CN108395523B

CN108395523B - 一种氧化螺旋构象翻转的含硫醚侧链的异腈螺旋聚合物及其制备方法

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Publication number: CN108395523B
Application number: CN201810269724.4A
Authority: CN
Inventors: 吴诗; 郭丽媛; 黄胜堂; 张寒
Original assignee: Hubei University of Science and Technology
Current assignee: Hubei University of Science and Technology
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: CN108395523A

Abstract

本发明提供一种氧化螺旋构象翻转的含硫醚侧链的异腈螺旋聚合物及其制备方法，属于高分子合成技术领域。本发明的聚合物其分子结构中含有式Ⅰ所示结构式的重复单元：

（式1）其中，R为烷基、苄基，n为≥10的整数。本发明合成的含硫醚结构的聚合物为螺旋结构，并且具有氧化还原刺激响应性。因含有S原子，可以被氧化剂氧化，实现氧化还原的刺激性。此类含硫醚结构的聚异腈螺旋聚合物可用于手性识别、手性分离、手性信号放大、不对称催化等领域。

Description

一种氧化螺旋构象翻转的含硫醚侧链的异腈螺旋聚合物及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子合成技术领域，具体涉及一种氧化螺旋构象翻转的含硫醚侧链的异腈螺旋聚合物及其制备方法。

背景技术

20世纪中期，随着DNA双螺旋结构的发现及螺旋结构对生物大分子活性的重要作用，此类聚合物因为具有特殊的性质引起了大批科学家的兴趣。经过多年研究人们已经合成了大量的螺旋聚合物并已实现在不对称催化、手性化合物分离、材料功能化、凝胶制备等许多特殊领域的大量应用。随着智能化材料科学的兴起，环境刺激响应性的手性光学开关的螺旋聚合物合成受到人们的极大关注。此类高分子的合成将拓展螺旋聚合物在信息存储、光学开关、生物传感器等领域的应用，推动高分子材料的智能化研究进程，因此，具有十分重要的意义。

经过十多年的研究探索，科学家们合成了多种环境刺激响应性螺旋聚合物，如对手性分子、光、PH值、温度、离子、溶剂等环境刺激敏感的螺旋聚合物，实现了其在手性化合物检测和光学开关等领域的应用。氧化还原刺激响应性螺旋聚合物具有在固体状态下操控、无光漂白效应、易集成等优点而受到人们极大重视。科学家们现已合成了以二茂铁、蒽醌酰亚胺、紫罗碱、核黄素、Π电子云、苯胺等体系的氧化还原刺激响应性螺旋聚合物并实现了某些螺旋聚合物在不对称氧化、手性识别等领域中的应用，如Yashima课题组合成了含手性核黄素的氧化还原响应性的聚合物，并且当核黄素为主链时可用于不对称氧化反应；魏志祥课题组合成了超螺旋纳米导电聚苯胺实现了对手性胺的对映选择性识别等。

聚异腈(polyisocyanide)是一类由人工合成的异腈小分子单体经过聚合反应而得到的共轭大分子，其大分子主链上含有一个特殊的π共轭C=N键，使得大分子主链发生连续的扭转从而形成特定的螺旋结构。聚苯异腈作为最早被人们报道的具有非常稳定的螺旋构象的大分子之一，聚异腈简便的聚合方法和稳定的性质以及在固液相中均能保持的螺旋结构，使得其成为应用价值很高的一类人工合成聚合物，并在手性识别和手性分离领域具有广泛的应用前景。将聚异腈进行功能化使其具备刺激响应行为的研究近年来引起了广泛的关注，对含硫醚结构的聚异腈氧化还原刺激响应性的聚合物的研究。硫原子是一个有着孤对电子和多化学价的特殊原子，具有与重金属配位、氧化还原等特殊性能，在不对称催化，金属原子吸附等领域有着重要的应用。

现有技术中对螺旋结构的复合物仅仅包括光敏感型、电敏感型、糖敏感型、和氧化还原剂敏感型等研究中，并未对此类聚合物的刺激响应性的特质进行研究，没有将此类聚合物应用到生物医药中。

