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水溶性Phthalocyanine 之微波合成及其應用

时间:2008-09-04 00:44:40  浏览:        

Abstract
This paper reports a simple, novel, and fast procedure for the synthesis of water-soluble sodium salt of sulfonated
phthalocyanines from 4-sulfophthalic acid or metal-free sodium salt of sulfonated phthalocyanines by microwave irradiation method with appropriate catalysts. In this paper, lab-made phthalocyanine is also used as photosensitizers to study the oxidation of guanine to parabanic acid under photodynamic investigation. This reaction demonstrates that the singlet oxygen is generated.
一、中文摘要
本研究利用簡單﹑新穎﹑快速之微波製程搭配適當觸媒以4-sulfophthalic acid 或無金屬phthalocyanine 磺酸鈉鹽為起始物合成水溶性phthalocyanine。此外,水溶性phthalocyanine 亦被作為光敏劑於照光下guanine 氧化為parabanic acid。此反應可證明單態氧之生成。關鍵詞:phthalocyanine,水溶性,微波,光動力
二、簡介
Phthalocyanine 磺酸鈉鹽(sodium salt of sulfonated phthalocyanine)由於其優異光化學性質[1,2]及水溶性,近年來已引起廣泛注意。目前已被應用於噴墨印表機墨水[3]、觸媒[4]及光學元件[5]等。此外,水溶性phthalocyanine 磺酸鈉鹽具有良好水溶性,方便使用靜脈注射,並已於動物實驗中[1,2,7]被證實其具有低毒性,因此最近更被作為光敏劑藉由光動力療法(Photodynamic therapy, PDT)以治療癌症[1,2,7]及intimal
hyperplasia[8]。Phthalocyanine 磺酸鈉鹽之傳統合成法根據文獻[3,7,9]報導往往曠日費時且需大量溶劑,如何快速合成水溶性phthalocynine逐漸形成一重要課題。然而以微波製程合成水溶性phthalocynine 於文獻中未見報導,因此我們利用簡單﹑新穎﹑快速之微波製程搭配適當觸媒以4-sulfophthalic acid 或無金屬
phthalocyanine 磺酸鈉鹽為起始物合成水溶性phthalocyanine。在光動力療法中,光敏劑與氧在光照下藉由數個能量轉移步驟產生單態氧(singlet oxygen)[10]。相較於其他光敏劑(如 porphyrin, naphthalocyanine 等), phthalocyanine 已被發現為一較佳之光敏劑[2]。這是由於phthalocyanine 具有化學穩定性(chemical stability),光動力活性(photodynamic activity)及適當的吸收位置(light absorption region)造成其表現出有效之組織穿透
性(effective tissue penetration)。單態氧不但能致使腫瘤細胞壞死(necrosis)[2]而且能誘導各種生化反應之進行[11-13]。然而,單態氧於水溶液中之存在至今未能獲得證明。在此研究中,我們證實以水溶性phthalocyanine作為光敏劑時, guanine於紅光照射及氧存在下成功轉化為parabanic acid。此一實驗結果證明單態氧於體外(in vitro)確實存在。
三、實驗
本研究所採用之微波爐為尚朋堂SM-1290。UV/Vis及IR 光譜分別由HITACHI U-3300 及Perkin-ElmerRX-1 FT-IR System 所測得。以4-sulfophthalic acid 為起始物合成水溶性鋅、銅、鋁、鈷及無金屬phthalocyanine 磺酸鈉鹽(直接合成法, Scheme 1)將尿素1.95g (32 mmol)、氯化鋅 0.5532g (4.1 mmol)、氯化銨 1.56g (29 mmol)及鉬酸銨 0.1672g (0.14 mmol)以研缽磨碎,置於石英試管中,加入 50 % 4-sulfophthalic acid水溶液 4g(0.675mmol)後,再將石英試管置於微波爐內,以560瓦加熱,反應10分鐘。之後加入100 mL 10 wt% 氫氧化鈉水溶液,加熱使其沸騰,並冷卻至室溫。將此溶液加入50 mL 甲醇,而後加入100 mL異丙醇使其沉澱。