水溶性近紅外染料泊洛沙姆-IR780的制備與表征

郭立強，朱志杰，陳思銘，張宇翾

（江蘇工程職業技術學院，江蘇 南通 226007）

近紅外染料已逐漸由傳統的印染行業向光記錄系統、熱寫顯示系統、激光過濾、激光印刷和紅外攝影、腫瘤成像和靶向治療等領域延伸[1-3]，因其穿透能力強，激發波長一般在700～1000 nm之間，在深部組織很容易被檢測到熒光強度，因此在腫瘤成像和靶向治療領域具有特殊優勢。作為近紅外染料中的一種，IR780碘化物具有很強的熒光強度、光穩定性和生物安全性，又可選擇性地被靶向輸送至腫瘤的線粒體中，在近紅外激光的照射下，產生大量的活性氧類和高熱，從而殺傷腫瘤細胞[4]，因此在醫學腫瘤成像和治療方面具有廣闊的應用前景。IR 780碘化物是美國食品與藥品監督管理局( FDA) 已批準可用于臨床的重要的近紅外熒光染料，但因存在疏水性較強、耐受性差、體內毒性大等缺點，臨床應用受到了明顯限制。

聚氧乙烯-氧丙烯嵌段共聚物（泊洛沙姆）是獲得美國食品與藥物管理局(FDA)認證的、可以在人體使用的聚合物。該聚合物含有雙親性結構，在水中有較好的溶解能力，調節該聚合物的濃度，可以改變其在水溶液中的存在方式。當濃度＜臨界膠束濃度(CMC)時，會以單個大分子的形式分散；當濃度≥臨界膠束濃度(CMC)、溫度低于凝膠溫度時，以膠束形式存在；溫度升高至凝膠溫度，則以半固體的凝膠狀態存在；繼續升高至溶膠溫度，又會轉變為懸浮液[5]。另外，隨著泊洛沙姆的種類、濃度發生變化，其凝膠溫度、儲能模量也會發生變化，這為今后可選用化療藥與高分子近紅外染料聯合給藥體系的開發提供了一種選擇，同時也為原位凝膠劑型的開發提供了一種新的思路。

1 泊洛沙姆-IR-780的合成

1.1 主要原料

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

1.2 合成工藝

1.2.1 泊洛沙姆（Poloxamer F127）的純化

在4℃下，將一定質量的Poloxamer F127加入丙酮中，經約2h的充分溶脹、溶解，得到質量濃度為4g·mL-1的溶液，將其緩慢加入過冷己烷中沉淀，離心分離，純化后的Poloxamer F127產品在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]

將純化后的0.1mmol的Poloxamer F127溶于干燥的40mL乙腈中配制成溶液，用氮氣置換3次。在氮氣保護下，在4h內逐滴加入含5mmol 的N,N-羰基二咪唑的乙腈溶液40mL，常溫下繼續攪拌4h。充分反應后，反應液經旋轉蒸發濃縮至10～15mL，加入4倍的乙醚純化，以去除未反應的N,N-羰基二咪唑，重復3次。25～37℃下真空干燥，收集Poloxamer-CDI白色粉末，送樣分析檢測。

1.2.3 泊洛沙姆的氨基化(F127-NH2)[7]

以1.2.2的產物為起始原料，乙二胺為氨基化試劑，進行氨基化反應。將0.1mmol的Poloxamer-CDI溶解在50mL無水乙腈中，在室溫、磁力攪拌下，3～5h內滴加10～35mL二元胺。在氮氣保護下反應12～24h，旋轉減壓蒸餾，除去未反應的二元胺。在濃縮液中加入4～10倍的乙醚純化，重復3次，25～37℃下真空干燥，收集Fm-NH2白色粉末，送樣分析。

