CN104861100A - 温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物及其制备方法。首先制得接有一代烷氧醚树枝化基元的L-丙氨酸，再与对乙炔基苯甲酸活性酯反应得到聚合物单体，铑金属络合物催化单体聚合制得聚苯乙炔。该类聚苯乙炔在水溶液中呈现出优异的温敏特性和单手螺旋构象；通过改变温度，不仅使得其螺旋构象反转，且能够完全回复，整个过程快速可逆；另外，烷氧醚端基不同，除了能调节该类聚合物的最低临界温度，亦可改变其优势螺旋构象，而且同样能实现温度诱导螺旋构象的可逆调控，在制备仿生与功能材料方面具有重要的理论研究价值和潜在的应用价值，拓展了智能化螺旋聚合物在生物医药领域的应用前景。

Description

温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一类温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物及其制备方法。

背景技术

具有二次有序结构的螺旋聚合物在材料学、化学感应、不对称合成及对应体分离等领域有很大应用，根据螺旋转化位垒大小，螺旋聚合物可以分为具有高旋转阻能的静态螺旋聚合物和具有低旋转阻能的动态螺旋聚合物。设计、合成旋光特性可调的螺旋聚合物成为当前的研究热点，在已报道的不同主链结构的螺旋聚合物中，聚苯乙炔及其衍生物因其优异的导电性、液晶性、发光性、螺旋性、光学非线性等在光、电、生物、手性分离及不对称催化等领域具有良好的应用前景，得到了广泛关注；更重要的是，聚苯乙炔的主链构型在一定条件下可以实现转变，从而赋予聚苯乙炔以动态螺旋特征。含有功能性侧基并在一定条件下能够形成稳定螺旋构象的聚苯乙炔，因兼具功能基团的特殊作用以及螺旋聚合物共轭主链结构，在聚合物特有的共轭主链以及功能性侧基之间存在一种协调作用，因而可以在某种特定环境下呈现出其他聚合物所不具备的优异性能，具有极为广泛的研究和应用价值。

对于智能响应型螺旋聚苯乙炔，受到外界刺激后，如温度、pH、不同溶剂、金属离子、磁场等，会转变为另一种优势螺旋构象。Eiji Yashima（E. Yashima, et al.Macromolecules,  2003, 36, 1480-1486）报道了侧基具有酰胺键的聚苯乙炔在DMF中通过温度诱导其螺旋构象反转且过程可逆，但反转过程中，其螺旋构象经历了解螺旋这一阶段，即无规卷曲态； Ricardo Riguera（R. Riguera, et al. Angew. Chem. Int. Ed.  2010, 49, 1430 –1433）合成的含有两个羰基的聚苯乙炔体系，可通过加入金属离子对其螺旋构象进行有效调控，且与金属离子的价键有很大关系，加入一价和二价的金属离子后，聚合物的螺旋构象相反，主要是通过金属离子与羰基氧的作用，使得聚合物呈现单手螺旋构象；唐本忠（B. Z. Tang, et al.Macromolecules,2003 , 36, 9752-9762）通过引入氨基酸侧基制得的聚苯乙炔，在极性溶剂中的螺旋构象与非极性溶剂中相反，且连续改变两种溶剂的混合比，聚合物的螺旋构象逐渐发生反转，这种变化与聚合物中分子内的氢键有很大关系。

目前对聚苯乙炔螺旋构象调控的研究已经取得了一定进展，但是具有温度响应性的螺旋聚苯乙炔还鲜有报道，而采用生物相容性体系改性聚苯乙炔，同时可在水溶液中通过改变温度来控制螺旋构象反转的工作还未见报道。

发明内容  

本发明的目的之一在于提供了一类温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物。

本发明的目的之二在于提供该类聚合物的制备方法。

为了实现以上发明目的，本发明采用下述技术方案：

本发明通过一代烷氧醚树枝化苄醇与Boc-保护的丙氨酸进行酯化，然后脱保护，得到的产物再与对乙炔基苯甲酸的五氟酚活性酯反应得到单体，在THF溶液中铑络合物催化下常温聚合，即制得构象可控的螺旋聚苯乙炔。

