CN110845725A - 一种pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的制备方法 - Google Patents

一种pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于响应性荧光技术领域。具体公开了一种pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的制备方法。此方法是以含叔胺的羟基单体和不饱和丙烯酸酯双键单体经Oxa‑Michael加成溶液聚合一步简易制备分子骨架含叔胺结构的聚合物。此方法无需制备单体，反应条件温和，后处理简单，可大规模生产应用。且以该方法制备得到的叔胺结构聚合物具有良好的水溶性和生物相容性，还具有pH及浓度依赖性，其在生物检测和药物载体领域具有重大的研究价值和应用前景。

Description

一种pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的制备方法
技术领域
本发明属于响应性荧光技术领域，具体涉及一种pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的制备方法。
背景技术
刺激响应性荧光聚合物是一类自身能够对外界环境如温度、pH、离子强度(电解质)、电场、光等外部刺激做出响应的聚合物荧光材料，其具有在外界刺激其发光强度和发光的颜色会发生转变的特性，使其在数据存储、化学检测、荧光防伪材料以及药物载体等领域具有潜在的应用价值。pH响应荧光聚合物材料是一类含有碱性残基或可电离酸性残基能在环境pH触发下接受或释放质子，从而引起聚合物荧光状态的转变的材料。
近些年，一类含有脂肪胺、羰基、酯基、酰胺等含非传统意义生色团的聚合物在适当条件下能发射强的荧光，且该荧光聚合物具有良好的亲水性、结构可调性、易制备性、环境友好等优点，其在生物荧光成像及检测领域中具有巨大地应用前景。相对于其他非传统生色团的聚合物，叔胺结构的聚合物不仅具有稳定的荧光性能，还具有pH响应性和良好的生物相容性，是一个可在生物医学领域中应用的响应性荧光材料。目前含有叔胺生色团的聚合物主要是基于Michael加成聚合法制备。Cao和Pan报道了基于氨基与双键单体的Michael加成聚合制备了含叔胺结构的超支化PAMAM，其聚合物具有荧光性能，且聚合物的荧光强度随着pH值的下降而上升。但以该方法制备的荧光聚合物荧光强度只受到酸或碱性单一条件的影响，并不具有酸碱可逆性和浓度依赖性，且聚合物的荧光强度也相对较弱。另外一种制备叔胺生色团聚合物的方法主要是基于巯基与碳碳双键单体间的Michael加成聚合，其所得的叔胺聚合物本身不溶于水，并没有报道其叔胺聚合物是否有酸碱可逆和浓度依赖性，且存在聚合所需单体需多步合成，聚合体系易交联的缺点。
发明内容
本发明根据上述叔胺生色团聚合物制备方法存在的一些缺点，提供了一种pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的制备方法，即以低毒、无味的含叔胺醇羟基单体替代有毒及难闻气味的氨基或巯基单体与不饱和键单体的Oxa-Michael加成聚合制备分子骨架含叔胺结构的聚合物。该方法制备的聚合物不仅具有稳定的自发荧光性能，且聚合使用的单体无需制备、使用的催化剂无金属残留，聚合体系简单、高效，是一类经济、高效、绿色环保的制备叔胺生色团聚合物的方法。另外，以该方法制备的聚合物还具有良好的水溶性、pH、浓度依赖性和低的细胞毒性。因此，该发明对叔胺生色团聚合物在生物医学领域应用具有重大的研究价值和应用前景。
本发明采用单体一步法合成pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物：
(1)以有机碱t-BuP2为催化剂，将含叔胺的羟基单体与不饱和键单体按摩尔比加入到含有有机溶剂的聚合瓶中，在温和条件下经羟基与不饱和键单体间的Oxa-Michael加成聚合制备分子骨架含叔胺结构的聚合物。其制备的叔胺生色团聚合物的荧光性能可通过加酸或加碱调节pH值实现酸碱可逆循环，且具有浓度依赖性。
