CN109265681B - 铜离子液体催化制备1,4-立构规整聚三唑的方法、1,4-立构规整聚三唑及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜离子液体催化制备1,4‑立构规整聚三唑的方法,包括以下步骤:(1)惰性气体保护下,在铜离子液体的催化下,将二元炔基化合物和二元叠氮基化合物在有机溶剂中进行点击聚合;(2)反应完毕后,将产物溶解在有机溶剂中,然后加入到甲醇中进行沉淀,收集沉淀物,干燥至恒重,得到1,4‑立构规整聚三唑。本发明还公开了1,4‑立构规整聚三唑及其应用。本发明的制备方法高效、条件温和、简单易行、原子经济性好,制备得到分子量和产率都很高的1,4‑立构规整聚三唑。所得阴离子共轭聚三唑在生物和荧光检测方面具有潜在应用;所得的四苯基乙烯‑二芳基乙烯共轭聚三唑能够用于防伪和复写材料中。
Description
技术领域
本发明涉及1,4-立构规整聚三唑,特别涉及铜离子液体催化的叠氮-炔点击聚合制备1,4-立构规整聚三唑的方法及1,4-立构规整聚三唑的应用。
背景技术
开发并建立新的聚合方法和制备具有独特结构、先进功能的聚合物对材料科学至关重要。叠氮-炔点击聚合已经成为制备具有新型功能和拓扑结构的1,4-立构规整聚三唑的重要手段。在过去的十几年间,叠氮-炔点击聚合的催化体系层出不穷,使点击聚合得到广泛发展,但这些催化体系仍存在一些不可避免的缺点,催化效率有待进一步提升。
离子液体(IL)及含有金属组分的离子液体(MetILs)是一种高度可调控的熔融盐。因具有宽电化学窗口、低蒸气压及高热稳定性等特点,它们被广泛应用于分离、催化、电化学等领域中。据我们所知,对铜离子液体(Cu-IL)催化叠氮-炔环加成反应的研究还很少。因此,可以预见开发简单、高效的铜离子液体催化的叠氮-炔点击聚合具有重要的科学意义和应用价值。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足,本发明的目的在于提供一种铜离子液体催化的叠氮-炔点击聚合制备1,4-立构规整聚三唑的方法,该方法简单高效、条件温和,能够合成具有较高分子量的聚合物。
本发明的另一目的在于提供上述方法制备得到的1,4-立构规整聚三唑。
本发明的再一目的在于提供上述1,4-立构规整聚三唑的应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
铜离子液体催化制备1,4-立构规整聚三唑的方法,包括以下步骤:
(1)惰性气体保护下,在铜离子液体的催化下,将二元炔基化合物和二元叠氮基化合物在有机溶剂中进行点击聚合,聚合反应的温度为30~60℃,反应的时间为1~4小时;所述二元炔基化合物与二元叠氮基化合物的摩尔比为1:(1~1.1);所述的铜离子液体与二元炔基化合物的摩尔比为(0.025~0.1):1;
(2)反应完毕后,将产物溶解在有机溶剂中,然后加入到甲醇中进行沉淀,收集沉淀物,干燥至恒重,得到1,4-立构规整聚三唑;
所述的1,4-立构规整聚三唑的结构如式(I)所示:
所述的二元炔基化合物的结构通式如式(II)所示,
所述的二元叠氮基化合物如式(III)所示,
N3-R2-N3 (III)
(I)中,n为2~200的整数,R1,R2为相同或不同的有机基团。
所述R1为以下化学结构式1~20中的任意一种:
其中,k、m、h为1~15的正整数;*表示取代位置。
所述R2为以下化学结构式1~20中的任意一种:
其中,k、m、h为1~15的正整数;*表示取代位置。
所述的有机溶剂为四氢呋喃、甲苯、1,4-二氧六环、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。
所述的二元炔基化合物在有机溶剂中的浓度为0.025~0.1mol/L。
所述的铜离子液体催化制备1,4-立构规整聚三唑的方法制备得到的1,4-立构规整聚三唑。
