外围修饰聚集诱导发光增强发色团的树枝形聚合物及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了外围修饰聚集诱导发光增强发色团的树枝形聚合物及其制备方法和应用。外围修饰聚集诱导发光增强发色团的树枝形聚合物，具有如式(I)所示结构：式(I)中，n=0～4整数；X选自C2-20的直链烷基、C2-20的支链烷基、C2-20的环状饱和烷基，m≥2的O(CH2CH2O)m或6-30个碳原子的芳香基。本发明所得功能化树枝形聚合物分子骨架具有生物兼容性，在溶液状态下即可发荧光。功能化树枝形聚合物的光谱性质可随环境变化而发生改变，从而可达到检测和成像的目的。本发明为研究发展新型光功能树枝形聚合物，促进树枝形聚合物在有机发光材料和生物标记等方面的应用提供了新的思路。

说明书

技术领域

本发明涉及有机发光材料技术领域,具体涉及聚集诱导发光增强发色团 修饰的树枝形聚合物及其制备方法和应用。

背景技术

有机发光化合物在有机发光材料、细胞成像和生物标记等领域有着广泛 的应用。但大多数有机发光化合物在高浓度或固态时，由于分子间强烈相互 作用而导致非辐射衰减过程增强，致使其固态或聚集态的发光效率与稀溶液 相比呈数量级下降，这在很大程度上限制了它们在发光器件和荧光传感器中 的应用。通常认为，浓度增加导致的发光猝灭现象与发光分子间不同途径的 能量耗散和不同形式的能级耦合过程有着密切的关系。能否通过某些途径降 低甚至克服这种猝灭效应成为当今光功能材料研究领域中一个重要的课题。

近年研究发现，某些有机化合物不仅没有显现高浓度猝灭效应，反而呈 现聚集诱导发光(Aggregation Induced Emission,AIE)现象。芳基取代的硅杂环 状多烯、四苯基乙烯以及氰基取代的二苯乙烯等化合物及其衍生物皆为具有 AIE性质的有机发光化合物，这类化合物在稀溶液中几乎没有荧光发射，而 在固态下具有很高的荧光量子产率(Tang,B.Z.;Chem.Soc.Rev.,2011,40, 5361–5388.;Park,S.Y.,J.Am.Chem.Soc.,2002,124,14410-14415.)。目前， 普遍认同的聚集诱导发光机理是分子内旋转受限机理。

树枝形聚合物是一类围绕中心核,外围链段随着代数的增加呈指数级别 增长的支化大分子。与传统高分子相比，它具有高度的几何对称性，精确的 分子结构,分子内存在空腔,分子大小为纳米尺寸等特点。在树枝形聚合物 的核心、骨架和外围修饰上各种功能基团可以实现树枝形聚合物的功能化。 树枝形聚合物在超分子组装，生物医药，化学传感器，微反应器，光电材料 以及模拟光捕获体系等研究领域已得到广泛应用。其中，聚酰胺-胺树枝形 聚合物是一类具有良好生物兼容性的高分子多聚物。聚酰胺-胺树枝形聚合 物本身作为药物或药物载体时均体现出其稳定性、安全性和高效性。并且， 由于其骨架含有大量胺基，聚酰胺-胺树枝形聚合物具有结合、浓缩药物或 DNA的能力，在癌症治疗和诊断方面有广阔的应用前景(Jain,N.K.;Chem. Rev.,2009,109,49–87)。我们将聚集诱导发光增强发色团修饰到聚酰胺-胺树 枝形聚合物外围以实现分子光功能化。利用树枝形聚合物外围紧密构象抑制 聚集诱导发光增强基团的分子内旋转，提高功能化树枝形聚合物的发光能 力，得到溶液状态下单分子发光的功能化树枝形聚合物分子。研究表明，当 生物体发生病变后，病变部位的细胞内环境会发生改变（如pH值），这一 变化会引起聚集诱导发光增强发色团修饰的树枝形聚合物分子的荧光强度 发生变化，从而达到检测和标记的目的。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种外围修饰聚集诱导发光增 强发色团的树枝形聚合物。

本发明要解决的第二个技术问题是提供所述外围修饰聚集诱导发光增 强发色团的树枝形聚合物的制备方法。

本发明要解决的第三个技术问题是提供外围修饰聚集诱导发光增强发 色团的树枝形聚合物的应用。

为解决上述第一个技术问题，本发明提供的外围修饰聚集诱导发光增强 发色团的树枝形聚合物，具有如式(I)所示结构：

式(I)中，n=0～4整数；

X选自C_2-20的直链烷基、C_2-20的支链烷基、C_2-20的环状饱和烷基，m≥2的 O(CH₂CH₂O)_m或6-30个碳原子的芳香基；

R选自如式(a、b、c、d或e)所示的发色团：

为解决第二个技术问题，本发明提供的外围修饰聚集诱导发光增强发色 团的树枝形聚合物的制备方法，包括以下步骤:

1）在惰性气体的保护下,具有式(II)结构的聚合物与带有羧基的聚集诱 导发光增强发色团按一定比例溶于溶剂中，加入脱水剂反应，将反应液倒入 水中，过滤收集固体得到粗品；

式（Ⅱ）中，n=0～4整数

X选自C_2-20的直链烷基、C_2-20的支链烷基、C_2-20的环状饱和烷基，m≥2的 O(CH₂CH₂O)_m或6-30个碳原子的芳香基；

2）将步骤1）得到的粗品用氯仿溶解，在乙醚中沉淀1～2次，过滤洗 涤，收集固体，经氯仿洗脱处理后，收集固体经凝胶色谱柱分离，得到如式 （Ⅰ）结构的树枝形聚合物。

优选地，所述步骤1）中的比例为两种反应原料按照胺基/羧基摩尔比为 1/1-4的比例溶于溶剂中。

优选地，所述步骤1）中的溶剂为DMSO，所述脱水剂为1-乙基-(3-二 甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和1-羟基苯并三唑(HOBt)。

优选地，所述步骤1）中反应条件为室温下72-120小时。

本发明还提供了所述具有式(I)结构的外围修饰聚集诱导发光增强发色 团的树枝形聚合物在生物标记领域的应用。

本发明通过在树枝形聚合物骨架的末端共价修饰上具有聚集诱导发光 性质的发色团，利用树枝形聚合物外围空间的限制作用使发色团紧密排列， 约束了发色团的构象旋转，抑制了发色团的非辐射衰减，得到单分子发光的 功能树枝形聚合物分子。所得功能化树枝形聚合物分子骨架具有生物兼容 性，在溶液状态下即可发荧光。功能化树枝形聚合物的光谱性质可随环境变 化而发生改变，从而可达到检测和成像的目的。本发明为研究发展新型光功 能树枝形聚合物，促进树枝形聚合物在有机发光材料和生物标记等方面的应 用提供了新的思路。

附图说明

图1是本发明实施例6中利用三氟乙酸对D0-C12-TPBD树枝形聚合物 氯仿溶液进行光谱滴定的发光变化图；

图2是本发明实施例7中利用乙酸对D1-Cyclohexane-BAN树枝形聚合 物水溶液进行光谱滴定的发光变化图；

图3是本发明实施例8中利用三氟乙酸对D2-Ph-Silole树枝形聚合物二 氯甲烷溶液进行光谱滴定的发光变化图；

图4是本发明实施例9中利用三氟乙酸对D3-PEG-CBE树枝形聚合物 THF溶液进行光谱滴定的发光变化图；

图5是本发明实施例10中利用乙酸对D4-C2-TPE树枝形聚合物甲苯溶 液进行光谱滴定的发光变化图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例来进一步解释本发明。

实施例1.

制备以十二烷基二胺为核的0代四苯基丁二烯(以后简称：TPBD)发色团 修饰的树枝形聚合物(D0-C12-TPBD)

在50 mL两口瓶中加入3 mmol四苯基丁二烯(TPBD)羧酸衍生物TPBD -COOH和15mL DMSO,待固体溶解后依次加入4.2mmol 1-乙基-(3-二甲基 氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐,3mmol 1-羟基苯并三氮唑(HOBT).氮气保护 下室温搅拌反应2h,向反应体系缓慢滴加20mL溶有0.54mmol以十二烷 基二胺为核的0代聚酰胺-胺树枝形聚合物(G0-C12)的DMSO溶液,TPBD发 色团与G0-C12外围胺基的物质的量之比为1.4∶1,继续搅拌反应72h,将反 应液慢慢倒入300mL水中,过滤并用30mL水洗涤固体,将粗品在40℃真空 烘箱中烘干。用20mL氯仿将溶解固体,在乙醚中沉淀一次,过滤并用30mL 乙醚洗涤固体。以氯仿为洗脱剂将收集的固体经凝胶色谱柱分离，得到浅黄 色固体产物D0-C12-TPBD，产率为77%。

¹HNMR(400MHz,(CD₃)₂SO,ppm):δ=1.18(brs,16H, NCH₂CH₂(CH₂)₈CH₂CH₂N),1.37(brs,4H,NCH₂CH₂CH₂),2.16(t,8H, COCH₂CH₂),2.40(s,4H,NCH₂CH₂),2.60(t,8H,COCH₂CH₂N),3.12(br,16H, CONHCH₂),4.63(s,8H,ArOCH₂CO),4.74(brd,8H,ArCH),5.96(brm,8H, ArCHCHCH),6.65(brd,8H,ArH),6.78(brs,8H,CCH),7.21(brd,8H,ArH), 7.3-7.5(brm,60H,ArH).MS(MALDI-TOF):calc.m/z2314.9,found[M+Na]⁺: 2337.9.

