一種近紅外稠環芳烴分子及其制備方法和應用
1.本發明屬于生物/光電材料技術領域，具體涉及萘二酰亞胺二聚體稠環芳烴分子在光療抗菌、激光染料、熒光傳感器、熒光標記和光伏電池中的應用；本發明還提供了制備所述分子的方法。
背景技術：
2.過去幾十年，經過科學家的不懈努力，大量性能優異的有機光電功能材料被研制出來，并廣泛應用于各種有機器件和生物領域，如有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、有機場效應晶體管、有機發光二極管、光療抗菌、腫瘤成像與等。
3.萘二酰亞胺(ndi)由富電子的萘單元和兩個缺電子的酰亞胺基團構成。獨特的電子“推-拉”結構賦予其與眾不同的特點，酰亞胺基團上的氮原子通過連接不同的烷基鏈，可以有效增加分子溶解度、提高加工性；且ndi中的兩個吸電子性的酰亞胺基團，可以有效降低分子lumo能級，使分子具有優異的n型有機半導體性能。通過對萘單元進行結構修飾，可以有效調節分子的紫外吸收/熒光發射性能。此外，ndi分子量較小，有利于生物體吸收與代謝。因此，高性能的ndi衍生物在光療抗菌和光伏電池中具有巨大的潛力。
4.ndi衍生物通常是以含有兩個或四個鹵族原子的ndi分子為原料，通過偶聯反應制備，然而，該分子的制備過程極為復雜，常常需要較長的反應時間，制備過程中往往需要液溴等危險化合物，反應條件極為苛刻，且產物的產率較低。為ndi衍生物的工業化生產帶來巨大挑戰。
5.因此本發明提供一種萘二酰亞胺二聚體稠環芳烴材料及其抗菌光療的應用，并通過優化制備過程中的反應添加劑、溫度、時間來簡化制備工藝，提高產物收率。
技術實現要素：
6.鑒于此，本發明的目的是在于提供一種萘二酰亞胺二聚體稠環芳烴材料，以及其制備方法和用途，合成工藝簡單，易于純化，產率較高，并且，在近紅外區域具有良好的吸收性能，同時具有優異的溶解性和穩定性。
7.具體而言，本發明提供了一種化合物，具有式(i)所示的結構：
[0008][0009]
本發明還提供了式(i)化合物的制備方法，其特征在于，以式1,4,5,8-萘四甲酸酐、2,6-二異丙基苯胺、乙二胺、重鉻酸鉀為原料，按照如下反應路線進行反應制備：
[0010][0011]
在本發明的一些具體實施方案中，按照如下步驟制備式(i)化合物：
[0012]
步驟(1)：在乙酸為溶劑的條件下，1,4,5,8-萘四甲酸酐、2,6-二異丙基苯胺，獲得中間體ii；
[0013]
步驟(2)：中間體ii在乙二胺為溶劑，溴化銅、去離子水作為添加劑的條件下，通過碳氫活化反應，獲得中間體iii；
[0014]
步驟(3)：中間體iii在乙酸和水的介質中，濃硫酸為酸性添加劑，重鉻酸鉀為氧化劑，通過氧化反應，生成中間體iv；
[0015]
步驟(4)：中間體iv在三氯氧磷(pocl3)的介質中，dmf為添加劑的條件下，合成萘二酰亞胺二聚體小分子dndi。
[0016]
在本發明的一些具體實施方案中，所述步驟(1)中，1,4,5,8-萘四甲酸酐、2,6-二異丙基苯胺的摩爾比例為：1:(2-5)；120℃加熱回流2-6小時,抽濾，干燥，得到白固體ii。
[0017]
在本發明的一些具體實施方案中，所述步驟(2)中乙二胺、去離子水，體積比為(4-40):1,中間體ii、乙二胺、溴化銅的摩爾比例為：1:(10-200):(0.3-0.5)。60℃反應20-48小時，柱層析得到黃固體iii。
[0018]
在本發明的一些具體實施方案中，所述步驟(3)中乙酸和水摩爾比為(1-5):1；添加的重鉻酸鉀與化合物iii摩爾比為(2-4):1；室溫攪拌30分鐘后，回流反應2-4小時。二氯甲烷萃取，減壓除去溶劑，得到黃固體iv。
[0019]
在本發明的一些具體實施方案中，所述步驟(4)所用溶劑為三氯氧磷(pocl3)，中間體iv、三氯氧磷(pocl3)、dmf的摩爾比例為：1:(10-200):(1-10)；反應溫度100-125℃，反應時間12-48小時。柱層析得到綠固體dndi。
