CN104628998B - 一种手性荧光自分类聚合双官能团引发剂及其制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有手性、以及酸碱刺激响应的双官能团荧光分子引发剂及其制备方法及其用途，其中引发剂的结构由如下通式表示:本发明的引发剂，引入了手性中心、生色基团，可“一锅法”杂化聚合异腈与丙交酯或ε‑己内酯单体，具有很好的自分类聚合能力，稳定性好，可用于异腈、丙交酯、ε‑己内酯等单体的活性/可控聚合，所得的聚异腈、聚丙交酯均聚物及其嵌段共聚物均具有可控的分子量和较窄的分子量分布。

Description

一种手性荧光自分类聚合双官能团引发剂及其制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及聚合物催化合成领域，具体涉及一种手性荧光自分类聚合双官能团引发剂及其制备方法及其应用，可“一锅法”杂化聚合异腈与丙交酯或ε-己内酯单体。

背景技术

罗丹明具有长波长的吸收和发射，高吸收系数和量子效率，以及良好的光稳定性。它广泛提供在工业着色，生物标志物使用，离子的检测等方面有很好的应用。作为一个荧光团和生色团，具有出色的光物理性能，罗丹明衍生物是非荧光和无色的，而开环的相应的螺内酰胺则会产生强烈的荧光发射和粉红颜色，一般来说，在通过在螺内酯活化的羰基的酸性溶液中，罗丹明衍生显示一个红色的颜色变化并产生较强的荧光。

20世纪30年代，Carothers教授就合成了内酯的聚合物，并对聚合物制备的条件做了相关的研究。此后许多学者对内酯的聚合机理、动力学、热力学做了深入的研究，为内酯聚合的发展奠定了坚实的基础。聚己内酯、聚丙交酯是一种合成高分子生物医用材料，生物相容性和生物降解性能优越，近年来生物材料在医药领域得到了越来越广泛的应用。

手性是自然界中广泛存在的一种现象，螺旋结构也是生物分子的核心结构模块。已有的工作表明，手性单体与非手性单体均能形成螺旋结构聚合物甚至手性超分子聚合物，而通过向分子中引入手性基团是获得手性聚合物的有效手段之一。唐本忠教授等人向分子中引入手性氨基酸或糖取代基，使聚乙炔侧链形成不对称中心，从而诱导螺旋结构的形成，并且氨基酸分子内或分子间的氢键能够很好的稳定螺旋结构。

聚异腈(poly isocyanide)是最早发现的具有稳定螺旋构象的高分子之一，其性质稳定、单体易得、聚合方法简单、在溶液中和固态时均能很好的保持螺旋结构，因而是一种非常有意义的人工合成聚合物，利用手性中心来诱导聚异腈产生单一的螺旋是十分有意义的。

杂化共聚在高分子合成领域具有重要的意义，它能够基于不同的聚合机理，“一锅法”自分类聚合产生新型的共聚物，为高分子化学及聚合物的应用开拓了新的领域和新的研究方向。然而，杂化聚合的实施也是非常困难的，目前关于这类的报道并不多见。

向异腈和内酯杂化聚合物上引入罗丹明衍生物荧光分子尚属首例，这类聚合物结合了荧光分子、聚异腈、聚内酯三者的优秀性能。

综上所述，本领域的技术人员致力于开发一种催化活性高的催化剂用于异腈、ε-己内酯的“一锅法”杂化共聚，合成具有生物相容性、可降解的荧光共聚物。通过荧光的变化来跟踪靶细胞，从而为聚异腈、ε-己内酯杂化共聚以及合成生物相容性材料提供新的聚合方法和聚合体系。

发明内容

本发明旨在提供一种双官能团引发剂及其制备方法，本双官能团荧光分子引发剂在分子上引入了手性中心、生色基团，可“一锅法”杂化聚合异腈与丙交酯或ε-己内酯单体，具有很好的自分类聚合能力，催化活性高、性质稳定，得到的聚合物依然具有相应的刺激响应性。