一种温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物，其特征在于该聚苯乙炔衍生物的结构通式为：

其中X为OMe或OEt，n=500-1000；

一种制备上述的温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a.       将核心为苄羟基的一代烷氧醚树枝化基元(G1-CH₂OH)、L-丙氨酸和按1：1.1~1：1.5         的摩尔比溶于DCM中，冰盐浴及惰性气体保护下，加入1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳化二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)，其用量为一代烷氧醚树枝化基元摩尔数的1.5~3倍；搅拌至反应完全；分别用饱和KHSO₄溶液和饱和Na₂CO₃溶液洗，DCM萃取水相，无水MgSO₄干燥有机相，去除DCM后，进行提纯得到产物A；

b.      将步骤a所得产物A与三氟乙酸按 1：10~1:15的摩尔比溶于DCM中，室温下反应2 ~5 h，加入甲醇终止，直至无酸味产生，蒸干溶剂得到产物B；

c. 将步骤b所得产物B用DCM溶解，加入有机碱调节pH至8-9，再滴加入对乙炔基苯甲酸的五氟酚活性酯的DCM溶液冰浴下搅拌反应10~15 h；分别用饱和KHSO₄溶液和饱和Na₂CO₃溶液洗，DCM萃取水相，无水MgSO₄干燥有机相，旋干DCM后，经提纯得到单体C；其中产物B与对乙炔基苯甲酸的五氟酚活性酯的的摩尔比为1：1.1~1：1.5；

d. 将步骤c所得单体C溶于THF中，惰性气体保护下，加入催化剂用量的[Rh(nbd)Cl]₂和 三乙胺；常温下反应20~24 h；旋干THF后，进行提纯得到温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物。

本发明通过引入丙氨酸手性侧基诱导聚苯乙炔主链形成螺旋结构，并引入烷氧醚树枝化基元赋予其温敏特性，首次实现了在水溶液中通过改变温度使得聚苯乙炔的螺旋构象反转，且过程可逆。本发明拓宽了聚苯乙炔的应用领域，尤其是在生物医药方面。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明在聚苯乙炔侧链引入温敏树枝化基元，赋予其优异的温敏性能；

2. 本发明通过酰胺键连接的L-丙氨酸结构单元诱导聚苯乙炔主链形成有序的二级构象；

3. 本发明所制得的聚苯乙炔可在水溶液中通过改变温度快速实现螺旋构象的反转，且过程可逆；另外，改变烷氧醚端基，可调节其相变温度及螺旋构象；拓宽了聚苯乙炔在生物医药等领域的应用。

附图说明

图1. PPA-OEt的核磁氢谱表征（DMSO 80 °C, 500M）

图2. PPA-OEt在水溶液中溶液透光率随温度变化曲线（c = 0.025 wt %, 700 nm, 加热和冷却速率0.2 ^oC/min)

图3. PPA-OEt在水溶液中的变温圆二色光谱图。

具体实施方式

核心为苄羟基的一代烷氧醚树枝化基元的制备方法参照文献Li, W.; Zhang, A.; Schlüter, A. D. Chem. Commun.  2008, 5523-5525的合成。

对乙炔基苯甲酸的五氟酚活性酯的制备方法请参照文献B. Z. Tang, et al.Macromolecules, 2011, 6724。

实施例一：本发明涉及PPA-OEt的制备。

1.    单体的合成

(a) 将核心为苄羟基的一代烷氧醚树枝化基元(G1-CH₂OH)溶于DCM，称取L-丙氨酸（1.3 当量）、4-二甲氨基吡啶（DMAP，0.3 当量）用DCM溶解后加入上述溶液中，冰盐浴氮气保护下加入1.5当量EDC·HCl，冰盐浴氮气保护下继续搅拌至反应完全；分别用饱和KHSO₄溶液和饱和Na₂CO₃溶液洗，DCM萃取水相，无水MgSO₄干燥有机相，旋干DCM后，DCM/MeOH (40:1)对粗产物进行柱色谱提纯得到产物A。

