（动物学专业论文）c20富勒胺的合成、表征以及生物学活性.pdf

山大学硕t 学位沦文 c ：。富勒胺的合成、表征以及生物学活性 专业：动物学 硕士生：金艳 指导教师：钟创光副教授 摘要 研究了富勒烯c 2 0 与n h 3 在三种不同条件下的反应：富勒烯c 2 0 与过量n h 3 快速反应( 产物简称为富勒胺a ) 、富勒烯c 2 0 与过量n h 3 缓慢反应( 产物简称 为富勒胺b ) 和富勒烯c 2 0 与少量n h 3 反应( 产物简称为富勒胺c ) 。重点表征 了富勒胺a ，并研究了其急性毒性以及对超氧阴离子自由基( 0 2 一) 和羟自由基 ( o h ) 的清除作用。 富勒胺a 的表征结果表明：红外光谱显示存在- n h 2 ( 3 3 2 0 e m - 1 、3 2 7 7 c m 1 ) 和c h ( 3 1 4 4 e m l ) ；拉曼光谱显示存在n h 伸展振动吸收峰( 2 9 1 3 c m 1 ) 和富勒 烯c 2 0 五元环的特征吸收峰( 1 4 6 2 c m 1 ) ；h n m r ( d 2 0 ) 显示存在c - h ；热重 红外显示富勒胺a 受热分解产生氨气。由此推测：富勒烯c 2 0 与足量n h 3 快速 反应可能存在着1 ，2 加成或1 ，4 加成反应，生成物带有- n h 2 和- c h 。新制各的 富勒胺a 水溶性很高，溶解率高达8 0 9 0 ，但其水溶液放置一定时间后易产生 沉淀，生成不溶于水的高聚物。 富勒胺b 和富勒胺c 的红外吸收光谱( 1 r ) 结果表明：它们与富勒胺a 在 指纹区( 4 2 0c m - 1 1 1 0 0c i i l - 1 ) 大致相同，且指纹特征明显；在1 1 0 0e m l - 3 3 2 0e m l 显示极性基团特征峰的范围内有差别。三者所带极性基团数量的关系为：富勒胺 a 富勒胺b 富勒胺c ；三者在水中的溶解率呈递减趋势；三者的聚合程度呈 递增趋势。 初步观察了富勒胺a 对小白鼠静脉注射后产生的急性毒性：富勒胺a 在高 剂量2 0 5 7 3m g , k g 下，死亡率为1 0 0 ；在6 4 3 1 0 2 8 7m g k g 范围剂量下，急性 中山大学硕士学位论文 死亡率为o ，而且没有明显的中毒症状。 通过紫外可见分光光度法研究了富勒胺a 对0 2 一和o h 自由基的清除作用， 结果表明：富勒胺a 对0 2 ”和o h 。均有一定的清除效果。对于0 2 ”来说，当富勒 胺a 在8 7 7 9 7 3 9 u e d i i l l 浓度范围内时，清除率随浓度增大而增大，富勒胺a 浓 度为5 8 4 3 5 u g n d 时，最高清除率达到5 8 4 2 ；对于o h 来说，当富勒胺a 在 8 7 5 0 0 - 1 3 1 2 5 0 u g n d 浓度范围内时，清除率也随浓度增大而增大，浓度为 1 3 1 2 5 0 u g m l 时，最高清除率达到3 6 1 4 。 关键词：c m ，n i - 1 3 ，合成，表征，急性毒性，超氧阴离子自由基，羟自由基 r i 山大学硕十学位论文 s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no fc 2 0f u l l e r e n ea m i n e a n di t sb i o l o g i c a la c t i v i t y m a j o r ：z o o l o g y n a m e ：j i ny a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h o n gc h u a n g g u a n k a b s t r a c t w eh a v es t u d i e dt h es y n t h e s i so f c 2 0w i t hn h 3i nt h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s ：t h er a p i d r e a c t i o no fc 2 0w i t he x c e s s i v en h 3 ( t h ep r o d u c ti ss h o r tf o rf u l l e r e n ea m i n e sa ) ，t h e s l o wr e a c t i o no f c 2 0w i t he x c e s s i v en h 3 ( t h e p r o d u c ti ss h o r tf o rf u l l e r e n ea m i n e sb l t h er e a c t i o no fc 2 0w i t hl a c k i n gn h 3 ( t h ep r o d u c ti ss h o r tf o rf u l l e r e n ea m i n e sc ) w e f o c u s e do nc h a r a c t e r i z i n gf u l l e r e n ea m i n e sa ，o