CN1827664A - 共轭聚合物荧光传感材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学传感材料技术领域，具体为一类含有磺酸酯和吸电子基团的共轭聚合物荧光传感材料及其制备方法。本发明以硝基苯通过磺酸酯键合的芳香族化合物为原料，与其它各种芳香族化合物进行有机金属催化反应，合成了一系列共轭聚合物。该聚合物是一类高灵敏度的高分子荧光传感材料，用于对双氧水的检测。此外，相对于传统的双氧水检测方式，本聚合物利用荧光恢复的方法进行，大大提高了检测的灵敏度。

Description

共轭聚合物荧光传感材料及其制备方法

技术领域

本发明属于化学传感材料技术领域，具体涉及一类含有磺酸酯和吸电子基团的共轭聚合物荧光传感材料及其制备方法。

背景技术

机体的衰老是一个十分复杂的问题，但是衰老和某些疾病的发生与体内一些自由基不能及时排除有关，而体内的自由基种类较多，但是有毒性的氧源性者主要是氧自由基(Reactive Oxygen Species，ROS)或称活性氧主要包括O₂ ^-、O₂、-OH和H₂O₂等，其中以H₂O₂为甚。这种生命体在正常代谢过程中产生ROS，若不能及时清除以恢复平衡，会引起生物膜的过氧化损伤，甚至造成细胞器的损害和DNA与蛋白质等的降解与失活。

对双氧水的检测一直是科学研究的重点，传统的检测方法主要分为化学发光检测和荧光检测两种手段，由于检测机理不同荧光检测依靠其高的灵敏度和方便的检测手段得到了更多的研究。不过目前困扰双氧水的检测的主要问题在于，一直以来各种检测材料普遍存在选择性差的缺点，这主要是因为对双氧水的检测一般是通过其氧化性来进行的，而其他活性氧一样存在比较强烈的氧化作用，因此对双氧水检测的专一性就产生了问题。

共轭聚合物经过20年的发展，已经成为一门较成熟的综合性的交叉学科。共轭聚合物由于同时具有聚合物的可加工性和柔韧性、以及无机半导体特性或金属导电性，因而具有巨大的潜在商业应用价值。目前，共轭聚合物在生物及化学传感领域的也同样得到了长足的发展，利用共轭聚合物进行离子检测、DNA和RNA的检测都已经有大量文献进行报道。同时，由磺酸酯相连的吸电子基团和荧光基团的小分子化合物荧光传感材料已有报道，其作用主要是利用吸电子基团强烈的吸电子作用，使荧光基团产生的荧光淬灭，通过在双氧水存在下打断相连的磺酸酯基使荧光基团的荧光恢复，达到检测的目的，而对于共轭高分子而言，由于其有更高的灵敏度和响应性使其对小分子材料拥有更好的应用前景。

本发明是通过共轭聚合物引入侧链带有磺酸酯基的硝基苯，在双氧水存在的情况下，磺酸酯基由于强烈的亲电作用而断开，从而将含有强吸电子基的硝基苯脱离共轭聚合物主链，使在吸电子基存在时原本发光较弱的主链分子荧光增强，达到检测的目的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种共轭聚合物材料荧光传感及其制备方法，并且提出该共轭聚合物材料在生物/化学检测方面的应用，尤其是在对双氧水检测方面的应用。