所述的1,4-立构规整聚三唑,结构如式(IV)所示:
其中,n为2~100的整数。
所述的铜离子液体催化制备1,4-立构规整聚三唑,结构如式(V)所示,
所述的1,4-立构规整聚三唑,即为阴离子共轭聚三唑(IV),在爆炸物检测,Fe3+离子检测和生物成像中的应用。
其中,n为2~100的整数。
所述的1,4-立构规整聚三唑,即为四苯基乙烯-二芳基乙烯聚三唑(V),在防伪和复写材料中的应用。
与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:
1.本发明的制备方法具有条件温和、工艺简单、聚合效率高等优点反应在室温只需反应2小时便能得到高产率、高分子量的聚合物。
2.本发明的聚合过程无副产物生成,符合原子经济性。
3.本发明的铜离子液体催化剂的制备方法简单。
4.本发明的聚合方法还可轻易地制备出阴离子共轭聚三唑;该聚合物能够实现爆炸物检测,Fe3+离子检测和生物成像。
5.本发明的聚合方法还可轻易地制备出四苯基乙烯-二芳基乙烯共轭聚三唑;该聚合物能够应用于防伪和复写材料中。
6.本发明的制备方法反应原料易得,可直接购买或通过简单的反应制备。
附图说明
图1是聚三唑P1与其相应单体在CDCl3中的核磁共振氢谱图。
图2是聚三唑P1与其相应单体在CDCl3中的核磁共振碳谱图。
图3是阴离子共轭聚三唑P2与其相应单体在DMSO-d6中的核磁共振氢谱图。
图4是阴离子共轭聚三唑P2与其相应单体在DMSO-d6中的核磁共振碳谱图。
图5A是不同含量PA的聚三唑P2水溶液的荧光光谱。。
图5B是聚三唑P2的I0/I-1与PA浓度的Stern-Volmer曲线,其中I为加了PA的荧光强度,I0为没加PA的荧光强度,插图是PA的结构式。
图6A是不同含量Fe3+离子的聚三唑P2水溶液的荧光光谱。
图6B是聚三唑P2的I0/I-1与Fe3+离子浓度的Stern-Volmer曲线,其中I为加了Fe3+离子的荧光强度,I0为没加Fe3+离子的荧光强度。
图6C是聚三唑P2的水溶液对不同离子的选择性测试结果。
图7是阴离子共轭聚三唑P2的细胞毒性测试结果。
图8是阴离子共轭聚三唑P2的生物成像结果。
图9是四苯基乙烯-二芳基乙烯聚三唑P3与其相应单体在CDCl3中的核磁共振氢谱图。
图10是四苯基乙烯-二芳基乙烯聚三唑P3与其相应单体在CDCl3中的核磁共振碳谱图。
图11是四苯基乙烯-二芳基乙烯聚三唑P3的防伪材料模型。
图12是四苯基乙烯-二芳基乙烯聚三唑P3的信息存储-读取模型。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
铜离子液体催化M1和M2制备聚三唑P1。
其中,单体M1按照已公开文献中(Eur.J.Org.Chem.,2015,2015,4593)的合成方法合成;M2按照已公开文献中(Polym.Chem.,2014,5,2301)的合成方法合成。其中,铜离子液体(Cu-IL)的合成路线如下所示:
铜离子液体Cu-IL按照已公开文献中的合成方法合成(Dalton Trans.,2011,43,11396)。FT-IR(KBr disk),ν(cm-1):3427,2939,2886,1637,1456,1258,1169,1060,1033,641,576,520。分解温度为188℃。
在10mL的聚合管中加入25.0mg(0.1mmol)单体M1,38.2mg(0.01mmol)单体M2和Cu-IL 5mg(0.005mmol),抽真空换氮气3次,用注射器注入2.5mL超干N,N-二甲基甲酰胺(DMF),待单体完全溶解后,放入已恒定在50℃的油浴锅中,反应2小时。待反应结束后,加入2mL四氢呋喃(THF),将得到的聚合物溶液滴加到60mL剧烈搅拌的甲醇中,静置、过滤、干燥,得到聚三唑P1。经测定分析,最终产物聚三唑P1的产率为94%,重均分子量为39700,分子量分布为2.76(分子量和分子量分布是由配置了二极管阵列检测器的超高效聚合物色谱系统(APC)测定。以THF为流动相,流速为0.5mL/min,以线性单分布的聚苯乙烯(PS)为标准物进行校正)。