fw h i c hw ea l s os t u d i e dt h ea c u t e t o x i c i t ya n dt h es c a v e n g i n ga b i l i t yo ns u p e ro x i d ea n i o n sa n dh y d m x y lr a d i c a l t h er e s u l t so f c h a r a c t e r i z a t i o no f f u l l e r c n ea m i n e sa w e r ea sf o l l o w s ：f n rs p e c t r u m s h o w e d - n h 2 ( 3 3 2 0 c m l 、3 2 7 7 c m l ) a n d c h ( 31 4 4 c m 1 ) ；r a m a ns p e c t n t ms h o w e d n h ( 2 9 1 3c m l ) a n dt h ep e n m g o n a lo f c 2 0 ( 1 4 6 2 c m 1 ) ；1 h - n m r ( d 2 0 ) s h o w e d c h ， t g i rs h o w e df u l l e r e n ea m i n e sa p r o d u c e da m m o n i au n d e rt h e r m a ld e c o m p o s i t i o n t h e s es u g g e s t e dt h a ti tm a ye x i s t1 , 2a d d i t i o no r1 , 4a d d i t i o nr e a c t i o n , w i t ht h e f o r m a t i o no f n h 2a n d - c h t h en e w p r o d u c t sd i s s o l v e di nw a t e rr a p i d l ya n dv e r y w e l la n di t sr a t eo fd i s s o l u t i o nw a su pt o8 0 9 0 ，b u ti t sa q u e o u ss o l u t i o nw a sa p tt o p r o d u c ep r e c i p i t m m nw h i c hm i g h th et h ew a t e r - i n s o h b l ep o l y m e ra f t e rs o m et i m e t h er e s u l t so fc h a r a c t e r i z a t i o no ff u l l e r e n ea m i n e sba n dcm d i c m e dt h a tt h e f u l l e r e n ea m i n e sa 、ba n dcw e r ea l m o s tt h es a m ea tar a n g eo f4 2 0 c m l l l 0 0 c m l ；t h e r ew e r ed i f f e r e n c e sa tar a n g eo f1 1 0 0 c m lt o3 3 2 0 c m la m o n gt h e m t h e 1 1 1 中山大学硕士学位论文 r e l a t i o no fp o l a rg r o u p sn u m b e ro ft h e mw a sa sf o l l o w s ：f u l l e r e n ea m i n e sa f u l l e r e n ea m i n e sb f u i l e r e n ca m i n e sc ：t h es o l u b i l i t yr a t eo f t h et h r e ed e c r e a s e d ； t h ep o l y m e r i z a t i o nd e g r e eo f t h et l 缸e ei n c r e a s e d t h er e s u l to f t h ea c u t et o x i cr e a c t i o na f t e ri n t r a v e n o u si n j e c t i o no ff u l l e r e n ea m i n e s a s u g g e s t e dt h a ti tw a su n s a f ea tt h ed o s a g eo f2 0 5 7 3m g k ga n di tw a ss a f ea tt h e r a n g eo f 6 4 3 m g k gt o1 0 2 8 7m g k g t h es c a v e n g i n ga b i l i t yo ns u p e ro x i d ea n i o n sa n dh y d r o x y lr a d i c