水溶性近红外染料泊洛沙姆-IR780的制备与表征

2023-12-27郭立强朱志杰陈思铭张宇翾

化工技术与开发 2023年12期

郭立强，朱志杰，陈思铭，张宇翾

（江苏工程职业技术学院，江苏南通 226007）

近红外染料已逐渐由传统的印染行业向光记录系统、热写显示系统、激光过滤、激光印刷和红外摄影、肿瘤成像和靶向治疗等领域延伸[1-3]，因其穿透能力强，激发波长一般在700～1000 nm之间，在深部组织很容易被检测到荧光强度，因此在肿瘤成像和靶向治疗领域具有特殊优势。作为近红外染料中的一种，IR780碘化物具有很强的荧光强度、光稳定性和生物安全性，又可选择性地被靶向输送至肿瘤的线粒体中，在近红外激光的照射下，产生大量的活性氧类和高热，从而杀伤肿瘤细胞[4]，因此在医学肿瘤成像和治疗方面具有广阔的应用前景。IR 780碘化物是美国食品与药品监督管理局( FDA) 已批准可用于临床的重要的近红外荧光染料，但因存在疏水性较强、耐受性差、体内毒性大等缺点，临床应用受到了明显限制。

聚氧乙烯-氧丙烯嵌段共聚物（泊洛沙姆）是获得美国食品与药物管理局(FDA)认证的、可以在人体使用的聚合物。该聚合物含有双亲性结构，在水中有较好的溶解能力，调节该聚合物的浓度，可以改变其在水溶液中的存在方式。当浓度＜临界胶束浓度(CMC)时，会以单个大分子的形式分散；当浓度≥临界胶束浓度(CMC)、温度低于凝胶温度时，以胶束形式存在；温度升高至凝胶温度，则以半固体的凝胶状态存在；继续升高至溶胶温度，又会转变为悬浮液[5]。另外，随着泊洛沙姆的种类、浓度发生变化，其凝胶温度、储能模量也会发生变化，这为今后可选用化疗药与高分子近红外染料联合给药体系的开发提供了一种选择，同时也为原位凝胶剂型的开发提供了一种新的思路。

1 泊洛沙姆-IR-780的合成

1.1 主要原料

泊洛沙姆(Poloxamer F127，药用级)、N,N’-羰基二咪唑(CDI)、IR780碘化物、乙二胺、三乙胺(化学纯)、乙腈、氮氮二甲基甲酰胺等。

1.2 合成工艺

1.2.1 泊洛沙姆（Poloxamer F127）的纯化

在4℃下，将一定质量的Poloxamer F127加入丙酮中，经约2h的充分溶胀、溶解，得到质量浓度为4g·mL-1的溶液，将其缓慢加入过冷己烷中沉淀，离心分离，纯化后的Poloxamer F127产品在25～37℃下真空干燥。

1.2.2 泊洛沙姆-羰基二咪唑（Poloxamer-CDI）的合成[6]

将纯化后的0.1mmol的Poloxamer F127溶于干燥的40mL乙腈中配制成溶液，用氮气置换3次。在氮气保护下，在4h内逐滴加入含5mmol 的N,N-羰基二咪唑的乙腈溶液40mL，常温下继续搅拌4h。充分反应后，反应液经旋转蒸发浓缩至10～15mL，加入4倍的乙醚纯化，以去除未反应的N,N-羰基二咪唑，重复3次。25～37℃下真空干燥，收集Poloxamer-CDI白色粉末，送样分析检测。

1.2.3 泊洛沙姆的氨基化(F127-NH2)[7]

以1.2.2的产物为起始原料，乙二胺为氨基化试剂，进行氨基化反应。将0.1mmol的Poloxamer-CDI溶解在50mL无水乙腈中，在室温、磁力搅拌下，3～5h内滴加10～35mL二元胺。在氮气保护下反应12～24h，旋转减压蒸馏，除去未反应的二元胺。在浓缩液中加入4～10倍的乙醚纯化，重复3次，25～37℃下真空干燥，收集Fm-NH2白色粉末，送样分析。

