CN105778055B - 一种用于检测Fe3+的超支化共轭聚合物及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于检测Fe3+的超支化共轭聚合物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测Fe3+的超支化共轭聚合物及其制备方法和应用，该聚合物的结构单元为式中R代表甲酯基、乙酯基、叔丁酯基、腈基、硝基、‑COONa中的任意一种。本发明聚合物利用MBH‑type反应合成，反应条件温和，环境友好而且无金属催化剂的残留，Fe3+离子对所合成的超支化共轭聚合物的水溶液或四氢呋喃溶液的荧光具有明显的淬灭作用，可用于水相或有机相中Fe3+离子的检测，且对Fe3+离子的选择性高、检出限低。

Description

一种用于检测Fe3+的超支化共轭聚合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高分子聚合物技术领域，具体涉及一类含碳-碳双键的新型超支化共轭聚合物，以及该聚合物的制备方法和在检测Fe3+中的应用。
背景技术
树状支化大分子由于其高度支化的结构而表现出线性聚合物所没有的低黏度、高流变性、良好的溶解性以及大量可修饰的末端官能团等一系列独特的物理化学特性，因而逐渐成为聚合物材料领域研究的热点之一。由于树状支化大分子的特殊性能，目前，树枝状共轭聚合物已广泛应用于有机电致发光、传感器、探测器、生物鉴定及催化剂等领域。根据其结构特征，树状支化大分子可分为树枝状大分子和超支化聚合物两大类。起初由于树枝状大分子高度对称的完美结构，因此最先引起人们的注意，但是正由于其毫无缺陷的完美结构，在合成的过程中往往需要经过多步反应和纯化，繁琐的合成过程和高昂的生产成本妨碍了其工业化的应用。而且人们发现，在很多情况下并不需要如此完美的对称结构，因此合成简单的超支化聚合物进入了人们的视线。
近年来，高选择性分子传感材料引起了人们极大的兴趣，迄今为止，报道的最多的是冠醚和共轭聚合物。报道中，这些聚合物普遍对Cu2+、Hg2+表现出较强的荧光猝灭或者增强。铁是大多数生物体中不可缺少的微量元素，在十多种人体必需的微量元素中铁无论在重要性上还是在含量上，都属于首位。铁缺乏或者过量可诱发各种疾病。目前报道的铁代谢紊乱可引起贫血以及肝脏和肾脏的损害，最终导致肝癌，肝硬化，关节炎，糖尿病或心脏衰竭。铁还是植物制造叶绿素不可缺少的催化剂。如果一盆花缺少铁，花就会失去艳丽的颜色，失去那沁人肺腑的芳香，叶子也发黄枯萎。因此，对生物体中Fe3+的检测就显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于检测Fe3+的超支化共轭聚合物，以及该聚合物的制备方法和应用。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：该超支化共轭聚合物的结构单元如下所示：
式中R代表甲酯基、乙酯基、叔丁酯基、腈基、硝基、-COONa中的任意一种。
上述超支化共轭聚合物中R代表甲酯基、乙酯基、叔丁酯基、腈基、硝基中的任意一种时，其制备方法为：以1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯为催化剂、无水乙醇为溶剂，在回流条件下使式I化合物进行自聚反应，得到超支化共轭聚合物。
上述超支化共轭聚合物中R代表-COONa时，其制备方法为：以1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯为催化剂、无水乙醇为溶剂，在回流条件下使式II化合物进行自聚反应，反应完后用透析法分离产物，将所得产物溶于甲醇中，加入氢氧化钠水溶液，使产物在碱性条件下回流水解，得到超支化共轭聚合物。
式II中R′代表甲酯基、乙酯基、叔丁酯基中的任意一种。
上述制备方法中，1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯的加入量优选为式I或式II化合物摩尔量的40％～60％。