本发明采用的技术方案如下:

一种手性荧光自分类聚合双官能团引发剂，其特征在于:其由罗丹明衍生物与BOC-保护氨基酸反应，脱去BOC-保护后，在氨基上引入双官能团的荧光杂化聚合物，所述的罗丹明衍生物为罗丹明B与二胺类物质反应制备而得，所述的BOC为保护氨基常用的二碳酸二叔丁酯，双官能团引发剂的结构由如下通式表示:

其中R₁为(CH₂)n,(n＝0,1,2,3……)；

R₂为氨基酸的R基。

所述的手性荧光自分类聚合双官能团引发剂的制备方法，其特征在于按以下步骤操作:

a、将罗丹明B与二胺类物质反应后，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅰ；

b、将氨基酸、二碳酸二叔丁酯、氢氧化钠按摩尔比1:1.1:1.2的比例加入到四氢呋喃与水(2:1)的混合溶剂中室温反应过夜，分离、洗涤并干燥后得到boc保护的氨基酸；

c、将boc保护的氨基酸与中间体Ⅰ反应，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅱ；

d、将所述中间体Ⅱ与过量的含有10％三氟乙酸的二氯甲烷溶液充分反应，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅲ；

所述的中间体Ⅲ结构通式为:

其中R₁为(CH₂)n,(n＝0,1,2,3……)；

R₂为氨基酸的R基；

e、将所述中间体Ⅲ、无水碳酸钾、溴代丙炔按摩尔比1:(1-3):1.2的比例加入到干燥的乙腈中，在氮气氛围中、室温下搅拌反应24h，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅳ；

f、将所述中间体Ⅳ和碳酸钾、碘化钾按摩尔比1:(1-3):(1-2)的比例加入到干燥的乙腈中，滴加过量的溴乙醇，在氮气氛围中，80℃反应48h，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅴ；

e、三乙基磷二氯化钯、氯化亚铜和所述中间体Ⅴ按摩尔比1:0.1:1的比例加入到干燥的二乙胺中，在氮气气氛中于室温搅拌反应过夜，旋蒸除去溶剂后经柱层析提纯、真空干燥后得到目标产物引发剂。

所述的手性荧光自分类聚合双官能团引发剂可用于苯异腈或内酯类单体均聚或杂化共聚时作为催化剂的应用。

所述的手性荧光自分类聚合双官能团引发剂的应用，其特征在于:所述的荧光杂化聚合物，在酸性物质中显色并具有荧光，中性或碱性环境无色无荧光，可用于生物显影，癌细胞跟踪，以及通过聚酯类物质在生物体内降解，从而达到包裹药物释放的目的。

本发明的双官能团荧光分子引发剂具有很好的稳定性，结构易于修饰和裁剪，可同时聚合两种单体，聚合时单体转化率较高，得到的聚合物分子量分布窄，表明该聚合反应具有活性可控的特性，其结构通式如下:

上式中R1为(CH₂)n,(n＝0,1,2,3……)；

R₂为氨基酸的R基。

本发明的引发剂按以下步骤制备:

2、一种权利要求1所述的手性荧光自分类聚合双官能团引发剂的制备方法，其特征在于按以下步骤操作:

a、将罗丹明B与过量的二胺类物质充分反应后，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅰ；

b、将氨基酸、二碳酸二叔丁酯、氢氧化钠按摩尔比1:1.1:1.2的比例加入到四氢呋喃水溶液中室温反应过夜，分离、洗涤并干燥后得到boc保护的氨基酸，其中四氢呋喃与水的体积比＝2:1；

c、将步骤(a)获得的中间体Ⅰ与步骤(b)获得的boc保护的氨基酸按摩尔比1:1的比例加入到干燥的二氯甲烷溶剂中充分反应，然后分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅱ；

d、将所述中间体Ⅱ与过量的浓度为9％-11％三氟乙酸的二氯甲烷溶液充分反应，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅲ；