实施例2.

制备以1,4-环己烷二胺为核的1代苯并呋喃萘吡啶(以后简称：BAN)发 色团修饰的树枝形聚合物(D1-Cyclohexane-BAN)

在50mL两口瓶中加入3mmol苯并呋喃萘吡啶(BAN)羧酸衍生物 BAN-COOH和15mL DMSO,待固体溶解后依次加入4.2mmol 1-乙基-(3- 二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐,3mmol 1-羟基苯并三氮唑(HOBT).氮 气保护下室温搅拌反应2h,向反应体系缓慢滴加20mL溶有0.375mmol以 环己烷二胺为核的1代聚酰胺-胺树枝形聚合物(G1-Cyclohexane)的DMSO 溶液,BAN发色团与G1-Cyclohexane外围胺基的物质的量之比为1∶1,继 续搅拌反应96h,将反应液慢慢倒入300mL水中,过滤并用30mL水洗涤固 体,将粗品在40℃真空烘箱中烘干。用20mL氯仿将溶解固体,在乙醚中沉 淀一次,过滤并用30mL乙醚洗涤固体。以氯仿为洗脱剂将收集的固体经凝 胶色谱柱分离，得到浅黄色固体产物D1-Cyclohexane-BAN，产率为78%。 ¹H NMR(400MHz,(CD₃)₂SO,ppm):δ=1.49(brm,8H,NCHCH₂),2.16(t,24H, COCH₂CH₂),2.51(brm,10H,NCH₂CH₂),2.60(t,24H,COCH₂CH₂N),3.12(br, 40H,CONHCH₂),4.51(s,16H,ArOCH₂CO),6.75(brd,8H,ArH),7.14(brs, 8H,ArH),7.32(brm,8H,ArH),7.38(brm,8H,ArH),7.67(brd,16H,ArH), 7.89(brd,8H,ArH),8.39(brd,8H,ArH),8.45(brd,8H,ArH).MS (MALDI-TOF):calc.m/z3902.2,found[M+H]⁺:3903.2.

实施例3.

制备以对苯二胺为核的2代硅杂环戊二烯发色团修饰的树枝形聚合物 (D2-Ph-Silole)

在50mL两口瓶中加入3mmol硅杂环戊二烯(Silole)羧酸衍生物 Silole-COOH和15mLDMSO,待固体溶解后依次加入4.2mmol1-乙基-(3- 二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐,3mmol1-羟基苯并三氮唑(HOBT).氮 气保护下室温搅拌反应2h,向反应体系缓慢滴加20mL溶有0.135mmol以 对苯二胺为核的2代聚酰胺-胺树枝形聚合物(G2-Ph)的DMSO溶液,Silole发 色团与G2-Ph外围胺基的物质的量之比为2∶1,继续搅拌反应96h,将反应 液慢慢倒入300mL水中,过滤并用30mL水洗涤固体,将粗品在40℃真空烘 箱中烘干。用20mL氯仿将溶解固体,在乙醚中沉淀一次,过滤并用30mL 乙醚洗涤固体。以氯仿为洗脱剂将收集的固体经凝胶色谱柱分离，得到浅黄 色固体产物D2-Ph-Silole，产率为75%。

¹HNMR(400MHz,(CD₃)₂SO,ppm):δ=2.16(brt,56H,COCH₂CH₂),2.51(br  m,24H,NCH₂CH₂),2.60(brt,56H,COCH₂CH₂N),3.12(br,88H,CONHCH₂), 4.64(s,32H,ArOCH₂CO),6.73(brs,4H,ArH),7.09(brd,32H,ArH),7.2-7.6 (brm,432H,ArH).

实施例4.

制备以醚链为核心的3代氰基取代二苯基乙烯发色团修饰的树枝形聚合 物(D3-PEG-CBE)

在50mL两口瓶中加入3mmol氰基取代二苯基乙烯(CBE)羧酸衍生物 CBE-COOH和15mLDMSO,待固体溶解后依次加入4.2mmol1-乙基-(3- 二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐,3mmol1-羟基苯并三氮唑(HOBT).氮 气保护下室温搅拌反应2h,向反应体系缓慢滴加20mL溶有0.031mmol以 PEG链为核的3代聚酰胺-胺树枝形聚合物(G3-PEG)的DMSO溶液,CBE发 色团与G3-PEG外围胺基的物质的量之比为3∶1,继续搅拌反应100h,将反 应液慢慢倒入300mL水中,过滤并用30mL水洗涤固体,将粗品在40℃真空 烘箱中烘干。用20mL氯仿将溶解固体,在乙醚中沉淀一次,过滤并用30mL 乙醚洗涤固体。以氯仿为洗脱剂将收集的固体经凝胶色谱柱分离，得到浅黄 色固体产物D3-PEG-CBE，产率为72%。

¹HNMR(400MHz,(CD₃)₂SO,ppm):δ=2.16(br,120H,COCH₂CH₂),2.51(br m,60H,NCH₂CH₂),2.60(br,120H,COCH₂CH₂N,COCH₂CH₂NCH),3.12(br, 184H,CONHCH₂),3.30(brs,4H,NCH₂CH₂O),3.54(brs,8H,OCH₂CH₂O), 4.53(s,64H,ArOCH₂CO),7.05(brd,64H,ArH),7.4-7.7(brm,480H,ArH), 7.75(brs,32H,ArCH).