本发明超支化共轭聚合物在检测Fe3+中的应用，具体检测方法为：将超支化共轭聚合物溶于四氢呋喃或水中，配制成1.0×10-5mol/L的超支化共轭聚合物溶液；然后向其中加入不同浓度的Fe3+标准样品，检测体系的荧光强度，绘制不同浓度Fe3+对应体系的最大荧光强度随Fe3+浓度变化的标准曲线；然后测试加入待测Fe3+样品溶液时体系的荧光强度，根据荧光强度结合标准曲线方程即可确定Fe3+的含量。
本发明利用MBH-type反应合成了一类超支化共轭聚合物，与传统方法如： Suzuki交叉偶联反应、Still反应、Kumada反应、Sonogashira反应、Sonogashira 反应等相比，本发明合成方法更加温和、环境友好而且无金属催化剂的残留，Fe3+离子对所合成的超支化共轭聚合物的水溶液或四氢呋喃溶液的荧光具有明显的淬灭作用，可用于水相或有机相中Fe3+离子的检测，且对Fe3+离子的选择性高、检出限低。
附图说明
图1是聚合物M1的荧光强度随Fe3+浓度变化的荧光光谱图。
图2是聚合物M1的荧光强度随Fe3+浓度变化的线性关系图。
图3是聚合物M2的荧光强度随Fe3+浓度变化的荧光光谱图。
图4是聚合物M2的荧光强度随Fe3+浓度变化的线性关系图。
图5是聚合物M1在不同阳离子体系中的相对荧光强度对比图。
图6是聚合物M2在不同阳离子体系中的相对荧光强度对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
将0.3g(9.08×10-4mol)式I-1所示的(2E,2'E)二乙基4,4'-(5-甲酰基-1,3-亚苯基)- 双(丁-2-烯酸乙酯)和62.16mg(4.09×10-4mol)1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)溶解于10mL无水乙醇中，回流反应96小时，减压除去乙醇后，用二氯甲烷溶解粗产物，然后依次用pH值为2的盐酸水溶液和去离子水洗涤，再用无水硫酸镁干燥并减压除去二氯甲烷后，得到超支化共轭聚合物(记作M1)，其产率为75％，结构表征结果如下：
1H NMR(600MHz，CDCl3)δ：10.01(-CHO)，8.45-6.32(＝CH)，4.32 (-CH2)，1.24(-CH3)；FT-IR(KBr)：CH＝：2914；C＝C：3030、1635；C＝O： 1740。
经凝胶渗透色谱测试，该聚合物的Mn＝90676、Mw＝105664，Mw/Mn＝1.165。
实施例2
将0.3g(9.92×10-4mol)式I-2所示的(2E,2'E)二甲基4,4'-(5-甲酰基-1,3-亚苯基)- 双(丁-2-烯酸乙酯)和67.93mg(4.09×10-4mol)DBU溶解于10mL无水乙醇中，回流反应96小时，减压除去乙醇后，用二氯甲烷溶解粗产物，然后依次用pH值为2的盐酸水溶液和去离子水洗涤，再用无水硫酸镁干燥并减压除去二氯甲烷后，得到超支化共轭聚合物(记作M2)，其产率为72％，结构表征结果如下：
1H NMR(600MHz，CDCl3)δ：8.38-6.43(＝CH)，4.09(-CH3)，1.26(-CH3)； FT-IR(KBr)：CH＝：2908；C＝C：3004、1651；C＝O：1745。
经凝胶渗透色谱测试，该聚合物的Mn＝57283、Mw＝66311，Mw/Mn＝1.158。
实施例3
将0.3g(9.08×10-4mol)式I-1所示的(2E,2'E)二乙基4,4'-(5-甲酰基-1,3-亚苯基)- 双(丁-2-烯酸乙酯)和62.16mg(4.09×10-4mol)DBU溶解于10mL无水乙醇中，回流反应96小时，减压除去乙醇后，用二氯甲烷溶解粗产物，然后依次用pH值为2的盐酸水溶液和去离子水洗涤，再用无水硫酸镁干燥并减压除去二氯甲烷后，所得产物溶于8mL甲醇中，再加入8mL 2mol/L的NaOH水溶液，在回流条件下水解反应12小时，冷却至室温，通过旋转蒸发除去甲醇，得到超支化共轭聚合物 (记作M3)。
实施例4
实施例1制备的超支化共轭聚合物(M1)在检测Fe3+中的应用，具体方法如下：
将3mL10-5mol/L M1的四氢呋喃溶液加入4mL比色皿中，向其中加入Fe3+标准样品，分别使所得混合液中Fe3+的浓度为0、3.33、6.67、10、13.3、16.67、 20、26.67、33.33、40、46.67、53.33、60、66.67、73.33、80、86.67、93.33、100、 106.67、113.33、120μmol/L，采用荧光光谱仪测量不同浓度Fe3+对应体系的荧光光谱(见图1)，并绘制在410nm处不同浓度Fe3+对应体系的荧光强度随Fe3+浓度变化的标准曲线。