1.2.4 泊洛沙姆-IR780 (Fm-NH-IR780)的合成

以1.2.3的產物Fm-NH2和IR 780為起始原料，三乙胺為催化劑，無水N,N-二甲基甲酰胺（DMF）為溶劑，進行取代反應。在磁力攪拌下，將0.05mmol的Fm-NH2分散于一定體積的DMF中，充分溶脹、分散后，得到50～200mg·mL-1的溶液。滴入適量的三乙胺，混合20min后，在氮氣保護下，加入0.1～0.2mmol的IR780，20～60℃下避光反應，用硅膠板檢測，確定反應終點。真空旋蒸蒸出絕大部分溶劑后，加入20～60mL的二氯甲烷溶解，在磁力攪拌下，緩慢加入4～10倍的無水乙醚，離心沉淀，重復洗滌3次，25～37℃下真空干燥，收集Fm-NH-IR780藍黑色粉末。

2 結果與討論

2.1 沉淀劑己烷用量對泊洛沙姆純化收率的影響

在泊洛沙姆的純化過程中，將4g·mL-1泊洛沙姆的丙酮溶液緩慢加入過冷己烷中，探究沉淀劑己烷的用量對純化收率的影響，結果見圖1。

圖1 己烷用量對泊洛沙姆收率的影響

當己烷用量與丙酮的體積比較小時，泊洛沙姆在己烷中不易分散，形成結塊，從而影響泊洛沙姆的雜質含量和收率。隨著己烷與丙酮的體積比增加，純化收率不斷提高，體積比為4時，收率達到95%左右；體積比繼續增加，泊洛沙姆的損失率增加，收率降低。因此確定己烷與丙酮的體積比為3～4較合適。

2.2 泊洛沙姆-羰基二咪唑中間體的表征

圖2是泊洛沙姆-羰基二咪唑中間體的紅外光譜圖，圖3是泊洛沙姆-羰基二咪唑中間體的氫譜圖。由圖2可知，1764.6 cm-1處有中等吸收峰，1112.8cm-1處有強吸收峰，可以初步判斷產生上述吸收峰的泊洛沙姆與羰基二咪唑反應后形成了羰基吸收峰。在圖3的氫譜中，δ在7×10-6～8×10-6范圍內出現2個氫原子吸收峰，在8×10-6～9×10-6范圍內出現了1個氫原子吸收峰，說明該樣品的分子結構中含有咪唑的雜環結構；δ在1×10-6～2×10-6范圍內出現了氫原子吸收峰，說明樣品分子結構中有大量的亞甲基存在，表明樣品結構中存在泊洛沙姆結構，由此可知泊洛沙姆的結構中，羥基與羰基二咪唑中的羰基發生了耦合反應。

圖2 泊洛沙姆-羰基二咪唑中間體的紅外光譜圖

圖3 泊洛沙姆-羰基二咪唑中間體的氫譜圖

2.3 氨基化泊洛沙姆的中間體的表征

圖4是氨基化泊洛沙姆的中間體的紅外光譜圖，圖5是氨基化泊洛沙姆的中間體的氫譜圖。由圖4可知，1764.6cm-1處有中等吸收峰，1110.1cm-1處有強吸收峰，可以初步判斷在樣品的分子結構中存在羰基。圖3的氫譜中，δ在7×10-6～ 8×10-6、8×10-6～9×10-6范圍出現的氫原子吸收峰，在圖5中消失了，說明該樣品的分子結構中存在咪唑的雜環結構；在δ=3×10-6附近出現了2個新的氫原子吸收峰，說明樣品分子結構中出現了乙二胺結構，由此可知泊洛沙姆-羰基二咪唑中間體與乙二胺通過酰胺化反應，形成了氨基化泊洛沙姆中間體。

圖4 氨基化泊洛沙姆的中間體的紅外光譜圖

圖5 氨基化泊洛沙姆的中間體的氫譜圖

2.4 泊洛沙姆-IR780 (F127-NH-IR780)的合成

2.4.1 催化劑用量對泊洛沙姆-IR780的反應時間和IR780利用率的影響

在Fm-NH2用量為0.05mmol，IR780用量為0.150mmol（兩者摩爾比為1∶3），氮氣保護，反應溫度為40℃的條件下，改變催化劑用量，考察其對泊洛沙姆-IR780反應的影響，結果見圖6。采用硅膠板測定反應終點，并記錄結束時間，經純化分離得到紫黑色的泊洛沙姆-IR780產品。產品收率按式(1)進行計算：