本发明提出的共轭聚合物荧光传感材料，其侧链含有磺酸酯和硝基苯类吸电子基团，以含有电荷传输的芳香族化合物为原料，采用有机金属催化反应合成。该化合物的分子结构如下：

其中，R₁为烷氧基、烷基、苯基或其他芳香族及其衍生物取代基，或带有水溶性离子基的基团等，k取大于等于0的整数；

R₂为硝基苯类基团，m取大于等于1的整数；

X，Y都可为、9，9-二取代芴基、苯基、噻吩、吡咯、对苯乙烯撑、苯炔、螺旋芴、萘基、蒽基、以及其对应的衍生物中的一种任意芳香族分子，聚合度n可为任意自然数。

上述化合物中，典型的化合物有如下几种：

(1)R₁为癸氧基，k＝1，R₂为2，4-二硝基苯，m＝1，Y为9，9-二取代烷基芴，X为苯基，其结构式如下：

(2)k＝0，R₂为对硝基苯，m＝2，Y为二己氧基苯炔，X为9，9-二苯基取代芴，其结构式如下：

(3)k＝0，R₂为2，4-二硝基苯，m＝2，Y为1，4位含有季胺盐的二烯结构，X为9，9-二丙烷取代芴，其结构式如下：

本发明提出的化合物的合成方法如下：

(一)2，7-双硼酸酯-9，9’-二烷基-芴单体的合成

以2，7-二溴代芴为模版，在碱催化条件下加入2-3倍量溴代烷基合成9位双烷基取代的芴；

对9位双烷基取代的芴用正丁基锂活化2，7位上的溴，加入三异丙基硼酸酯合成2，7-双硼酸酯-9，9’-二烷基-芴；

(二)含磺酸酯基硝基苯单体的合成

以对苯二酚为模版，通过与2倍量的液溴反应制得二羟基二溴苯；

二羟基二溴苯在碳酸钾条件下加入1倍量的溴代烷进行Williamson反应，得到单烷氧基取代的二溴苯酚。

对单烷氧基取代的二溴苯酚用2，6-二甲基吡啶与二氯甲烷做溶剂，加入1倍量的硝基磺酰氯，合成单体含有硝基苯基及磺酸酯基的二溴苯。

(三)聚合物的合成

将含有硝基苯基及磺酸酯基的二溴苯和2，7-双硼酸酯-9，9’-二烷基-芴在甲苯溶剂中，用四-三苯基磷钯作为催化剂进行Suzuki反应，所得产物经过逐级沉淀和透析膜过滤，得到以共轭连接的芴和芳香基团的共轭聚合物。

本发明制得的侧链带有磺酸酯基的硝基苯的共轭聚合物，在双氧水存在的情况下，磺酸酯基由于强烈的亲电作用而断开，从而将含有强吸电子基的硝基苯脱离共轭聚合物主链，使在吸电子基存在时原本发光较弱的主链分子荧光增强，因此达到检测的目的。

因此，本发明还提出上述化合物在检测双氧水方面的应用。包括以上述化合物为检测物的双氧水检测器。

上述任何一种化合物为检测物的检测双氧水的方法如下：用相应的溶剂或水溶液将合成的聚合物以及待测物质分别配成10^-4～10^-6mol/L的稀溶液；将待测物质的溶液加入到聚合物溶液中，其中待测物质溶液体积为聚合物溶液体积的1％以下；测定在不同待测物质存在下，聚合物溶液的紫外吸收光谱和荧光发射光谱；测定待测物质不同浓度状态下，聚合物溶液的紫外吸收光谱和荧光发射光谱，根据荧光强度的变化，获得检测结果。

附图说明

图1是本发明中合成的聚合物在不同浓度双氧水存在的情况下的荧光发射光谱。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的内容，下面通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1、含有磺酸酯和吸电子基团的芴苯类体系共轭聚合物的制备

1.2，7-双硼酸酯-9，9’-二己基-芴单体的合成(单体一)

将2，7-二溴代芴(6.61g，20.40mmol)和催化量的四丁基氯化铵加入250mL的双颈瓶中，密封，进行无水无氧处理。然后用针筒注射入25～30mL二甲亚砜，加热搅拌。后注射入45～55％的氢氧化钠水溶液，加热到70～80℃，溶液由无色透明溶液变为紫红色溶液。搅拌5～10分钟后，注射入1-己基溴(7.41g，44.88mol)。保持混合物70～80℃回流过夜，有大量白色固体析出。冷却至室温，加入盐酸(2.0M)调节pH值至中性，白色固体消失，有大量气泡产生。待反应完全后，加入80～100mL二氯甲烷萃取，用饱和食盐水洗涤后用无水硫酸镁干燥。经过滤，旋转蒸发除去溶剂后，经硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚)后得到淡黄色粘稠液体2，7-二溴代-9，9’-二辛基-芴。