所述的中间体Ⅲ结构通式为:

其中R₁为(CH₂)n,(n＝0,1,2,3……)，

R₂为氨基酸的R基；

e、将所述中间体Ⅲ、无水碳酸钾、溴代丙炔按摩尔比1:(1-3):1.2的比例加入到干燥的乙腈中，在氮气氛围中、室温下搅拌反应22-25h，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅳ；

f、将所述中间体Ⅳ和碳酸钾、碘化钾按摩尔比1:(1-3):(1-2)的比例加入到干燥的乙腈中，滴加过量的溴乙醇，在氮气氛围中，80℃反应48h，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅴ；

e、将所述中间体Ⅴ、三乙基磷二氯化钯、氯化亚铜按摩尔比1:0.1:1的比例加入到干燥的二乙胺中，在氮气气氛中于室温搅拌反应过夜，旋蒸除去溶剂后经柱层析提纯、真空干燥后得到目标产物引发剂。

本发明的引发剂的合成路线如下:

本发明引发剂可用于苯异腈或内酯类单体均聚或杂化共聚时作为催化剂使用。

将本发明引发剂用于引发苯异腈类单体聚合反应，具体步骤如下:

苯异腈类单体聚合在无水无氧条件下进行，在10mL聚合瓶中加入引发剂和苯异腈类单体，引发剂和苯异腈类单体的摩尔比为1:(50-200)，抽真空充氮气3次，加入干燥的氯仿，在60℃回流反应20-24h，加入甲醇终止反应，将所得产物用甲醇(疏水)或正己烷(亲水)洗涤4-5次，真空干燥至质量不变。

本发明所使用的苯异腈单体的结构为:

式中R₃为长链烷基或手性薄荷醇或亲水链。

将本发明引发剂用于引发丙交酯单体聚合反应，具体步骤如下:

丙交酯单体聚合在无水无氧条件下进行，在10mL聚合瓶中加入引发剂和丙交酯单体，引发剂和丙交酯单体的摩尔比为1:(50-200)，抽真空充氮气3次，加入干燥的氯仿，在60℃回流反应24h，加入甲醇终止反应，将所得产物用甲醇洗涤4-5次，真空干燥至质量不变。

将本发明引发剂用于引发苯异腈、丙交酯单体杂化聚合反应，具体步骤如下:

苯异腈单体、丙交酯单体聚合在无水无氧条件下进行，在10mL聚合瓶中加入引发剂和苯异腈、丙交酯单体，引发剂和苯异腈、丙交酯单体的摩尔比为1:(50-200):(50-200)，抽真空充氮气3次，加入干燥的氯仿，在60℃回流反应24h，加入甲醇(疏水)或正己烷(亲水)终止反应，将所得产物用甲醇洗涤4-5次，真空干燥至质量不变。

本发明引发剂引发苯异腈、丙交酯均聚及杂化共聚的聚合路线如下:

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在:

1、本双官能团引发剂分子同时具有两个引发端基，手性中心，响应性的显色基团。

2、可均聚或“一锅法”杂化共聚多种单体，且得到的聚合物也具有响应性。

3、本引发剂引发得到的聚合物分子量均一，分子量分布窄。

4、本发明的聚合物可在酸性物质下显色并产生荧光，来达到检测与跟踪的目的。

5、设计的聚合物的亲疏水性质可通过异腈单体的亲疏水性质来进行调控。

6、设计的聚合物，若异腈嵌段亲水，则可形成胶束，来进行包裹物质。

7、设计的聚合物酯的嵌段可通过生物酶水解，来达到包裹药物释放的目的。

本发明的引发剂在单个引发剂分子中同时引入手性中心，两个引发端基，并具有酸碱荧光响应的生色基团；可利用手性中心来诱导异腈分子产生单一螺旋方向，从而产生手性；可改变荧光分子来合成不同响应或类似功能的物质；一种引发剂，可杂化聚合两种物质，得到酸碱响应的荧光聚合物，也可得到均聚的聚酯或聚异腈；可“一锅法”杂化聚合异腈与丙交酯或ε-己内酯单体，具有很好的自分类聚合能力，合成的杂化聚合物，亲水疏水性可通过单体的选择来进行调控，从而自组装成不同的形貌。

