CN102977341A - 多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明为一类多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物制备方法及应用。本发明通过Wittig反应合成一系列线性刚柔嵌段共轭聚合物，其中线性骨架中作为柔性链存在的聚乙二醇具有亲水性，这种独特的刚柔结构在四氢呋喃和水的混合溶剂中有球状自组装结构出现，甲苯溶剂中亦表现出优良的自组装性质。通过对这类共轭聚合物的侧链进行修饰，可改良其水溶性。经修饰的此类聚合物能溶于DMSO和水的混合溶剂，而低浓度的DMSO对细胞只有很低的毒性，因而可使用此法进行细胞成像实验。结果显示此类聚合物对细胞膜有特异性标记作用。

Description

多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物制备方法及应用

技术领域

本发明属于生物功能化的纳米材料技术领域，具体涉及主链含聚苯撑乙烯和聚乙二醇的多嵌段共轭聚合物的合成及其自组装性质的研究以及其再生物成像领域的应用。 

背景技术

共轭聚合物凭借其优异的光电性质已被广泛的应用在有机发光二级管、太阳能电池和生物传感领域。刚柔嵌段型共轭聚合物更是因其结构特点而表现出的独特自组装性质一直广受关注。嵌段型共聚物的自组装结构可以是在亲疏水力作用下形成的“核-壳”型，也可以是通过刚性链的π-π堆积而形成的线形或者棒状。本发明所提出的新型刚柔嵌段共轭聚合物正是模拟了嵌膜蛋白的结构。本发明所合成的材料其刚性链为聚苯撑乙烯，同样存在于主链上的柔性链为聚乙二醇。刚性链之间的π-π堆积作用牵动柔性链的规律性折叠，而作为柔性链的聚乙二醇有亲水性，因而在水和有机溶剂的界面就会形成刚性链层层堆积在内，柔性链折叠在外的螺旋结构。如同跨膜蛋白一般，细胞膜磷脂双分子层内是蛋白质的疏水性部分，膜的表面则是亲水性部分。同时侧链上官能团的修饰一方面可以调节材料的水溶性，另一方面可影响刚性链的堆积间距进而影响自组装结构的长度大小。本发明所提出的材料将对细胞膜有特殊标记作用，对于研究细胞膜的一些生理功能、生命活动等方面有潜在的应用价值。 

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种具有良好光电性能及生物相容性的多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物制备方法及应用。 

技术方案：本发明的多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物的结构如下： 

其中，n为聚合度，n值为10~30； 

x值为2，3，4； 

R为取代基，-C_yH_2y+1，y值为1~12， 

或(C₂H₄O)_zCH₃，z值为0~6。 

所述的对称型多嵌段共轭聚合物的刚性链为聚苯撑乙烯结构，柔性链为聚乙二醇结构，侧链的R基是对称地修饰上的烷基链，或是聚乙二醇单甲醚链，或是不对称的修饰。 

多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物的制备方法具体步骤如下： 

对十二烷氧基苯：称取对苯二酚，十二烷基溴，碳酸钾置于烧瓶中，加入丙酮，氮气保护下，50~60℃回流磁力搅拌12~24小时，反应结束后，先将反应液倒入水中搅拌均匀，然后抽滤，所得滤饼溶于热的正己烷中，并加入乙醇重结晶，正己烷/乙醇重结晶三次，可得到白色粉末状固体； 

1,4-二（溴甲基）-2,5-对十二烷氧基苯：称取上步反应所得的对十二烷基苯及相应量的多聚甲醛置于圆底烧瓶中，抽真空然后冲入氮气，加入冰醋酸，110~120℃搅拌10分钟，然后加入浓度为20%~41%的氢溴酸，继续反应12~24小时；反应结束后，先往反应液中加水洗涤，再加二氯甲烷萃取，所得有机相经旋转蒸发仪旋干。粗产品用硅胶柱提纯（洗脱液为石油醚：二氯甲烷=5:1），可得白色固体； 