[0020]
本發明相對于現有技術具有如下的顯著優點及效果：
[0021]
本發明的小分子材料結構明確，合成工藝簡單，易于純化，產率較高；并且本發明的材料具有良好的光物理性能，在二氯甲烷溶液中紫外吸收光譜最大吸收波長達753nm，最大發射峰為785nm，具有剛性平面結構、較低的lumo能級，同時，本發明的小分子材料具有分子量小、溶解性優異等優點，在生物成像、熒光探針、激光染料、熒光傳感器、熒光標記、光伏電池和光療抗菌等方面有著巨大的應用前景。
附圖說明
[0022]
圖1為化合物dndi的1h-nmr譜圖。
[0023]
圖2為化合物dndi的
13
c-nmr譜圖。
[0024]
圖3為化合物dndi的質譜圖。
[0025]
圖4為化合物dndi納米顆粒的動態光散射測試圖。
[0026]
圖5為化合物dndi在二氯甲烷溶劑中的紫外吸收光譜圖。
[0027]
圖6為化合物dndi在二氯甲烷溶劑中的熒光發射光譜圖。
[0028]
圖7為化合物dndi在干燥二氯甲烷溶劑中的循環伏安測試圖。
[0029]
圖8為dndi納米顆粒的光熱轉換效率測試圖。
[0030]
圖9為dndi納米顆粒的光熱穩定性測試圖。
[0031]
圖10為dndi納米顆粒和pbs處理過的金黃葡萄球菌在瓊脂平板上形成的菌落圖。
具體實施方式
[0032]
以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。
[0033]
實施例1式(i)化合物的合成
[0034]
合成路線如下：
[0035]
[0036]
具體合成操作步驟如下：
[0037]
將1,4,5,8-萘四甲酸酐(2.680g,10mmol)添加到15ml乙酸中，加入2,6-二異丙基苯胺(3.900g,22mmol)，120℃加熱回流2小時。反應結束后，冷卻至室溫，將反應液倒入甲醇中，抽濾，干燥，得到產物ii(4.982g，產率:85％)。1h nmr(400mhz,cdcl3),δ(ppm):8.89(s,4h),7.53(t,2h,j＝8hz),7.37(d,4h,j＝8hz),2.65-2.76(m,4h),1.18-1.16(m,24h)；其化學結構式如下所示：
[0038][0039]
將化合物ii(0.704g,1.2mmol)和溴化銅(89mg,0.4mmol)置于雙頸瓶中，添加乙二胺(10ml)和去離子水(2ml)。60℃條件下，反應20小時；待溫度冷卻至室溫后，使用稀鹽酸中和未反應的乙二胺，通過二氯甲烷萃取，有機相使用無水硫酸鈉干燥；柱層析(硅膠，dcm:pe＝9:1)得到產物iii(6.323g，產率：82％)。1h nmr(400mhz,cdcl3),δ(ppm):10.63(s,2h),8.46(s,2h),7.50(t,2h,j＝8hz),7.35(d,4h,j＝8hz),3.76(s,4h),2.59-2.67(m,4h),1.13-1.21(m,24h).
13
c nmr(100mhz,cdcl3),δ(ppm):165.68,162.07,152.33,145.36,133.77,131.21,130.50,128.97,124.58,123.91,106.32,29.80,24.10；其化學結構式如下所示：
[0040][0041]
將化合物iii(0.642g,1mmol)和重鉻酸鉀(1.177g,4mmol)添加到雙頸瓶中，添加10ml的乙酸和10ml的去離子水，隨后繼續添加濃硫酸(2ml)，回流反應4小時；反應結束后，冷卻至室溫，抽濾，使用冷甲醇和去離子水洗滌三次，干燥，柱層析(硅膠，dcm)得到產物iv(0.435g，產率：65％)。1h nmr(400mhz,cdcl3),δ(ppm):13.21(s,2h),8.90(s,2h),7.56(t,2h,j＝8hz),7.39(d,4h,j＝8hz),2.66-2.73(m,4h),1.15-1.18(m,24h).