其中，所述的含叔胺的羟基单体为N-二甲基乙醇胺或三乙醇胺；
所述的不饱和键单体为丙烯酸酯类双键或三键单体，如双丙烯酸乙二醇酯，1,4-丁二醇二丙烯酸酯，1,6-己二醇二丙烯酸酯等；
所述的聚合所需的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜等；
所述的含叔胺的羟基单体和不饱和键单体的摩尔比为1:1-2，其中所述的溶剂的摩尔量为含叔胺羟基单体摩尔量的5-20倍；有机碱t-BuP2量为含叔胺羟基单体摩尔量的0.05-0.2倍。
所述的温和反应条件为聚合温度为-20-60℃，聚合时间为3-120h；
本发明方法制得的叔胺生色团聚合物用作pH及浓度依赖性刺激响应性荧光聚合物，在酸碱环境中，所述的叔胺生色团聚合物荧光性可调节，并可依据酸碱环境调节pH值实现荧光多次循环反复，且具有浓度依赖性。
所述叔胺生色团聚合物具有刺激响应性的聚合物浓度为0.5-60mg/mL；所述的刺激响应性荧光测试的激发波长为330-400nm。
所述的酸碱环境的溶液pH值为1-14。
所述的调节pH值为酸性环境的酸溶液为盐酸、乙酸、硫酸；
所述的调节pH值为碱性环境的碱溶液为氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钠，碳酸氢钠。
所述的荧光循环反复的次数为10次以上
本发明中，以商业化的羟基单体替代巯基单体，通过有机碱催化含叔胺的羟基与不饱和双丙烯酸酯类双键或三键单体经Oxa-Michael加成聚合一步制备主链含叔胺生色团的聚合物。与现有制备叔胺生色团聚合物方法相比，本发明具有独特的优势：
1、本发明方法制备的主链含叔胺的聚合物是基于Michael加成聚合方法，所采用的单体是低毒、无刺激气味、稳定的商业化叔胺羟基单体，且整个反应体系简单且稳定，反应条件温和，操作简单易行，对环境的影响较小，能耗低，极大地降低了聚合成本，非常适合应用于工业化大规模生产。
2、与氨基与双键Michael加成聚合制备的叔胺聚合物相比，本发明得到的聚合物的毒性更低；与巯基和与双键单体Michael加成聚合制备的叔胺聚合物相比，所需的单体无需繁琐制备，反应体系更稳定。
3本发明方法设计得到的聚合物除了具有良好的水溶性和低的细胞毒性，还具有pH及浓度依赖性，是一类可在生物医学领域应用的荧光材料。
附图说明
图1为实施例2(B-1)所得叔胺生色团聚合物的红外光谱图；
图2为实施例2(B-1)所得叔胺生色团聚合物的在D20中核磁氢谱谱图；
图3为实施例1(L-1),例2(B-1)和例3(B-2)所得主链含叔胺生色团线型和支化聚合物的荧光光谱。
图4为实施例4所得主链含叔胺生色团聚合物的荧光光谱图。
图5为实施例5所得主链含叔胺生色团聚合物的荧光光谱图。
图6为实施例2在主链含叔胺生色团支化聚合物不同浓度下的荧光光谱图。
图7为实施例2所得主链含叔胺生色团聚合物在10mg/mL时在pH＝1，pH＝7和pH＝14下的(A)紫外光谱和(B)荧光光谱图
图8为实施例2所得主链含叔胺生色团聚合物在10mg/mL时的荧光变化曲线图，(A)逐步加酸萃灭，(B)逐步加碱回复，(C)酸碱可逆回复次数
图9为实施例2所得主链含叔胺生色团聚合物在20mg/mL时的荧光变化曲线图，(A)逐步加酸萃灭，(B)逐步加碱回复
图10为实施例2所得主链含叔胺生色团聚合物在40mg/mL时的荧光变化曲线图，(A)逐步加酸萃灭，(B)逐步加碱回复
图11为实施例2所得主链含叔胺生色团聚合物在60mg/mL时的荧光变化曲线图，(A)逐步加酸萃灭，(B)逐步加碱回复
图12为实施例2所得主链含叔胺生色团聚合物的最大激发波长与浓度和pH值的关系曲线图
图13为实施例1(L-1)，例2(B-1)和例3(B-2)所得叔胺生色团聚合物在HepG2细胞的毒性。
具体实施方式
本发明中所述的制备叔胺生色团聚合物的方法如下：
实施例1
