保护下，于30‑70℃条件下连续搅拌10‑72小时后停止反应；(3)分液，取水相去除溶剂，得粗产品，再经精制，得纯净的顺磁性金属富勒醇固态产品。本发明提供的制备方法工艺简捷，后续纯化方式简单，操作方便，易实现高效、规模化生产；所获得顺磁性钆基金属富勒醇具备良好的顺磁增强效果。

Description

一种顺磁性钆基金属富勒醇的制备方法
技术领域
本发明属于碳纳米材料领域，涉及一种制备用作磁共振成像(MRI)造影剂的顺磁性钆基金属富勒醇的液相反应方法。
背景技术
富勒烯分子的笼型结构内部包含金属钆的顺磁性金属富勒烯是继“明星分子”C60之后又一类具有典型代表性的碳纳米材料。顺磁性钆基金属富勒烯可与羟基化试剂反应生成顺磁性金属富勒烯多羟基水溶性衍生物，即顺磁性钆基金属富勒醇。顺磁性钆基金属富勒醇具备良好生物相容性，还能保留原有钆基金属富勒烯分子的顺磁特性。目前，其在纳米医学领域用作诊断与/或治疗试剂方面已经展现出诱人的应用价值，如：作纳米影像探针用于造影增强MRI成像；标记细胞作分子探针应用于细胞MRI成像；作抗氧化剂清除ROS类自由基，具备肿瘤抑制潜力。
迄今为止，文献报道顺磁性钆基金属富勒醇的主要制备方法，如：金属钾处理法、相转移催化剂作用下的强碱处理法、H2O2氧化法等。上述各种方法所形成的顺磁性钆基金属富勒醇分子中羟基数目变化幅度大，而且不同研究者所报道的顺磁性钆基金属富勒醇碳笼表面存在杂原子团，结构差异巨大。
本发明的目的就在于为了通过简便的制造技术获得结构更明确、性质更稳定的水溶性的顺磁性钆基金属富勒醇，重点针对羟基化试剂的协同增效并优化能改善溶解钆基金属富勒烯的有机溶剂，从而发明出一种碱-氧化处理制备顺磁性钆基金属富勒醇的液相反应方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能简便、量产地制备水溶性的顺磁性钆基金属富勒醇的碱-氧化处理的液相反应方法。
本发明提供了一种水溶性的顺磁性钆基金属富勒醇的制备方法，包括如下步骤：
(1)将溶解于有机溶剂的顺磁性钆基金属富勒烯、强碱水溶液、双氧水以及用作相转移催化剂的四丁基氢氧化铵分别投料于反应容器，分层，上层为水相，下层为有机溶剂相；所述的有机溶剂选自相对密度高于水相溶液且不互溶的有机物；所述的强碱是氢氧化钠或氢氧化钾，其在强碱水溶液中的物质的量浓度为>1mol/L且≤10mol/L，并且强碱与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于200:1-2000:1之间；所述的双氧水为15-30％水溶液，并且H2O2与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于10:1-100:1之间；所述的四丁基氢氧化铵与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于0.1:1-0.5:1之间；
(2)将步骤(1)的反应体系在惰性气体保护下，于30-70℃条件下连续搅拌10-72小时后停止反应；
(3)分液，取水相去除溶剂，得粗产品，再经精制，得纯净的顺磁性金属富勒醇固态产品。
本发明所述的顺磁性钆基金属富勒烯的碱-氧化处理法反应结合强碱处理与双氧水氧化，突出强调双氧水分子对于该羟基化反应发生及其协同增效的关键作用，所制得水溶性的顺磁性钆基金属富勒醇分子以顺磁性钆基金属富勒烯碳笼为核心，碳笼上直接键联若干个羟基官能团。
进一步，本发明所述的顺磁性钆基金属富勒烯为Gd@C82、Gd@C60、Gd2@C80、Gd3N@C80或Gd3N@C84，优选Gd@C82、Gd3N@C80或Gd3N@C84，并以Gd@C82为最优。
进一步，所述的有机溶剂优选相对密度高于所述水相溶液且不互溶的有机物，更优选为氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、间二氯苯或1,2,4-三氯苯，再进一步优选为邻二氯苯、对二氯苯或间二氯苯，以邻二氯苯为最优。有机溶剂的最少用量以能溶解顺磁性钆基金属富勒烯形成饱和溶液计。
进一步，所述的强碱优选氢氧化钠。
进一步，强碱水溶液的浓度优选5～10mol/L。
进一步，强碱与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于500:1-1000:1之间。
进一步，双氧水与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于10:1-50:1之间，优选为20:1-30:1之间，更优选为25:1。
进一步，四丁基氢氧化铵与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于0.2:1-0.5:1之间，优选0.3:1。
进一步，步骤(2)中，所述惰性气氛为氮气气氛或氦气气氛。
进一步，步骤(2)中，反应温度优选45-60℃，反应时间优选48-72小时。
进一步，步骤(3)中，水相去除溶剂的方法可采用减压蒸馏，得到粗产品。
进一步，步骤(3)中，精制方法可以是将粗产品用甲醇反复洗涤，复溶于水，透析，冷冻干燥得到纯净顺磁性钆基金属富勒醇；透析使用截留分子量为500-10000道尔顿的透析袋。
本发明根据上述方法制备出来的顺磁性钆基金属富勒醇具有良好水溶性，羟基数可在极窄范围内分布且平均加成数目可控制在16～40个之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
