一种含氟轮烷分子及其制备方法和应用

本发明属于分子机器，具体涉及一种含氟轮烷分子及其制备方法和应用。

背景技术：

1、磁共振成像(mri)技术相比于其他医学影像技术而言，具有无损无创、无电离辐射、软组织对比度高，组织穿透性好、图像信息丰富等优点。质子(1h)是人体中含量最高的磁共振可观测核，具有最高的旋磁比，因此，1h mri是目前临床常用的诊断技术。但传统1hmri背景信号干扰较强，约30％的mri检查需使用磁共振造影剂。近年来，其它可产生磁共振成像信号的原子正不断被研究探索。其中，氟-19(19f)是100％自然丰度的稳定同位素，其灵敏度仅次于1h(相当于1h的83％)，其在人体内属于微量元素，且主要分布在骨骼和牙齿中，横向弛豫时间(t2)非常短，难以被mri仪器检测到，不存在背景信号干扰，因此，19f mri信号全部来自于含氟造影剂，呈现“热点”成像的特点，在生物医学研究领域的应用前景良好。

2、目前，19f mri造影剂主要分为：1)小分子化合物。如全氟化碳类，以氢原子全部被氟原子取代的直链烷基溴化物全氟溴辛烷(perfluorooctyl bromide，pfob)为例【magnetic resonance in medicine,2010,5(6):548-554.】，该化合物的稳定性和生物相容性良好，一般通过加入表面活性剂使其形成稳定的乳液而进行下游应用，但由于pfob分子结构中的19f非对称分布，19f nmr信号裂分，这在一定程度上限制了它的应用。其他具有对称氟原子的全氟化碳小分子化合物，如全氟十五冠醚，全氟苯等，难以对其进行改性修饰。2)高分子和支链聚合物。为了提高造影剂的灵敏度，往其结构中引入更多的氟原子是有效策略之一。如线性全氟聚醚(perfluoropolyethers,pfpes)，ahrens等【naturebiotechnology,2005,23(8):983-987】首次提出用pepes标记树突细胞进行体内细胞的示踪和量化。为进一步提高造影剂的灵敏度，kislukhin等【nature materials,2016,15(6):662-668】将顺磁性钆离子或铁离子引入到pfpes中以提高纵向弛豫速率(t1)，但顺磁性金属带来的安全性问题不容忽视。3)无机氟化物。由于无机化合物中氟原子被固定在晶格中，其t2非常短，需采用特殊的核磁方法如超短回波时间ute，进行信号采集【angewandtechemie-international edition,2018,57(25):7478-7482】。

3、轮烷是一类机械互锁分子，是由一个或多个环状分子和一个或多个链状分子为轴组成的分子集合，其链状分子作为轴穿过环状分子的空腔，两端结合有体积较大的基团(stopper，封端基团)以防止环状分子的脱落，从而形成稳定的轮烷结构。本发明以含氟冠醚为环状分子，通过冠醚和含二级铵盐阳离子轴组装成轮烷，由于氢键作用限制了含氟冠醚的自由运动，其弛豫速率得以加快，从而提高了灵敏度，这种安全有效的提高19f mri造影剂灵敏度的策略目前未见报道。

技术实现思路

1、为了提高19f mri造影剂的灵敏度，本发明利用轮烷特殊的机械互锁结构，限制含氟模块的自由分子运动，以加快其核磁共振纵向弛豫速率。本发明含氟轮烷分子以含氟冠醚为环状分子，同时也是氟-19磁共振信号源；以含二级铵盐阳离子的链状分子为轴，可通过与含氟冠醚的相互作用来调控氟的弛豫性质；以3,5-取代苯衍生物为封端基团，防止含氟冠醚从轴上脱落。该类19f mri造影剂基于轮烷结构特性限制分子运动来提高灵敏度，不需使用顺磁性金属，氟信号单一而强烈，结构便于后续功能化，为高性能19f mri造影剂的研发提供新思路。

2、本发明的主要目的在于提供一种高灵敏19f mri造影剂，为了达到该目的，本发明利用轮烷机械互锁的结构特性，通过限制含氟冠醚的运动来提高纵向弛豫速率，从而增强灵敏度。

3、本发明公开了一种含氟轮烷分子，其以含氟冠醚为环状分子，同时也是氟-19磁共振信号源，以含二级铵盐阳离子的链状分子为轴，以3,5-取代苯衍生物为封端基团，所述含氟轮烷分子具体的结构式如下式1：

4、

5、其中，r1选自叔丁基、三氟甲基、苄氧基中的任一种；rf选自全氟叔丁氧基、三氟乙氧基或氟代甲苯氧基中任一种(优选地，所述氟代甲苯氧基为对氟甲苯氧基或二氟甲苯氧基)，f为氟-19。

6、本发明的另一目的在于提供上述含氟轮烷分子的制备方法，包括如下步骤：

7、(一)氟化冠醚化合物的合成，包括如下步骤：

8、

9、(1-1)以二苯并24-冠醚-8为原料，向其中加入多聚甲醛和溴化氢进行四溴甲基化反应，加热搅拌直至固体完全溶解，静置待反应完全后，收集形成的固体，洗涤、干燥后得到四溴甲基化化合物；

10、(1-2)将四溴甲基化化合物与氟代醇的金属盐溶于有机溶剂中，室温下搅拌反应至完全，经萃取、柱层析纯化后即得到氟化冠醚化合物；

11、(二)链状轴分子的合成，包括如下步骤：

12、

13、(2-1)在保护气氛围下，以对羟基苄胺和对羟基苯甲醛为原料，在催化剂以及有机溶剂存在情况下(优选无水硫酸镁作为催化剂，催化剂用量为对羟基苄胺摩尔数的1.2倍；优选无水乙醇作为有机溶剂)，加热回流至反应完全后，所得固体分散在溶剂中，然后在0℃下缓慢地向其中加入还原剂，通过还原胺化反应得到化合物4a；