将2，7-二溴代-9，9’-二己基-芴(8.96g，18.20mmol)加入500mL双颈瓶中，密封，进行无水无氧处理。然后用针筒注射入四氢呋喃140～160mL(无水无氧处理后)，搅拌使之溶解，冷却至-78℃，加入1.6M正丁基锂(28.50mL，45.50mmol)，搅拌50～80分钟后，注射入三异丙基硼酸酯(21.16mL，0.09mol)，恢复至室温，溶液由澄清变为白色浑浊溶液，搅拌过夜。然后加入盐酸，白色混浊消失，溶液又变为澄清。倾入大量的去离子水和乙醚，萃取分液。有机层用饱和食盐水洗涤，并用无水硫酸镁干燥过夜。旋转蒸发除去溶剂后，加入3倍量的1，3-丙二醇，在甲苯溶剂中加热至120～130℃反应3～4个小时。经过滤，旋转蒸发除去溶剂后用石油醚配比乙酸乙酯进行柱层析分离。获得淡黄色液体2，7-双硼酸酯-9，9’-二辛基-芴。

2.2，5-二溴-4-癸氧基-1-(2，4-二硝基苯磺酸酯基)-苯的合成(单体二)

250mL反应瓶中加入氢氧化钠(0.36g，9.00mmol)，1，4-二溴对苯二酚(2.01g，7.40mmol)，溴癸烷(1.65g，7.40mmol)，密封，进行无水无氧处理。打入70-75mL乙醇，加热至60～65℃，缓慢滴加溴癸烷(1.65g，7.40mmol)到体系中，混合物在氮气氛围下反应10～13个小时。体系颜色逐渐变深，反应结束后，将体系冷却，过滤，甲醇洗。滤液减压蒸出溶剂，在残余物中加入80～100mL去离子水，盐酸进行酸化处理，煮沸1～1.5个小时，冷却。将沉淀物滤出，水洗，干燥，用石油醚∶丙酮＝5∶1作为洗脱剂过硅胶柱，得到白色固体产物2，5-二溴-4-癸氧基苯酚。

25mL反应瓶中，将2，5-二溴-4-癸氧基苯酚(2.00g，4.90mmol)，2，4-二硝基苯磺酰氯(1.32g，4.90mmol)溶于二氯甲烷4～5mL、2，6-二甲基吡啶4～5mL的混合溶剂中。室温反应过夜，加入2M的盐酸溶液20～25mL，用氯仿萃取两次，将溶剂旋转蒸发，用石油醚∶丙酮＝5∶1作为洗脱剂过硅胶柱。得到浅黄色固体产物2，5-二溴-4-癸氧基-1-(2，4-二硝基苯磺酸酯基)-苯。

3.聚合

将2，7-双硼酸酯-9，9’-二己基-芴(100.00mg，0.20mmol)和2，5-二溴-4-癸氧基-1-(2，4-二硝基苯磺酸酯基)-苯(127.10mg，0.20mmol)混合后加入四三苯基磷钯(Pd(PPh₃)₄)(7.01mg，6.60μmol)，装入两颈瓶中反复抽真空和充氮气三次，然后加入经用氮气鼓泡除氧的甲苯10～12mL和同样已经除氧的碳酸钠饱和乙醇溶液，在油浴中加热到80°～90C反应60～80个小时，然后冷却到室温，分出有机相，水相用甲苯洗两次合并有机相用饱和食盐水洗三次。将反应产物在甲醇中沉淀得到黄色沉淀。

实施例2、含有磺酸酯和吸电子基团的芴炔苯类共轭聚合物的制备

1. 1，4-二溴-2，5二己氧基苯的合成

500mL反应瓶中加入碳酸钾(33.12g，0.24mol)，1，4-二溴对苯二酚(10.72g，0.04mol)，及300mL丙酮，混合物回流约25～30分钟。然后将溴己烷(14.86g，0.09mol)加入反应瓶中，回流状态下反应24～30个小时。反应混合物过滤，滤液旋蒸除去溶剂。浓缩产物倒入水中，用乙醚萃取2～3次，得到的有机层用水溶液洗2～3次，饱和食盐水洗2～3次。溶液用无水硫酸镁干燥，过滤，旋蒸去除溶剂，得到粗产物。粗产物用乙醇重结晶得白色晶体。

