CN103030788A - 共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔的合成及其凝胶的制备方法，通过Sonogashira偶联反应合成出一种新型的共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔，该凝胶剂在一定比例混合的醋酸和水溶剂中可以形成凝胶，无须加热，并且同样具有温敏性，即加热到一定温度可以破坏凝胶态而形成溶液态，在室温下静止一段时间又可以恢复到凝胶态。此外还创新性的在侧链上引入了叔胺基团，通过核磁和光谱表征发现叔胺基团在加入醋酸后会产生氢键，对凝胶的形成具有驱动作用。并对该凝胶系统的进行了紫外吸收光谱、荧光光谱、透射电镜、扫描电镜、x射线衍射等表征，研究了其形成凝胶的机理。

Description

共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔及其制备方法

技术领域

本发明属于超分子自组装以及凝胶材料技术领域，具体涉及一种新型共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔及其凝胶的制备方法。

技术背景

近些年来，由于共轭聚合物具有在光电器件上的广泛应用前景，如新一代平板显示器件、激光器、太阳能电池、生物传感器等，从而引起了广大科研工作者的研究热情，这些除了是因为它单个分子自身的电荷特性，即“分子导线”（电子或能量能在共轭主链上快速迁移）的特征外，还往往和分子之间通过一些超分子非共价作用力形成的一些多尺度的形态结构密不可分。很多共轭聚合物的宏观性质和其自组装形成的微观结构形态有很大关系。因此科研工作者在对控制共轭聚合物有序自组装做了大量的工作。凝胶态是一种奇特的状态，它近似于固态，它是凝胶剂分子之间通过一些非共价作用力形成一些三维网络结构而把溶剂分子固定在其中形成的。对于聚合物凝胶剂，近些年来有聚苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等文献报道。而对于共轭聚合物有机凝胶剂来说，相关文献报道不是很多，种类也较少，主要有聚苯乙烯类（PPVs）、聚噻吩类（OTs）、聚芴类（PFs）、聚苯乙炔类（PPEs）等。关于它的应用目前也不是太明朗，凝结机理还处于探索阶段，还需要大量的工作去做。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔及其制备方法，通过Sonogashira偶联反应合成一种共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔，并创新性的在侧链上修饰了叔胺基团在凝胶化过程中提供氢键驱动，这不仅提供了一种新型的共轭聚合物凝胶剂，也同时为凝胶科研工作者打开了一条新的思路。

技术方案：本发明的一类新型共轭聚合物凝胶剂具有如下分子结构式：

其中，x为聚合度，x为10-40；

R为正烷基，碳原子数为12-18。

上述化合物中，典型例子介绍如下。

所述的共轭聚合物分子结构式的主链为聚苯撑乙炔，R为正十二烷，其结构式为：

本发明的新型共轭聚合物凝胶剂的合成和凝胶的制备方法如下：

a.共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔的合成方法

1) 1,4-二碘-2,5-苯二酚的合成：

1,4-二甲氧基-2,5-二碘苯的合成：将1,4-二甲氧基苯，碘酸钾和碘混合并加入纯醋酸、水和浓硫酸，避光在75℃-95 ℃下搅拌反应12-48小时后，将反应温度降至室温，反应混合液抽滤收集沉淀，用大量的碳酸钾溶液和水冲洗有机提取物，得到棕褐色固体，将该固体溶解在二氯甲烷中，用亚硫酸氢钠水溶液萃取除去过量碘后，有机层用水和食盐水分别洗涤，然后用无水硫酸镁进行干燥，干燥后进行过滤，用旋转蒸发仪进行减压蒸馏脱去有机溶剂得到白色固体；

1,4-二碘-2,5-苯二酚的合成：将1,4-二甲氧基-2,5-二碘苯溶于二氯甲烷中，用“干冰丙酮法”将整个体系冷却，在强烈搅拌的情况下，将三溴化硼缓慢滴入，滴加完后升至室温搅拌8-36小时后，向反应液少量多次加入大量的水，过滤之后得到白色固体粗产物，粗产物用醋酸重结晶，得到白色晶体产物；

2) 1,4-二乙炔基-2,5-二[十二烷氧基]苯的合成：

1,4-二[十二烷氧基]-2,5-二碘苯的合成：将1,4-二碘-2,5-苯二酚，无水碳酸钾和四丁基溴化铵加入反应茄瓶中，抽真空，氮气气氛下，向反应体系注入丙酮回流半小时后，再注入溴代十二烷，回流反应12-48小时后，旋出溶剂，残余物加入水和二氯甲烷，有机层再用水和食盐水分别洗涤，然后用无水硫酸镁进行干燥，干燥后进行过滤，用旋转蒸发仪进行减压蒸馏脱去有机溶剂，再用乙醇重结晶得到白色固体；