a lw a se v a l u a t e db y m e a n so f u v - v i ss p e c t r o p h o t o m e t r y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tf u l l e r e n ea m i n e sa h a d a l le f f e c to ns c a v e n g i n gs u p e ro x i d ea n i o n sa n dh y d r o x y lr a d i c a l f o rt h es u p e ro x i d e a n i o n s w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f f o l l e r e n ea m i n e saw a sa tar a n g eo f8 7 7 u g m lt o 9 7 3 9 w n 1 l ，t h es c a v e n g i n gr a t ei n c r e a s e dw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n t h em a x i m u m s c a v e n g i n gr a t ew a s5 8 4 2 a tt h ec o n c e n t r a t i o no f5 8 4 3 5 u g m l ；f o rt h eh y d r o x y l r a d i c a l , w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f f u l l e r e n ea m i n e sa w a sa tar a n g eo f 8 7 5 o o u u n f l t o1 3 1 2 5 0 u g m 】，t h es c a v e n g i n gr a t ei n c r e a s e dw i t h t h ec o n c e n t r a t i o n t h em a x i m u m s c a v e n g i n gr a t ew a s3 6 1 4 砒t h ec o n c e n t r a t i o no f1 3 1 2 5 0 n g n d k e y w o r d s ：c 2 0 , a m m o n i a , s y n t h e s i s ，c h a r a c t e r i z a t i o n , a c u t et o x i c ，s u p e ro x i d ea n i o n s , h y d r o x y lr a d i c a l i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献随个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：仓翔 日期： 沙7 年z 月5 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：一，全习镭 日期：御年t 2 , 95 日印日 p 中山大学硕+ 学位论文 1 1 富勒烯的简介 第一章引言 富勒烯是一类只含有碳原子的笼状化合物，具有独特的空间立体结构和化学 性质。它是碳除金刚石、石墨之外的第三种同素异型体。根据构造富勒烯系列的 一般原则1 ) 富勒烯球面由五元环和六元环组成；2 ) 闭壳层电子结构原则；3 ) 芳香性原则；4 ) 表面张力对称分布原则；5 ) 五元环尽可能不相邻原则；6 ) 欧拉网 闭合条件原则最少含有1 2 个五元环，六元环数目不受限制，c 6 0 是唯一能够 满足所有这些条件、对称性最高且所有碳原子化学上等价的c n 分子。根据以上 原则，可以构造出整个富勒烯分子系列：c 2 0 、c 2 4 、c 2 s 、c 3 2 、c 5 0 、c 6 0 、c 7 0 c 2 4 0 、 c 5 4 0 等。一般情况下，碳原子数在6 0 以下的被称为小富勒烯；介于6 0 - 7 0 的分 子被称为富勒烯；介于7 0 1 0 0 的称为大富勒烯；大于1 0 0 的称为巨富勒烯。 首个富勒烯( c 6 0 ) 是由k r o t o 等【2 1 于1 9 8 5 年以激光蒸发石墨获得，并得到 以c 6 0 为主的质谱图；1 9 9 0 年k r a t s c h m e r 和h u f f m a n 等 3 1 用电弧使石墨蒸发， 成功获得数量可观的c 和c 7 0 混合物。之后，富勒烯的研究迸入爆炸式发展阶 段。 1 9 9 1 年至1 9 9 2 年之间，大富勒烯c 7 6 【4 kc 7 5 5 1 、c 鸵、c 纠1 6 1 先后被合成、 分离与表征。 然而，小富勒烯的研究进展却比较缓慢。根据五元环隔离规则( i p r ) 1 7 1 , 富勒烯的几何学结构稳定性由五边形的连接情况决定。