聚三唑P1与其相应单体的核磁共振谱对比图(*代表溶剂峰)见图1、图2。从图1看出,在化学位移3.16ppm处的炔氢峰消失,图1中C在化学位移8.26ppm处的三唑峰出现;在核磁共振碳谱图中,如图2所示,化学位移84.58ppm和77.49ppm处对应的单体M2碳碳叁键上两个碳的特征峰在聚合物谱图中均消失不见。综合图1和2的表征结果说明,单体反应完全,得到聚三唑产物。
此外,在此条件下,将Cu-IL与CuI,CuBr,Cu(PPh3)3Br的催化效率进行了对比。从表1中可以看出,当采用CuI和CuBr进行催化时,产物的收率和分子量都很低。尽管Cu(PPh3)3Br为催化剂时可以提高聚合物的产率,但分子量仍不理想。相比之下,Cu-IL的催化效果最好,高产率地得到令人满意的分子量,进一步展现出Cu-IL在催化点击聚合反应中的高效性。
表1.不同铜催化剂催化点击聚合的对比实验a
a反应在氮气氛围下,于DMF中50℃下反应2小时,单体浓度为0.04M,催化剂用量为5mol%。b分子量及分布用流动相为THF的APC测定,用线性窄分布的PS为标准物进行校正。
实施例2
铜离子液体催化M3和M4制备阴离子共轭聚三唑P2。其中,单体M3从TCI公司购买得到。M4按照已公开文献中(Beilstein J.Org.Chem.2014,10,1166;Polym.Chem.2014,5,2301)的合成方法合成。
在10mL的聚合管中加入46.6mg(0.1mmol)单体M3,43.0mg(0.1mmol)单体M4和Cu-IL 9.9mg(0.01mmol),抽真空换氮气3次,用注射器注入2mL超干DMF,待单体完全溶解后,放入已恒定在50℃的油浴锅中,反应2小时。反应结束后,加入2mLTHF,将得到的聚合物溶液滴加到60mL剧烈搅拌的甲醇中,静置、过滤、干燥,得到聚三唑P2。经测定分析,最终产物聚三唑P2的产率为89%,重均分子量为47600,分子量分布为1.65(分子量和分子量分布是由配置了折光指数检测器的凝胶渗透色谱系统(GPC)测定。以掺有溴化锂的DMF为流动相,流速为1.0mL/min,以聚甲基丙烯酸甲酯为标准物进行校正)。
聚三唑P2与其相应单体的核磁共振谱对比图(*代表溶剂峰)见图3、图4。从图3看出,在化学位移4.73ppm处的炔氢峰的强度大大减弱,图3中C在化学位移8.94ppm处的三唑峰出现;在核磁共振碳谱图中,如图4所示,化学位移88.52ppm和77.09ppm处对应的单体M4碳碳叁键上两个碳的特征峰在聚合物谱图中均消失不见。综合图3和4的表征结果说明,单体基本反应完全,得到阴离子共轭聚三唑产物。
实施例3
阴离子共轭聚三唑P2在爆炸物检测中的应用。
爆炸物检测对国家安全和反恐具有非常重要的意义,我们以商业获得的苦味酸(PA)为爆炸物模型来验证阴离子共轭聚三唑P2对爆炸物的灵敏检测。图5A是不同含量PA的聚三唑P2水溶液的荧光光谱,[P2]=10μM,激发波长为:352nm。5B是聚三唑P2的I0/I-1与PA浓度的Stern-Volmer曲线,其中I为加了PA的荧光强度,I0为没加PA的荧光强度,插图是PA的结构式。从图5A可以看出,随着PA含量的增加,聚三唑P2的荧光发射逐渐减弱直至完全猝灭,而荧光曲线的形状和位置均未发生改变。从图5B的Stern-Volmer曲线,拟合计算得到聚三唑P2对PA的猝灭系数Ksv为17155M-1;最低检测限(LOD)为5.10×10-7M,说明聚三唑P2能够实现爆炸物的灵敏检测。
实施例4
阴离子共轭聚三唑P2在Fe3+离子检测中的应用。