1,4-二乙炔基-2,5-二[十二烷氧基]苯的合成：氮气气氛下，将四(三苯基膦)钯，碘化亚铜，1,4-二[十二烷氧基]-2,5-二碘苯，溶解在无水无氧的二异丙胺中，在室温下注入三甲基硅烷基乙炔，60℃-90℃避光反应12-48小时后，冷却至室温，减压蒸除溶剂后，用硅胶柱提纯，以混合的石油醚和二氯甲烷为洗脱剂，得到的淡黄色固体物，将该固体溶于四氢呋喃和甲醇中，再加入少量的水和氢氧化钠，室温搅拌2-24小时后，用旋转蒸发仪进行减压蒸馏脱去有机溶剂，残留物加水，用二氯甲烷萃取，有机层用水和食盐水分别洗涤一次然后用无水硫酸镁进行干燥，干燥后进行过滤，用旋转蒸发仪进行减压蒸馏脱去有机溶剂，再用乙醇重结晶得到白色固体；

3) 1,4-二[3’-(N,N-二乙基胺)-1’-氧丙基]-2,5-二碘苯的合成：

氮气保护下，1,4-二碘-2,5-苯二酚，无水碳酸钾和2-氯乙基-二乙基胺盐酸盐溶解在丙酮中，回流反应24-72小时后，减压蒸除溶剂后，用硅胶柱提纯，以混合石油醚和二氯甲烷为洗脱剂，得到的固体物用石油醚重结晶，最终得到白色晶体；

4) 共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔的合成：

氮气气氛下，将四(三苯基膦)钯，碘化亚铜，1,4-二[3’-(N,N-二乙基胺)-1’-氧丙基]-2,5-二碘苯，1,4-二乙炔基-2,5-二[十二烷氧基]苯溶解在无水无氧的甲苯/二异丙胺中；在65℃-90℃下避光反应24-72小时后，冷却至室温，过三氧化二铝中性柱，除去催化剂，在甲醇中沉降三次，过滤，最终得到黄色丝状产物；至此已得到了共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔。

b.一种如权利要求1所述的共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔制备的凝胶，具体制备方法如下：

将所述的共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔加入到1/1至1/3（v/v，醋酸/水）的混合溶剂中，室温静止4-24小时后，便可形成凝胶。

有益效果：本发明通过Sonogashira偶联反应合成一种新型的共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔，该凝胶剂在制备凝胶时无须采用一般制备凝胶时使用的“加热-冷却法”，而是将凝胶剂放入一定比例的醋酸和水溶剂中，室温静置一段时间后就可形成凝胶，而且同样具有温敏性。此外还创新性的在侧链上引入了叔胺基团，在凝胶过程中提供氢键驱动。

附图说明

图1为通过Sonogashira偶联反应合成出一种新型的共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔路线图示，

图2为聚苯撑乙炔核磁氢谱图(CDCl₃)，

图3为在不同温度下，聚苯撑乙炔稀溶液的紫外吸收光谱，

图4为凝胶的x射线衍射图，

图5为在加入醋酸前后，聚苯撑乙炔核磁氢谱变化图，

图6为凝胶透射电镜图，

图7为凝胶扫描电镜图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1、新型共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔的合成，合成路线图如图1所示。

(1) 1,4-二碘-2,5-苯二酚的合成：

1,4-二甲氧基-2,5-二碘苯的合成：将1,4-二甲氧基苯13.9 g（100.7 mmol），碘酸钾 8.8 g(8 mmol)和碘28.3 g(112.3 mmol)溶解在500 ml纯醋酸中，再加入水50 ml，浓硫酸5 ml，在85 ℃下搅拌24小时，避光反应，反应过程中有沉淀产生。冷却到室温以后，抽滤收集沉淀，用大量的碳酸钾溶液和水冲洗固体呈中性，得到棕褐色固体初产物，然后用大量二氯甲烷溶解此初产物，用亚硫酸氢钠水溶液萃取二次除去过量碘后，再分别用水和饱和食盐水萃取二次和一次，加入无水硫酸镁，干燥过滤，将溶液旋干，得到白色固体产品28.1 g (产率72%)。

¹ H NMR (400 MHz, CDCl_3, ppm): 6.87(s, 2 H), 3.75 (s, 6 H)