发明内容

为解决现有技术中无法将螺旋结构的复合物应用到剩余医药中的缺陷，本发明提出一种氧化螺旋构象翻转的含硫醚侧链的异腈螺旋聚合物，其分子结构中含有式Ⅰ所示结构式的重复单元：

（式1）

其中，R为烷基、苄基，n为≥10的整数。

同时提出一种异腈螺旋聚合物的制备方法，包括以下具体步骤：

（1）L-半胱氨酸与卤化苄在碱性溶液中发生亲核取代反应，得到S-苄基-L-半胱氨酸；

（2）使所述S-苄基L-半胱氨酸与甲醇进行酯化反应，制得S-苄基-L-半胱氨酸甲酯；

（3）向所述S-苄基-L-半胱氨酸甲酯和甲乙酸酐进行甲酰化反应，制得甲酰胺基-S-苄基-L-半胱氨酸甲酯；

（4）将步骤（3）所述甲酰胺基-S-苄基-L-半胱氨酸甲酯进行酰胺基的脱水反应，得到S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈单体；

（5）将步骤（4）所述的S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈单体在在催化剂的作用下发生聚合反应，得到螺旋结构的聚S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈；

（6）将步骤（5）所述聚S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈与氧化剂发生氧化反应，制得聚亚砜结构的螺旋聚合物。

其中，所述步骤（1）的反应温度为35～65℃。

步骤（1）的具体方法为：将L-半胱氨酸，加入NaOH溶液将其溶解，控制温度到35～65 ℃，然后滴加卤化苄，充分搅拌30 min之后用乙酸稀释液调pH值，此时有大量的白色沉淀析出。充分搅拌，抽滤，得到白色固体，真空干燥箱干燥，得到S-苄基-L-半胱氨酸。

步骤（2）具体操作为；

首先，在N₂ 保护下将S-苄基L-半胱氨酸加入到干燥的无水甲醇中，低温条件下搅拌30 min，之后缓慢滴加SOCl₂，使反应液由浑浊变成了无色透明溶液，滴加完毕后继续在低温条件下搅拌30 min，然后将该反应自然升温到室温继续反应2天，加热回流6 h，最后减压旋干甲醇溶液，再加入甲醇溶液再次旋干，得到黄色油状液体，放置一段时间后变为淡黄色固体，为S-苄基-L-半胱氨酸甲酯盐酸盐。

然后，将得到的S-苄基-L-半胱氨酸甲酯盐酸盐溶解到甲醇中，在冰水浴下搅拌，并向其中缓慢滴加三乙胺，直到不在产生白色沉淀，继续搅拌30 min，过滤，将滤液旋干，得到脱去盐酸的产物S-苄基-L-半胱氨酸甲酯。

步骤（3）所述甲乙酸酐中甲酸和乙酸酐的摩尔比为3～10。具体操作为；

第一步，在N₂保护下，将无水甲酸和乙酸酐（摩尔比为3～10）在室温下搅拌2h，制得甲乙酸酐。

第二步，将第一步制得的酸酐滴加入到低温条件下的S-苄基-L-半胱氨酸甲酯的乙酸乙酯溶液中，N2保护下再继续搅拌30 min，然后自然升至室温继续搅拌2 h。将溶剂旋干，过硅胶色谱柱（展开剂先为乙酸乙酯 : 三氯甲烷 = 1 : 1）得到淡黄色固体，为甲酰胺基-S-苄基-L-半胱氨酸甲酯。

所述步骤（4）中分别依次加入二氯甲烷和三乙胺的混合液、三光气和二氯甲烷的混合液。二氯甲烷和三乙胺的摩尔比为2～5，三光气和二氯甲烷的摩尔比为0.5～2。

步骤（4）的具体操作为；将获得的甲酰胺基-S-苄基-L-半胱氨酸甲酯黄色固体溶于干燥的二氯甲烷和三乙胺中（摩尔比为2～5），N2保护，在0 ℃的条件下搅拌10 min。完毕，将三光气的二氯甲烷溶液（摩尔比为0.5～2）缓慢滴加到该反应液中，滴毕后自然升温到室温继续搅拌2.5 h。反应容器中有大量的白色晶体生成，此时向其中加入30 ml二氯甲烷，过滤，旋干。再过硅胶色谱柱（展开剂为石油醚：乙酸乙酯 = 2：1）纯化得到淡黄色油状液体为单体。

