水溶性聚对苯乙炔撑及其合成方法

摘要

本发明为一类水溶性的以交替的苯基、乙炔基为共轭主链的聚合物及其制备方法。本发明以在苯环对位上为两个乙炔基的化合物为原料，通过金属催化等一系列有机反应，合成了一系列支链含有水溶性基团的共轭聚合物。水溶性基团分为中性，阳离子，阴离子及两性离子四种类型。中性水溶性基团主要为含有醚氧的基团，阳离子水溶性基团主要为含有季胺盐的基团，阴离子水溶性基团主要为含有磺酸盐，磷酸盐及羧酸盐的基团，两性离子水溶性基团则为阴离子基团和阳离子基团的组合。在合成的此类水溶性共轭聚合物的基础上，系统研究其在不同溶液中的形态，光谱及带有相反电荷的多种淬灭剂对化合物的荧光淬灭作用。并且最终，研究此类水溶性共轭聚合物在生物传感器中的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一类含水溶性基团，以交替苯基及乙炔基为共轭主链的聚合物的合成与应用。尤其是阳离子型水溶性共轭聚合物的合成，采用了先合成中性聚合物，然后通过季胺化完成烷基取代氨到氮正离子的转变，实现了聚合物的阳离子化及水溶性。同时还提供了两性离子水溶性共轭聚合物的合成方法。

背景技术

聚合物的水溶性一般是通过引入较长的醚氧链及带电荷的基团实现的。在过去的五年中，含有带电荷基团的共轭聚合物(离子型共轭聚合物)，作为共轭聚合物中的一员，在保持了共轭聚合物良好的电子和光学性质的基础上，以其特有的水溶性，及可与带相反电荷的物质通过静电吸引力结合的特性，在传统的化学传感器及生物传感器的应用上，显示出越来越大的潜力。

1999年，L.-H.Chen等首次报导了用水溶性PPV磺酸盐阴离子型聚合物能十分有效的检测紫精类阳离子淬灭剂，并发现聚合物被淬灭的荧光可以通过加入能与此淬灭剂形成配合物的蛋白质而完全恢复。可以预期，利用此特性可以在淬灭剂上引入各种蛋白质配体或单股DNA片段，从而通过观察荧光的淬灭和恢复来方便地实现对相应的蛋白质和DNA进行检测。A.J.Heeger，G.C.Bazan，F.Wudl，D.W.McBranch等已开始在以水溶性共轭聚合物为材料的生物传感器领域方面展开了初步的研究。

但是目前，研究的离子型水溶性共轭聚合物体系主要还集中在聚对苯乙烯撑、聚芴(PPV、PF)体系上，而且只有阴离子型PPV衍生物用于这方面研究，需要开发新的具有阳离子和不同共轭结构的材料以适应多方面的要求。同时此类传感器的机理研究还处于初步阶段，搞清材料本身结构、淬灭剂选择、外界环境变化对检测灵敏度的影响对于开发新型传感材料具有十分重要的意义。聚对苯乙炔撑(PPE)是最早被用做荧光变化传感器的一类共轭聚合物。由于它的刚棒状主链结构，以及易于分子间的苯环与苯环相互作用，因此合成此类水溶性聚合物十分有助于研究共轭聚合物在水溶液中的形态结构对淬灭效应的影响。而且单激子的高度离域性和沿着共轭主链快速的能量转移研究也使水溶性聚对苯乙炔撑在水溶液中对带相反电荷物质有着放大的荧光淬灭作用。到目前为止，PPE类共轭聚合物衍生物已被配成溶液或制成膜用于检测紫晶或TNT类有机小分子。

对于阳离子型聚对苯乙炔撑来说，其水溶性可以通过调节季胺化的程度来实现，而两性离子聚对苯乙炔撑既可检测阴离子淬灭剂又可检测阳离子淬灭剂。这对PPE类水溶性聚合物作为生物和化学传感器有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于合成一系列以聚对苯乙炔撑为共轭主链的，含有水溶性基团的化合物。除了常见的中性，阴离子型、阳离子型水溶性共轭聚合物，本发明还合成了一种新型的两性离子型水溶性共轭聚合物。

本发明一个目的在于提供一种新型的合成阳离子水溶性共轭聚合物的方法。经实验证明，此方法对聚合物的提纯及提高聚合物的水溶性都有明显的作用。

本发明合成了一系列以聚对苯乙炔撑为共轭主链的，含有水溶性基团的化合物。在常见的中性，阳离子型及阴离子型基团的基础上，提出了阴阳双离子型水溶性基团的概念。同时我们提供了一种经由中性聚合物，通过季胺化，得到离子型聚合物的合成方法。