（4-（（溴三苯基磷）甲基）-2,5-二（十二烷氧基）苯基）三苯基磷溴：（4-（（溴三苯基磷）甲基）-2,5-二（十二烷氧基）苯基）三苯基磷溴：称取上步反应所得1,4-二（溴甲基）-2,5-对十二烷氧基苯与三苯基膦，加入甲苯作为溶剂，氮气保护下110~115℃回流12~24小时；反应结束后，将溶剂旋干，沉淀物加CH₂Cl₂/PE重结晶两次，再用CH₂Cl₂/EA重结晶两次，得到白色晶体； 

三乙二醇二对甲基苯磺酰酯：KOH的水溶液与三缩三乙二醇的THF溶液混合置于烧瓶中，0-5℃下磁力搅拌。在冰水浴下将对甲基苯磺酰氯的THF溶液逐滴加入烧瓶中的混合液。滴加完毕，继续反应约一小时，反应结束，将反应液倒入冰水中，然后用二氯甲烷萃取两三次，水洗两三次，得到二氯甲烷有机相，有机相经无水硫酸镁干燥，过滤，再旋干后得到白色固体。此白色固体用甲醇重结晶得到白色晶体； 

三乙二醇二对苯甲醛：称取对羟基苯甲醛和碳酸钾置于烧瓶中，加DMF，50~60℃下磁力搅拌，约15分钟后加入对甲基苯磺酰基活化的三缩三乙二醇的DMF溶液，在氮气保护下反应一到两天，反应结束后，反应液抽滤得DMF滤液，往滤液中加水出现浑浊，再抽滤，滤饼通过CH₂Cl₂/petrol重结晶得到白色晶体； 

共轭聚合物P1：称取摩尔量为1:1的第三步反应所得季磷盐与第五步反应所得二醛置于烧瓶中，加入THF作为溶剂，常温下搅拌约15分钟，称取叔丁醇钾溶于乙醇或正丁醇中，置于恒压滴液漏斗内，并将其逐滴滴入溶有季磷盐和二醛的THF溶液，滴加的过程需保持THF混合液中无明显红棕色出现；滴加完毕后，继续搅拌约12小时，随着反应的进行，可看到溶液显现绿色荧光，反应结束后，反应液经水洗涤二、三次，有机相经减压蒸馏旋干，所得粘稠物经二氯甲烷和甲醇沉降二、三次，得橙红色较粘稠固体即多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物，此固体溶于有机溶剂在紫外灯照射下发出蓝色荧光。 

多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物的自组装性质及其在细胞成像领域的应用具体方法如下： 

1）所述共轭聚合物溶于DMSO，其中R为-C₁₂H₂₅，x值为2： 

2）将所述共轭聚合物溶于DMSO和水的混合溶剂中，将此溶液加入细胞培养液中用于细胞培养，荧光显微镜下可看到此材料对细胞膜的标记作用，而低浓度的DMSO对细胞只有十分微小的毒性。 

有益效果：本发明主要通过Wittig反应合成了主链含有聚苯撑乙烯和聚乙二醇结构的刚柔嵌段型共轭聚合物。主链中刚性链的π-π堆积作用以及柔性链的可折叠性共同决定了此聚合物在外界条件诱导下可形成的螺旋结构自组装体。这种自组装结构可模拟生物体嵌膜蛋白的结构，即镶嵌入磷脂双分子层的部分为疏水结构，而膜表面（无论是面向组织液还是面向细胞质）的部分为亲水结构。这种独特的结构预示着其对于细胞膜标记的可能性，因而为膜结构和膜物质的研究提供了一种潜在的方法。也寄希望于此类型的聚合物能够对细胞膜的通透性产生影响进而影响其选择性以及其它膜功能，再加之一些功能化修饰使其具有特异性识别能力，那么在生物医学领域必将会有深远的应用。 