步骤（5）所述的催化剂可以为六水合二氯化镍、三乙基铝中的一种。当催化剂使用六水合二氯化镍时步骤（5）的具体操作为；在氮气氛围下，将步骤（4）获得的单体S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈溶于干燥的CH₂Cl₂中，并快速的注入10 % NiCl₂•6H₂O（m/m）的甲醇溶液，油浴50 ℃的条件下反应24 h。将此聚合物用正己烷沉淀三次。干燥得到褐色固体粉末状的聚S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈。

步骤（6）所述氧化剂为双氧水、氧气中的一种或两种。将得到的聚S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈加入到带磁力搅拌器的5%乙酸溶液中，在搅拌的情况下滴加质量分数为30%的氧化剂，然后室温反应18 h。反应完毕，除去反应液，干燥产物得聚亚砜。

本发明含硫醚侧链的异腈螺旋聚合物具备螺旋构象翻转结构，因含有S原子，可以被氧化剂氧化，实现氧化还原的刺激性。

附图说明

图1 为本发明实施例1中S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈¹HNMR；

图2 为本发明实施例1中S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈¹³CNMR图；

图3 为本发明实施例1中S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈聚合物氧化前的IR图；

图4 为本发明实施例1中S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈聚合物氧化后的IR图；

图5 为本发明实施例1中S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈聚合物氧化前后的圆二色谱图；

图6为本发明实施例1中 S-十二烷基-L-半胱氨酸甲酯异腈聚合物氧化前后的圆二色谱图。

具体实施方式

实施例一

（1)S-苄基-L-半胱氨酸的制备：

在250 ml的四口烧瓶中加入2.42 g（0.02 mol）L-半胱氨酸，加入2.13 mol/L的NaOH溶液37.5 ml将其溶解，控制温度到45 ℃，然后滴加2.4 ml（0.02 mol）的溴化苄，充分搅拌30 min之后用10 ml乙酸和40 ml蒸馏水配成的乙酸稀释液调pH值，直到pH为5.4，此时有大量的白色沉淀析出。充分搅拌，抽滤，得到白色固体，再用蒸馏水洗，真空干燥箱干燥，称重得到白色固体粉末4.14 g，产率97.6 %，mp：215.5-216.4 ℃。IR（KBr，cm^-1）:1619，1568，1493（苯环上的C=C）；1394（C-N）；698,768（Ar-H）。

本过程的反应方程式如下；

（2)S-苄基-L-半胱氨酸甲酯的制备：

在100 ml的四口烧瓶中加入2.20 g（10.37 mmol）S-苄基L-半胱氨酸，干燥的无水甲醇30.0 ml，N₂ 保护，在-15 ℃的条件下搅拌30 min，之后缓慢滴加9.0 ml的SOCl₂，此时反应液由浑浊变成了无色透明溶液，滴加完毕后继续在-15 ℃的条件下搅拌30 min，然后将该反应自然升温到室温继续反应2天，加热回流6 h，最后减压旋干甲醇溶液，再加入25.0ml甲醇溶液再次旋干，得到黄色油状液体，放置一段时间后变为淡黄色固体，为S-苄基-L-半胱氨酸甲酯盐酸盐。

将得到的S-苄基-L-半胱氨酸甲酯盐酸盐溶解到40 ml的甲醇中，在冰水浴0 ℃下搅拌，并向其中缓慢滴加三乙胺，直到不在产生白色沉淀，继续搅拌30 min，过滤，将滤液旋干，得到脱去盐酸的产物S-苄基-L-半胱氨酸甲酯，质量为2.23 g，产率为95.3 %。¹H NMR(400 MHz, CDCl₃) δ 7.31 (s, 2H), 7.30 (s, 2H), 7.23 (d, J = 4.2 Hz, 1H), 3.71(s, 2H), 3.69 (d, J = 1.1 Hz, 3H), 3.61 – 3.53 (m, 1H), 2.84 – 2.62 (m, 2H)。