2. 1，4-二乙炔基-2，5二己氧基苯的合成(单体一)

1，4-二溴-2，5二己氧基苯(4.36g，0.01mol)，CuI(95.20g，0.50mmol)，PdCl₂(PPh₃)₂(0.35g，0.50mmol)，溶于40～45mL二异丙胺中。三甲基硅炔(1.96g，0.02mol)加入以上溶液中。回流条件下反应6～8小时。反应混合液旋干，浓缩物倒入水中，用二氯甲烷萃取，有机层用水洗2～3次，饱和食盐水洗1次后用无水硫酸镁干燥。将有机溶剂在减压条件下旋转蒸发除去，粗产物用正己烷重结晶得白色晶体。将白色晶体加入四氢呋喃和甲醇的混合溶剂中，加入5M的氢氧化钠水溶液，室温搅拌4小时，将溶剂旋干，粗产物乙醇重结晶得到黄色晶体1，4-二乙炔基-2，5二己氧基苯。

3. 2，7-二溴-9，9’-二[4-(4-硝基苯磺酸酯基)-苯基]芴的合成(单体二)

将2，7-二溴芴酮(9.20g，2.70mol)，苯酚(17.01g，0.18mol)和甲基磺酸(7.81g，0.08mol)溶于35～40mL四氯化碳中，70～80℃搅拌反应40～50个小时。将体系冷却至室温，将析出物过滤并用二氯甲烷洗。得到白色固体产物2，7-二溴-9，9’-二(4-苯酚基)芴。

25mL反应瓶中，2，7-二溴-9，9’-二(4-苯酚基)芴(2.01g，3.92mmol)，4-硝基苯磺酰氯(2.61g，9.79mmol)溶于二氯甲烷10～12mL、2，6-二甲基吡啶10～12mL的混合溶剂中。室温反应过夜，加入2M的盐酸溶液35～40mL，用氯仿萃取两次，将溶剂旋转蒸发，用石油醚∶乙酸乙酯＝2∶1作为洗脱剂过硅胶柱。得到浅黄色固体产物2，7-二溴-9，9’-二[4-(4-硝基磺酸酯基)-苯基]芴。

4.聚合

将1，4-二乙炔基-2，5二溴苯(55.80mg，0.17mmol)和2，7-二溴-9，9’-二[4-(4-硝基磺酸酯基)-苯基]芴(150.01mg，0.17mmol)，混合后加入四三苯基磷钯(Pd(PPh₃)₄)(8.50mg，7.37μmol)，碘化亚铜(5.75mg，0.03mmol)然后装入两颈瓶中反复抽真空和充氮气三次，然后加入经用氮气鼓泡除氧的甲苯5mL和同样已经除氧的二异丙胺溶液2.5mL，在油浴中加热到65～70℃，反应30～50个小时然后冷却到室温，分出有机相，水相用甲苯洗2～3次，合并有机相用饱和食盐水洗2～3次。将反应产物在甲醇中沉淀得到黄色沉淀。

实施例3、含有磺酸酯和吸电子基团的芴及水溶性苯乙撑类共轭聚合物的制备

1.季磷盐单体的合成

以2，5-二羟基-对苯二甲酸二乙酯(10.1g，39mmol)为原料，以丙酮做溶剂，加入(32g，232mmol)碳酸钾，回流30～35分钟后，加入16.4g 3-二甲胺一氯丙烷盐酸盐，搅拌回流60～72小时后，旋去丙酮。加水溶解并用乙酸乙酯萃取得有机层。然后加入2M盐酸，直至水层为酸性为止。去除有机层，往水层中加入饱和碳酸钾溶液至不冒气泡为止，此时PH值应为中性。再加入乙酸乙酯萃取，有机层水洗、盐洗干燥得粘稠的棕色液体2，5-二(3-二甲胺一丙基)-对苯二甲酸二乙酯21.9g。