将N-甲基二乙醇胺(0.119g，1mmol)、双丙烯酸乙二醇酯(0.170g，1mmol)和N,N-二甲基甲酰胺(1.19g,10mmol)加入到聚合瓶中，随后在氩气保护下向聚合瓶中加入催化剂t-BuP2(50μL，0.1mmol)，于25℃下反应96h。反应结束后，加入乙酸终止反应，加二氯甲烷稀释，于正己烷中沉降，经3500g/mol分子量透析袋透析、冻干得到主链含叔胺生色团的线型聚合物(L-1)，采用DMF相的凝胶渗透色谱仪表征聚合物的重均分子量Mw.GPC＝11300g/mol，分子量分布PDI＝1.2，通过荧光光谱测试所得线型叔胺聚合物在水溶液中的激发波长为397nm，发射波长为414nm，且聚合物的荧光强度随着聚合物浓度增加呈现先增加后降低的趋势，表明以该方法制备所得地聚合物具有自发荧光性能及存在聚集诱导萃灭现象。细胞实验证明该聚合物具有较低的毒性。
实施例2
将三乙醇胺(0.149g，1mmol)、双丙烯酸乙二醇酯(0.170g，1mmol)和N,N-二甲基甲酰胺(1.19g,10mmol)加入到聚合瓶中，随后在氩气保护下向聚合瓶中缓慢加入催化剂t-BuP2(50μL，0.1mmol)，于25℃下反应72h。反应结束后，加入乙酸终止反应，加二氯甲烷稀释于正己烷中沉降，经3500g/mol分子量透析袋透析、冻干得到主链含叔胺生色团的羟基封端的支化聚合物(B-1)。采用DMF相的凝胶渗透色谱仪表征聚合物的重均分子量Mw.GPC＝19088g/mol，分子量分布PDI＝1.68，采用红外光谱和核磁谱确证制备得到了目标结构的聚合物。通过荧光光谱测试所得羟基封端的支化叔胺聚合物在水溶液中的激发波长为397nm，发射波长为414nm，聚合物的荧光强度随着聚合物浓度增加呈现先增加后降低的趋势，表明以该方法制备所得地聚合物具有自发荧光性能及存在聚集诱导萃灭现象。荧光光谱测试了主链含叔胺结构聚合物在酸碱条件下的荧光性能，其在pH＝1时，聚合物荧光发生萃灭，其可能的原因是叔胺基团在酸性条件下会形成叔胺盐酸盐，其叔胺生色团被屏蔽，从而导致聚合物的荧光萃灭，在加入碱以后，形成的叔胺盐酸盐被碱中和脱落，荧光恢复。其在不同浓度下表现出类似的pH响应性，且最大激发波长的pH值会随聚合物溶液浓度发生变化，表明所得的叔胺聚合物的荧光具有pH及浓度响应性。另外，细胞实验证明该聚合物具有较低的毒性。
实施例3
将三乙醇胺(0.149g，1mmol)、双丙烯酸乙二醇酯(0.340g，2mmol)和N,N-二甲基甲酰胺(2.4mL)加入到经聚合瓶中，随后在氩气保护下向聚合瓶中缓慢加入催化剂(2.38g,20mmol)，于0℃下反应72h。反应结束后，加入乙酸终止反应，加二氯甲烷稀释，于正己烷中沉降，经3500g/mol分子量透析袋透析、冻干得到主链含叔胺生色团双键封端的支化聚合物(B-2)。采用DMF相的凝胶渗透色谱仪表征聚合物的重均分子量Mw.GPC＝20100g/mol，分子量分布PDI＝1.72，采用红外光谱和核磁谱确证制备得到了目标结构的聚合物。通过荧光光谱测试所得双键封端的支化叔胺聚合物在2mg/mL水溶液中的激发波长为397nm，发射波长为414nm，表明以该方法制备所得地聚合物具有自发荧光性能。
实施例4
将三乙醇胺(0.149g，1mmol)、1,4-丁二醇二丙烯酸酯(0.198g，1mmol)和N,N-二甲基甲酰胺(1.19g,10mmol)加入到聚合瓶中，随后在氩气保护下向聚合瓶中缓慢加入催化剂t-BuP2(50μL，0.1mmol)，于25℃下反应96h。反应结束后，加入乙酸终止反应，加二氯甲烷稀释，于正己烷中沉降，经3500g/mol分子量透析袋透析、冻干得到主链含叔胺生色团的线型聚合物。采用DMF相的凝胶渗透色谱仪表征聚合物的重均分子量Mw.GPC＝25129g/mol，分子量分布PDI＝1.7。通过荧光光谱测试所得的支化叔胺聚合物在20mg/mL的水溶液中激发波长为391nm，发射波长为410nm，表明以该方法制备所得地聚合物具有自发荧光性能。
实施例5