本过程的反应方程式为；

（3)甲酰胺基-S-苄基-L-半胱氨酸甲酯的制备：

在100 ml的四口烧瓶中加入2.21 g（9.78 mmol）S-苄基-L-半胱氨酸甲酯，向其中加入干燥后的乙酸乙酯30 ml，N₂保护，在0 ℃条件下缓慢滴加新鲜制得的甲乙酸酐（甲酸和乙酸酐的摩尔比为6），再继续搅拌30 min，然后自然升至室温继续搅拌2 h。利用薄层色谱板检测反应，展开剂为乙酸乙酯 : 三氯甲烷 = 1 : 1，当原料点消失时停止反应。将溶剂旋干，过硅胶色谱柱（展开剂先为乙酸乙酯 : 三氯甲烷 = 1 : 1）得到淡黄色固体1.96g，产率79.0 %，mp：52.9-53.6 ℃。IR（KBr，cm^-1）:1242（C-O-C）；1313（O=C-N）。¹H NMR (400MHz, CDCl₃) δ 8.12 (s, 1H), 7.38 – 7.27 (m, 5H), 4.92 – 4.85 (m, 1H), 3.76(d, J = 3.2 Hz, 3H), 3.71 (d, J = 2.3 Hz, 2H), 2.93 (d, J = 5.1 Hz, 2H)。

本过程的反应方程式为；

（4)S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈的合成：

在100 ml的四口烧瓶中加入1.80 g（7.08 mmol）甲酰胺基-S-苄基-L-半胱氨酸甲酯，28.5 ml干燥的二氯甲烷和2.25 ml三乙胺，N₂保护，在0 ℃的条件下搅拌10 min。完毕，将1.32 g（4.43mmol）三光气的二氯甲烷（10 ml）溶液缓慢滴加到该反应液中，但要在30min内滴完，滴毕，自然升温到室温继续搅拌2.5 h。利用TLC薄层色谱板检测反应，展开剂为石油醚 : 乙酸乙酯 = 2 : 1，当原料点消失后，停止反应后，反应容器中有大量的白色晶体生成，此时向其中加入30 ml二氯甲烷，过滤，旋干。再过硅胶色谱柱（展开剂为石油醚 :乙酸乙酯 = 2 : 1）纯化得到淡黄色油状液体0.51 g，产率30.5 %。IR（KBr，cm^-1）:2149（C≡N）。请参阅图1，¹HNMR (400 MHz, CDCl₃) δ 7.35 (s, 2H), 7.34 (s, 2H), 7.31 – 7.27(m, 1H), 4.28 (dd, J = 7.3, 5.2 Hz, 1H), 3.86 (d, J = 2.4 Hz, 2H), 3.82 (s,3H), 2.99 – 2.85 (m, 2H)。¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ 165.75 (s), 161.67 (s),137.06 (s), 129.04 (s), 128.77 (s), 127.55 (s), 77.03 (s), 76.71 (s), 56.71(s), 53.61 (s), 36.76 (s), 33.30 (s)。

本过程的反应方程式为；

（5)聚合物的制备：在氮气氛围下，向已提前处理好了的试管中抽气-充气，此过程重复3次。随后，将200.0 mg（0.85 mmol）S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈溶于4 ml干燥的CH₂Cl₂中，并快速的注入到提前处理好的试管中，再将新鲜配置的20 mg（0.085 mmol）10 %NiCl₂•6H₂O（m/m）的甲醇溶液也快速的注射到试管中，此时反应液颜色立即变为深褐色。S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈的¹³CNMR图请参阅图2。而后在氮气氛围下将试管封口，油浴50℃的条件下反应24 h。反应完毕，将此聚合物沉淀于大量激烈搅拌的正己烷中，然后抽滤除去溶剂，用少量二氯甲烷将聚合物溶解，再缓缓的滴入到大量激烈搅拌的正己烷中，重复三次。干燥得到褐色固体粉末状的聚S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈110.5 mg，产率55.2 %。