本发明中提到的化合物分子结构如下：

其中，R，R’，R”，R分别选自下列基团中的任一种：R₁R₂R₃R₄N⁺，R₅X，R₆N⁺R₇R₈R₉X，R₁₀；其中R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀分别为下列基团中的任一种：烷基、烷氧基、卤带烷基、芳基、卤代芳基、芴基、杂环芳烃或者烷基芳烃；

X为下列基团中的任一种：磺酸基团，磷酸基团及羧酸基团。

本发明中，R，R’，R”，R分别位于共轭链上苯环的C2-C5位上。

本发明中，R，R’，R”，R可以同时为相同的基团，也可以为完全不同的基团。

根据以上所述的化合物结构，比较典型的列举如下四种：

(1)R，R’，R”，R为相同的基团，其结构是R₁R₂R₃R₄N⁺，R¹为碳原子数为2的烷氧链，R₂R₃R₄均为乙基，其结构式如下：

(2)R，R’，R”，R为相同的基团，它们采取的结构是R₆N⁺R₇R₈R₉X，R₆为碳原子数为2的烷氧链，R₇R₈均为乙基，R₉为丙基，X为磺酸基，其结构式为：

(3)R，R’为相同基团，它们采取的结构是R₅X，R₅为C原子数为3的烷氧链，X为磺酸基。而R”，R为相同的基团，它们采取的结构是R₁R₂R₃R₄N⁺，R₁为碳原子数为2的烷氧链，R₂R₃R₄均为乙基，其结构式为：

(4)R，R’，R”，R为相同的基团，它们采取的结构是R₅X，R₅为碳原子数为3的烷氧链，X为磺酸基，其结构式为：

本发明中上述化合物，可分为阳离子型水溶性共轭聚合物、阴离子型水溶性共轭聚合物和两性离子型水溶性共轭聚合物，其合成方法分别如下：

(一)阳离子型水溶性共轭聚合物的合成

①侧链为含烷基取代氨基团的苯炔单体的合成

以1，4-二溴对苯二酚为模版，在碱性催化条件下加入2～3倍量的2-氯代三乙胺氢氯化物，反应温度50～60℃，从而得到支链为含烷基取代氨基团的化合物A。

将A和2～3倍的三甲基硅炔在二异丙胺的溶剂中混合，用碘化亚铜和二价的三苯基磷钯作催化剂发生反应，反应温度70～80℃，得到支链为含烷基取代氨基团的苯炔单体A₁。

②侧链为含烷基取代氨基团的对碘苯单体的合成

以1，4-二碘对苯二酚为模版，在碱性催化条件下加入2～3倍量的2-氯代三乙胺氢氯化物，反应温度50～60℃，从而得到支链为含烷基取代氨基团的化合物A₂。

阳离子型水溶性共轭聚合物的合成方法有两种：

第一种：经由中性共轭聚合物通过季胺化得到阳离子型水溶性共轭聚合物聚合物

[1]中性共轭聚合物合成

将A₁和A₂以1∶1混合，甲苯作溶剂，零价三苯基磷钯和碘化亚铜作催化剂，反应温度70～80℃，反应得到支链为含烷基取代氨基团的中性共轭聚合物。

[2]中性共轭聚合物季胺化得到阳离子型水溶性共轭聚合物

得到的中性共轭聚合物溶解在四氢呋喃中，加入3～4倍量的一溴乙烷，反应温度60～65℃。反应三天后即得到阳离子型水溶性共轭聚合物。

第二种：由阳离子型单体聚合得到阳离子型水溶性共轭聚合物

[1]侧链含季胺盐基团的苯炔单体的合成

支链为含烷基取代氨基团的苯炔单体A₁与3～4倍量的一溴乙烷在四氢呋喃溶液中发生反应，反应温度60～65℃，得到侧链为季胺盐基团的苯炔单体A₃。

[2]侧链含季胺盐基团的对碘苯单体的合成

支链为含烷基取代氨基团的化合物A₂与3～4倍量的一溴乙烷在四氢呋喃溶液中发生反应，反应温度60～65℃，得到侧链为季胺盐基团的对碘苯单体A₄。

[3]阳离子型水溶性共轭聚合物的合成

将A₃和A₄以1∶1混合，溶于二异丙胺、水、N，N-二甲基甲酰胺组成的混溶剂中，零价三苯基磷钯和碘化亚铜作催化剂，反应温度50～60℃反应得到含胺盐基团的阳离子型水溶性共轭聚合物。