13
c nmr(100mhz,cdcl3),δ(ppm):166.94,163.62,145.63,144.56,130.80,129.67,125.56,124.21,123.66,123.08,98.09,38.30,29.36,24.21；其化學結構式如下所示：
[0042][0043]
在氮氣的氛圍下，將化合物iv(0.200g,0.30mmol)加入到雙頸瓶中，接下來添加三氯氧磷(pocl3,2ml)和dmf(0.1ml)，將溫度緩慢升至120℃，反應48小時。待反應結束后，冷卻至室溫，加入適量冰水(小心！溶液會沸騰，產生大量氣泡)，攪拌均勻，加入碳酸氫鈉，使溶液ph到達7左右，加入二氯甲烷萃取，干燥有機相，柱層析(硅膠，dcm:pe＝8:2)得到綠固體dndi(84mg,43％)。1h nmr(400mhz,cdcl3),δ(ppm):14.93(s,1h),12.91(s,1h),8.69(d,1h,j＝8.0hz),8.59(d,1h,j＝8.0hz),7.52(t,1h,j＝8.0hz),7.46(t,1h,j＝8.0hz),7.35(d,2h,j＝8.0hz),7.32(d,2h,j＝8.0hz),2.57-2.68(m,4h),1.14-1.16(m,24h).
13
c nmr(100mhz,c2cl4d2,313k),δ(ppm):165.76,164.46,162.63,158.15,145.62,136.44,130.30,130.08,129.94,128.46,128.29,125.98,125.02,124.69,124.57,124.41,123.59,117.36,103.33,102.84,29.86,29.46,24.30,24.26,24.09.maldi-tof mass(m/z):calcd for:c
80h76
n8o
10
([m+h]
+
):calcd for1309.5762,found 1309.0688。其化學結構式如下所示：
[0044][0045]
實施例2
[0046]
在實施例1的基礎上，本實施例將1,4,5,8-萘四甲酸酐(2.680g，10mmol)添加到15ml乙酸中，加入2,6-二異丙基苯胺(8.860g，50mmol)，加熱回流2小時,反應結束后，冷卻至室溫，將反應液倒入甲醇中，抽濾，干燥，得到產物ii(5.024g，產率：85.6％)
[0047]
將化合物ii(0.704g,1.2mmol)和溴化銅(89mg,0.4mmol)置于雙頸瓶中，添加乙二胺(20ml)和去離子水(4ml)。60℃條件下，反應20小時；待溫度冷卻至室溫后，使用稀鹽酸中和未反應的乙二胺，通過二氯甲烷萃取，有機相使用無水硫酸鈉干燥；柱層析(硅膠，dcm:pe＝9:1)得到產物iii(0.610g，產率：79％)。
[0048]
將化合物iii(0.642g,1mmol)和重鉻酸鉀(0.588g,2mmol)添加到雙頸瓶中，添加10ml的乙酸和10ml的去離子水，隨后繼續添加濃硫酸(2ml)，回流反應4小時；反應結束后，冷卻至室溫，抽濾，使用冷甲醇和去離子水洗滌三次，干燥，柱層析(硅膠，dcm)得到產物iv(0.355g，產率：55％)。
[0049]
在氮氣的氛圍下，將化合物iv(0.200g,0.30mmol)加入到雙頸瓶中，接下來添加三氯氧磷(pocl3,5ml)和dmf(0.2ml)，將溫度緩慢升至120℃，反應48小時。待反應結束后，冷卻至室溫，加入適量冰水(小心！溶液會沸騰，產生大量氣泡)，攪拌均勻，加入碳酸氫鈉，使溶液ph到達7左右，加入二氯甲烷萃取，干燥有機相，柱層析(硅膠，dcm:pe＝8:2)得到綠固體dndi(90mg,產率：46％)。
[0050]
實施例3化合物dndi納米顆粒制備
[0051]