本过程的反应方程式为；

（6)聚合物的氧化：将得到的含硫聚合物加入到带磁力搅拌器的5%乙酸溶液中，在搅拌的情况下滴加30%的双氧水，然后室温反应18 h。反应完毕，除去反应液，干燥产物得氧化后产物。硫醚结构氧化成亚砜结构。其红外谱图对照见图3，1650处吸收峰消失，在1042处出现明显的吸收峰，说明氧化后得到亚砜结构。

性能测试和用途；用旋光仪测得单体、聚合物和聚合物的氧化物的比旋光度见下表1和表2。从数据可以看出：单体聚合后聚合物的比旋光度都有这明显的提升，是单体的5~20倍。说明单体聚合后形成了螺旋结构。聚合物在双氧水中氧化后，旋光方向都发生了翻转，说明螺旋结构发生了变化，具有氧化还原刺激性。

表2 S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈及其聚合物和氧化后的比旋光度对比

注：单体b为S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈； P-b为聚S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈；P-O-b为聚S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈的氧化物。

用圆二色谱对单体、聚合物和聚合物的氧化产物研究得到图5和图6，可以看出，单体聚合后CD（圆二色光谱）信号明显增强，聚合物氧化后CD信号发生的翻转。由以上两点可以充分说明，本发明合成的含硫醚结构的聚合物为螺旋结构，并且具有氧化还原刺激响应性。此类含硫醚结构的聚异腈螺旋聚合物可用于手性识别、手性分离、手性信号放大、不对称催化等领域。

实施例二

实施例二中的具体实施内容和一相同，却别在于步骤（1）的反应温度为35℃；步骤（3）所述甲乙酸酐中甲酸和乙酸酐的摩尔比为3；步骤（4）中二氯甲烷和三乙胺的摩尔比为2，三光气和二氯甲烷的摩尔比为0.5。

实施例三

实施例三中的具体实施内容和一相同，却别在于步骤（1）的反应温度为65℃；步骤（3）所述甲乙酸酐中甲酸和乙酸酐的摩尔比为10；步骤（4）中二氯甲烷和三乙胺的摩尔比为5，三光气和二氯甲烷的摩尔比为2。

实施例二和实施例三制备出的物质的性能和结构特点与实施例一相同或相似。

本发明合成的含硫醚结构的聚合物为螺旋结构，并且具有氧化还原刺激响应性。因含有S原子，可以被氧化剂氧化，实现氧化还原的刺激性。此类含硫醚结构的聚异腈螺旋聚合物可用于手性识别、手性分离、手性信号放大、不对称催化等领域。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims

1.一种氧化螺旋构象翻转的含硫醚侧链的异腈螺旋聚合物，其特征在于，其分子结构中含有式Ⅰ所示结构式的重复单元：

（式Ⅰ）

其中，R为烷基、苄基，n为≥10的整数。

2.一种如权利要求1所述的异腈螺旋聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

（3）向所述S-苄基-L-半胱氨酸甲酯和甲乙酸酐进行甲酰化反应，制得甲酰胺基-S-苄基-L-半胱氨酸甲酯，所述甲乙酸酐中甲酸和乙酸酐的摩尔比为3～10；

（4）步骤（3）所述甲酰胺基-S-苄基-L-半胱氨酸甲酯进行酰胺基的脱水反应，得到S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈单体；

（5）将步骤（4）所述的S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈单体在催化剂的作用下发生聚合反应，得到螺旋结构的聚S-苄基-L-半胱氨酸甲酯异腈；

3.根据权利要求2所述的异腈螺旋聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）的亲核取代反应温度为35～65℃。

4.根据权利要求2所述的异腈螺旋聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中分别依次加入二氯甲烷和三乙胺的混合液、三光气和二氯甲烷的混合液。

5.根据权利要求4所述的异腈螺旋聚合物的制备方法，其特征在于，二氯甲烷和三乙胺的摩尔比为2～5，三光气和二氯甲烷的摩尔比为0.5～2。

6.根据权利要求2所述的异腈螺旋聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中所述催化剂为六水合二氯化镍、三乙基铝中的一种或二种。

7.根据权利要求2所述的异腈螺旋聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤（6）中所述氧化剂为双氧水、氧气中的一种或两种。