在稳定的富勒烯里，五边 形由五个六边形包围，五边形彼此被分开。而小富勒烯的碳笼结构中存在着相邻 的五边形，彼此相邻的五边形大大增加了碳笼表面的张力，这样的结构为了把张 力释放，迫使共有边上的成键碳原子强烈倾向于与周围的物质发生反应，因而碳 笼结构就变得活泼而不稳定，难以在常态下稳定存在。因此，小富勒烯的合成存 中山大学硕士学位论文 在着很大的困难。c 6 0 是最小的可以避免五元环相邻的富勒烯，所以c 6 0 会最早 被发现，之后也顺理成章地发现了大富勒烯，而小富勒烯的研究略微滞后。 1 9 9 2 年，g u o 【8 】等首先在气相实验室中合成了碳笼内嵌有金属原子的c 2 8 ， 即m c 2 s ( m 吐，、z r 、h f t i ) 。后面陆续有很多金属内嵌的c 2 8 衍生物的合成 被报道。 1 9 9 8 年，p i s k o t i 等【9 】参照合成c 6 0 的方法合成了固体c 3 6 及其衍生物c 3 6 h 6 等，并通过飞行时问质谱、1 3 c 核磁共振谱和红外光谱对其进行了表征，但其它 实验室后来无法重复该结果，从而引起争议。 2 0 0 0 年，p r i n z b a c h 等【1 0 1 通过溴原子取代c 2 0 h 2 0 【1 1 1 3 】的氢原子的方法获得了 c 2 0 的溴化物，然后逐步脱溴，在气相电离过程中合成了c 2 0 + 和c 2 0 2 + ，但其只有 0 4 毫秒的存在时间。这与理论预测的最小富勒烯c 2 0 因为全部五元环相邻而极 度不稳定似乎非常符合。 2 0 0 4 年，郑兰荪实验室【1 4 】在合成富勒烯的过程中引入氯原子，使活泼的c 5 0 稳定下来，合成了稳定性极高的富勒烯c 5 0 c l i o ，并通过质谱、”c 一核磁共振谱、 红外光谱、拉曼光谱和紫外光谱对其进行了很好的表征。 以上针对小富勒烯的研究几乎都是在小富勒烯中掺入其他原子，使其衍生物 得以稳定的存在，真正的小富勒烯并没有宏量的合成和纯化出来。一直以来，针 对小富勒烯的研究，绝大部分还停留在理论研究阶段。 事实上，2 0 0 3 年，本人导师已经宏量地合成了c 2 0 ，并对其进行了很好的纯 化和表征。之后，实验室研究了c 2 0 与各种无机物和有机物的反应，导师最近还发 现了其他一系列小富勒烯，正在对其进行表征。可以预想，c 2 0 将以其完美的对 称性和强烈的反应活性成为继明星分子c 6 0 以来的又一个超级明星分子，同时也 正式打破小富勒研究困难之僵局。 1 2 富勒烯c 富勒烯c 的分子结构为：以6 0 个碳原予为顶点，由1 2 个五边形和2 0 个六 边形组成的球型3 2 面体，每个五边形周围由六边形围绕着，分子结构酷似足球， 故又称足球烯( 见图1 1 ) 。其分子量为7 2 0 ，碳球直径约为ln l n 。c 6 0 球状分子内 2 l i l 山大学硕七学位论文 外表面分靠着3 0 个共轭的兀键，由6 0 个托电子组成共轭体【2 l 。 图1 1 富勒烯c t , o 的结构 f i g1 - ls t r u c t u r eo f f u l l e r e n ec c , o c 6 0 的特殊结构形成了它的独特的理化性质，自1 9 9 0 年k r a s t c h m e 等t 3 j 3 t 现 用碳电弧法获得宏量富勒烯以后，富勒烯c 6 0 及其衍生物的研究得到了全面地展 开，并得到了迅猛的发展。 1 2 1 富勒烯c 6 0 的化学性质 通过研究3 h e c 6 0 和3 h e c 7 0 的3 h e 核磁共振，发现c 6 0 和c 7 0 存在着具有 离域电子云特征的大环电流【1 5 】。这一结果表明c 6 0 笼表面存在着离域的大共轭霄 键，即c 6 0 具有一定的芳香性，能够进行一般的稠环芳烃所进行的反应，如：能 够发生烷基化，进行还原生成氢化物等。 众所周知，芳烃一般表现出富电子反应，易与亲电试剂发生亲电取代反应。 但是实验发现c 6 0 却表现出缺电子化合物的反应性，即倾向于得到电子，它难以 与亲电试剂发生反应，而易于与亲核试剂如n h 3 及金属反应。h u c k e l 计算结 果表明【l “9 l ：c 6 0 的电子亲合势能为2 6 5 e v ，有六个低能量的l u m o ( l o w e s t u n o c c u o i e dm o l e c u l a ro r b i t a l ) 轨道可以接受六个电子，其中c = c 双键是化学反 应的活性位点。其特殊的亲电性质使其能发生多种形式的化学反应，包括氧化还 原反应，卤化反应，亲核加成，自由基加成，与金属进行的嵌合反应，聚合反应， 光敏化反应，环加成反应等，现已经有非常多的综述对其进行了总结【2 0 】。 3 中山大学硕士学位论文 1 2 1 1 氢化反应 f u k u z u m i 等伫1 1 利用光诱导的电荷转移反应选择性二电子还原，合成了最简 单的6 - 6 加成氢化产物1 2 c 6 0 i - 1 2 ，表明c 的6 - 6 键可与氢发生加成反应，生成 还原产物。 