本发明引发剂在空气中具有很好的稳定性，聚合时单体转化率较高，得到的自分类聚合物分子量分布窄，得到的聚合物具有响应性，共聚物可在多种溶剂中自组装。

附图说明

图1是本发明实施例1D-苯甘氨酸引发剂的红外吸收光谱图。图中，2120cm^-1是碳碳叁键的红外特征吸收峰，1675cm^-1是羰基的红外特征吸收峰。

图2是本发明实施例1D-苯甘氨酸引发剂的¹H NMR(600M Hz)谱图。其中在δ1.5附近有水峰，δ0.8及δ1.25附近是石油醚峰，5.8-8.5为罗丹明及氨基酸苯环上的氢，其余氢及对应的化学位移均在谱图中标出。

图3是本发明实施例2均聚烷基链的苯异腈核磁谱图，对应化学位移均已标出。

图4是本发明实施例3聚手性异腈的核磁谱图与圆二色谱图(左上角)，圆二色谱证明该聚合物具有手性，核磁中对应的化学位移均已标出。

图5本发明实施例5聚丙交酯核磁，δ1.3附近为罗丹明与三乙基磷上10个甲基的峰，δ3.2左右为催化剂上罗丹明与三乙基磷上10个亚甲基的峰。其余氢及对应的化学位移都在谱图中标出。

图6是本发明实施例4聚合亲水异腈，对应的化学位移均在谱图中标出。

图7是本发明实施例6中“一锅法”聚合聚合物的核磁，对应的化学位移均在谱图中标出。

图8是本发明实施例4、5、6中聚合物对应的GPC。

具体实施方式

实施例1:D-苯甘氨酸、乙二胺引发剂的制备

a、将罗丹明B与乙二胺(过量)在乙醇的溶液中80℃回流过夜，至荧光消失，旋干乙醇，剩余物用1M的盐酸溶解并持续搅拌，再缓慢加入1M的NaOH水溶液，并持续搅拌,直至产生粉红色沉淀，抽滤，水洗，干燥后得到中间体Ⅰ，结构式如下:

b、将D-苯甘氨酸、二碳酸二叔丁酯、氢氧化钠按摩尔比1:1.1:1.2的比例加入到四氢呋喃与水(2:1)的混合溶剂中，其中氢氧化钠是10％的水溶液，室温搅拌过夜，旋走四氢呋喃，加入二氯甲烷，再滴加1M的盐酸溶液至上层水相白色沉淀消失，分离有机相，水洗两次，无水硫酸钠干燥，旋干，得boc保护的D-苯甘氨酸，结构式如下:

c、将boc保护的氨基酸、中间体Ⅰ、EDCI、HOBt按摩尔比1:1:1.2:1.2的比例加入到干燥的二氯甲烷中反应过夜，水洗，饱和NaHCO₃洗，盐洗，无水硫酸钠干燥，旋干，粗产品用硅胶柱层析(洗脱液按体积比＝石油醚:乙酸乙酯＝1:1)提纯，干燥后得到中间体Ⅱ，结构式如下:

d、将所述中间体Ⅱ与过量的含有10％三氟乙酸的二氯甲烷溶液充分反应，水洗，饱和NaHCO₃洗，盐洗，分离有机相、旋干，粗产品用硅胶柱层析(洗脱液按体积比:石油醚:乙酸乙酯＝1:1)提纯,干燥后得到中间体Ⅲ，结构式如下:

e、将所述中间体Ⅲ、无水碳酸钾、溴代丙炔按摩尔比1:(1-3):1.2的比例加入到干燥的乙腈中，在氮气氛围中、室温下搅拌反应24h，水洗，饱和NaHCO₃洗，盐洗，分离有机相、旋干，粗产品用硅胶柱层析(洗脱液按体积比:石油醚:乙酸乙酯＝4:1)提纯，干燥后得到中间体Ⅳ，结构式如下:

f、将所述中间体Ⅳ和碳酸钾、碘化钾按摩尔比1:(1-3):(1-2)的比例加入到干燥的乙腈中，滴加过量的溴乙醇，在氮气氛围中，80℃反应48h，水洗，饱和NaHCO₃洗，盐洗，分离有机相、旋干，粗产品用硅胶柱层析(洗脱液按体积比:石油醚:乙酸乙酯＝2:1)提纯，干燥后得到中间体Ⅴ，结构式如下:

g、二(三乙基磷)二氯化钯、氯化亚铜和所述中间体Ⅴ按摩尔比1:0.1:1的比例加入到干燥的二乙胺中，在氮气气氛中于室温搅拌反应4-5h，旋蒸除去溶剂后,粗产品用硅胶柱层析(洗脱液按体积比＝石油醚:乙酸乙酯＝1.5:1)提纯，真空干燥后得到D-苯甘氨酸的引发剂，结构式如下:

实施例2:引发疏水苯异腈聚合反应

苯异腈聚合在无水无氧条件下进行，在10mL聚合瓶中加入实施例1制备的引发剂1.49μmol(1.60mg)，苯异腈单体0.10mmol(28.0mg)，抽真空充氮气重复3次，加入干燥的氯仿1.0mL，在60℃回流反应20h后，加入10mL甲醇淬灭，使聚合物沉淀析出，用甲醇洗涤5次，经离心得到黄色絮状沉淀，真空干燥至质量不变。得26.3mg聚异腈，其数均分子量为1.93×10⁴，分子量分布指数为1.17，

本实施例中的苯异腈单体的结构式为:

实施例3:引发手性苯异腈聚合反应

手性苯异腈聚合在无水无氧条件下进行，在10mL聚合瓶中加入实施例1制备的引发剂1.82μmol(1.96mg)，手性苯异腈单体0.12mmol(33.0mg)，抽真空充氮气重复3次，加入干燥的氯仿1.0mL，在60℃回流反应20h后，加入10mL甲醇淬灭，使聚合物沉淀析出，用甲醇洗涤5次，经离心得到黄色絮状沉淀，真空干燥至质量不变。得28.5mg聚异腈，其数均分子量为1.89×10⁴，分子量分布指数为1.18，

本实施例中的苯异腈单体的结构式为:

实施例4:引发亲水苯异腈聚合反应

苯异腈聚合在无水无氧条件下进行，在10mL聚合瓶中加入实施例1制备的引发剂7.63μmol(8.21mg)，苯异腈单体0.60mmol(160.0mg)，抽真空充氮气重复3次，加入干燥的氯仿2.0mL，在60℃回流反应20h后，加入10mL正己烷淬灭，使聚合物沉淀析出，用正己烷洗涤5次，经离心得到黄色絮状沉淀，真空干燥至质量不变。得150.1mg聚异腈，其数均分子量为2.12×10⁴，分子量分布指数为1.09，

本实施例中的苯异腈单体的结构式为:

实施例5:引发丙交酯聚合反应

丙交酯聚合在无水无氧条件下进行，在10mL聚合瓶中加入实施例1制备的引发剂4.2μmol(4.5mg)，丙交酯0.417mmol(60mg)，TBD 7μmol(1mg),抽真空充氮气重复3次，加入干燥的氯仿1.5mL，在60℃回流反应20h后，加入10mL甲醇淬灭，使聚合物沉淀析出，用甲醇洗涤5次，经离心得到白色絮状沉淀，真空干燥至质量不变。得52mg聚丙交酯，其数均分子量为1.26×10⁴，分子量分布指数为1.21，