1.2.4 泊洛沙姆-IR780 (Fm-NH-IR780)的合成

以1.2.3的产物Fm-NH2和IR 780为起始原料，三乙胺为催化剂，无水N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，进行取代反应。在磁力搅拌下，将0.05mmol的Fm-NH2分散于一定体积的DMF中，充分溶胀、分散后，得到50～200mg·mL-1的溶液。滴入适量的三乙胺，混合20min后，在氮气保护下，加入0.1～0.2mmol的IR780，20～60℃下避光反应，用硅胶板检测，确定反应终点。真空旋蒸蒸出绝大部分溶剂后，加入20～60mL的二氯甲烷溶解，在磁力搅拌下，缓慢加入4～10倍的无水乙醚，离心沉淀，重复洗涤3次，25～37℃下真空干燥，收集Fm-NH-IR780蓝黑色粉末。

2 结果与讨论

2.1 沉淀剂己烷用量对泊洛沙姆纯化收率的影响

在泊洛沙姆的纯化过程中，将4g·mL-1泊洛沙姆的丙酮溶液缓慢加入过冷己烷中，探究沉淀剂己烷的用量对纯化收率的影响，结果见图1。

图1 己烷用量对泊洛沙姆收率的影响

当己烷用量与丙酮的体积比较小时，泊洛沙姆在己烷中不易分散，形成结块，从而影响泊洛沙姆的杂质含量和收率。随着己烷与丙酮的体积比增加，纯化收率不断提高，体积比为4时，收率达到95%左右；体积比继续增加，泊洛沙姆的损失率增加，收率降低。因此确定己烷与丙酮的体积比为3～4较合适。

2.2 泊洛沙姆-羰基二咪唑中间体的表征

图2是泊洛沙姆-羰基二咪唑中间体的红外光谱图，图3是泊洛沙姆-羰基二咪唑中间体的氢谱图。由图2可知，1764.6 cm-1处有中等吸收峰，1112.8cm-1处有强吸收峰，可以初步判断产生上述吸收峰的泊洛沙姆与羰基二咪唑反应后形成了羰基吸收峰。在图3的氢谱中，δ在7×10-6～8×10-6范围内出现2个氢原子吸收峰，在8×10-6～9×10-6范围内出现了1个氢原子吸收峰，说明该样品的分子结构中含有咪唑的杂环结构；δ在1×10-6～2×10-6范围内出现了氢原子吸收峰，说明样品分子结构中有大量的亚甲基存在，表明样品结构中存在泊洛沙姆结构，由此可知泊洛沙姆的结构中，羟基与羰基二咪唑中的羰基发生了耦合反应。

图2 泊洛沙姆-羰基二咪唑中间体的红外光谱图

图3 泊洛沙姆-羰基二咪唑中间体的氢谱图

2.3 氨基化泊洛沙姆的中间体的表征

图4是氨基化泊洛沙姆的中间体的红外光谱图，图5是氨基化泊洛沙姆的中间体的氢谱图。由图4可知，1764.6cm-1处有中等吸收峰，1110.1cm-1处有强吸收峰，可以初步判断在样品的分子结构中存在羰基。图3的氢谱中，δ在7×10-6～ 8×10-6、8×10-6～9×10-6范围出现的氢原子吸收峰，在图5中消失了，说明该样品的分子结构中存在咪唑的杂环结构；在δ=3×10-6附近出现了2个新的氢原子吸收峰，说明样品分子结构中出现了乙二胺结构，由此可知泊洛沙姆-羰基二咪唑中间体与乙二胺通过酰胺化反应，形成了氨基化泊洛沙姆中间体。

