稳定性同位素13C标记富勒烯及其衍生物的制备和性质分析

摘要

富勒烯C60是一种完全由60个碳原子组成的中空球状分子，它本身不溶于水，而其碳笼表面丰富的化学修饰性，赋予了富勒烯衍生物功能性的、水溶性的能力，从而大大拓展了它们在生物医药领域的应用。其中，笼外附着羟基的富勒醇，因具有良好的抗氧化、抗肿瘤、抗病毒等作用和效果，而获得较为深入的研究。然而，由于碳纳米材料结构独特、环境生物体系的复杂多变，难以简单而准确的定量检测体内碳纳米材料，从而极大地制约了富勒烯纳米材料在生物医药应用领域的开发。目前针对富勒烯纳米材料本征的体内定量最准确和灵敏的检测方法是采用放射性同位素标记，然而鉴于放射性操作条件的严苛、放射蓄积毒性以及富勒烯侧链放射标记体内可能的断裂等问题，在实际应用中具有一定的局限性。采用稳定同位素标记可以解决放射性标记的弊端，并在实际应用中具有重要的价值。
　　本论文利用稳定同位素13C直接替代富勒烯碳笼骨架碳原子12C，获得13C标记的富勒烯及其衍生物富勒醇。主要研究了13C标记富勒烯纳米材料的稳定同位素效应，及利用此稳定同位素效应进一步探索研究了富勒醇分子碳笼外羟基基团可能存在的形式。结果发现富勒烯分子结构中13C的引入，不改变富勒烯纳米材料本征的化学结构和性质，并提高了分子中13C/12C的比值和碳核磁信号的强度，为安全、无损的碳纳米材料体内定量检测奠定重要的物质基础。主要研究结果如下:
　　(1)利用电弧放电法合成了稳定同位素13C标记的富勒烯。建立了相应的高效液相色谱(HPLC)分离纯化方法。通过飞行时间质谱、同位素比值质谱和碳核磁共振谱对产物进行表征，证明13C成功替代标记了富勒烯的碳笼骨架碳原子，获得了标记量约为5个碳原子的富勒烯分子13C512C55，13C在富勒烯分子结构的替代标记，不改变富勒烯本征的化学结构和性质，保持碳笼的完整性，并且显著提高其核磁共振碳谱的信号强度。同时，结合紫外、红外和拉曼光谱，发现标记富勒烯的稳定同位素效应在分子振动光谱中随其标记量的增加而增强，而不会影响其电子跃迁的紫外吸收光谱。这将为合成13C标记的富勒醇奠定重要的物质基础。
　　(2)我们以13C标记的富勒烯为原料，采用简单而经典的TBAH胺碱催化法合成了13C标记的富勒醇。通过优化合成、分离条件，质谱、紫外、红外、XPS表征，得到平均为12-18个羟基修饰的、具有良好水溶性的富勒醇，表面羟基的修饰不会破坏富勒醇中碳笼结构的完整。
　　(3)利用激光解吸电离飞行时间质谱，通过比较确定富勒烯结构的质谱检测模式，确定了富勒醇特征结构的正负离子模式联合检测的质谱方法，即富勒醇在正离子模式下碳笼易为规律性的碎裂峰，而在负离子模式下保留碳笼主体结构的特征峰。并运用此方法，简便、快速的确定富勒烯的羟基化修饰，鉴别和筛选合成富勒醇的7个碱性浓度，获得加入氢氧化钠的最佳浓度为1.0 g/mL。
　　(4)一切性质溯源需要结构分析，我们利用稳定同位素13C标记富勒烯，使其碳核磁信号增强的特点，以固体碳核磁，结合XPS能谱分析，从原子结构水平对合成富勒醇的分子结构进行初步探索。结果发现富勒醇较为确切的结构式应为:Na+n[C60Ox(OH)y]n-，富勒醇的碳笼外不仅存在独立的羟基-OH，也存在半缩酮、半酮缩醇以及羰基结构。对富勒醇进一步酸化处理，对比反应前后红外特征峰的变化，出现了含C=O结构的酮或羰基的红外振动峰，从化学反应的角度，说明富勒醇中可能存在的内酯结构及碳氧双键结构。这些以稳定同位素标记对富勒醇复杂结构的探索研究将为富勒醇生物效应机制的构效关系，以及原子水平设计更好的富勒醇药物具有重要的意义。

目录

声明

摘要

缩略词表

前言

第一章 稳定同位素13C标记富勒烯的合成与结构表征

1．1 引言

1．2 仪器与试剂

1．2．1 主要仪器

1．2．2 主要试剂

1．3 13C标记富勒烯的电弧放电合成

1．3．1 加热阶段

1．3．2 放电阶段

1．3．3 13C-C60的提取与色谱纯化

1．4 结构表征

1．4．1 激光飞行时间质谱分析

1．4．2 同位素比值质谱分析

1．4．3 核磁共振碳谱分析

1．4．4 紫外光谱分析

1．4．5 红外光谱分析

1．4．6 拉曼光谱分析

1．5 本章小结

第二章 羟基化富勒烯的合成

2．1 引言

2．2 主要仪器与试剂

2．2．1 主要仪器

2．2．2 主要试剂

2．3 TBAH胺碱催化合成法

2．3．1 反应条件优化

2．3．2 纯化过程考察

2．3．3 葡聚糖凝胶G-25柱分离

2．3．4 结果与讨论

2．3．5 富勒醇样品的紫外吸收光谱

2．3．6 富勒醇样品的X光电子能谱

2．4 直接加碱合成法

2．4．1 合成方法

2．4．2 纯化与柱分离方法

2．4．3 结构表征

2．5 稳定同位素13C标记富勒醇合成

2．5．1 合成方法

2．5．2 结构表征

2．6 本章小结

第三章 富勒醇质谱检测方法的建立

3．1 引言

3．2 仪器与试剂

3．2．1 主要仪器

3．2．2 主要试剂

3．3 分析方法

3．3．1 富勒醇样品的合成

3．3．2 质谱条件的选择

3．3．3 不同溶剂对富勒醇质谱测试的影响

3．3．4 不同碱性浓度条件下合成富勒醇的质谱图分析

3．4 结果与讨论

3．4．1 反射模式下正负离子谱之间的差异

3．4．2 不同溶剂对富勒醇质谱测试的影响

3．4．3 不同碱性浓度条件下合成富勒醇的质谱图分析

3．5 本章小结

第四章 稳定同位素13C标记对富勒醇结构的探索研究

4．1 引言

4．2 主要仪器与试剂

4．2．1 主要仪器

4．2．2 主要试剂

4．3 分析方法

4．3．1 红外吸收光谱对富勒醇样品的结构分析

4．3．2 X光电子能谱对富勒醇样品的结构分析

4．3．3 氢核磁共振谱对富勒醇样品的结构分析

4．3．4 碳核磁共振谱对富勒醇样品的结构分析

4．3．5 富勒醇样品酸化处理分析

4．4 结果与讨论

4．4．1 红外吸收光谱对富勒醇样品的结构分析

4．4．2 X光电子能谱对富勒醇样品的结构分析

4．4．3 氢核磁共振谱对富勒醇样品的结构分析

4．4．4 碳核磁共振谱对富勒醇样品的结构分析

4．4．5 富勒醇样品酸化处理结果分析

4．5 本章小结

结语

文献综述

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文目录

致谢