梁立勛，王穎，高路謠，陳衛(wèi)平，趙洪池

(河北大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071002)

近年來，唐本忠等[1-2]發(fā)現(xiàn)聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)效應(yīng)，具有此效應(yīng)的分子在稀溶液中，單鍵可以自由的轉(zhuǎn)動和振動，以非輻射的形式消耗了分子激發(fā)態(tài)能量，導(dǎo)致熒光減弱甚至不發(fā)光，而在濃溶液或固態(tài)時，分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受到空間位阻的限制而減弱，能量衰減主要以發(fā)光的形式進(jìn)行，從而使熒光增強(qiáng). 將此類分子引入到水溶性聚糖中，當(dāng)糖類分子與蛋白質(zhì)和凝集素作用時，分子的空間位阻變大，出現(xiàn)熒光增強(qiáng)的現(xiàn)象，即含有AIE分子的糖基水溶性聚合物在與蛋白質(zhì)特異性結(jié)合后出現(xiàn)熒光開啟現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可促進(jìn)在活細(xì)胞內(nèi)對蛋白質(zhì)特異性診斷熒光探針的進(jìn)一步研發(fā)[3-4].

糖類具有可再生的潛力，是生命信息承載的基礎(chǔ)化學(xué)單元，同時也是人體能量的來源，作為生命的重要組成部分，其在生物識別過程中具有重要的作用，近年來引起了高分子化學(xué)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注[5-8]. 含糖聚合物大多采用自由基聚合法制備，而可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)聚合法作為一種活性可控聚合的方法[9-12]，聚合中加入鏈轉(zhuǎn)移試劑，使聚合反應(yīng)在活性增長自由基與休眠種之間保持快速的動力學(xué)平衡，減少了自由基雙基終止的機(jī)率，可調(diào)控聚合物分子量且分子量分布窄. 點(diǎn)擊化學(xué)(Click chemistry)[13-15]具有良好的選擇性、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)速率快及產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)．根據(jù)RAFT聚合和點(diǎn)擊化學(xué)的特點(diǎn)，本文合成了α,α’-雙-[對-(2,3-環(huán)氧丙氧基)亞芐基]-對苯二乙腈(M2)，通過RAFT聚合制備了含雙硫酯鍵的聚合物P1，再利用“一鍋法”將P1的雙硫酯鍵還原得到的巰基與M2的環(huán)氧基發(fā)生點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，合成含對苯二乙腈單元熒光聚合物P2，最后脫除乙?；Ｗo(hù)得到水溶性熒光聚合物P3.P3具有規(guī)整的結(jié)構(gòu)、AIE特性、良好的水溶性和熱穩(wěn)定性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

1.1.1 儀器

AVANCE Ⅲ 600 MHz超導(dǎo)核磁共振波譜儀(Bruker，德國)；Varian 640-IR型傅里葉變換紅外光譜儀(Varian，美國)；Specord 210 plus型紫外-可見分光光度計(jì)(Analytikjena，德國)；F-7000型熒光分光光度計(jì)(Hitachi，日本)；LC-20AT型凝膠滲透色譜儀(Shimadzu，日本)；Pyris 1型熱重分析儀(PerkinElmer，美國)；DSC8000型差式掃描量熱儀(PerkinElmer，美國)；Q Exactive型液質(zhì)聯(lián)用儀(Thermo，美國).

1.1.2 試劑

對羥基苯甲醛，醋酸酐，均為分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；對苯二乙腈，三氟化硼乙醚溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，甲基丙烯酸羥乙酯，甲醇鈉/甲醇，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，阿拉丁試劑公司；環(huán)氧氯丙烷，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；硼氫化鈉，天津傲然精細(xì)化工研究所；2-氰基-2-丙基苯并二硫，質(zhì)量分?jǐn)?shù)97%，江蘇欣諾科催化劑有限公司；氘代氯仿(摩爾分?jǐn)?shù)99.8%)-體積分?jǐn)?shù)0.03%TMS，氘代二甲基亞砜(摩爾分?jǐn)?shù)99.9%)-體積分?jǐn)?shù)0.03%TMS，重水(摩爾分?jǐn)?shù)99.9%)，D-甘露糖，百靈威(北京)科技有限公司；硅膠(40～90 μm，試劑級)，煙臺銀龍硅膠有限公司.