附图说明

图1是多嵌段含苯撑乙烯骨架共轭聚合物P1的化学结构式图， 

图2是多嵌段含苯撑乙烯骨架共轭聚合物P1的核磁¹H NMR谱图。 

具体实施方式

本发明所述的多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物的结构如下： 

其中，n为聚合度，n值为10~30； 

x值为2，3，4； 

R为取代基，-C_yH_2y+1，y值为1~12， 

或(C₂H₄O)_zCH₃，z值为0~6； 

上述化合物中，典型例子PPV-P1分子结构如下： 

本发明所述的多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物的合成方法具体步骤如下： 

对十二烷氧基苯：称取对苯二酚，十二烷基溴，碳酸钾置于烧瓶中，加入丙酮，氮气保护下，50~60℃回流磁力搅拌12~24小时。反应结束后，先将反应液倒入水中搅拌均匀，然后抽滤，所得滤饼溶于热的正己烷中，并加入乙醇重结晶。正己烷/乙醇重结晶三次，可得到白色粉末状固体。 

1,4-二（溴甲基）-2,5-对十二烷氧基苯：称取上步反应所得的对十二烷基苯及相应量的多聚甲醛置于圆底烧瓶中，抽真空然后冲入氮气，加入冰醋酸，110~120℃搅拌约10分钟，然后加入氢溴酸，继续反应12~24小时。反应结束后，先往反应液中加水洗涤，再加二氯甲烷萃取，所得有机相经旋转蒸发仪旋干。粗产品用硅胶柱提纯，可得白色固体。 

（4-（（溴三苯基磷）甲基）-2,5-二（十二烷氧基）苯基）三苯基磷溴：（4-（（溴三苯基磷）甲基）-2,5-二（十二烷氧基）苯基）三苯基磷溴：称取上步反应所得1,4-二（溴甲基）-2,5-对十二烷氧基苯与三苯基膦，加入甲苯作为溶剂，氮气保护下回流12~24小时。反应结束后，将溶剂旋干，沉淀物加CH₂Cl₂/PE重结晶两三次，再用CH₂Cl₂/EA重结晶，得到白色晶体。 

三乙二醇二对甲基苯磺酰酯：KOH的水溶液与三缩三乙二醇的THF溶液混合置于烧瓶中，0-5℃下磁力搅拌。在冰水浴下将对甲基苯磺酰氯的THF溶液逐滴加入烧瓶中的混合液。滴加完毕，继续反应一两个小时。反应结束，将反应液倒入冰水中，然后用二氯甲烷萃取两三次，水洗两三次，得到二氯甲烷有机相。有机相经无水硫酸镁干燥，过滤，再旋干后得到白色固体。此白色固体用甲醇重结晶得到白色晶体。 

三乙二醇二对苯甲醛：称取对羟基苯甲醛和碳酸钾置于烧瓶中，加DMF，50~60℃下磁力搅拌。15分钟后加入对甲基苯磺酰基活化的三缩三乙二醇的DMF 溶液，在氮气保护下反应两到三天。反应结束后，反应液抽滤得DMF滤液，往滤液中加水出现浑浊，再抽滤，滤饼通过CH₂Cl₂/petrol重结晶得到白色晶体。 

共轭聚合物P1：称取摩尔量为1:1的第三步反应所得季磷盐与第五步反应所得二醛置于烧瓶中，加入THF作为溶剂，常温下搅拌约15分钟。称取叔丁醇钾溶于乙醇（或正丁醇）中，置于恒压滴液漏斗内，并将其逐滴滴入溶有季磷盐和二醛的THF溶液。滴加的过程需保持THF混合液中无明显红棕色出现。滴加完毕后，继续搅拌约12小时。随着反应的进行，可看到溶液显现绿色荧光。反应结束后，反应液经水洗涤两三次，有机相经减压蒸馏旋干，所得粘稠物经二氯甲烷和甲醇沉降，得橙红色较粘稠固体。此固体溶于有机溶剂在紫外灯照射下发出蓝色荧光。 