1,4-二碘-2,5-苯二酚的合成：

将1,4-二甲氧基-2,5-二碘苯40 g(102.6 mmol)溶解于500 ml二氯甲烷中，用“干冰丙酮法”将整个体系冷却至-75 °C。将三溴化硼50 g(200 mmol)加入100 ml二氯甲烷，缓缓滴入此溶液中，半小时加完，再升至室温搅拌24小时，然后小心地用水处理，加入水后产生大量白色烟雾和热量，并有大量的白色沉淀产生，过滤此体系，得到白色固体产物，烘干，再醋酸重结晶，得到白色晶体31 g(产率84%)。

¹H NMR (400 MHz, methanol-d₆, ppm): 8.98 (s, 2 H),7.27 (s, 2 H). ¹³C NMR (400 MHz, CDCl₃, ppm): 151.54, 124.65, 84.41.

(2) 1,4-二乙炔基-2,5-二[十二烷氧基]苯的合成：

1,4-二[十二烷氧基]-2,5-二碘苯的合成：

取250 ml反应茄瓶，加入无水碳酸钾2.8 g(20.3 mmol)，1,4-二碘-2,5-苯二酚

1.84 g(5.1 mmol)，四丁基溴化铵0.2 g(0.6 mmol)，抽真空氮气保护，再注入丙酮

60 ml，回流半小时后再注入溴代十二烷2.94 g(11.8 mmol )，在60 ℃搅拌反应24小时。反应结束后将反应液过滤，滤液旋蒸，残余物加入水和二氯甲烷，有机层再分别用水和饱和食盐水萃取二次和一次，再用无水硫酸镁干燥，过滤旋蒸，用乙醇重结晶，得到白色固体2.70 g(产率76%)。

¹H NMR (400 MHz ,CDCl₃, ppm): 7.17(s, 2H), 3.82(t,4H), 1.79(q,4H), 1.49(q,4H), 1.40-1.26(br, 32H), 0.88(t, 6H).

1,4-二乙炔基-2,5-二[十二烷氧基]苯的合成：将1,4-二[十二烷氧基]-2,5-二碘苯

2.7 g(3.9 mmol)，四(三苯基膦)钯0.21 g(0.2 mmol)，碘化亚铜0.36 g(1.9 mmol)加入一个250 ml反应茄瓶中，抽真空氮气保护后，在室温下注入无水无氧的二异丙胺60 ml和三甲基硅烷基乙炔1.0 g(10.2 mmol），注射完后升至85 ℃，避光反应24小时。反应结束后加入一定硅胶后旋蒸，干法上样过柱子，以体积比为8:1石油醚和二氯甲烷为洗脱剂，旋蒸得到初产物。将它加入20 ml四氢呋喃，30 ml甲醇溶液中，再加入水2 ml，氢氧化钠1 g，搅拌12小时后旋蒸，残留物加入二氯甲烷溶解，再用水和饱和食盐水分别萃取二次和一次，无水硫酸镁干燥，过滤旋蒸，再用乙醇重结晶，得到黄色粉末状固体1.2 g(产率63%)。

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃, ppm): 7.17(s, 2H), 3.82(t,4H), 1.79(q,4H), 1.49(q,4H), 1.40-1.26(br, 32H), 0.88(t, 6H), 0.21(s, 2H).

(3) 1,4-二[3’-(N,N-二乙基胺)-1’-氧丙基]-2,5-二碘苯的合成：

将无水碳酸钾8.28 g(60 mmol)，1,4-二碘-2,5-苯二酚3.62 g(10 mmol)，2-氯乙基-二乙基胺盐酸盐4.14 g(24.1 mmol)，加入到一个250 ml反应茄瓶中，抽真空氮气保护，再加入60 ml丙酮，搅拌回流3天。反应结束后过滤，滤液加入一定硅胶旋蒸，干法上样过柱子，以体积比为3:1石油醚和二氯甲烷为洗脱剂，并在洗脱剂中添加1%体积比的三乙胺，旋蒸得到初产物，再用石油醚重结晶，得到白色固体3.2 g(产率57%)。

¹ H NMR (400 MHz, CDCl₃, ppm): 7.23 (s, 2 H), 4.02 (t, 4 H), 2.93 (t, 4 H), 2.67 (q, 8 H), 1.10 (t, 12 H). ¹³C NMR(400 MHz, CDCl3, ppm): 153.4, 123.4, 86.5, 69.8, 52.0, 48.4, 12.6.