(二)阴离子型水溶性共轭聚合物的合成

(1)磺酸盐水溶性共轭聚合物的合成

①侧链端基为磺酸基的苯炔单体的合成

以1，4-二溴对苯二酚为模版，在碱性催化条件下加入2～3倍量的1，3-丙磺酸内酯，反应温度50～60℃，从而得到端基为磺酸基的化合物B。

将B和2～3倍的三甲基硅炔溶解在二异丙胺、水、N，N-二甲基甲酰胺组成的混溶剂中，用碘化亚铜和二价的三苯基磷钯作催化剂发生反应，反应温度60～65℃，得到端基为磺酸基苯炔单体B₁。

②侧链端基为磺酸基的对碘苯单体的合成

以1，4-二碘对苯二酚为模版，在碱性催化条件下加入2～3倍量的1，3-丙磺酸内酯，反应温度50～60℃，从而得到端基为磺酸基的化合物B₂。

③磺酸盐共轭聚合物的合成

将B₁和B₂以1∶1混合，溶于二异丙胺、水、N，N-二甲基甲酰胺组成的混溶剂中，零价三苯基磷钯和碘化亚铜作催化剂，反应温度50～60℃，反应得到端基为磺酸基的阴离子型水溶性共轭聚合物。

(2)磷酸盐水溶性共轭聚合物的合成

①侧链端基为磷酸基的苯炔单体的合成

以2，5-二溴-1，4-2-溴代乙氧基苯为模版，以二甲苯为溶剂，加入2～3倍量的磷酸三丁酯，反应温度50～60℃，从而得到端基为磷酸基的化合物C。

将C和2～3倍的三甲基硅炔溶解在二异丙胺、水、N，N-二甲基甲酰胺组成的混溶剂中，用碘化亚铜和二价的三苯基磷钯作催化剂发生反应，反应温度60～70℃得到端基为磷酸基苯炔单体C₁。

②侧链端基为磷酸基的对碘苯单体的合成

以2，5-二碘-1，4-2-溴代乙氧基苯为模版，以二甲苯为溶剂，加入2～3倍量的磷酸三丁酯，反应温度50～60℃从而得到端基为磷酸基的化合物C₂。

③磷酸盐水溶性共轭聚合物的合成

将C₁和C₂以1∶1混合，溶于二异丙胺、水、N，N-二甲基甲酰胺组成的混溶剂中，零价三苯基磷钯和碘化亚铜作催化剂，反应温度60～70℃，反应得到端基为磷酸基的阴离子型水溶性共轭聚合物。

(3)羧酸盐水溶性共轭聚合物的合成

①侧链端基为羧酸酯的苯炔单体的合成

以2，5-二溴-苯甲酸甲酯为模版，将2～3倍的三甲基硅炔溶解在二异丙胺、水、N，N-二甲基甲酰胺组成的混溶剂中，用碘化亚铜和二价的三苯基磷钯作催化剂发生反应，反应温度60～70℃，得到端基为羧酸酯的苯炔单体D₁。

②侧链端基为羧酸酯中性共轭聚合物的合成

将D₁和2，5-二碘-苯甲酸甲酯以1∶1混合，甲苯作溶剂，零价三苯基磷钯和碘化亚铜作催化剂，反应温度50～60℃，反应得到侧链端基为羧酸酯的中性共轭聚合物。

③羧酸盐水溶性共轭聚合物的合成

将得到的侧链端基为羧酸酯的中性共轭聚合物置于2mol/L的氢氧化钠溶液中，加热回流一天，反应温度90℃，得到羧酸盐水溶性共轭聚合物。

(三)两性离子水溶性共轭聚合物的合成

①侧链为两性离子的苯炔单体的合成

支链为含烷基取代氨基团的苯炔单体A₁与3～4倍量的1，3-丙磺酸内酯在乙腈溶液中发生反应，反应温度50℃得到侧链含两性离子基团的苯炔单体E₁。

②侧链为两性离子的对碘苯单体的合成

支链为含烷基取代氨基团的化合物A₂与3～4倍量的1，3-丙磺酸内酯在乙腈溶液中发生反应，反应温度50℃得到侧链含两性离子基团的对碘苯单体E₂。

③两性离子水溶性共轭聚合物的合成

将E₁和E₂以1∶1混合，溶于二异丙胺、水、N，N-二甲基甲酰胺组成的混溶剂中，零价三苯基磷钯和碘化亚铜作催化剂，反应温度50～60℃，反应得到侧链含两性离子基团的两性离子水溶性共轭聚合物。