为了更好地理解本发明，下面通过具体实例来进一步说明本发明的技术方案。 

实例1PPV-P1合成方法如下： 

对十二烷氧基苯：称取4.4g(40mmol)对苯二酚，24.9g(100mmol)十二烷基溴，16.56g(120mmol)碳酸钾置于烧瓶中，加入100ml丙酮，氮气保护下，60℃回流磁力搅拌24小时。反应结束后，先将反应液倒入100ml水中，然后抽滤，所得滤饼溶于热的正己烷中，并加入乙醇重结晶。正己烷/乙醇重结晶三次，得到白色粉末状固体，产量14g，产率78.5%。；¹HNMR(400MHz,CDCl₃,ppm)：δ6.81(s,4H),3.91-3.87(t,J)6.6,4H),1.79-1.69(m,4H),1.43-1.26(m,36H),0.90-0.86(t,6H). 

1,4-二（溴甲基）-2,5-对十二烷氧基苯：称取上步反应所得的对十二烷基苯2.2g（5mmol）及多聚甲醛0.6g（20mmol）置于圆底烧瓶中，抽真空然后冲入氮气，加入冰醋酸，118℃搅拌10min，然后加入浓度为41%的氢溴酸4ml，继续反应24小时。反应结束后，先往反应液中加水洗涤，再加二氯甲烷萃取，所得有机相经旋转蒸发仪旋干。粗产品用二氯甲烷和乙醇重结晶三次得白色固体，真空干燥后收集产物，产量2.4g，产率；¹HNMR(400MHz,CDCl₃,ppm)：δ6.85(s,2H),4.52(s,4H),4.00-3.96(t,J)6.4,4H),1.85-1.76(m,4H),1.54-1.27(m,36H),0.90-0.86(t,6H). 

（4-（（溴三苯基磷）甲基）-2,5-二（十二烷氧基）苯基）三苯基磷溴：称 取上步反应所得1,4-二（溴甲基）-2,5-对十二烷氧基苯0.63g（1mmol）与三苯基膦0.58g（2.2mmol），加入20ml甲苯作为溶剂，氮气保护下111℃回流24小时。反应结束后，将溶剂旋干，沉淀物加CH2Cl2/PE重结晶两次，再用CH2Cl2/EA重结晶两次，得到白色晶体。真空干燥后收集产物，产量0.56g，产率；¹HNMR(400MHz,CDCl₃,ppm)：δ7.77-7.59（m,30H）,5.35-5.30(d,4H,J=12.36Hz),3.0(t,4H,J=6.26),1.31-1.03(m,40H),0.886(t,6H,J=7.01). 

三乙二醇二对甲基苯磺酰酯：KOH（14g,250mmol）的水溶液(20ml)与三缩三乙二醇(13g,85mmol)的THF溶液(20ml)混合置于烧瓶中，0-5℃下磁力搅拌。在冰水浴下将对甲基苯磺酰氯(34g,175mmol)的THF(30ml)溶液逐滴加入烧瓶中的混合液。滴加完毕，继续反应一小时。反应结束，将反应液倒入50ml冰水中，然后用二氯甲烷萃取两次，水洗两次，得到二氯甲烷有机相。有机相经无水硫酸镁干燥，过滤，再旋干后得到白色固体。此白色固体用甲醇重结晶两次得到白色晶体34.3g,产率88.3%。；¹HNMR(400MHz,CDCl₃,ppm):δ7.80(d,4H,J=8.23),7.35(d,4H,J=19.38),4.13(t,4H,J=5.68),3.65(t,4H,J=4.63),3.53(s,4H),2.45(s,6H). 