①本发明提供的碱-氧化处理法制备水溶性的顺磁性钆基金属富勒醇方法特点：合成工艺简捷，后续纯化方式简单，操作方便，易实现高效、规模化生产。
②本发明提供的碱-氧化处理法，首先，相较于传统的强碱处理法降低强碱溶液的浓度，这将大大降低后续纯化处理时消除体系中强碱的难度；其次，反应体系温度需高于室温且小于双氧水分解温度，如此，体系中双氧水在强碱加热作用下快速分解释放出氧分子，并迅速氧化金属碳笼产生氧化的中间体，进而强碱作羟基化试剂又水解该类氧化的中间体，如此设计发明的反应体系中碱-双氧水分子协同作用，最终形成高加成数的水溶性的顺磁性钆基金属富勒醇；再次，所选用的氯代苯类有机溶剂相对密度高于用作羟基化试剂的碱性溶液且不互溶，相较于传统方法中采用甲苯作溶剂的方法其优势在于：既增加金属富勒烯的溶解度，又使得水相处于反应体系上层，随着反应进程，利于分散于反应容器下层有机溶剂相的顺磁性钆基金属富勒烯逐渐生成水溶性产物而不断进入上层水相，同时非水溶性中间体保留于下层有机相或直接沉淀于反应容器底部，这将极其便利于反应后的纯化处理操作。
③本发明所获得的顺磁性钆基金属富勒醇其碳笼表面修饰的平均羟基数及分布范围，可通过控制羟基化试剂即强碱水溶液的浓度、调节其与顺磁性钆基金属富勒烯的反应计量比、反应温度与时间等因素而实现。
④本发明所获得顺磁性钆基金属富勒醇具备良好的顺磁增强效果，可作为潜在的磁共振成像造影剂，在医学影像学领域中具有重要的应用前景。
附图说明
图1.实施例1中顺磁性金属富勒醇1水溶液的MALDI-TOF MS谱图。
图2.实施例1中顺磁性金属富勒醇1粉末的FT-IR谱图。
图3.实施例1中顺磁性金属富勒醇1粉末的热重分析谱图。
图4.实施例4中顺磁性金属富勒醇Gd@C82(OH)34的质子纵向弛豫率。
具体实施方式
以下实施例有助于进一步理解本发明，但本发明保护范围并不限于列举的实施例。
以下实施例中所述实验方法均为常规方法；所述试剂和材料均可从商业途径获得。其中，Gd@C82来源于厦门福纳新材料科技有限公司，纯度高于99.0％。氢氧化钠、氯苯、邻二氯苯、质量浓度30％H2O2水溶液、40％四丁基氢氧化铵水溶液(TBAH)溶液均为分析纯。
实施例1、
将11.4mg Gd@C82充分溶解于5mL邻二氯苯，2mL 5mol/LNaOH溶液、25μL 30％H2O2以及2μL40％TBAH分别投料于25ml单口反应瓶，分层，碱液在上层，邻二氯苯相在下层；反应体系N2保护，45℃加热条件下连续搅拌48小时后停止反应；分液，减压旋蒸去除水相；甲醇洗涤残留物后，去离子水复溶，使用截留分子量为500-10000道尔顿的透析袋透析，冷冻干燥，得到固态的纯净产品顺磁性金属富勒醇1，其平均分子式为Gd@C82(OH)34，产率100％。
顺磁性金属富勒醇1的表征信息如下：
如图1所示，MALDI-TOF MS中m/z为1142处离子峰归属于Gd@C82碳笼母体单元，由于Gd@C82不溶于水相，可判断该碎片离子源自于顺磁性金属富勒醇1，这可判断其就是Gd@C82的水溶性衍生物。
如图2所示，红外光谱在3430cm-1处强吸收的宽峰归属为O-H伸缩振动，1600cm-1处尖吸收峰归属于C＝C伸缩振动，1050cm-1处弱吸收峰归属于C-OH伸缩振动，红外光谱证实顺磁性金属富勒醇1含-OH。
如图3所示，TG-DTG-DSC同步分析结果表明，顺磁性金属富勒醇1分子在温度区间158-548℃百分比质量从86.56％减少到57.34％，此区间减少的百分比质量(29.22％)完全归因于顺磁性金属富勒醇1分子外接-OH全部丢失，而548℃时残留的质量则归属于Gd@C82碳笼，其中碳笼式量为1142，全部外接-OH式量为17x，计算x＝34，据此得顺磁性金属富勒醇1平均分子式为Gd@C82(OH)34。
实施例2、
将11.4mg Gd@C82充分溶解于5mL氯苯，2mL 1mol/LNaOH溶液、25μL 30％H2O2以及2μL40％TBAH分别投料于25ml单口反应瓶，30℃加热搅拌10小时后停止反应；其余条件同本发明实施例1。得到固态的纯净产品顺磁性金属富勒醇2，其平均分子式为Gd@C82(OH)16，产率75％。
实施例3、
将11.4mg Gd@C82充分溶解于5mL邻二氯苯，2mL 10mol/LNaOH溶液、25μL 30％H2O2以及2μL40％TBAH分别投料于25ml单口反应瓶，60℃加热搅拌72小时后停止反应；其余条件同本发明实施例1。得到固态的纯净产品顺磁性金属富勒醇3，其平均分子式为Gd@C82(OH)40，产率100％。
实施例4、
顺磁性金属富勒醇Gd@C82(OH)16、Gd@C82(OH)34、Gd@C82(OH)40作MRI造影剂时弛豫性能测试的具体实施实验在4.7T动物MRI仪上进行。针对Gd@C82(OH)34的一系列不同浓度样品，采用反转恢复自旋回波成像序列扫描(参数为：重复时间10s，回波时间13.5ms，成像面积3.5×3.5cm2，片厚1.0mm，数据矩阵64×64，在0.05-15s之间选择一系列合适的TI值)；经单指数函数拟合各待测样品的纵向驰豫时间T1，由T1值所对应浓度进而拟合其质子纵向弛豫率即R1值。如图4所示，在4.7T外磁场中水质子的纵向弛豫速率随Gd@C82(OH)34在浓度范围为0.000-0.05mM之间的变化关系。根据弛豫方程式线性拟合的R1值是45.71mM- 1s-1，R2值为0.99999。表1所示为金属富勒醇及临床商用MRI造影剂Gd-DTPA的弛豫率结果，结果表明金属富勒醇Gd@C82(OH)16、Gd@C82(OH)34、Gd@C82(OH)40弛豫增强效果分别是是临床商用Gd-DTPA的5.6、8.9和12.2倍。这显示新发明的金属富勒醇用作MRI造影剂的造影增强效果显著优于临床商用Gd-DTPA。