本发明提到的合成方法中，在苯环的1，4位上为乙炔基的化合物是一个重要的单体，由此单体与对卤代苯发生有机金属催化反应，得到长的共轭主链。而水溶性的实现，则有先生成水溶性单体，进一步反应得到水溶性聚合物和先生成非水溶性聚合物，再通过反应(如季胺化)得到水溶性聚合物两种方法。

本发明在合成出的离子型聚对苯乙炔撑的基础上，研究其光谱特性，并研究其与带有相反离子物质的荧光淬灭作用。见图4所示。此类化合物在生物传感器中有广泛应用。

附图说明

图1经由中性聚合物通过季胺化得到离子型共轭聚合物的合成方法路线图示。

图2一种阴阳双离子型共轭聚合物的合成方法路线图示。

图3为一种阴离子型水溶性共轭聚合物的合成方法路线图示。

图4.阳离子型聚对苯乙炔撑在水溶液中被K₄Fe(CN)₆淬灭的Stem-Volmer曲线图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明内容，下面通过具体的实施例和图例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1，阳离子型水溶性聚对苯乙炔撑的合成

1，4-双-[3-(氮，氮-二乙基氨)-1’-丙氧基]-2，5二碘苯的合成(化合物1)

500mL反应瓶中加入碳酸钾(33.12g，0.24mol)，1，4-二碘对苯二酚(14.48g，0.04mol)，及300mL丙酮，混合物回流约30分钟。然后将2-氯代三乙胺氢氯化物(16.51g，0.096mol)加入反应瓶中，回流状态下反应三天。反应混合物过滤，滤液旋蒸除去溶剂。浓缩产物倒入水中，用乙醚萃取三次，得到的有机层用10％NaOH水溶液洗两次，水洗两次，饱和食盐水洗两次。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/水重结晶得白色晶体11g，产率59％。¹H NMR(400MHz，CDCl₃，ppm)δ7.23(s，2H)，4.02(t，4H)，2.93(t，4H)，2.67(q，8H)，1.10(t，12H)。¹³C NMR(400MHz，CDCl₃，ppm)δ153.4，123.4，86.5，69.8，52.0，48.4，12.6。

1，4-二乙炔基-2，5-双-[3-(氮，氮-二乙基氨)-1’-丙氧基]苯的合成(化合物2)

6.61g(0.01mol)化合物1，0.0952g(0.5mmol)CuI，0.35g(0.5mmol)PdCl₂(PPh₃)₂，溶于40mL二异丙胺中。2.156g(0.022mol)三甲基硅炔加入以上溶液中。回流条件下反应6h。反应混合液旋干，浓缩物倒入水中，用二氯甲烷萃取，有机层用水洗两次，饱和食盐水洗一次后用无水MgSO₄干燥。将有机溶剂在减压条件下旋转蒸发除去，得到的固体溶于甲醇中，加入KOH水溶液(1g溶于2mL水中)搅拌一小时。然后旋转蒸发除去溶剂，将固体溶于二氯甲烷中，用水洗两次，饱和食盐水洗一次。有机层用无水硫酸镁干燥后除去溶剂。用1mol/L的HCl的CH₃OH溶液酸化固体，得到的盐溶于100mL丙酮中，剧烈搅拌过夜。过滤，得到产物的盐酸盐。用甲醇/乙醇重结晶，得白色晶体。将盐溶于150mL水中，滴加K₂CO₃水溶液(30g K₂CO₃溶于150mLH₂O中)，得到的有机层用乙醚萃取三次，用水洗两次，饱和食盐水洗一次，用无水硫酸镁干燥。过滤，旋蒸，得到黄色晶体3.1g，产率72％。¹H NMR(400MHz，CDCl₃，ppm)δ6.99(s，2H)，4.07(t，4H)，3.34(s，2H)，2.93(t，4H)，2.66(q，8H)，1.09(t，12H)。¹³C NMR(400MHz，CDCl₃，ppm)δ154.4，118.0，113.6，83.0，80.1，68.7，51.9，48.3，12.4。

中性聚合物P的合成

0.420g(0.750mmol)化合物1及0.272g(0.765mmol)化合物2，51.9mg(0.045mmol)的Pd(PPh₃)₄及42.8mg(0.225mmol)的CuI加入50mL圆底烧瓶中，二异丙胺和甲苯的混合溶液(3∶7，35mL)随后加入。反应物加热到70℃，回流24个小时。反应结束后，混合物倒入水中，并用氯仿萃取三次。有机层用50％的NH₄OH洗两次，水洗两次，饱和食盐水洗一次后，用无水MgSO₄干燥。溶剂在减压条件下旋转除去，固体溶于10mL氯仿中，然后滴入甲醇中使沉淀出来，如此反复两次。最后得到黄色固体。0.42g，产率85％。¹H NMR(400MHz，CDCl₃，ppm)δ7.04(s，2 H)，4.12(t，4H)，2.95(t，4H)，2.70(q，8H)，1.08(t，12H)。¹³C NMR(400MHz，CDCl₃，ppm)δ153.8，117.5，114.6，91.9，68.8，52.1，48.4，12.6。