(b) 将A溶于DCM，加入三氟乙酸（TFA，10 当量），室温下反应2 h，反应完全后多次加入甲醇终止，直至无酸味，得到产物B。

(c) 将B用DCM溶解，加入4 倍当量N,N-二异丙基乙胺（DIEA）调节pH至8-9，用DCM将1倍当量对乙炔基苯甲酸的五氟酚活性酯（参照文献B. Z. Tang, et al.Macromolecules, 2011, 6724）溶解后逐滴加入到上述溶液，冰浴下搅拌反应14 h；分别用饱和KHSO₄溶液和饱和Na₂CO₃溶液洗，DCM萃取水相，无水MgSO₄干燥有机相，旋干DCM后，DCM/MeOH ( 60:1) 对粗产物进行柱色谱提纯得到单体C。

2.      聚合物PPA-OEt的合成

将C溶于少量THF中，氮气保护下，加入1/50当量[Rh(nbd)Cl]₂、 三乙胺（TEA）1滴。常温下反应24 h；旋干THF后,DCM对粗产物进行柱色谱提纯得到聚合物PPA-OEt。由附图1 ¹H NMR (DMSO, 80 ^oC): d = 0.91-1.18 (m, 9H, CH₃), 1.21-1.42 (d, 3H, CH₃), 3.41-3.73 (m, 36H, CH₂+CH₂), 4.01 (m, 6H, CH₂), 4.50 (s, 1H, CH), 5.02 (d, 2H, CH₂), 5.74 (s, 1H, CH), 6.61 (br, 2H, Ar-H), 6.75 (br, 2H, Ar-H), 7.54 (br, 2H, Ar-H), 8.89 (br, H, NH) 可知证明得到了目标产物。

实施例二：

通过圆二色光谱对聚合物PPA-OEt的水溶液进行观测。如附图3所示，在低温时聚合物主链有CD信号吸收峰，呈现单手螺旋结构，加热至相变温度以上，CD信号反转；当温度降低到LCST以下，聚苯乙炔的二级结构又回复到原来的状态。说明温敏基元的脱水聚集，使得稳定螺旋构象的主要作用如氢键等发生改变，导致了聚苯乙炔螺旋构象的反转。

单体已通过核磁和质谱得到证实，聚合时只有一种单体，所以核磁表征即可确定，且聚合物的核磁谱图峰形明显变宽，主链氢有很大变化。

  这种聚合物在手性识别与分离、不对称催化、数据存储、光学器件和显示液晶等方面有很好的应用价值，更重要的是，这类聚合物又很好的水溶性，通过引入不同的生物基元，可以模拟某些生命机能，在仿生材料方面有很好的应用。

Claims (2)

1.一种温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物，其特征在于该聚苯乙炔衍生物的结构通式为：

其中X为OMe或OEt，n=500~1000。

2.一种制备根据权利要求1所述的温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a.       将核心为苄羟基的一代烷氧醚树枝化基元(G1-CH₂OH)、L-丙氨酸和按1：1.1~1：1.5 的摩尔比溶于DCM中，冰盐浴及惰性气体保护下，加入1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳化二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)，其用量为一代烷氧醚树枝化基元摩尔数的1.5~3倍；搅拌至反应完全；分别用饱和KHSO₄溶液和饱和Na₂CO₃溶液洗，DCM萃取水相，无水MgSO₄干燥有机相，去除DCM后，进行提纯得到产物A；

b.      将步骤a所得产物A与三氟乙酸按 1：10~1：15的摩尔比溶于DCM中，室温下反应2~5 h，加入甲醇终止，直至无酸味产生，蒸干溶剂得到产物B；

c. 将步骤b所得产物B用DCM溶解，加入有机碱调节pH至8-9，再滴加入对乙炔基苯甲酸的五氟酚活性酯的DCM溶液冰浴下搅拌反应10~15 h；分别用饱和KHSO₄溶液和饱和Na₂CO₃溶液洗，DCM萃取水相，无水MgSO₄干燥有机相，旋干DCM后，经提纯得到单体C；其中产物B与对乙炔基苯甲酸的五氟酚活性酯的的摩尔比为1：1.1~1：1.5；

d. 将步骤c所得单体C溶于THF中，惰性气体保护下，加入催化剂用量的[Rh(nbd)Cl]₂和三乙胺；常温下反应20~24 h；旋干THF后，进行提纯得到温度诱导螺旋构象可逆调控的聚苯乙炔衍生物。