(4) 聚苯撑乙炔的合成：

氮气气氛下，将四(三苯基膦)钯0.21 g(0.2 mmol)，碘化亚铜0.36 g(1.1 mmol)，1,4-二[3’-(N,N-二乙基胺)-1’-氧丙基]-2,5-二碘苯0.425 g(0.76 mmol)，1,4-二乙炔基-2,5-二[十二烷氧基]苯0.377 g(0.76 mmol)溶解在无水无氧的甲苯/二异丙胺中；在75 ℃下避光反应72小时后，冷却至室温，过三氧化二铝中性柱，除去催化剂，在甲醇中沉降三次，过滤，最终得到黄色丝状产物。至此已得到了新型共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔。

¹H NMR (400 MHz ,CDCl₃, ppm): 7.06 (s, 2H), 7.03 (s, 2 H), 4.14 (br, 4 H), 4.05 (br, 4 H), 2.99 (br, 4 H),2.70 (q, 8 H), 1.88 (br, 4 H), 1.52 (br, 4 H), 1.43-1.22 (br, 32H), 1.09 (t, 12 H), 0.89 (t, 6 H). ¹³C NMR (400 MHz, CDCl₃, ppm): 153.7, 117.5, 114.6, 91.9, 70.0, 68.8, 51.9, 48.3, 32.0, 29.8, 29.7, 29.5,29.4, 26.0, 22.7, 14.1, 12.2.

实施例2、新型共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔制备凝胶的方法

通常凝胶的制备一般采用“加热-冷却法”，并且一般具温敏性，可重复性。而与普通制备方法不同，制备该凝胶无须加热，直接采用良溶剂和不良溶剂混合来制备凝胶。该凝胶剂溶于醋酸、二氯甲烷、四氢呋喃等有机溶剂中，不溶于水、甲醇、丙酮等溶剂中，将醋酸和水按一定体积比例混合，放入一定量的凝胶剂，室温静止12小时以上，无须加热，可发现凝胶的形成，实验发现醋酸和水的体积比最佳在1/2至1/2.5之间，极限凝胶浓度约在9mg/ml，凝胶—溶液转化温度约在52℃左右。

机理研究

1 、方法：我们研究了形成凝胶的机理，是依靠哪些作用力驱动其形成凝胶的。通过核磁、紫外吸收光谱、荧光发射光谱、透射电镜、扫描电镜等表征初步解释了形成凝胶的原因。

、变温紫外光谱性质：

图3.在不同温度下，聚苯撑乙炔稀溶液的紫外可见光谱

聚苯撑乙炔的浓度为[RU]=10^-5 M，溶剂为1/1（HAC/水,v/v），图3.表示：在不同温度下聚苯撑乙炔的紫外可见吸收光谱，缓慢增加温度，从30℃-73℃可发现最大吸收峰有蓝移的现象产生，如在30℃时最大吸收峰在445nm，而升温至73℃时最大吸收峰在422nm，这说明升温会破坏分子之间的聚集形态。

、 x 射线衍射表征：

图4.干凝胶的x射线衍射图谱

图4.表明：将凝胶冷冻干燥，得到的干凝胶研磨成粉状，测试x射线衍射，只有一个强峰，2θ值约在22°，对应的d值约为4.0 Å，与文献报道的典型的π-π堆积特征值d=3.8 Å相近，因此可以证明出在凝胶态时，聚苯撑乙炔分子苯环与苯环之间存在π-π堆积作用。

、核磁氢谱图：

图5.在加入醋酸前后，聚苯撑乙炔核磁氢谱变化图

图5.表明：用氘代氯仿做为溶剂，在加入醋酸前后，聚苯撑乙炔核磁氢谱除图中所标示的叔胺基团上的氢峰发生了位移，其余都没有明显变化，根据文献报道，这是由于加入了醋酸后，叔胺基团产生了氢键。这说明在凝胶过程中，叔胺基团产生了氢键驱动。

、透射电镜图和扫描图：

图6.为凝胶透射电镜图，图7.为凝胶扫描电镜图

图6.和图7.表明：在聚苯撑乙炔浓度较小时，形成了一些直径只有几个纳米的丝状纤维，这些纤维相互缠绕在一起，形成了一些纤维束；随着浓度的提高，这些纤维束会变成纤维带，它们同样也相互缠绕，形成了一些立体网状结构而形成凝胶。

根据以上实验数据可以证实：我们开发的新型共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔，在形成凝胶时主要是靠侧链上叔胺产生的氢键、苯环与苯环之间存在π-π堆积作用以及长烷氧链产生的范德华力共同驱动而形成凝胶，这种凝胶在微观上是由一个个微小的纤维相互缠绕而形成的三维立体网状结构，同时这种凝胶也同样也具有温敏性。

Claims (4)