5.2g氢化锂铝加入50～55mL四氢呋喃中，在冰水浴下将15.0g 2，5-二(3-二甲胺一丙基)-对苯二甲酸二乙酯溶于200ml四氢呋喃后慢慢滴入上述体系中，滴加完毕后加热回流2～3小时，冷却至室温后，滴加饱和硫酸钠溶液至不冒气泡为止，过滤所得固体加入200毫升四氢呋喃后加热回流2～3小时，将两次所得滤液合并旋干重结晶，得到白色固体11.1g。加入氯化氢的甲醇溶液酸化，除去溶剂后重结晶得白色晶体。将此白色晶体加入至50～55ml二氯亚砜中，在室温下搅拌68～72小时，除去二氯亚砜后重结晶得到白色晶体5.6g。用DMF做溶剂，加入上述白色晶体，充分溶解后加入三苯基膦，70～75℃反应20～24小时，过滤得到白色粉末，重结晶得季磷盐单体。

2.醛基单体的合成

将2，7-二溴代芴(6.61g，20.40mmol)和催化量的四丁基氯化铵加入250mL的双颈瓶中，密封，进行无水无氧处理。然后用针筒注射入25～30mL二甲亚砜，加热搅拌。后注射入45～55％的氢氧化钠水溶液，加热到70～80℃，溶液由无色透明溶液变为紫红色溶液。搅拌5～10分钟后，注射入3-溴丙醇(6.23g，44.88mol)。保持混合物70～80℃回流过夜，有大量白色固体析出。冷却至室温，加入盐酸(2.0M)调节pH值至中性，白色固体消失，有大量气泡产生。待反应完全后，加入80～100mL二氯甲烷萃取，用饱和食盐水洗涤后用无水硫酸镁干燥。经过滤，旋转蒸发除去溶剂后，经硅胶柱层析分离(洗脱液为石油醚)后得到淡黄色粘稠液体2，7-二溴代-9，9’-二(3-羟基丙基)芴。

25mL反应瓶中，将2，7-二溴代-9，9’-二(3-羟基丙基)芴(2.00g，4.54mmol)，2，4-二硝基苯磺酰氯(1.32g，4.90mmol)溶于二氯甲烷4～5mL、2，6-二甲基吡啶4～5mL的混合溶剂中。室温反应过夜，加入2M的盐酸溶液20～25mL，用氯仿萃取两次，将溶剂旋转蒸发，用石油醚∶丙酮＝5∶1作为洗脱剂过硅胶柱。得到浅黄色固体产物2，7-二溴-9，9’-二[(2，4-硝基磺酸酯基)-丙基]芴。

以(10g，11.1mmol)2，7-二溴-9，9’-二[(2，4-硝基磺酸酯基)-丙基]芴为原料，加入到双颈瓶中，密封，进行无水无氧处理。然后用针筒注射入四氢呋喃30～40mL(无水无氧处理后)，搅拌使之溶解，冷却至-78℃，加入1.6M正丁基锂(17.34mL，27.75mmol)，搅拌50～80分钟后，注射入10mL无水DMF，恢复至室温，搅拌过夜。然后加入盐酸，萃取分液。有机层用饱和食盐水洗涤，并用无水硫酸镁干燥过夜。旋转蒸发除去溶剂后，旋转蒸发除去溶剂后用石油醚配比乙酸乙酯进行柱层析分离，获得淡黄色固体产物。