图4 氨基化泊洛沙姆的中间体的红外光谱图

图5 氨基化泊洛沙姆的中间体的氢谱图

2.4 泊洛沙姆-IR780 (F127-NH-IR780)的合成

2.4.1 催化剂用量对泊洛沙姆-IR780的反应时间和IR780利用率的影响

在Fm-NH2用量为0.05mmol，IR780用量为0.150mmol（两者摩尔比为1∶3），氮气保护，反应温度为40℃的条件下，改变催化剂用量，考察其对泊洛沙姆-IR780反应的影响，结果见图6。采用硅胶板测定反应终点，并记录结束时间，经纯化分离得到紫黑色的泊洛沙姆-IR780产品。产品收率按式(1)进行计算：

图6 催化剂用量对泊洛沙姆-IR780反应的影响

在实验中笔者发现，没有其他碱存在的条件下，只使用上述2种偶联试剂，该偶联反应不能发生。本实验的结果表明，三乙胺可以促进反应的进行，催化剂用量为0.50～1.25mL时，随着催化剂的用量增加，泊洛沙姆-IR780的反应速度越快；催化剂用量超过1.25mL后，反应速度的变化不大。催化剂用量为1.0mL时，IR780的利用率为76%。综合考虑后确定催化剂用量为1.0mL时，合成效率较佳。

2.4.2 IR-780的用量及反应温度对泊洛沙姆-IR780合成的影响

在泊洛沙姆-IR780的合成中，近红外荧光染料IR780的氯为活性部位，当其与0.01 mmol的氨基化泊洛沙姆（F127-NH2）反应时，IR780的用量和反应温度是影响该反应的关键。针对这2个关键条件进行了较为深入的考察，实验结果见表1。

表1 IR780用量和反应温度对产率的影响

IR780用量过大时，副产物的比例非常大，难以进行分离纯化；IR780用量少时则反应难以发生，原因可能是菁染料分子中氯的位阻较大，氨基泊洛沙姆的分子链较长，因此难以进行取代反应。对条件进行筛选后，最终确定IR780用量为3eq，此用量下可以顺利制得目标产物。

在上述实验结果的基础上，进一步考察了反应温度对反应的影响。实验结果表明，温度达到80℃时，副产物特别多，降温至60℃，副产物有所减少，在60℃下反应时，TLC 显示仍有3个以上产物点生成。在20℃下进行反应，混合物的副反应最少，但收率特别低，延长反应时间仍未能提高产率。反应在40℃下进行时，则能以76%的分离产率制得目标产物。

2.5 泊洛沙姆-IR780 (F127-NH-IR780)的表征

2.5.1 泊洛沙姆-IR780的溶解性能

在溶解性能方面，合成的泊洛沙姆-IR780(Fm-NH-IR780)能够迅速溶解于25mL纯化水中，形成均一的溶液，再在磁力搅拌下加入25mL二氯甲烷，在4℃冰箱中静置24h，结果见图7。

图7 氨泊洛沙姆-IR780(Fm-NH-IR780)

2.5.2 泊洛沙姆-IR780紫外吸收的表征

将泊洛沙姆-IR780和IR780配成一定浓度的溶液，用紫外分光光度计扫描最大吸收波长。IR780的最大吸收波长为781nm，泊洛沙姆-IR780的最大吸收波长为624nm，最大吸收波长蓝移了110nm，与文献报道的IR-780氨基化后最大吸收波长会蓝移的结果一致[8-9]。泊洛沙姆-IR780与IR780的最大吸收波长的对比见图8。

图8 氨泊洛沙姆-IR780与IR780最大吸收波长的对比

2.5.3 泊洛沙姆-IR780的谱图表征

泊洛沙姆-IR780的红外光谱图见图9，氢谱图见图10。由图9可知，在1467.6cm-1、1530.cm-1处都出现了中等吸收峰，600 cm-1～900cm-1范围内出现了多个指纹峰，可以推断样品分子中存在IR780分子中的苯环结构。在图10的氢谱中，δ=8×10-6附近出现了2个较小的吸收峰，δ=3×10-6附近的氢原子吸收峰消失了，原因是与泊洛沙姆-IR780相比，苯环和双键碳上的氢原子数量较少，吸收峰较小，由此可知合成了泊洛沙姆-IR780产品。