根据美国环境保护署的规定,饮用水中Fe3+离子允许的最大浓度是0.3μg/mL,出于人类健康的考虑,开发超痕量检测Fe3+离子的化学探针至关重要。本发明中的阴离子共轭聚三唑P2能够对Fe3+离子进行灵敏检测。图6A是不同含量Fe3+离子的聚三唑P2水溶液的荧光光谱,[P2]=10μM,激发波长为:352nm。图6B是聚三唑P2的I0/I-1与Fe3+浓度的Stern-Volmer曲线,其中I为加了Fe3+的荧光强度,I0为没加Fe3+离子的荧光强度。图6C是聚三唑P2水溶液对不同离子的选择性。[P2]=10μM,[Fe3+]=0.8mM,激发波长为:352nm。
由图6A所示,当Fe3+离子含量从0增加到0.2mM时,P2的荧光也随之减弱直至完全猝灭;且聚三唑的荧光曲线和位置均未发生变化。从图6B的Stern-Volmer曲线可拟合计算得出聚三唑P2对Fe3+离子的猝灭常数Ksv为298092M-1;最低检测限为5.61×10-8M(0.01μg/mL),表明该聚三唑能够实现对Fe3+离子的灵敏检测。而且,最低检测限的值相对于上述0.3μg/mL而言非常小,可以对环境水资源及饮用水样本实施更为严格的监测。
我们也比较了不同金属离子对P2荧光的猝灭效应,结果如图6C所示。令人欣喜的是,只有Fe3+离子可以大大猝灭聚三唑P2的荧光,表现出极好的离子选择性。由此看出,阴离子共轭聚三唑P2不仅具有高的灵敏性,也具备好的选择性,是一个优秀的化学探针。
实施例5
阴离子共轭聚三唑P2在生物成像中的应用。
首先,我们用标准MTT方法测定了阴离子共轭聚三唑P2对HeLa细胞的生物毒性。从图7中HeLa细胞与不同含量聚合物共同培养的结果显示,该聚合物对细胞基本没有生物毒性,表现出优异的生物相容性。有趣的是,聚三唑P2不与大肠杆菌(革兰氏阴性菌)和金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)结合,但可以特异性的与HeLa细胞结合。图8是聚三唑P2分别与HeLa细胞作用1小时(A),4小时(B),12小时(C)后,再与LysoTracker Red共染的30分钟的共定位图像。[P2]=10μM,[LysoTracker Red]=1μM。其中,第一列是聚合物与HeLa细胞的作用结果,第二列是LysoTracker Red与HeLa细胞的作用结果,第三列是前两列的合并结果。从图8中我们可以看到,聚三唑P2首先与细胞膜作用,4小时后穿过细胞膜,最终定位在溶酶体上。
实施例6
铜离子液体催化M5和M6制备四苯基乙烯-二芳基乙烯聚三唑P3。
其中,单体M5按照已公开文献中(Chem.-An Asian J.,2013,9,104;Polym.Chem.,2014,5,2301)的合成方法合成;M6按照已公开文献中(Macromolecules,2012,45,7692)的合成方法合成。
在10mL的聚合管中加入20.8mg(0.05mmol)单体M5,20.7mg(0.05mmol)单体M6和Cu-IL 5mg(0.005mmol),抽真空换氮气3次,用注射器注入1.2mL超干DMF,待单体完全溶解后,放入已恒定在50℃的油浴锅中,反应2小时。反应结束后,加入2mLTHF,将得到的聚合物溶液滴加到60mL剧烈搅拌的甲醇中,静置、过滤、干燥,得到四苯基乙烯-二芳基乙烯聚三唑P3。经测定分析,最终产物聚三唑P3的产率为88%,重均分子量为65500,分子量分布为2.05(分子量和分子量分布是由配置了二极管阵列检测器的APC测定。以THF为流动相,流速为0.5mL/min,以线性单分布的PS为标准物进行校正)。
聚三唑P3与其相应单体的核磁共振谱对比图(*代表溶剂峰)见图9、图10。从图9看出,在化学位移3.35ppm处的炔氢峰消失,图9C中在化学位移8.05ppm处的三唑峰出现;在核磁共振碳谱图中,如图10所示,化学位移82.45ppm和75.89ppm处对应的单体M5碳碳叁键上两个碳的特征峰在聚合物谱图中均消失不见。综合图9和10的表征结果说明,单体反应完全,得到相应的聚三唑产物。
