开孔富勒烯的简洁合成及其释氧性能

氧气输送是生物医学工程领域的重要课题。许多医疗手段，例如组织体外培养、活性氧物种（Reactive oxygen species, ROS）杀菌和肿瘤的光动力治疗（Photodynamic therapy, PDT）中均需要充足的氧气供应。目前报道较多的携氧分子主要有修饰的血红素、碳氟化合物、金属过氧化物等。这些分子一般需连接、固载或包覆于具有生物相容性的高分子材料或囊泡结构中，使得释氧材料的合成与表征均有一定的难度。

富勒烯及其衍生物是具有生物相容性的材料，在纳米医药领域有一定的应用，如抗病毒药物、药物输送剂、核磁造影剂等。研究表明，富勒烯与光敏剂或化疗药物的复合物可以提高肿瘤治疗的效率。将母体富勒烯通过化学手段开孔后，富勒烯内部的空腔中可以装入小分子，如果可以装入氧气，则可以将开孔富勒烯用于释氧材料领域。但此前仅有两例相关报道，而且没有关于释放氧气过程的动力学研究。此外，具有较大孔径，可在较温和条件下装入小分子的开孔富勒烯的合成路线均较长，不利于应用研究。

最近，北京大学化学与分子工程学院的甘良兵课题组发展了一条由3步反应制备大开孔富勒烯的反应路线，并对包入氧气后的开孔富勒烯的释氧过程进行了动力学研究。化合物1可由C₆₀经两步反应得到。其可以与苯胺类化合物反应，得到开孔扩大的化合物。通过改变添加的路易斯酸的种类，可以选择性的得到具有19元环孔径的大开孔富勒烯2，以及具有朝向开孔内环氧结构的化合物3。

图1. 开孔富勒烯2和3的合成

化合物2具有较大的开孔孔径。在常温，50个大气压的氧气氛围中搅拌5小时，化合物2中有75%装入了氧气。在核磁共振氢谱中，尽管内包氧气的顺磁性导致O₂@2中绝大多数信号峰无法观测，但苯环上甲基的氢的信号峰依然清晰，而且该峰的位移在化合物2包入氧气前后有所不同，这就为包氧化合物比例的确定提供了简洁的表征手段。随后，该课题组研究了化合物2释放氧气的动力学过程。结果显示37 ℃时释氧过程的半衰期为73 分钟，释氧过程的活化能是18.8 kcal•mol^-1，说明具有这一孔径的开孔富勒烯在PDT的释氧材料方面有潜在的应用价值。

图2. 化合物2装氧、释氧过程示意图

该工作发表在Angewandte Chemie International Edition 上，共同第一作者是北京大学化学与分子工程学院的博士研究生周子硕与访问学者韩红斐。该工作得到国家自然科学基金、科技部、教育部的资助。

Concise Synthesis of Open‐Cage Fullerenes for Oxygen Delivery

Zishuo Zhou, Hongfei Han, Zijing Chen, Rui Gao, Zhen Liu, Jie Su, Nana Xin, Xiaobing Yang and Liangbing Gan

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201911631