1.一种共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔，其特征在于具有如下分子结构式：

其中，x为聚合度，x为10-40；

R为正烷基，碳原子数为12-18。

2.根据权利要求1所述的一种共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔，其特征在于所述的共轭聚合物分子结构式的主链为聚苯撑乙炔，R为正十二烷，其结构式为：

。

3.一种如权利要求1所述的一种共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔的制备方法，其特征在于合成的具体步骤如下：

1) 1,4-二碘-2,5-苯二酚的合成：

1,4-二甲氧基-2,5-二碘苯的合成：将1,4-二甲氧基苯，碘酸钾和碘混合并加入纯醋酸、水和浓硫酸，避光在75℃-95 ℃下搅拌反应12-48小时后，将反应温度降至室温，反应混合液抽滤收集沉淀，用大量的碳酸钾溶液和水冲洗有机提取物，得到棕褐色固体，将该固体溶解在二氯甲烷中，用亚硫酸氢钠水溶液萃取除去过量碘后，有机层用水和食盐水分别洗涤，然后用无水硫酸镁进行干燥，干燥后进行过滤，用旋转蒸发仪进行减压蒸馏脱去有机溶剂得到白色固体；

1,4-二碘-2,5-苯二酚的合成：将1,4-二甲氧基-2,5-二碘苯溶于二氯甲烷中，用“干冰丙酮法”将整个体系冷却，在强烈搅拌的情况下，将三溴化硼缓慢滴入，滴加完后升至室温搅拌8-36小时后，向反应液少量多次加入大量的水，过滤之后得到白色固体粗产物，粗产物用醋酸重结晶，得到白色晶体产物；

2) 1,4-二乙炔基-2,5-二[十二烷氧基]苯的合成：

1,4-二[十二烷氧基]-2,5-二碘苯的合成：将1,4-二碘-2,5-苯二酚，无水碳酸钾和四丁基溴化铵加入反应茄瓶中，抽真空，氮气气氛下，向反应体系注入丙酮回流半小时后，再注入溴代十二烷，回流反应12-48小时后，旋出溶剂，残余物加入水和二氯甲烷，有机层再用水和食盐水分别洗涤，然后用无水硫酸镁进行干燥，干燥后进行过滤，用旋转蒸发仪进行减压蒸馏脱去有机溶剂，再用乙醇重结晶得到白色固体；

1,4-二乙炔基-2,5-二[十二烷氧基]苯的合成：氮气气氛下，将四(三苯基膦)钯，碘化亚铜，1,4-二[十二烷氧基]-2,5-二碘苯，溶解在无水无氧的二异丙胺中，在室温下注入三甲基硅烷基乙炔，60℃-90℃避光反应12-48小时后，冷却至室温，减压蒸除溶剂后，用硅胶柱提纯，以混合的石油醚和二氯甲烷为洗脱剂，得到的淡黄色固体物，将该固体溶于四氢呋喃和甲醇中，再加入少量的水和氢氧化钠，室温搅拌2-24小时后，用旋转蒸发仪进行减压蒸馏脱去有机溶剂，残留物加水，用二氯甲烷萃取，有机层用水和食盐水分别洗涤一次然后用无水硫酸镁进行干燥，干燥后进行过滤，用旋转蒸发仪进行减压蒸馏脱去有机溶剂，再用乙醇重结晶得到白色固体；

3) 1,4-二[3’-(N,N-二乙基胺)-1’-氧丙基]-2,5-二碘苯的合成：

氮气保护下，1,4-二碘-2,5-苯二酚，无水碳酸钾和2-氯乙基-二乙基胺盐酸盐溶解在丙酮中，回流反应24-72小时后，减压蒸除溶剂后，用硅胶柱提纯，以混合石油醚和二氯甲烷为洗脱剂，得到的固体物用石油醚重结晶，最终得到白色晶体；

4) 共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔的合成：

氮气气氛下，将四(三苯基膦)钯，碘化亚铜，1,4-二[3’-(N,N-二乙基胺)-1’-氧丙基]-2,5-二碘苯，1,4-二乙炔基-2,5-二[十二烷氧基]苯溶解在无水无氧的甲苯/二异丙胺中；在65℃-90℃下避光反应24-72小时后，冷却至室温，过三氧化二铝中性柱，除去催化剂，在甲醇中沉降三次，过滤，最终得到黄色丝状产物；至此已得到了共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔。

4.一种如权利要求1所述的共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔的制备方法，其特征在于具体制备方法如下：

将所述的共轭聚合物凝胶剂聚苯撑乙炔加入到1/1至1/3（v/v，醋酸/水）的混合溶剂中，室温静止4-24小时后，便可形成凝胶。

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