实施例7
四苯基乙烯-二芳基乙烯聚三唑P3的防伪材料模型。
图11是利用聚三唑P3的二氯甲烷溶液用毛细管滴在硅胶板上书写“SCUT”,当浓度很低时,硅胶板上基本看不出任何字样;经365nm的紫外光照射后,开环态的二芳基乙烯转变为闭环态,字体颜色变成蓝色,信息得以显现。此外,聚合物所特有的聚集增强发光(AEE)性质使其原本强烈的蓝绿色荧光经365nm紫外光照射后几乎完全猝灭。当再用大于550nm波长的可见光照射一段时间,二芳基乙烯基元又从闭环态转变为开环态,字体颜色及荧光均会随之恢复。由此可见,该文字的颜色和荧光可以通过紫外光/可见光照射实现可逆读出与擦除,因此该聚三唑P3可以很好的实现防伪标签的双模式监测。
实施例8
四苯基乙烯-二芳基乙烯聚三唑P3的信息存储-读取模型。
图12是将聚三唑P3溶液涂在石英片上,再在固态膜上方放置一孔径为50μm的铜网,利用荧光显微镜拍摄紫外光照射前后的荧光照片。在紫外光照射前,铜孔处呈蓝绿色荧光;经紫外光照射后,铜孔处的荧光几乎完全猝灭。将铜网移除后,铜孔处无荧光,而铜网骨架处显示出蓝绿色荧光。上述荧光能够通过长波长可见光(>550nm)的照射得以恢复。由此表明,聚三唑P3能够对信息进行可擦写操作,能够实现信息的存储与读取功能,可以作为很好的复写材料。
实施例9
铜离子液体催化M7和M8制备聚三唑P4。其中,单体M7按照已公开文献中(Eur.J.Org.Chem.,2015,2015,4593)的合成方法合成;M8按照已公开文献中(Polym.Chem.,2014,5,2301)的合成方法合成。
在10mL的聚合管中加入25.2mg(0.1mmol)单体M7,43.8mg(0.1mmol)单体M8和Cu-IL 5.0mg(0.005mmol),抽真空换氮气3次,用注射器注入2mL超干DMF,待单体完全溶解后,放入已恒定在50℃的油浴锅中,反应2小时。反应结束后,加入2mLTHF,将得到的聚合物溶液滴加到60mL剧烈搅拌的甲醇中,静置、过滤、干燥,得到聚三唑P4。经测定分析,最终产物聚三唑P4的产率为86%,重均分子量为19800,分子量分布为2.02(分子量和分子量分布是由配置了二极管阵列检测器的APC测定。以THF为流动相,流速为0.5mL/min,以线性单分布的PS为标准物进行校正)。聚三唑P4表征数据:1H NMR(500MHz,CDCl3),δ(TMS,ppm):8.27,8.01-7.25(Ar-H),2.11-0.69(CH2&CH3).13C NMR(125MHz,CDCl3),δ(TMS,ppm):157.0,152.2,141.3,133.3,129.2,124.8,122.6,120.1,55.8,40.5,31.7,30.2,29.4,24.1,22.7,14.2。
实施例10
铜离子液体催化M2和M6制备聚三唑P5。其中,M2按照已公开文献中(Polym.Chem.,2014,5,2301)的合成方法合成;M6按照已公开文献中(Macromolecules,2012,45,7692)的合成方法合成。
在10mL的聚合管中加入38.2mg(0.1mmol)单体M2,41.4mg(0.1mmol)单体M6和Cu-IL 9.9mg(0.01mmol),抽真空换氮气3次,用注射器注入2mL超干DMF,待单体完全溶解后,放入已恒定在50℃的油浴锅中,反应2小时。反应结束后,加入2mLTHF,将得到的聚合物溶液滴加到60mL剧烈搅拌的甲醇中,静置、过滤、干燥,得到聚三唑P5。经测定分析,最终产物聚三唑P5的产率为87%,重均分子量为26700,分子量分布为2.76(分子量和分子量分布是由配置了二极管阵列检测器的APC测定。以THF为流动相,流速为0.5mL/min,以线性单分布的PS为标准物进行校正)。聚三唑P5表征数据:1H NMR(500MHz,CDCl3),δ(TMS,ppm):8.22,7.94-7.09(Ar-H),2.07-0.71(CH2&CH3).13C NMR(125MHz,CDCl3),δ(TMS,ppm):151.9,144.3,142.6,140.7,132.7,131.5,128.2,127.5,125.1,120.5,55.6,40.5,31.6,29.8,23.9,22.7,14.1。