過濾烘乾得1.3524g水溶性鋅花青,產率為68%同樣程序搭配適當觸媒可分別製備水溶性銅、鋁、鈷及無金屬之phthalocyanine 磺酸鈉鹽。實驗細節及鑑定資料如Table1 所示。我們也以Karl-Fisher moisture titrator 測量水溶性phthalocyanine 磺酸鈉鹽之結晶水含量, 其結果與Mass Spectrometer 所測相符合。以無金屬phthalocyanine 磺酸鈉鹽為起始物合成水溶性鎂、鋅、銅、鋁、鈷及鑭系金屬磺酸鈉鹽(金屬置換法, Scheme 2)將水溶性無中間金屬花青 0.2g (0.022mmol) 及氯化鎂0.0412g (0.044mmol) 研磨均勻放入石英試管, 加入5 ml DBU後再放置於微波爐中, 以440瓦加熱, 反應10分鐘。將此溶液加入50 ml 甲醇,而後加入100 ml異丙醇使其沉澱。過濾烘乾得0.1549 g 水溶性鎂花青,產率為84 %。同樣程序可分別製備水溶性銅、鋅、鋁、鈷及鑭系之phthalocyanine 磺酸鈉鹽。實驗細節及鑑定資料如Table 2 所示。值得注意的是鎂及雙層(double-decker)鑭系金屬磺酸鈉鹽只能以金屬置換法製備。此外,於金屬置換法中,必須加入DBU作為觸媒,否則無法反應。
四、結果與討論
為了改善phthalocyanine 於水中之溶解度,本研究於其環結構周圍導入親水性磺酸基,使phthalocyanine 不但可溶於水中,而且可以旋轉塗佈(spin-coating)技術應用於各種工業上。由於phthalocyanine於UV/Vis光譜中可表現出其特徵吸收帶,因此phthalocyanine 之快速鑑定可藉由UV/Vis 光譜完成。如Figure 1-11所示,所有的UV/Vis光譜均具有Q band (600-800 nm)及B band (300-400 nm)。然而,其吸收帶於水中及乙醇水溶液中並不相同。這是由於在水中發生了聚集(aggregation)現象,造成exciton coupling, 因此提高了激發態之能階造成藍位移(blue-shift)。然而,加入乙醇至水中,如Figure 1-11 所示,聚集將消失(disaggregation)。唯一的例外是鋁phthalocyanine 磺酸鈉鹽,如Figure 5 所示,由於鋁phthalocyanine 磺酸鈉鹽具有非平面性結構,因此無法堆疊產生聚集現象。以微波法製備水溶性phthalocyanine 只需10 分鐘,然而以傳統法製備需6 至24 小時方能完成。微波能促使4-sulfophthalicacid 極化,造成其快速轉化為phthalocyanine 磺酸鈉鹽。此外,於微波製程中不須添加任何溶劑。合成銅及鈷phthalocyanine 磺酸鈉鹽時,可使用氯化銨/鉬酸銨或銻作為觸媒。以銻作為觸媒具有於反應後易於去除之優點。若不加入觸媒,則4-sulfophthalic acid轉化為phthalocyanine 磺酸鈉鹽此一反應將無法進行。單態氧之存在對光動力療法而言非常重要。在以前的研究中[17],我們對dysprosium tetrakis(t-butyl) bisphthalocyanine(Dy(TBPc)2)之甲醇溶液通入氧氣後,並照射紅光。藉由其於UV/Vis 光譜中1940 nm 位置之吸收,我們成功偵測出單態氧之存在。然而,依照相同之方法,並無法偵測出phthalocyanine 磺酸鈉鹽水溶液中單態氧之存在。這是由於水於UV/Vis 光譜中1940nm 位置會產生干擾所導致。我們相信單態氧確實存在於水溶液中。因此,我們以phthalocyanine 磺酸鈉鹽為光敏劑將guanine氧化為parabanic acid。Parabanic acid 之IR 光譜與TCI 公司所售相同。於對照組實驗中,若不加入phthalocyanine 磺酸鈉鹽,則此一氧化反應並不會發生。這證明了phthalocyanine 磺酸鈉鹽與氧於紅光照射下確實生成了單態氧。起始物guanine,為deoxyribonucleic acid (DNA)及ribonucleic acid (RNA)之重要成份。由於guanine 照射紅光後已經轉化成parabanic acid,無法與cytosine 配對,以完成轉錄(transcription)﹑轉譯(translation)等程序。癌細胞之生理機制(如生產蛋白質)無法正常運作而壞死。我們臆測此為其可於光動力療法中作為光敏劑之因素。
五、結論
我們成功以微波法製備出phthalocyanine 磺酸鈉鹽。此為一新穎﹑ 快速﹑ 方便之水溶性phthalocyanine 合成方法。Phthalocyanine 磺酸鈉鹽水溶液於紅光照射下產生singlet oxygen 能將guanine 氧化為parabanic acid。因此水溶性phthalocyanine 磺酸鈉鹽為一優異光動力療法之光敏劑。
六、參考文獻
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