三乙二醇二对苯甲醛：称取1.53g（12.5mmol）对羟基苯甲醛和2.07g(15mmol)碳酸钾置于烧瓶中，加10ml的DMF，60℃下磁力搅拌。15min后加入对甲基苯磺酰基活化的三缩三乙二醇(2.29g,5mmol)的DMF(10ml)溶液，在氮气保护下反应两天。反应结束后，反应液抽滤得DMF滤液，往滤液中加水出现浑浊，再抽滤，滤饼通过CH₂Cl₂/petrol重结晶得到白色晶体。烘干后称重，产量1.32g，产率67.7%。；¹HNMR(400MHz,CDCl₃,ppm):δ9.88(s,2H),7.82(d,4H,J=9.02),6.99(d,4H,J=8.68),4.20(t,4H,J=4.93),3.89(t,4H,J=4.56),3.76(s,4H). 

共轭聚合物P1：称取摩尔量为1:1的第三步反应所得季磷盐0.693g（0.6mmol）与第五步反应所得二醛0.214g（0.6mmol）置于烧瓶中，加入10ml THF作为溶剂，常温下搅拌15分钟。称取0.336g（3mmol）叔丁醇钾溶于10ml乙醇（或正丁醇）中，置于恒压滴液漏斗内，并将其逐滴滴入溶有季磷盐和二醛的THF溶液。滴加的过程需保持THF混合液中无明显红棕色出现。滴加完毕后，继续搅拌12小时。随着反应的进行，可看到溶液显现绿色荧光。反应结束后，反应液经水洗涤三次，有机相经减压蒸馏旋干，所得粘稠物经二氯甲烷和甲醇沉 降三次，得橙红色较粘稠固体。此固体溶于有机溶剂在365nm紫外灯照射下发出蓝色荧光。；¹HNMR(400MHz,CDCl₃,ppm):δ7.82-7.79(br,2H),7.69-7.64(br,4H),6.89(br,4H),4.20-4.14(br,4H),3.87(br,4H),3.75(br,4H),1.62-1.21(br,44H),0.87(br,6H). 

应用研究 

1、方法：根据所述多嵌段聚合物的结构特点，尝试了两种自组装方法，一是溶剂分散自组装，一是溶剂蒸发自组装。溶剂分散自组装使用的方式为，将材料溶于良溶剂THF中，然后在超声条件下将此溶液往不良溶剂水中滴加。当良溶剂与不良溶剂配比不同时，可以观察到不同的自组装形态。溶剂蒸发自组装使用的方法为，将材料溶于甲苯中，将其分别滴在玻璃片、石英、硅片的表面，罩上烧杯，在不同温度下使其自由挥发。 

2、自组装性质：配置0.01mg/ml的THF溶液5ml，将其以10微升每滴的量逐滴加入2ml的水中，此过程在超声下完成。当THF和水的比例为1:1时可见浑浊现象，此比例的自组装经荧光显微镜和扫描显微镜观察可见球状自组装体。分别配置浓度为0.1、0.01、0.001、0.0001mg/ml的甲苯溶液，将其分别滴一滴在玻璃片和石英片上，盖上小烧杯在室温下任其自由挥发。使用荧光显微镜观察，0.001mg/ml的石英片上可见明显的线性结构。 

3、细胞成像情况：将材料溶于DMSO中，超声使其更好地分散，然后加入3倍量的水，再超声分散，最后用滤膜过滤。经滤膜过滤的溶液用培养液稀释用于培养NIH3T3细胞。 

Claims (4)

1.一类多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物，其特征在于该共轭聚合物具有以下分子结构： 

其中，n为聚合度，n值为10~30； 

x值为2，3，4； 

R为取代基，-C_yH_2y+1，y值为1~12， 

或(C₂H₄O)_zCH₃，z值为0~6。 

2.根据权利要求1所述的多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物，其特征在于：所述的对称型多嵌段共轭聚合物的刚性链为聚苯撑乙烯结构，柔性链为聚乙二醇结构，侧链的R基是对称地修饰上的烷基链，或是聚乙二醇单甲醚链，或是不对称的修饰。 

3.一种如权利要求1所述的多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物的制备方法，其特征在于具体步骤如下： 