实施例11
铜离子液体催化M2和M9制备聚三唑P6。其中,M2按照已公开文献中(Polym.Chem.,2014,5,2301)的合成方法合成;M9按照已公开文献中(Macromolecules,2012,45,7692)的合成方法合成。
在10mL的聚合管中加入38.2mg(0.1mmol)单体M2,44.2mg(0.1mmol)单体M9和Cu-IL 9.9mg(0.01mmol),抽真空换氮气3次,用注射器注入2mL超干DMF,待单体完全溶解后,放入已恒定在50℃的油浴锅中,反应2小时。反应结束后,加入2mLTHF,将得到的聚合物溶液滴加到60mL剧烈搅拌的甲醇中,静置、过滤、干燥,得到聚三唑P6。经测定分析,最终产物聚三唑P6的产率为89%,重均分子量为21100,分子量分布为1.76(分子量和分子量分布是由配置了二极管阵列检测器的APC测定。以THF为流动相,流速为0.5mL/min,以线性单分布的PS为标准物进行校正)。聚三唑P6表征数据:1H NMR(500MHz,CDCl3),δ(TMS,ppm):7.95,7.89-6.99(Ar-H),5.49(CH2),2.05-0.62(CH2&CH3).13C NMR(125MHz,CDCl3),δ(TMS,ppm):152.1,144.2,143.2,141.0,133.2,132.0,131.3,128.0,127.5,126.9,124.7,120.2,55.6,54.1,40.6,31.7,29.8,24.1,22.8,14.1。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.铜离子液体催化制备1,4-立构规整聚三唑的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)惰性气体保护下,在铜离子液体的催化下,将二元炔基化合物和二元叠氮基化合物在有机溶剂中进行点击聚合,聚合反应的温度为30~60℃,反应的时间为1~2小时;所述二元炔基化合物与二元叠氮基化合物的摩尔比为1:(1~1.1);所述的铜离子液体与二元炔基化合物的摩尔比为(0.025~0.1):1;
(2)反应完毕后,将产物溶解在有机溶剂中,然后加入到甲醇中进行沉淀,收集沉淀物,干燥至恒重,得到1,4-立构规整聚三唑;
所述的1,4-立构规整聚三唑的结构如式(I)所示:
所述的二元炔基化合物的结构通式如式(II)所示,
所述的二元叠氮基化合物如式(III)所示,
N3-R2-N3(Ⅲ)
(I)中,n 为2~200 的整数,R1,R2为不同的如下结构式:
2.根据权利要求1所述的铜离子液体催化制备1,4-立构规整聚三唑的方法,其特征在于,所述的有机溶剂为四氢呋喃、甲苯、1,4-二氧六环、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的铜离子液体催化制备1,4-立构规整聚三唑的方法,其特征在于,所述的二元炔基化合物在有机溶剂中的浓度为0.025~0.1 mol/L。
7.权利要求5所述的1,4-立构规整聚三唑在爆炸物检测,Fe3+离子检测和生物成像中的应用。
8.权利要求6所述的1,4-立构规整聚三唑在防伪和复写材料中的应用。
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