1 2 1 2 氧化还原反应 c - r g c n 等瞄j 在光照的条件下将c 与0 2 反应生成环氧化物c 6 0 0 ，但这种 环氧化物不稳定，用矾土分离时能还原成c ；a v e n t 等【2 3 1 发现将c 6 0 p h s x = h ， c 1 ) 的甲苯溶液暴露在太阳光下放置两周后，该衍生物发生了自氧化，生成了含 苯并呋喃和环氧丙烷的c c , o 衍生物c 6 0 p h 4 c 6 h 4 0 2 。 1 2 1 3 卤化反应 c 6 0 与卤素分子氟、氯、溴发生加成，所得产物常为多加成卤化物，这些卤 化物还可以进一步发生化学反应讲l 。 一 1 2 1 4 亲核加成反应 c 6 0 具有缺电子烯烃性质，它能够与有机金属试剂如烷基锂、格氏试剂、叶 立德试剂、胺类化合物、氰负离子等亲核试剂进行亲核加成反应，反应物一般为 6 - 6 键上的1 2 加成产物。但是由于空间位阻的关系也可能生成1 4 加成产物 【2 5 删。一般认为有机化合物中c c 单键发生均裂，然而这类1 ，4 - 加成产物在极 性溶剂中发生了c c 单键的异裂，生成了稳定的正离子和负离子叨。 1 2 1 5 自由基反应 c 6 0 同许多缺电子烯烃一样。也具有很强的和自由基反应的能力。c 6 0 上的3 0 4 山大学硕十学位论文 个6 - 6 键是完全相同的，所以c 6 0 与自由基的反应往往得到多加成产物1 2 射。c 还可以与双自由基反应生成共聚物或环加成产物。 1 2 1 6 光敏化反应 在可见光照射下，基态1 c 6 0 被激发到单线态1 c o ，并以很高的量子效率( 接 近1 0 0 0 4 ) 经系间能量转移转化为三线态3 c 6 0 将能量转移给三线态氧3 0 2 ，使之 变成活泼的单线态1 0 2 ，单线态氧参与烯烃的氧化反应生成过氧化物伫叭。 1 2 1 7 环加成反应 c 6 0 的环加成有很多种 2 0 1 ：【1 + 2 】、【2 + 2 】、【3 + 2 】和【4 + 2 】环加成等。【l + 2 】环 加成的有：c o 与卡宾，氮宾，硅烯反应生成6 5 开环或6 - 6 闭环产物；【2 + 2 】环 加成的有：c 6 0 与炔胺、苯胺、烯酮等富电子烯烃在6 - 6 键上发生反应，目前这 类反应的报道还较少见。f 3 + 2 】环加成的有：c 6 0 与叶立德类化合物、重氮化合物 以及其他1 ，3 一偶极子发生反应，方便地将生物活性基团或具有特殊物理和电学 性质的分子引入c e o ； 【4 + 2 】环加成：c e o 具有缺电子烯烃的性质，是一个亲二 烯体，易于与二烯体( 如1 ，3 - 丁二烯、环丁二烯、多环芳香化合物和杂二烯类 化合物等二烯体) 专一性地在6 6 键上发生反应。 1 2 2 富勒烯c 砷及其衍生物的生物学活性 富勒烯c 6 0 在极性溶液中的溶解度很低并容易发生自聚合，使其在生物学上的 应用受到了限制。可以通过各种不同的方法使富勒烯c 6 0 具备水溶性。目前常用 方法有三种：( 1 ) 超声制备富勒烯c 6 0 水溶胶f 3 0 l ；( 2 ) 制各富勒烯c e o 水溶性的包 结物【3 1 伽：( 3 ) 添加水溶性基团，合成富勒烯c 6 0 衍生物口8 。4 0 】。 水溶性富勒烯c 6 0 衍生物具备很多生物应用价值：如可以抑制生物酶活性、切 $ 1 d n a 、清除自由基和抗菌活性等。 5 中山大学硕士学位论文 1 2 2 1 对生物酶活性的抑制 人体艾滋病i 型病毒的蛋白酶是治疗人艾滋病的一个靶酶，其活性部位形状 似一个一端开口的圆筒，该圆筒几乎全部由疏水的氨基酸线性排列组成与这种疏 水趋势明显例外的是在活性部位存在两个能催化水进攻底物使底物的肽键断裂 的天冬氨酸( a s p 2 5 ，a s p m s ) 1 9 9 3 年，f r i e d m a n 等f 4 1 骓测出c 印分子与所描述的人体免疫缺陷病毒酶活性 部位的圆筒具有相同的半径，由于c “及其衍生物c 的部分) 主要是疏水性的， 因而c 和人体免疫缺陷病毒酶活性部位存在着一个强的疏水相互作用，这种相 互作用使得c o 衍生物可以堵住h i v p 的活性部位的洞1 ：3 ，切断病毒赖以生存的营 养供给，从而杀死病毒。通过d o c k 3 程序建模和实验都证明了某些水溶性的c 6 0 衍生物可以抑制h i v p 的活性。此外，通过引入独特的静电相互作用可以增加两 者的结合能，在h i v p 的活性部位，催化性的天冬氨酸盐和c 6 0 表面阳离子之间 的盐桥具有明显的静电相互作用，已经发现几种二价金属阳离子是h i v p 的抑制 剂，通过在c 6 0 上引入一个酰胺盐桥可以使陪体和受体结合能增加约1 7 k j m o l ， 使c o 与h i v p 的结合能力增大1 0 0 0 倍，大大增加了c o 的抑制活性。 2 0 0 0 年，m a r c o r i n 等【4 2 1 合成了另外两种具有生物活性的富勒烯衍生物。它 们都含有两个自由性非常强的氨基，可以与h i v p 中的天冬氨酸发生静电或氢键 作用，而且结合得非常稳定，由此发现修饰过的c 6 0 更容易和h i v p 结合，并且 不同结构的富勒烯衍生物具有不同的抗h i v 活性。