取2mg實施例1制備的化合物dndi溶于2ml的四氫呋喃中，在超聲條件下，通過注射器注入到裝有普朗尼克f-127(10mg)的超純水(10ml)中。攪拌24小時以去除溶液中的四氫呋喃，通過200μm濾頭過濾，得到綠澄清的dndi納米粒子溶液。如附圖4所示有機納米材料dndi納米顆粒的動態光散射測試結果，其水合粒徑約為73nm，該尺寸的納米顆粒可以通過增強滲透與滯留(enhanced permeability and retention,epr)效應有效地穿透細胞膜而順利進入細菌內。
[0052]
實施例4采用本發明制備的化合物dndi光物理性能測試
[0053]
于紫外測試的石英比皿中加入實施例1制備的化合物dndi二氯甲烷溶液(2.5ml)，濃度為1
×
10-5
mol/l，測試其紫外吸收光譜。如附圖5所示，化合物dndi的最大紫外吸收波長在近紅外吸收范圍內，吸收峰波長為753nm；
[0054]
于熒光測試的石英比皿中加入化合物dndi二氯甲烷溶液(2.5ml)，濃度為1
×
10-5
mol/l，測試其熒光發射光譜。如附圖6所示，化合物dndi的最大熒光發射波長為785nm，在近紅外吸收范圍。
[0055]
實施例5近紅外化合物dndi(i)的電化學性能測試
[0056]
通過循環伏安法測試實施例1制備的化合物dndi(i)的還原特征曲線，進而計算得到分子的lumo能級，工作電極為金電極，對電極為鉑電極，參比電極為ag/agcl。二氯甲烷/六氟磷酸四丁基胺溶液作為電解液，分別測試內標物二茂鐵和dndi的電位，材料的循環伏安測試曲線如附圖7所示，通過計算，得到dndi分子的lumo能級為-3.96ev。
[0057]
實施例6近紅外dndi納米顆粒的光熱轉換效率測試
[0058]
將實施例2制備的dndi納米顆粒水溶液(1ml,100μg/ml)加入石英比皿中，用激光器進行光照(730nm,1.0w/cm2)，通過紅外熱成像儀實時監測并記錄溫度變化(附圖8)。光熱轉換效率(η)由下式(i)計算可得。
[0059]
η＝[hs(t
max
–
t
amb
)-q
dis
]/i(1
–
10-a730
)
????????????
公式(i)
[0060]
τs＝m
dcd
/hs
??????????????????????
公式(ii)
[0061]qdis
＝cdδt
maxwater
/τs?????????????
公式(iii)
[0062]
其中，t
max
和t
amb
分別為納米顆粒溶液所達到的最高溫度和測試時環境溫度，i為激光器的功率(1.0w)，a
730
為測試所用dndi納米顆粒水溶液在730nm下的吸光度值；h和s分別為熱傳遞系數和容器的表面積，hs的值可由公式(ii)得到，τs表示樣品的時間常數，md為超純水的質量，cd為超純水的比熱容(4.2j/g)；q
dis
為水的吸收熱量，可由公式(iii)計算得到，t
maxwater
為超純水在激光器(730nm)照射下達到的最高溫度。
[0063]
經計算，時間常數τs＝234s，光熱轉換效率(η)為55.2％。
[0064]
實施例7近紅外dndi納米顆粒的光熱穩定性測試
[0065]
將實施例2制備的dndi納米顆粒水溶液置于近紅外激光器(730nm,0.8w/cm2)的照
射下，在光照10分鐘后，再關閉近紅外激光器自熱冷卻10分鐘，循環4次，記錄溫度的變化，繪制溫度隨時間的變化曲線(附圖9),每次升溫均在23℃左右，展示出較好的光熱穩定性。
[0066]
實施例8近紅外化合物dndi(i)納米顆粒抗菌活性
[0067]
