新型环三磷腈大分子的合成与性能研究

李晓丽， 李志国， 张诗尧， 李 斌， 乔 凯

(1． 东北林业大学 a. 高分子阻燃新材料的分子设计与制备黑龙江省高校重点实验室； b. 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

磷腈类物质自发现以来，引起了诸多领域的研究兴趣，如：光电高分子材料，阻燃材料，特种橡胶及低温弹性材料，高分子液晶，聚磷腈高分子电解质，高分子催化剂及染料，分离膜，高分子导体，生物化学，药用及医用生物材料[1]等。近年来，在医用生物材料和药物传输系统的应用研究成为磷腈类物质的研究热点[2～6]，其原因在于：氮-磷单双键交替的无机骨架可以生物降解，且降解产物无毒，无炎症反应；磷-氯键活性大，可以通过简单的取代反应引入侧基，调节侧基的结构不同，可实现磷腈衍生物具有广范的综合性质。基于磷腈分子的空间结构特性，发现磷腈类物质有能力实现分子间非共价键结合或发生超分子自组装，这种特性使得该类物质在药物传输系统的应用具有很大的潜力。

Scheme1

目前，基于两亲结构的聚磷腈生物材料的研究已见报道[7,8]，但是，具有荧光性能的环三磷腈衍生物的合成及性能未见文献报道。本文以六对羧基苯氧基环三磷腈(2)为原料，通过羧基活化与缩合反应合成了一种新型的环三磷腈生物大分子(1， Scheme 1)，其结构经1H NMR，13C NMR， IR和MS表征。用UV， 分子荧光光谱和共聚焦激光显微镜研究了1的水解降解性能和荧光性能。结果表明，1既具有生物可降解性，又具有荧光特性,有望成为具有荧光示踪功能的新型药物负载材料。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

Pgeneral T6型紫外分光光度计；美国PE Ls55型分子荧光光度计；德国蔡司LSM 510 Meta型荧光图像仪；Bruker 400 MHz型核磁共振仪(DMSO-d6为溶剂，TMS为内标)；PE Spectrum 400型红外光谱仪(KBr压片);Bruker Modi-toff型质谱仪。

2，自制；色氨酸乙酯盐酸盐，扬州宝盛生物化工；其余所用试剂均为分析纯,其中THF和Et3N经纯化处理。

1．2 合成

在带气体回收装置的反应瓶中加入2 2.0 g和二氯亚砜20 mL，搅拌下回流(75 ℃)反应20 h。减压蒸馏除多余的二氯亚砜得淡黄色固体六对甲酰氯苯氧基环三磷腈(3)。加入THF 60 mL，搅拌使其溶解后，加入色氨酸乙酯3.7 g的THF(60 mL)溶液，滴加三乙胺3 mL，滴毕，回流(66 ℃)反应30 h。旋转浓缩至20 mL，边搅拌边倒入150 mL石油醚中，静置沉淀，过滤，滤饼用大量去离子水洗涤，真空干燥得黄色固体1，收率90%；1H NMRδ： 6．96～7．80(m, 9H, ArH), 10.83(s, 1H, NH), 8.86(s, 1H, CONH)， 3.28(d, 2H, ArCH2)， 4.69(t, 1H, NHCHCH2), 4.05(q, 2H, OCH2CH3)， 1.05(t, 3H, CH3)；13C NMRδ： 110.3～136.5(Ar)， 27.15(CH2)， 54.61(CH)， 60.95(OCH2)， 14.3(CH3)， 172.4(CO2)， 166.2(CON)； IRν： 3 412(仲酰胺键)， 3 058(苯环C-H), 1 731(酯C=O), 1 644(酰胺C=O)， 1 603, 1 494(苯环), 1 204, 1 184, 1 182(磷腈环), 1 097(酯C-O), 887(苯环) cm-1。

2 结果与讨论

2．1 表征

1的IR谱图见图1。由图1可见，3 412 cm-1处单峰是N-H键(仲酰胺键)伸缩振动吸收峰，1 644 cm-1处的强吸收峰是羰基(酰胺键)的伸缩振动吸收峰，这两处吸收峰说明酰胺化反应已经发生。由图1还可见，羧酸、酰氯和伯胺基的特征吸收峰均消失，说明环三磷腈的六个羧基全部和色氨酸乙酯的氨基反应。

ν/cm-1图1 1的FT-IR谱图Figure 1 FT-IR spectrum of 1

1的分子量测定结果显示，其分子离子峰信号位于m/z=2 266，经计算分子量为2 243，是分子离子峰加钠峰(M++Na)。综合1H NMR和13C NMR数据判断1的结构符合Scheme 1预期。

2．2 水解性能

图2为1在磷酸盐缓冲溶液(pH 7.4， 37 ℃)中的紫外吸光度变化曲线。由图2可见,1在水解24 h时进入平台阶段，从24 h～528 h(22 d)吸光度数值变化很小。水解528 h之后， 吸光度值呈线性增加。据文献[9]报道，氨基酸酯基磷腈化合物水解可能主要分为两阶段。第一阶段，在水分子的作用下，分子结构中水敏性侧基团发生断裂，即氨基酸酯键发生水解，生成的羧酸进一步进攻磷-氧键，使得侧基断裂。第二阶段，由于侧基断裂导致整个分子结构上磷-氮键不稳定而发生降解，生成磷酸，铵盐。因此，1水解过程可能的机理是：24 h之前1没有发生水解，只是溶解在溶液中的样品产生的紫外吸收； 24 h～528 h之间，吸光度值几乎不变，说明氨基酸酯没有水解；528 h 之后，样品溶液的吸光度值逐渐增大，说明1分子的侧基开始水解，得到的酸性分子在溶液中的溶解度增加，引起的紫外吸光度值变大；实验测试1 008 h(42 d)后的吸光度值一直在增大，说明水解仍处于第一阶段。根据水解实验结果，本文合成的1在模拟体液环境中可以稳定存在22 d，之后慢慢降解。根据文献报到，这类物质降解为无毒的的磷酸和氨等小分子产物，不会引起炎症反应，因此，1可以作为生物友好材料。

2．3 荧光性能

图3和图4分别为1的分子荧光激发光谱和发射光谱。由图3和图4可知，1的最大激发波长为457 nm，最大发射波长为447 nm，均落在可见光区。结合共聚焦荧光显微镜观察，表明1具有荧光性能。1具有荧光性能是由于侧基引入的六个刚性的苯环和色氨酸酯环，这些芳香性环通过分子间的的π-π共轭作用产生发光特性[10]。

λ/nm图3 1的荧光激发光谱Figure 3 Fluorocence excitated spectrum of 1

λ/nm图4 1的荧光发射光谱Figure 4 Fluorocence emission spectrum of 1

3 结论

通过羧基活化与缩合反应成功地合成了新型环三磷腈大分子1。通过模拟体液环境研究其水解行为，发现1可以稳定存在22 d,之后慢慢降解。分子荧光光谱结果表明，1的最大激发波长和发射波长均落在可见光区，1有望作为生物体内荧光示踪材料。

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