3.聚合并季胺化

在一个50ml的圆底烧瓶中加入0.8mmol的三苯基膦盐的氯化物单体和0.8mmol的硝基苯醛基单体，用10ml的无水乙醇和10ml的无水氯仿溶解，充分搅拌，加入0.476克的无水乙醇钠溶液，混合物搅拌12小时倒入200ml甲醇中，将得到的沉淀过滤、水洗后用索氏提取器提取3天后干燥即得到中性聚合物。在一个50ml的圆底烧瓶中加入0.4mmol中性聚合物，加入20ml四氢呋喃溶解，然后加入0.436g溴乙烷和5ml DMSO。在50℃下将此溶液搅拌60～72小时，旋去大部分溴乙烷和四氢呋喃，聚合物用丙酮沉降，离心分离，50℃下真空干燥即可得到目标聚合物。

双氧水的检测

将聚合物配成1×10^-5M的水溶液，在其中加入1.0M的双氧水溶液。在体系中用微量注射器加入微量的双氧水溶液。此时，通过荧光仪进行观测，发现在双氧水浓度很小的情况下，聚合物的荧光有明显的增强现象。因此，证明聚合物可以有效地检测了双氧水。

Claims (5)

1、一种共轭聚合物荧光传感材料，其特征在于聚合物侧链上含有磺酸酯和硝基苯类吸电子基团，分子结构式如下：

其中，R₁为烷氧基、烷基、苯基及其衍生物取代基，或带有水溶性离子基的基团，k取大于等于0的整数；

R₂为硝基苯类基团，m取大于等于1的整数；

X，Y为、9，9-二取代芴基、苯基、噻吩、吡咯、对苯乙烯撑、苯炔、螺旋芴、萘基、蒽基、以及其对应的衍生物中的一种任意芳香族分子，聚合度n为任意自然数。

2.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于为下列3种之一种：

(1)R₁为癸氧基，k＝1，R₂为2，4-二硝基苯，m＝1，Y为9，9-二取代烷基芴，X为苯基，其结构式如下：

(2)k＝0，R₂为对硝基苯，m＝2，Y为二己氧基苯炔，X为9，9-二苯基取代芴，其结构式如下：

(3)k＝0，R₂为2，4-二硝基苯，m＝2，Y为1，4位含有季胺盐的二烯结构，X为9，9-二丙烷取代芴，其结构式如下：

3、一种如权利要求1所述的化合物的合成方法，其特征在于具体步骤如下：

(一)2，7-双硼酸酯-9，9’-二烷基-芴单体的合成

以2，7-二溴代芴为模版，在碱催化条件下加入2-3倍量溴代烷基合成9位双烷基取代的芴；

对9位双烷基取代的芴用正丁基锂活化2，7位上的溴，加入三异丙基硼酸酯合成2，7-双硼酸酯-9，9’-二烷基-芴；

(二)含磺酸酯基硝基苯单体的合成

以对苯二酚为模版，通过与2倍量的液溴反应制得二羟基二溴苯；

二溴对苯二酚在碳酸钾条件下加入1倍量的溴代烷进行Williamson反应，得到单烷氧基和单羟基取代的二溴苯；

对单烷氧基取代的二溴羟基苯用2，6-二甲基吡啶与二氯甲烷做溶剂，加入1-2倍量的硝基磺酰氯，合成单体含有硝基苯基及磺酸酯基的二溴苯；

(三)聚合物的合成

将含有硝基苯基及磺酸酯基的二溴苯和2，7-双硼酸酯-9，9’-二烷基-芴在甲苯溶剂中，用四-三苯基磷钯作为催化剂进行Suzuki反应，所得产物经过逐级沉淀和透析膜过滤，得到以共轭连接的芴和芳香基团的共轭聚合物。

4.以权利要求1所述化合物为检测物的双氧水检测器。

5.以权利要求1所述化合物为检测物的双氧水检测方法，其特征在于具体步骤如下：

用相应的溶剂或水溶液将合成的聚合物以及待测物质分别配成10^-4～10^-6mol/L的稀溶液；

将待测物质的溶液加入到聚合物溶液中，其中待测物质溶液体积为聚合物溶液体积的1％以下；

测定在不同待测物质存在下，聚合物溶液的紫外吸收光谱和荧光发射光谱；

测定待测物质不同浓度状态下，聚合物溶液的紫外吸收光谱和荧光发射光谱，根据荧光强度的变化，获得检测结果。