圖6 催化劑用量對泊洛沙姆-IR780反應的影響

在實驗中筆者發現，沒有其他堿存在的條件下，只使用上述2種偶聯試劑，該偶聯反應不能發生。本實驗的結果表明，三乙胺可以促進反應的進行，催化劑用量為0.50～1.25mL時，隨著催化劑的用量增加，泊洛沙姆-IR780的反應速度越快；催化劑用量超過1.25mL后，反應速度的變化不大。催化劑用量為1.0mL時，IR780的利用率為76%。綜合考慮后確定催化劑用量為1.0mL時，合成效率較佳。

2.4.2 IR-780的用量及反應溫度對泊洛沙姆-IR780合成的影響

在泊洛沙姆-IR780的合成中，近紅外熒光染料IR780的氯為活性部位，當其與0.01 mmol的氨基化泊洛沙姆（F127-NH2）反應時，IR780的用量和反應溫度是影響該反應的關鍵。針對這2個關鍵條件進行了較為深入的考察，實驗結果見表1。

表1 IR780用量和反應溫度對產率的影響

IR780用量過大時，副產物的比例非常大，難以進行分離純化；IR780用量少時則反應難以發生，原因可能是菁染料分子中氯的位阻較大，氨基泊洛沙姆的分子鏈較長，因此難以進行取代反應。對條件進行篩選后，最終確定IR780用量為3eq，此用量下可以順利制得目標產物。

在上述實驗結果的基礎上，進一步考察了反應溫度對反應的影響。實驗結果表明，溫度達到80℃時，副產物特別多，降溫至60℃，副產物有所減少，在60℃下反應時，TLC 顯示仍有3個以上產物點生成。在20℃下進行反應，混合物的副反應最少，但收率特別低，延長反應時間仍未能提高產率。反應在40℃下進行時，則能以76%的分離產率制得目標產物。

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)能夠迅速溶解于25mL純化水中，形成均一的溶液，再在磁力攪拌下加入25mL二氯甲烷，在4℃冰箱中靜置24h，結果見圖7。

圖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

將泊洛沙姆-IR780和IR780配成一定濃度的溶液，用紫外分光光度計掃描最大吸收波長。IR780的最大吸收波長為781nm，泊洛沙姆-IR780的最大吸收波長為624nm，最大吸收波長藍移了110nm，與文獻報道的IR-780氨基化后最大吸收波長會藍移的結果一致[8-9]。泊洛沙姆-IR780與IR780的最大吸收波長的對比見圖8。

圖8 氨泊洛沙姆-IR780與IR780最大吸收波長的對比

2.5.3 泊洛沙姆-IR780的譜圖表征

泊洛沙姆-IR780的紅外光譜圖見圖9，氫譜圖見圖10。由圖9可知，在1467.6cm-1、1530.cm-1處都出現了中等吸收峰，600 cm-1～900cm-1范圍內出現了多個指紋峰，可以推斷樣品分子中存在IR780分子中的苯環結構。在圖10的氫譜中，δ=8×10-6附近出現了2個較小的吸收峰，δ=3×10-6附近的氫原子吸收峰消失了，原因是與泊洛沙姆-IR780相比，苯環和雙鍵碳上的氫原子數量較少，吸收峰較小，由此可知合成了泊洛沙姆-IR780產品。

圖9 氨泊洛沙姆-IR780的紅外光譜圖

圖10 泊洛沙姆-IR780的氫譜圖

3 結論

1）以羰基二咪唑為活化劑，在泊洛沙姆的結構中引入羰基結構，再與乙二胺發生酰胺化反應而引入氨基，利用IR780分子中的氯原子已被取代的性質進行取代反應，成功合成了水溶性近紅外染料。

2）該水溶性高分子熒光材料是在低于50℃、氮氣保護下制備的，合成條件溫和，有利于實現較大規模的生產。

3）在IR780分子中引入雙親性的醫用材料泊洛沙姆，可在保持熒光、光熱性能的前提下，提高IR780的穩定性，從而為IR780在醫學腫瘤影像診斷、光熱治療等領域的應用提供新型的水溶性熒光材料。