对十二烷氧基苯：称取对苯二酚，十二烷基溴，碳酸钾置于烧瓶中，加入丙酮，氮气保护下，50~60℃回流磁力搅拌12~24小时，反应结束后，先将反应液倒入水中搅拌均匀，然后抽滤，所得滤饼溶于热的正己烷中，并加入乙醇重结晶，正己烷/乙醇重结晶三次，可得到白色粉末状固体； 

1,4-二（溴甲基）-2,5-对十二烷氧基苯：称取上步反应所得的对十二烷基苯及相应量的多聚甲醛置于圆底烧瓶中，抽真空然后冲入氮气，加入冰醋酸，110~120℃搅拌10分钟，然后加入浓度为20%~41%的氢溴酸，继续反应12~24小时；反应结束后，先往反应液中加水洗涤，再加二氯甲烷萃取，所得有机相经旋转蒸发仪旋干。粗产品用硅胶柱提纯（洗脱液为石油醚：二氯甲烷=5:1），可得白色固体； 

（4-（（溴三苯基磷）甲基）-2,5-二（十二烷氧基）苯基）三苯基磷溴：（4- （（溴三苯基磷）甲基）-2,5-二（十二烷氧基）苯基）三苯基磷溴：称取上步反应所得1,4-二（溴甲基）-2,5-对十二烷氧基苯与三苯基膦，加入甲苯作为溶剂，氮气保护下110~115℃回流12~24小时；反应结束后，将溶剂旋干，沉淀物加CH₂Cl₂/PE重结晶两次，再用CH₂Cl₂/EA重结晶两次，得到白色晶体； 

三乙二醇二对甲基苯磺酰酯：KOH的水溶液与三缩三乙二醇的THF溶液混合置于烧瓶中，0-5℃下磁力搅拌。在冰水浴下将对甲基苯磺酰氯的THF溶液逐滴加入烧瓶中的混合液。滴加完毕，继续反应约一小时，反应结束，将反应液倒入冰水中，然后用二氯甲烷萃取两三次，水洗两三次，得到二氯甲烷有机相，有机相经无水硫酸镁干燥，过滤，再旋干后得到白色固体。此白色固体用甲醇重结晶得到白色晶体； 

三乙二醇二对苯甲醛：称取对羟基苯甲醛和碳酸钾置于烧瓶中，加DMF，50~60℃下磁力搅拌，约15分钟后加入对甲基苯磺酰基活化的三缩三乙二醇的DMF溶液，在氮气保护下反应一到两天，反应结束后，反应液抽滤得DMF滤液，往滤液中加水出现浑浊，再抽滤，滤饼通过CH₂Cl₂/petrol重结晶得到白色晶体； 

共轭聚合物P1：称取摩尔量为1:1的第三步反应所得季磷盐与第五步反应所得二醛置于烧瓶中，加入THF作为溶剂，常温下搅拌约15分钟，称取叔丁醇钾溶于乙醇或正丁醇中，置于恒压滴液漏斗内，并将其逐滴滴入溶有季磷盐和二醛的THF溶液，滴加的过程需保持THF混合液中无明显红棕色出现；滴加完毕后，继续搅拌约12小时，随着反应的进行，可看到溶液显现绿色荧光，反应结束后，反应液经水洗涤二、三次，有机相经减压蒸馏旋干，所得粘稠物经二氯甲烷和甲醇沉降二、三次，得橙红色较粘稠固体即多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物，此固体溶于有机溶剂在紫外灯照射下发出蓝色荧光。 

4.一种如权利要求1所述的多嵌段含苯撑乙烯骨架的共轭聚合物的自组装性质及其在细胞成像领域的应用，其特征在于具体方法如下： 

1）所述共轭聚合物溶于DMSO，其中R为-C₁₂H₂₅，x值为2： 

2）将所述共轭聚合物溶于DMSO和水的混合溶剂中，将此溶液加入细胞培养液中用于细胞培养，荧光显微镜下可看到此材料对细胞膜的标记作用，而低浓 度的DMSO对细胞只有十分微小的毒性。 

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