1.2 合成原理

本文合成路線如示意圖1所示. 以對苯二乙腈和對羥基苯甲醛為起始原料合成α,α’-雙-(對羥基亞芐基)-對苯二乙腈(M1)，進(jìn)而與環(huán)氧氯丙烷反應(yīng)合成帶有雙環(huán)氧官能團(tuán)的化合物α,α’-雙-[對-(2,3-環(huán)氧丙氧基)亞芐基]-對苯二乙腈(M2). 醋酸酐與D-甘露糖酯化反應(yīng)得到1,2,3,4,6-五-O-乙酰基-α-D-吡喃甘露糖(M3)，再和甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)反應(yīng)得到2-(2',3',4',6'-四-O-乙酰基-α-D-吡喃甘露糖基氧基)甲基丙烯酸乙酯(M4). 以2-氰基-2-丙基苯并二硫?yàn)镽AFT試劑，引發(fā)M4聚合合成線性聚合物P1，再通過“一鍋法”將P1的二硫酯片段還原成巰基與M2的環(huán)氧基團(tuán)進(jìn)行點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)合成聚合物P2，最后在甲醇鈉/甲醇溶液中脫除乙?；Ｗo(hù)得到水溶性聚合物P3.

圖1 化合物和聚合物的合成路線

1.3 制備方法

1.3.1 化合物M1的合成

化合物M1參照文獻(xiàn)[15]合成. 產(chǎn)物為黃綠色粉末，產(chǎn)率80%.1H NMR (600 MHz, DMSO-d6)δ: 10.31 (s, 2H), 7.99 (s, 2H), 7.89 (d,J=8.4 Hz, 4H), 7.82 (s, 4H), 6.93 (d,J=8.4 Hz 4H).13C NMR (150 MHz, DMSO-d6)δ:160.31, 143.07, 134.37, 131.55, 128.80, 125.94, 118.36, 115.91, 104.98. LC-MS(ESI)m/z: [M-H]-分子式是C24H15N2O2；理論分子質(zhì)量363.11；實(shí)測值363.11.

1.3.2 化合物M2的合成

取M11 g (2.75 mmol)于100 mL雙口圓底燒瓶中，加入5 mL環(huán)氧氯丙烷，50 mL異丙醇，70 ℃攪拌條件下緩慢滴加3.4 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%氫氧化鈉溶液(約30 min)，滴加完畢繼續(xù)反應(yīng)5 h，反應(yīng)結(jié)束用氯仿和去離子水萃取，收集有機(jī)相并用無水硫酸鈉干燥，抽濾除去無水硫酸鈉，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，殘留有機(jī)物用柱層析法提純，以二氯甲烷為淋洗劑，收集第一個熒光點(diǎn)，旋蒸除去溶劑，真空干燥12 h得到黃綠色固體0.47 g，產(chǎn)率36%.1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ: 7.91 (d,J=8.4 Hz, 2H), 7.65 (d,J=8.4 Hz, 2H), 7.51 (s, 1H), 7.47 (d,J=8.4 Hz, 2H), 7.32 (s, 1H), 7.15 (d,J=8.4 Hz, 2H), 7.02 (d,J=9.0 Hz, 2H) 6.80 (d,J=9.0 Hz, 2H), 4.34～4.24 (m, 2H), 4.03～3.91 (m, 2H), 2.93～2.43 (m, 2H), 2.95～2.90 (m, 2H), 2.80～2.73 (m, 2H).13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ:158.91, 143.25, 141.38, 132.47, 130.65, 130.41, 128.59, 125.41, 125.36, 114.10, 113.78, 67.91, 48.92, 43.61. LC-MS(ESI)m/z: [M+Na]+分子式是C30H24N2O4Na；理論分子質(zhì)量499.16；實(shí)測值499.16.

1.3.3 化合物M3和M4的合成

化合物M3參照文獻(xiàn)[17]合成. 得到淺黃色油狀液體，產(chǎn)率90%. 化合物M4參照文獻(xiàn)[18]合成. 白色粉末狀固體5.02 g，產(chǎn)率42%.M4的NMR和MS分析:1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ: 6.11 (s, 1H), 5.58 (s, 1H), 5.34～5.32 (m, 1H), 5.26 (t,J=10.2 Hz, 2H), 4.86 (s, 1H), 4.32 (s, 2H), 4.26 (dd,J=5.4 Hz,J=12.6 Hz, 1H), 4.08～4.06 (m, 1H), 4.02～3.99 (m, 1H), 3.92～3.89 (m, 1H), 3.77～3.74 (m, 1H), 2.14 (s, 3H), 2.08 (s, 3H), 2.02 (s, 3H), 1.97 (s, 3H), 1.94 (s, 3H).13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 170.58, 169.97, 119.81, 169.66, 167.08, 136.03, 126.01, 97.54, 69.44, 68.95, 68.63, 66.14, 65.90, 63.12, 62.42, 20.83, 20.67, 20.64, 18.25. LC-MS(ESI)m/z: [M+Na]+理論分子式是C20H28O12Na；理論分子質(zhì)量為483.15；實(shí)測值483.15.