将三乙醇胺(0.149g，1mmol)、1,6-己二醇二丙烯酸酯(0.276g，1mmol)和N,N-二甲基甲酰胺(1.19g,10mmol)加入到聚合瓶中，随后在氩气保护下向聚合瓶中缓慢加入催化剂t-BuP2(50μL，0.1mmol)，于25℃下反应96h。反应结束后，加入乙酸终止反应，加二氯甲烷稀释，于正己烷中沉降，经3500g/mol分子量透析袋透析、冻干得到主链含叔胺生色团的支化聚合物。采用DMF相的凝胶渗透色谱仪表征聚合物的重均分子量Mw.GPC＝32131g/mol，分子量分布PDI＝1.7。通过荧光光谱测试所得的支化叔胺聚合物在10mg/mL的水溶液中的激发波长为253nm，发射波长为309nm，表明以该方法制备所得地聚合物具有自发荧光性能。

Claims (10)

1.一种pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的制备方法，其特征在于，所述制备方法是以有机碱t-BuP2为催化剂，将含叔胺的羟基单体与丙烯酸酯类双键单体按摩尔比加入到含有有机溶剂的聚合瓶中，在温和条件下经羟基和不饱和键单体间的Oxa-Michael加成聚合制备分子骨架含叔胺结构的聚合物。
2.根据权利要求1所述的pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的制备方法，其特征在于，所述的含叔胺的羟基单体为N-二甲基乙醇胺或三乙醇胺；所述的丙烯酸酯类双键单体为双丙烯酸乙二醇酯，1,4-丁二醇二丙烯酸酯，1,6-己二醇二丙烯酸酯；所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜。
3.根据权利要求1所述的pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的制备方法，其特征在于，所述的含叔胺的羟基单体与丙烯酸酯类双键单体的摩尔比为1:1-2，所述的溶剂的摩尔量为含叔胺羟基单体摩尔量的10-20倍；所述有机碱t-BuP2量为含叔胺羟基单体摩尔量的0.05-0.2倍。
4.根据权利要求1所述的pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的制备方法，其特征在于，所述反应条件为聚合温度为-10-50℃，聚合时间为6-96h。
5.一种根据权利要求1所述方法制备的pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的应用，其特征在于，所述聚合物用作pH及浓度依赖性刺激响应性荧光聚合物，在酸碱环境中，所述的叔胺生色团聚合物荧光性可调节，并可依据酸碱环境调节pH值实现荧光循环反复，且具有浓度依赖性。
6.根据权利要求5所述的pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的应用，其特征在于，所述叔胺生色团聚合物具有刺激响应性的聚合物浓度为0.5-60mg/mL；所述的刺激响应性荧光测试的激发波长为330-400nm。
7.根据权利要求5所述的pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的应用，所述的酸碱环境的溶液pH值为1-14。
8.根据权利要求5所述的pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的应用，其特征在于，所述的调节pH值为酸性环境的酸溶液为盐酸、乙酸、硫酸。
9.根据权利要求5所述的pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的应用，其特征在于，所述的调节pH值为碱性环境的碱溶液为氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钠，碳酸氢钠。
10.根据权利要求5所述的pH及浓度依赖性叔胺生色团聚合物的应用，其特征在于，所述的荧光循环反复的次数为10次以上。
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