本实施例中的单体的结构式为:

实施例6:引发“一锅法”亲水苯异腈与丙交酯杂化聚合反应

苯异腈聚合在无水无氧条件下进行，在10mL聚合瓶中加入实施例1制备的引发剂6.8μmol(7.39mg)，苯异腈单体0.60mmol(160.0mg)，丙交酯0.14mmol(20.2mg),TBD 14μmol(2.0mg)抽真空充氮气重复3次，加入干燥的氯仿2.5mL，在60℃回流反应20h后，加入10mL正己烷淬灭，使聚合物沉淀析出，用正己烷洗涤5次，经离心得到黄色絮状沉淀，真空干燥至质量不变。得167.3mg聚合物，其数均分子量为2.72×10⁴，分子量分布指数为1.22。

本实施例中的单体的结构式为:

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种手性荧光自分类聚合双官能团引发剂，其特征在于:其由罗丹明衍生物与BOC-保护氨基酸反应，脱去BOC-保护后，在氨基上引入双官能团，所述的罗丹明衍生物为罗丹明B与二胺类物质反应制备而得，所述的BOC为二碳酸二叔丁酯，所述引发剂的结构由如下通式表示:

其中R₁为(CH₂)n，n为自然数；

R₂为氨基酸的R基。

2.一种权利要求1所述的手性荧光自分类聚合双官能团引发剂的制备方法，其特征在于按以下步骤操作:

a、将罗丹明B与过量的二胺类物质充分反应后，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅰ；

b、将氨基酸、二碳酸二叔丁酯、氢氧化钠按摩尔比1:1.1:1.2的比例加入到四氢呋喃水溶液中室温反应过夜，分离、洗涤并干燥后得到boc保护的氨基酸，其中四氢呋喃与水的体积比＝2:1；

c、将步骤(a)获得的中间体Ⅰ与步骤(b)获得的boc保护的氨基酸按摩尔比1:1的比例加入到干燥的二氯甲烷溶剂中充分反应，然后分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅱ；

d、将所述中间体Ⅱ与过量的浓度为9％-11％三氟乙酸的二氯甲烷溶液充分反应，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅲ；

所述的中间体Ⅲ结构通式为:

其中R₁为(CH₂)n，n为自然数，

R₂为氨基酸的R基；

e、将所述中间体Ⅲ、无水碳酸钾、溴代丙炔按摩尔比1:(1-3):1.2的比例加入到干燥的乙腈中，在氮气氛围中、室温下搅拌反应22-25h，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅳ；

f、将所述中间体Ⅳ和碳酸钾、碘化钾按摩尔比1:(1-3):(1-2)的比例加入到干燥的乙腈中，滴加过量的溴乙醇，在氮气氛围中，80℃反应48h，分离、洗涤并干燥后得到中间体Ⅴ；

e、将所述中间体Ⅴ、三乙基磷二氯化钯、氯化亚铜按摩尔比1:0.1:1的比例加入到干燥的二乙胺中，在氮气气氛中于室温搅拌反应过夜，旋蒸除去溶剂后经柱层析提纯、真空干燥后得到目标产物引发剂。

3.一种权利要求1所述的手性荧光自分类聚合双官能团引发剂用于苯异腈或内酯类单体均聚或杂化共聚时作为催化剂的应用。

4.一种权利要求3所述的手性荧光自分类聚合双官能团引发剂的应用，其特征在于：所述的杂化共聚得到的荧光杂化聚合物，在酸性物质中显色并具有荧光，中性或碱性环境无色无荧光，能用于生物显影，癌细胞跟踪，以及通过聚酯类物质在生物体内降解，从而达到包裹药物释放的目的。