阳离子型聚合物的合成

50mL圆底烧瓶中加入0.330g的中性聚合物P及20mL的四氢呋喃。随后加入溴乙烷(1.09g，10mmol)和5mL的DMSO。反应混合物加热到50℃并持续五天。得到黄色沉淀并过滤，干燥后得0.41g产物，产率75％。¹H NMR(400MHz，D₂O，ppm)δ7.26(br，2H)，4.44(br，4H)，3.73(br，18H)，3.60(br，2.2H)，3.40(br，4.3H)，3.31(br，5.4H)，1.20(br，12H)。¹³C NMR(400MHz，D₂O，ppm)δ153.3，117.6，114.1，91.4，64.8，63.6，58.5，56.0，54.3，51.4，49.5，9.1，7.6。

合成路线见图1所示。

实施例2，两性离子水溶性聚对苯乙炔撑的合成

50mL圆底烧瓶中加入0.330g的中性聚合物P及20mL的乙腈、20mL的四氢呋喃。随后加入1，3-丙璜酸内酯(1.09g，10mmol)。反应混合物加热到50℃并持续五天。得到白色沉淀并过滤，干燥后得0.41g产物，产率75％。¹H NMR(400MHz，D₂O，ppm)δ7.21(br，2H)，4.28(br，4H)，3.41(br，16H)，2.79(br，4H)，1.96(br，4H)，1.21(br，12H)。合成路线见图2所示。

实施例3，阳离子型聚对苯乙炔撑在水溶液中被K₄Fe(CN)₆淬灭的研究。

聚合物浓度1×10^-6，溶液PH值为7，NaCl浓度为0。在聚合物低浓度的情况下，研究亚铁氰化钾对它的淬灭作用。见图4所示。

实施例4，阴离子型水溶性磺酸盐聚对苯乙炔撑的合成

化合物1

7g(0.044mol)NaOH溶于100ml乙醇中，滴加到7.24g(0.02mol)化合物5溶于100ml乙醇的溶液中，搅拌1h。5.37g(0.044mol)1，3-丙璜内酯溶于50mL乙醇中，加入上述溶液，反应12h。抽滤得粗产物，固体用无水乙醇和水作重结晶，得白色晶体7.608g，产率58％。1H NMR(400MHz，DMSO，ppm)δ7.33(s，2H)，4.04(t，4H)，3.07(t，4H)，2.11(m，4H)。

化合物2

6.50g(0.01mol)化合物1，0.0952g(0.5mmol)CuI，0.35g(0.5mmol)PdCl₂(PPh₃)₂，溶于40mL二异丙胺中。2.156g(0.022mol)三甲基硅炔加入以上溶液中。回流条件下反应24h。反应混合物过滤，得到的固体溶于水中用石墨脱色，过滤后的溶液在减压条件下旋转蒸发除去水。得到的粗产物用水重结晶三次，最后得浅黄色针状晶体2.38g，产率53％。¹HNMR(400MHz，D₂O，ppm)87.15(s，2H)，4.14(t，4H)，3.34(s，2H)，2.67(t，4H)，2.06(m，4H)。

磺酸盐聚合物的合成

0.650g(1mmol)化合物1及0.446g(1mmol)化合物2，0.0347g(0.03mmol)的Pd(PPh₃)₄及0.0057g(0.03mmol)的CuI加入50mL圆底烧瓶中，二异丙胺和水及N，N-二甲基甲酰氨(DMF)的混合溶液(1∶2∶3，60mL)随后加入。反应物加热到60℃，回流24个小时。反应结束后，混合物滴入1L甲醇∶丙酮∶乙醚＝1∶4∶5混合溶液中。过滤得到沉淀，溶于水中，加入0.1gNa₂S，过滤，滤液滴入大量丙酮中，过滤得沉淀。如此反复三次，得到最终产物0.54g，产率56％。¹H NMR(400MHz，CDCl₃，ppm)δ7.18(s，2H)，4.21(t，4H)，2.77(t，4H)，2.15(t，4H)。合成工艺路线见下图3所示。