为了更清楚地认识富勒烯衍 生物的抗h i v 活性和其本身结构间的关系，b o s i 和r o s 4 3 1 合成了1 3 种不同结构 的富勒烯衍生物，与i - i v p 作用的结果表明不同结构的富勒烯衍生物具有不用的 抗v 活性。 1 2 2 2 切割d n a t o k u y a n m 等脚】发现c 衍生物i ( 如图i - 2 所示) 与超螺旋p b r 3 2 2 d n a 共 同培养，经光照后，d n a 即被切断，断裂经常发生在鸟嘌呤处，证明c 印衍生 物切割d n a 具有专一性。 6 中山大学硕士学位论文 一 r = c o te h 2 ) 2 c 0 2 h n e b 图i - 2 含极性侧链c 6 0 水溶性衍生物i f i g1 - 2w a t e r - s o l u b l ed e r i v a t i v e sio f c 6 0 w i t hp o l a rs i d e 1 2 2 3 清除自由基 自由基的定义为“任何含有不成对电子而能单独存在的物质”，它具有高反应 性。自由基若要稳定必须发生得到电子和失去电子的反应，从而使自己的电子成 对，但也因此使得电子被夺的那个分子因电子的不成对而产生一个新的自由基， 这就是身体产生自由基后可能引发的连锁反应。生物体内较为常见的自由基有超 氧阴离子自由基( 0 2 ) 、羟自由基( o h 。) 、n o 自由基等等。自由基具有高度的 氧化活性，它们极不稳定，活性极高，它们攻击细胞膜、线粒体膜，与膜中的不 饱和脂肪酸反应，造成脂质过氧化增强。脂质过氧化产物又可分解为更多的自由 基，引起自由基的连锁反应。这样，膜结构的完整性受到破坏，引起肌肉、肝细 胞、线粒体、d n a 、r n a 等广泛损伤从而引起各种疾病， 在正常情况下，体内氧自由基的产生和清除是平衡的，一旦产生过多或抗氧 化系统出现故障，其代谢就会出现失衡，这将会导致细胞损伤，从而引起心脑血 管疾病、癌症、白内障、炎症、糖尿病等多种威胁人类生命和健康的疾病以及衰 老现象等等。 c 6 0 具有缺电子烯烃性质，自由基可以提供电子，所以两者极易反应。c 6 0 水 溶性衍生物就像吸收自由基的海绵。c h i a n g 等t 4 5 1 报道了富勒醇对胃癌患者血液中 自由基的清除作用，以及水溶性的多羟基富勒烯衍生物对黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶 产生的0 2 。的清除作用，当溶液中富勒醇的浓度为5 0 m g l 4 时，对0 2 。的清除率 可近达8 0 1 4 6 1 ；孙涛等【4 7 1 以水溶性c 6 0 b 丙氨酸衍生物为例，采用邻苯三酚自氧 化法，报道了它对0 2 。的清除效果：当该衍生物浓度达到2 2 0 m g l 。时，对0 2 。基的 7 中山大学硕士学位论文 对的清除率达到8 0 。 c 6 0 水溶性衍生物对自由基的清除将使其在医学上有着广泛的应用前景。 1 2 2 4 抗菌活性 研究发现富勒烯c 6 0 可以插入生物膜并弓l 起生物膜结构破坏，使其具备抗菌 活性的潜质1 4 蚋。事实上，研究表明富勒烯c 6 0 可以抑制很多不同的细菌。 t e g o s 等1 4 卿研究发现二价和三价的富勒烯c 6 0 的阳离子具有很强的抗菌能力， 同时对哺乳动物细胞相对没有什么毒性。 一 t s a o 等1 5 0 】研究了三羧酸富勒烯针对2 0 多种不同细菌的抑制效应。研究表明 所有的革兰氏阳性菌都可以得到有效抑制，根据对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌 的对比研究发现，富勒烯抑制细菌可能与富勒烯插入细菌胞壁相关。 在临床实际应用方面有研究发现羧酸富勒烯可以明显降低化脓性链球菌 a - 2 0 感染的死亡率，抑菌效果呈剂量依赖性，抑制效率可达3 3 5 ，其作用机制 可能与中性粒细胞抗菌活性增强有关；b o s i 等1 5 2 】研究了链球菌a - 2 0 的传染作用， 发现服用一定量的富勒烯的羰基化合物可以阻止由这种细菌导致的死亡。体内实 验发现，小鼠的存活率为3 3 。 p e l l a r i n i 等f 5 3 l 发现：当富勒烯被应用在固相缩氨酸中制备成缩氨酸衍生物后， 这类化合物既有亲脂性也有缩氨酸表现出来的水溶性和静电作用，所以它具有很 强的抗菌性质，把它应用在大肠杆菌中检测得到的最低抑菌浓度为6 4 9 m ，相应的 不含富勒烯的缩氨酸不具备任何抗菌作用。这暗示了两性分子在抗菌过程中的重 要作用。实际上，一种被称为p 1 9 ( 8 ) 的缩氨酸也具有抗革兰氏阳性和酵母菌作用， 但它在抗革兰氏阳性时表现很低的活性，然而，这种缩氨酸和c 6 0 结合后，表现出很 强的抗菌活性和溶血活性，它能使抗革兰氏阳性的活性增加，使抗革兰氏阴性和酵 母菌的活性降低噼1 。 1 3 富勒烯c 曲 初期的理论研究存在着2 0 + 碳原子组成的团簇到底是环型、碗型还是笼型的 8 i i 山大学硕十学位论文 争议1 5 5 巧6 】。三种异构体的结构示意图如图1 3 。 