14、(2-2)将化合物4a溶于溶剂中，在0℃、保护气氛围下，加入碱搅拌均匀后，加入二碳酸二叔丁酯，然后在室温下反应完全，得到仲胺由叔丁氧羰基保护的化合物4b；

15、(2-3)将碱溶于溶剂中，在0℃、保护气氛围下，将化合物4b与3-溴丙炔加入碱溶液中，然后在室温下发生威廉姆森醚合成反应，得到炔基修饰的化合物4c；

16、(2-4)脱除炔基修饰的化合物4c中的仲胺保护基叔丁氧羰基：在炔基修饰的化合物4c中加入三氟乙酸、阳离子捕捉剂，室温下搅拌至反应完全，真空浓缩后，所得固体中加入有机溶剂(优选为无水甲醇)，然后加入六氟磷酸铵溶液搅拌至反应完全，得到化合物4；

17、(三)封端分子的合成：以苄溴化合物为原料，通过与叠氮化钠发生亲核取代反应，得到化合物5；

18、

19、(四)含氟轮烷分子的合成：将氟化冠醚化合物溶于溶剂中，向其中加入化合物4，搅拌均匀后，再依次向其中加入化合物5和六氟磷酸四乙氰铜(i)，室温搅拌至反应完全后，粗产品经硅胶柱层析纯化得到含氟轮烷分子：

20、

21、进一步的，所述的制备方法步骤(1-1)中，四溴甲基化反应温度为60-70℃，所述溴化氢以溴化氢的乙酸溶液形式加入，溴化氢的乙酸溶液中所含溴化氢的质量分数为33％；二苯并24-冠醚-8与多聚甲醛的摩尔比为1：(2.5-3.5)。

22、进一步的，所述的制备方法步骤(1-2)中，有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺dmf或体积比为(1/1-1/2)的dmf与四氢呋喃thf的混合溶剂。

23、进一步的，所述的制备方法步骤(1-2)中，氟代醇的金属盐为全氟叔丁醇、三氟乙醇或氟代苄醇的钾盐或钠盐；所述四溴甲基化化合物与氟代醇的金属盐的摩尔比为1:6。

24、进一步的，所述的制备方法步骤(2-1)中，还原剂为硼氢化钠、氰基硼氢化钠或三乙酰氧基硼氢化钠，所述对羟基苯甲醛、对羟基苄胺与还原剂的摩尔比为1：1：4。

25、进一步的，所述的制备方法步骤(2-1)中，溶剂为甲醇meoh或体积比为(1/1-5/1)的meoh与thf的混合溶剂；所述的制备方法步骤(2-2)中，溶剂为四氢呋喃，碱为三乙胺或4-二甲氨基吡啶。

26、进一步的，所述的制备方法步骤(2-2)中，化合物4a、二碳酸二叔丁酯与碱的摩尔比为20.5：30.75：26.6。

27、进一步的，所述的制备方法步骤(2-3)中，溶剂为dmf，碱为氢化钠；所述六氟磷酸铵溶液为六氟磷酸铵的饱和水溶液；氢化钠、化合物4b与3-溴丙炔的摩尔比为3：1：3.5。

28、进一步的，所述的制备方法步骤(2-4)中，阳离子捕捉剂为苯甲醚，三氟乙酸、化合物4c与苯甲醚的摩尔比为20：1：1.5。

29、进一步的，所述的制备方法步骤(三)中，苄溴化合物为3,5-双(三氟甲基)苄溴或3,5-双(叔丁基)苄溴，所述亲核取代反应的温度为70-80℃(优选为80℃)，所述苄溴化合物与叠氮化钠的摩尔比为1:1.5。

30、进一步的，所述的制备方法步骤(四)中，溶剂为二氯甲烷，硅胶柱层析所用洗脱剂为dcm与meoh的混合溶剂，体积比为50/1–20/1。

31、进一步的，所述的制备方法步骤(四)中，反应时长为2-3天。

32、进一步的，所述的制备方法步骤(四)中，氟化冠醚化合物、化合物4、化合物5与六氟磷酸四乙氰铜(i)的摩尔比为2:1:3:2。

33、本发明还提供了所述含氟轮烷分子或者上述制备方法所得到的含氟轮烷分子在制备氟-19磁共振造影剂中的应用。

34、与现有技术相比，本发明的优势和有益效果是：

35、1.本发明合成含氟轮烷分子具有合适的弛豫速率和t2/t1比率，可实现高灵敏的氟-19磁共振成像。

36、2.本发明合成的含氟轮烷分子含有36个磁等价的氟-19，可产生单一的氟信号，避免了氟信号裂分及氟原子利用率低的问题。

37、3.在274-318k温度范围内，本发明的含氟轮烷分子的弛豫速率与温度呈线性关系，有潜力作为温度探针。

38、4.在0.0625-4.0mm分子浓度范围内，本发明的含氟轮烷分子的氟信号强度与其浓度呈良好的线性关系：r2大于0.999，这种线性关系奠定了定量成像应用的基础。

39、5.相同条件下，本发明的含氟轮烷分子的氟-19磁共振成像信号强度比对应的含氟冠醚可提高79％，证明了本发明基于轮烷分子结构特性增强灵敏度这一策略的可行性和有效性。