实施例5.

制备以乙二胺为核的4代四苯基乙烯修饰的树枝形聚合物(D4-C2-TPE)

在50mL两口瓶中加入3mmol四苯基乙烯(TPE)羧酸衍生物 TPE-COOH和15mLDMSO,待固体溶解后依次加入4.2mmol1-乙基-(3-二 甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐,3mmol1-羟基苯并三氮唑(HOBT).氮气 保护下室温搅拌反应2h,向反应体系缓慢滴加20mL溶有0.012mmol以乙 二胺为核的4代聚酰胺-胺树枝形聚合物(G4-C2)的DMSO溶液,TPE发色团 与G4-C2外围胺基的物质的量之比为4∶1,继续搅拌反应120h,将反应液 慢慢倒入300mL水中,过滤并用30mL水洗涤固体,将粗品在40℃真空烘箱 中烘干。用20mL氯仿将溶解固体,在乙醚中沉淀一次,过滤并用30mL乙醚 洗涤固体。以氯仿为洗脱剂将收集的固体经凝胶色谱柱分离，得到浅黄色固 体产物D4-C2-TPE，产率为70%。

¹HNMR(400MHz,(CD₃)₂SO,ppm):δ=2.21(br,248H,COCH₂CH₂),2.45[br, 124H,CH₂N(CH₂)₂],2.68(br,248H,COCH₂CH₂N),3.12(br,376H,CONHCH₂), 4.34(s,128H,ArOCH₂CO),6.68(br,128H,ArH),6.84(br,128H,ArH), 6.90-7.01(m,384H,ArH),7.02-7.19(m,576H,ArH).

实施例6.

1）分别配制官能团(TPBD)浓度为5×10^-4M的D0-C12-TPBD树枝形聚合 物的氯仿溶液，利用三氟乙酸对溶液进行光谱滴定实验；

2）图1为随三氟乙酸含量由0～3%增加过程中溶液荧光强度变化趋势 图，激发波长为345nm。随三氟乙酸含量的增加，溶液荧光强度逐渐降低。 即可通过改变溶液体系的酸碱度对发光强度进行调节，可应用于生物标记领 域。

实施例7.

1）分别配制官能团(BAN)浓度为5×10^-5M的D1-Cyclohexane-BAN树枝形 聚合物的水溶液，利用乙酸对溶液进行光谱滴定实验；

2）图2为随乙酸含量由0～6%增加过程中溶液荧光强度变化趋势图， 激发波长为370nm。随乙酸含量的增加，溶液荧光强度逐渐降低。即可通过 改变溶液体系的酸碱度对发光强度进行调节，可应用于生物标记领域。

实施例8.

1）分别配制官能团(Silole)浓度为2×10^-5M的D2-Ph-Silole树枝形聚合物 的二氯甲烷溶液，利用三氟乙酸对溶液进行光谱滴定实验；

2）图3为随三氟乙酸含量由0～0.3%增加过程中溶液荧光强度变化趋 势图，激发波长为350nm。随三氟乙酸含量的增加，溶液荧光强度逐渐降低。 即可通过改变溶液体系的酸碱度对发光强度进行调节，可应用于生物标记领 域。

实施例9.

1）分别配制官能团(CBE)浓度为1×10^-5M的D3-PEG-CBE树枝形聚合物 的THF溶液，利用三氟乙酸对溶液进行光谱滴定实验；

2）图4为随三氟乙酸含量由0～0.4%增加过程中溶液荧光强度变化趋势 图，激发波长为360nm。随三氟乙酸含量的增加，溶液荧光强度逐渐降低。 即可通过改变溶液体系的酸碱度对发光强度进行调节，可应用于生物标记领 域。

实施例10.

1）分别配制官能团(TPE)浓度为5×10^-6M的D4-C2-TPE树枝形聚合物的甲 苯溶液，利用乙酸对各溶液进行光谱滴定实验；

2）图5为随乙酸含量由0～10%增加过程中溶液荧光强度变化趋势图， 激发波长为315nm。随乙酸含量的增加，溶液荧光强度逐渐降低。即可通过 改变溶液体系的酸碱度对发光强度进行调节，可应用于生物标记领域。