图1 - 3c 2 0 的三种结构：笼状( 十二面体) 、碗状和环状团簇结构 f i g 1 3t h r e e $ t r u c t u r e s o f c 2 0 ：c a g e ，b o w la n dr i n gc a r b o nc h s t c r s p r i n z b a c h 等【l o l 首次捕获c 2 0 时，通过光电子谱比较了笼状c 2 0 、环状c 2 0 和碗状 c 2 0 的电子亲合能( e l e c t r o na f f i n i t y ，e a ) 和振动波数( v i b m i c e i o n a lp r o g r e s s i o n ， v p ) ( 见表1 1 ) 。结果表明：富勒烯c 2 0 是具有亲电子性的十二面体。 表1 1 笼状、碗状和环状c 2 0 的e a 和v p 参数的比较 t a b l e1 - 1c o m p a r eo f e a a n dv po f c a g e ，b o w la n dr i n gc 2 0 e a ( e v )v p ( c m l ) 笼状结构( c a g e ) 2 2 5 土o 0 3 7 3 0 = i = 7 0 碗状结构( b o w l ) 2 1 7 士0 0 32 0 6 0 士7 0 环状结构( r i n g ) 2 4 4 士0 0 32 2 6 0 士0 0 3 富勒烯c 2 0 的分子结构为：以2 0 个碳原子为顶点，由1 2 个五边形组成的1 2 面体( 如图i - 4 所示) 。其分子量为2 4 0 ，碳球直径约为0 3 1 n m l l 0 1 。 图1 - 4c 2 0 的结构 f i g1 - 4s t r u c t u r eo f f u l l e r e n ec 2 0 9 巾山大学硕十学位论文 富勒烯c 2 0 由五边形构成，球面张力非常大，极度不稳定，本试验室以外的 科研工作者还没有真正意义上的合成出c 2 0 ，因此外界有关它的研究几乎都停留 在富勒烯c 2 0 的衍生物、聚合物以及相关的理论研究水平上 1 3 1 富勒烯c 2 0 的衍生物 1 3 1 1 富勒烯c 柚的完全氢化物c e d l t c 2 0 h 2 0 唯美的结构驱使科学家们想方设法地想去合成它，宣到1 9 8 2 年， p a q u e t t e 等【5 7 0 研从环戊二烯开始经过2 3 步首先合成出了阴离子形式的c 2 0 h 2 0 ，并 通过红外光谱、拉曼光谱、h f f 1 1 3 c 的核磁共振谱对其进行了表征5 町：在红外光 谱比较明显的有三个峰：2 9 4 5 c r a 1 ，1 2 9 8 c m 1 ，和7 2 8 c m l ；拉曼光谱中出现了八 个活跃的频率，对应波数分别是2 9 5 4 c r k l ，2 9 3 8 c m 1 ，1 1 2 4 e m 1 ，1 1 6 4 e r a - 1 ， 1 0 9 2 c r a - 1 ，8 4 0 c m l ，6 7 6 c m - 1 ，4 8 0 e m - 1 ；在以c d c b 为溶剂的1 h 和1 3 c 核磁共振谱 中，均只出现一个单峰，1 h 的化学位移为3 3 8 p p m 。1 3 c 的化学位移为6 6 9 3 p p m 。 后来，p r i n z b a c h 等 1 1 - 1 3 】优化了合成路径，大大提高了十二面体烷c 2 0 h 2 0 的 合成效率。 1 3 1 2c 2 0 的卤化物 ( 2 2 0 的卤化物是以c 2 0 h 2 0 为起点合成的。1 9 9 3 年，p r i n z b a c h 等在极端的反 应条件下，使c 2 0 h 2 0 中的大部分甚至全部的h 原子由卤原子取代，形成各种c 2 0 卤化物( c 2 0 c 1 1 6 ，c 2 0 h t k 3 b r l l - 1 4 ，c 2 0 b r 2 0 ) u q 3 l 。目前来说，( 2 2 0 卤化物可以作为 合成c 2 0 的前体物质1 0 1 ，因而c 2 0 卤化物的合成对合成c 2 0 具有重要的研究意义。 1 3 1 3c 2 0 的多不饱和衍生物 c 2 0 多不饱和衍生物是指含有1 5 个不饱和c = c 双键，可表示为c 2 0 l r , ( r = h 或其他原子；n = 1 8 ，1 6 ，1 4 ，1 2 ，1 0 , 8 ) 1 1 2 l 。c 2 0 多不饱和衍生物具有很强的反 中山大学硕+ 学位论文 应活性：经过选择性加热，由它可以得到多未饱和十二面体的二聚化合物和三聚 化合物；它还可以作为亲二烯体，进行普通的 4 + 2 1 环加成反应，比如与1 ，3 一丁二烯或呋喃在室温下反应。 1 3 2 富勒烯c 2 0 的聚合物 富勒烯c 2 0 非常不稳定，容易自身聚合1 5 9 - 6 n ，其在气态状下存在一系列( c 2 0 r ( 1 f 1 1 3 ) 的低聚物，其中c 含量最大嗍，但还无法确定c 6 0 + 是众所周知的富勒烯 c 6 0 还是c 2 0 的三聚物 6 0 , 6 2 1 。 