取4份100μl含有金黃葡萄球菌(s.aureus)的磷酸緩沖鹽液(pbs)，將其中兩份的pbs溶液離心去除掉，加入實施例2制備的dndi納米粒子(200μl,100μg/l)，另外兩份補加100μl的pbs溶液，作為對照組，四組分別為pbs組、pbs+光照組、dndi組和dndi+光照組。在37℃的條件下，孵育五個小時。將含有細菌的溶液取出，光照組在激光器(730nm,1.0w/cm2)的光照下照射10分鐘。將dndi納米粒子沖洗掉，加入200微升的pbs溶液。將上述四組溶液分別稀釋10000倍后，取少量的溶液于瓊脂板上，孵育12小時后，觀察菌株的數量。如附圖10所示，經過光照的dndi納米粒子組中，細菌減少約88％，減少明顯，展現了dndi優異的光療抗菌性能。
[0068]
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
技術特征：
1.稠環芳烴化合物，其具有以下結構：2.一種制備權利要求1所述化合物的方法，其特征在于，以1,4,5,8-萘四甲酸酐、2,6-二異丙基苯胺、乙二胺、重鉻酸鉀為原料，按照如下反應路線進行反應制備：3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟(1)：在乙酸為溶劑的條件下，1,4,5,8-萘四甲酸酐、2,6-二異丙基苯胺，獲得中間體ii；步驟(2)：中間體ii在乙二胺為溶劑，溴化銅、去離子水作為添加劑的條件下，通過碳氫活化反應，獲得中間體iii；步驟(3)：中間體iii在乙酸和水的介質中，濃硫酸為酸性添加劑，重鉻酸鉀為氧化劑，通過氧化反應，生成中間體iv；步驟(4)：中間體iv在三氯氧磷(pocl3)的介質中，dmf為添加劑的條件下，合成萘二酰亞胺二聚體小分子dndi。4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中，1,4,5,8-萘四甲酸酐、2,6-二異丙基苯胺的摩爾比例為：1:(2-5)；120℃加熱回流2-6小時,抽濾，干燥，得到白固體ii。5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中乙二胺、去離子水，體積比為(4-40):1,中間體ii、乙二胺、溴化銅的摩爾比例為：1:(10-200):(0.3-0.5)；60℃反
應20-48小時，柱層析得到黃固體iii。6.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中乙酸和水摩爾比為(1-5):1；添加的重鉻酸鉀與化合物iii摩爾比為(2-4):1；室溫攪拌30-60分鐘后，回流反應2-4小時；二氯甲烷萃取，減壓除去溶劑，得到黃固體iv。7.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)所用溶劑為三氯氧磷(pocl3)，中間體iv、三氯氧磷(pocl3)、dmf的摩爾比例為：1:(10-200):(1-10)；反應溫度100-125℃，反應時間12-48小時；柱層析得到綠固體dndi。8.權利要求1所述化合物在生物成像、熒光探針、激光染料、熒光傳感器、熒光標記、光療抗菌的熒光染料組合物中的應用。9.一種包含權利要求1所述化合物的應用于生物成像、光療抗菌的試劑盒。
技術總結
本發明公開了一種近紅外稠環芳烴分子及其制備方法和應用，制備方法包括以下步驟：在乙酸為溶劑的條件下，1,4,5,8-萘四甲酸酐、2,6-二異丙基苯胺，獲得中間體II；中間體II在乙二胺為溶劑，溴化銅、去離子水作為添加劑的條件下，通過碳氫活化反應，獲得中間體III；中間體III在乙酸和水的介質中，濃硫酸為酸性添加劑，重鉻酸鉀為氧化劑，通過氧化反應，生成中間體IV；中間體IV在三氯氧磷(POCl3)的介質中，DMF為添加劑的條件下，合成萘二酰亞胺二聚體小分子DDI；本發明的小分子材料具有良好的光物理性能，在生物成像、熒光探針、激光染料、熒光傳感器、熒光標記、光伏電池和光療抗菌等方面有著巨大的應用前景。面有著巨大的應用前景。面有著巨大的應用前景。