表1
样品名称 R<sub>1</sub>值(mM<sup>-1</sup>s<sup>-1</sup>)
Gd@C<sub>82</sub>(OH)<sub>16</sub> 28.73
Gd@C<sub>82</sub>(OH)<sub>34</sub> 45.71
Gd@C<sub>82</sub>(OH)<sub>40</sub> 62.34
Gd-DTPA 5.12

Claims (13)

1.一种水溶性的顺磁性钆基金属富勒醇的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将溶解于有机溶剂的顺磁性钆基金属富勒烯、强碱水溶液、双氧水以及用作相转移催化剂的四丁基氢氧化铵分别投料于反应容器，分层，上层为水相，下层为有机溶剂相；所述的有机溶剂选自相对密度高于水相溶液且不互溶的有机物；所述的强碱是氢氧化钠或氢氧化钾，其在强碱水溶液中的物质的量浓度为>1 mol/L且≤10 mol/L，并且强碱与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于200:1-2000:1之间；所述的双氧水的质量百分比浓度为15-30%，并且H2O2与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于10:1-100:1之间；所述的四丁基氢氧化铵与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于0.1:1-0.5:1之间；
(2) 将步骤(1)的反应体系在惰性气体保护下，于30-70 °C条件下连续搅拌10-72小时后停止反应；
(3) 分液，取水相去除溶剂，得粗产品，再经精制，得纯净的顺磁性金属富勒醇固态产品。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的顺磁性钆基金属富勒烯为Gd@C82 、Gd@C60、Gd2@C80、Gd3N@C80或Gd3N@C84。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的顺磁性钆基金属富勒烯为Gd@C82、Gd3N@C80或Gd3N@C84。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的顺磁性钆基金属富勒烯为Gd@C82。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的有机溶剂为氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、间二氯苯或1,2,4-三氯苯。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的强碱为氢氧化钠，所述强碱水溶液的浓度为5~10 mol/L。
7.如权利要求1~6之一所述的制备方法，其特征在于：所述强碱与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于500:1-1000:1之间。
8.如权利要求1~6之一所述的制备方法，其特征在于：所述双氧水与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于10:1-50:1之间。
9.如权利要求1~6之一所述的制备方法，其特征在于：所述双氧水与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于20:1-30:1之间。
10.如权利要求1~6之一所述的制备方法，其特征在于：所述四丁基氢氧化铵与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比介于0.2:1-0.5:1之间。
11.如权利要求1~6之一所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，反应温度为45-60℃，反应时间为48-72 小时。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于：所述的顺磁性钆基金属富勒烯为Gd@C82 ，所述的有机溶剂为邻二氯苯，双氧水与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比为25:1，四丁基氢氧化铵与顺磁性钆基金属富勒烯的物质的量之比为0.3:1。
13.如权利要求1~6之一所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，水相去除溶剂的方法采用减压蒸馏，得到粗产品；所述精制方法是将粗产品用甲醇反复洗涤，复溶于水，透析，冷冻干燥得到纯净顺磁性钆基金属富勒醇，其中透析使用截留分子量为500-10000道尔顿的透析袋。
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