2 0 0 3 年，l q b a l 等嘲在1 酽t o r r ，含有环三胺或苯的室温环境中，利用紫外线 激光器消融金刚石，最后被消融的金刚石沉积在镍表面形成一层碳薄膜，对薄膜 进行激光解吸质谱分析，发现薄膜中含有c 2 0 、c 2 1 、c 2 2 碳原予团簇。同时，从薄 膜不同部分的样品拉曼光谱、电子衍射结果中发现，c 2 0 是形成固体聚合物的单 体。因而，他们最后提出了这样一个结构模型：由碳原子桥将c 2 0 连接起来，形 成一个面对称立方体晶格，每个晶格单元含有2 2 个碳原子1 6 2 1 。 1 4富勒胺的研究进展 自富勒烯c 6 0 大量合成以后，富勒烯c 6 0 与脂肪胺的反应就陆续有研究报道， 但是由于其产物是成分复杂的混合物，不易分离和表征，所以这方面的研究进展 非常缓慢 6 4 1 ，富勒烯c 6 0 与n i - 1 3 的反应同样如此。 2 0 0 0 9 ，l u b e z k y 等 6 5 】研究了c 6 0 薄膜上吸附n h 3 后的傅立叶转换红外光谱， 在v l ，v 2 ，v 3 和v 4 区发现有吸收。( 如表1 2 和图l _ 4 所示) 与气相相比，v l ，v 3 和v 4 吸 收键的频率向低频移动，v 2 的频率向高频移动。通常存在于固体氨中的在5 4 2 c m - 1 处的一个被认为是摇摆方式的额外键同样被观察到。最大的移动，即v 2 键被认为 向高频区移动了1 9 6 - 1 6 0 c m 1 。最后得出结论：n h 3 通过n 上的孤对电子部分供给 c 6 0 上的c 从而加到c 糠面。由表l 一2 和图1 5 可以得出：n h 3 吸附在c 6 0 薄膜上的吸 中山大学硕士学位论文 收峰为3 3 5 4c m 1 、3 2 2 2c m 、1 6 1 6c m - 1 、1 1 3 2c m 1 、5 4 2c r a 1 。 表1 2n h 3 吸附在c 薄膜上的吸收峰 t a b l e l 2a b s o r p t i o n 丘e q u e n c i e s ( c m - 1 ) o f a m m o n i aa d s o r b e do i lc 6 0f i l m s w o v e n u m b e r ( a n - ! ) 图1 5n h 3 吸附在c 薄膜上的红外光谱 f i g 1 5f t i rs p e c t r u mo f a m m o n i a a d s o r b e do nc 6 0f i l m 2 0 0 3 年，e r k o c 等 6 6 1 用r h f 形式在p m 3 水平的半经验分子轨道理论对n h 3 在 富勒烯中的沉积做了理论上的研究。得出的结论是：c 印团簇内包t n i - 1 3 分子，且 最多储藏6 个n h 3 ，内n h 3 富勒烯o i h 3 ) i l i 园c 6 0 稳定但是吸热。内含6 个以上n h 3 的 富勒烯c 就不稳定了。( 如图1 6 所示) 1 2 山大学硕士学位论文 图1 - 6 ( n h 3 ) n c 6 0 篚j 结构 f i g 1 - 6s t r u c t u r eo f ( n h 3 ) n c 6 0 2 0 0 6 年，p e t r i e l 6 7 1 研究了富勒烯阳离子c o 、c 6 0 2 + 和c 6 0 3 + 与n h 3 反应的量子化 学计算的理论。其理论研究和大量实验证明：富勒烯阳离子c 6 0 + 、c 6 0 2 + 和c 6 0 3 + 至 少可以与2 个n h 3 分子加成，富勒烯的一个c 原子形成外部键要以富勒烯结构产生 形变为代价，其耗费的能量几乎可以与c 6 0 + _ n h 3 的内部键能相抵消，从而解释 了单个阳离子与n h 3 合成过程是极度地无效。以此类推，弱键( 双电子给体) 通 常无法克服形变能，这与c 6 0 + 和大部分简单的有机分子和无机分子不能反应是 一致的。 1 5 本实验室关于富勒烯的研究状况 本实验室这几年都在进行富勒烯的研究。初期，刘哲做了富勒烯与富勒醇 在小鼠体内的代谢分布及毒理作用方面的研究。他研究了旺5 l 标记的富勒烯( c 6 0 和c 7 0 ) 在小鼠体内的吸收、分布与排泄。还研究了富勒醇对小鼠血液、肝脏、 肾脏和脾脏三种生理指标( s o d 、c a t 、m d a ) 的影响。韦健做了富勒烯胺衍 生物在小鼠体内的吸收、分布与排泄等方面的研究。 2 0 0 4 年，本实验室的钟创光老师制备出了宏量的富勒烯c 2 0 单体，通过飞行 时问质谱、”c 核磁共振谱和红外光谱对其进行了很好的表征，并得到了许多新 中山大学硕士学位论文 的衍生物。( 待发) 胡罡1 6 8 1 研究了c 2 0 与精氨酸( a r g ) 的反应，通过紫外光谱和液质联用谱探讨了 碳架和残基的初步结构，认为溶液中的主要产物为c 2 0 ( a r g h ( i f l ，2 ，3 ) ，这些衍生 物因为具有裸露的氨基和羧基，水溶性很好。其中n - - 2 的产物最多，其次是n = l 的，n = 3 的很少，i l 4 的几乎没有，推测其可能的反应机理为：两个氨基酸上的 四个氨基正好能满足c 2 0 的电子要求，使其达到比较好的稳定状态；一个氨基酸 上的两个氨基则勉强能