由图1可见，M1的荧光强度受Fe3+浓度的影响变化很明显，伴随着Fe3+浓度的增加，体系的荧光强度逐渐减小。由图2可见，Fe3+的浓度在0～20μmol/L时，荧光强度与Fe3+浓度呈线性关系，线性方程为：
y＝663.565-12.489x1
式中y为荧光强度，x1为Fe3+浓度，相关系数R2为0.9853。由此可见荧光强度与 Fe3+浓度的线性关系很好。利用最低检出限的公式计算最低检出限，M1对Fe3+的检测灵敏度很高，检出限达到了6.99×10-7mol/L。
实施例5
实施例2制备的超支化共轭聚合物(M2)在检测Fe3+中的应用，具体方法如下：
将3mL10-5mol/L M2的四氢呋喃溶液加入4mL比色皿中，向其中加入Fe3+标准样品，分别使所得混合液中Fe3+的浓度为0、3.33、6.67、10、13.3、16.67、 20、26.67、33.33、40、46.67、53.33、60、66.67、73.33、80、86.67、93.33、100、 106.67、113.33、120μmol/L，采用荧光光谱仪测量不同浓度Fe3+对应体系的荧光光谱(见图3)，并绘制在420nm处不同浓度Fe3+对应体系的荧光强度随Fe3+浓度变化的标准曲线。
由图3可见，M2的荧光强度受Fe3+浓度的影响变化很明显，伴随着Fe3+浓度的增加，体系的荧光强度逐渐减小。由图4可见，Fe3+的浓度在0～16.67μmol/L 时，荧光强度与Fe3+浓度呈线性关系，线性方程为：
y＝524.4897-12.3907x2
式中y为荧光强度，x2为Fe3+浓度，相关系数R2为0.97657。由此可见荧光强度与Fe3+浓度的线性关系很好。利用最低检出限的公式计算最低检出限，M2对Fe3+的检测灵敏度很高，检出限达到了6.69×10-7mol/L。
为了证明本发明超支化共轭聚合物对Fe3+检测的选择性，发明人分别采用实施例1和2的超支化共轭聚合物对Mg2+、Al3+、Ni2+、K+、Fe3+、Cu2+、Ba2+、Ca2+、 Zn2+、Mn2+、Pb2+、Ag+、Hg2 +、Cd2+(其中超支化共轭聚合物浓度为1.0×10-5mol/L，以四氢呋喃为溶剂配制而成，检测体系中金属离子浓度为1.0×10-4mol/L)进行了测试，结果见图5和图6。由图可见，当加入Fe3+时，检测体系的荧光淬灭效应最强，而其他离子几乎无荧光淬灭效应，说明本发明超支化共轭聚合物能够高选择性的检测Fe3+。

Claims (4)

1.一种用于检测Fe3+的超支化共轭聚合物，其特征在于该聚合物的结构单元如下所示：
式中R代表甲酯基、乙酯基、叔丁酯基、腈基、硝基、-COONa中的任意一种。
2.权利要求1所述的超支化共轭聚合物的制备方法，其中R代表甲酯基、乙酯基、叔丁酯基、腈基、硝基中的任意一种，其特征在于：以1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯为催化剂、无水乙醇为溶剂，在回流条件下使式I化合物进行自聚反应，得到超支化共轭聚合物；
上述1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯的加入量为式I化合物摩尔量的40％～60％。
3.权利要求1所述的超支化共轭聚合物的制备方法，其中R代表-COONa，其特征在于：以1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯为催化剂、无水乙醇为溶剂，在回流条件下使式II化合物进行自聚反应，反应完后用透析法分离产物，将所得产物溶于甲醇中，加入氢氧化钠水溶液，使产物在碱性条件下回流水解，得到超支化共轭聚合物；
式II中R′代表甲酯基、乙酯基、叔丁酯基中的任意一种；
上述1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯的加入量为式II化合物摩尔量的40％～60％。
4.权利要求1所述的超支化共轭聚合物在检测Fe3+中的应用。
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