1.3.4 聚合物P1的合成

準(zhǔn)確稱取化合物M4937 mg (2.04 mmol)、2-氰基-2-丙基苯并二硫15 mg (0.07 mmol)和精制AIBN 3.34 mg (0.02 mmol)置于10 mL茄型瓶中，加入3.5 mL精制THF，在Ar保護(hù)下，70 ℃反應(yīng)10 h，反應(yīng)結(jié)束，冷卻至室溫，用乙醚多次沉淀聚合物，干燥得到粉紅色粉末657 mg，單體轉(zhuǎn)化率69%.

1.3.5 聚合物P2的合成

準(zhǔn)確稱取聚合物P1500 mg、M21.4 mg(0.003 mmol)、NaBH47 mg(0.18 mmol)和二甲基苯基膦6.34 mg(0.06 mmol)加入到25 mL茄型瓶中，加入8 mL干燥氯仿和少量無水甲醇，體系抽真空-充高純氬氣循環(huán)除氧后，磁力攪拌下室溫反應(yīng)96 h，反應(yīng)停止后，用乙醚沉淀數(shù)次，離心后沉淀經(jīng)真空干燥得白色粉末400 mg，收率80%.

1.3.6 聚合物P3的合成

準(zhǔn)確稱取聚合物P2300 mg和4 mL無水甲醇加入到25 mL圓底燒瓶中，劇烈攪拌使其溶解，隨后滴加0.5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的甲醇鈉-甲醇溶液，攪拌30 min，抽濾得到白色固體，用去離子水溶解固體，抽濾除去不溶物，濾液用透析袋(MWCO:Nominal:14000)在去離子水中透析96 h. 透析液經(jīng)冷凍干燥得到白色蓬松固體150 mg，收率79%.

2 結(jié)果與討論

2.1 P2和P3的1H NMR譜圖

圖2為P2和P3的1H NMR譜圖. 由圖2可知，P3的1H NMR譜圖中少了2.08、2.04、1.98和1.91處的4個乙酰基(-COCH3)上H的分裂峰，說明P2已經(jīng)脫除了乙?；琍2為油溶性聚合物而P3為水溶性聚合物，但α,α’-二亞芐基-對苯二乙腈為油溶性的，并且含量較少，所以在D2O中沒有檢測到苯環(huán)上H的分裂峰.

圖2 (a)P2和(b)P3的1H NMR譜

2.2 FTIR分析

圖3 M2、M4、P1、P2和P3紅外光譜

圖3為M2、M3、P1、P2和P3的紅外光譜圖. 由圖3可知，在M2的譜圖中，2 956 cm-1處是甲基C—H鍵的振動吸收峰，1 596 cm-1和1 513 cm-1處為苯環(huán)的骨架C—C鍵伸縮振動吸收峰，1 182 cm-1和911 cm-1為環(huán)氧基C—O—C鍵伸縮振動吸收峰. 在M4的譜圖中，2 962 cm-1處是甲基C—H鍵的振動吸收峰，1 750 cm-1和1 234 cm-1處為羰基O=C—O鍵振動吸收峰，1 635 cm-1處為C=C鍵振動吸收峰，1 454 cm-1處為亞甲基-CH2-上C—H鍵的彎曲振動吸收峰. 在P1的譜圖中，1 635 cm-1處的雙鍵C=C鍵振動吸收峰消失，說明成功合成了聚合物P1. 在P2的譜圖中，3 428 cm-1處為環(huán)氧基團(tuán)開環(huán)反應(yīng)后生成的O—H鍵振動吸收峰，并且在911 cm-1處環(huán)氧基的C—O—C鍵振動吸收峰消失了，說明合成了聚合物P2. 在P3的譜圖中，2 931 cm-1處為甲基上C—H鍵的振動吸收峰，3 421 cm-1處的吸收峰顯著增強(qiáng)，該吸收峰為聚合物P2脫去乙酰基保護(hù)后裸露出的羥基O—H鍵振動吸收峰，在1 750 cm-1處O=C—O鍵振動吸收峰減弱，說明脫除乙?；Ｗo(hù)合成了聚合物P3.

2.3 GPC分析

圖4為聚合物P1、P2和聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)樣品的GPC譜圖. 由圖4可知，P1的保留時間比P2的長，說明P2的分子量比P1的大. 通過由聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)樣品確立的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得出：P1的數(shù)均分子量Mn=12 200 g/mol，多分散性指數(shù)PDI=1.21.P2的Mn=24 700 g/mol，PDI=2.09.

2.4 UV-Vis分析

圖5為M1、M2和P3在DMSO中的紫外-可見光譜圖，由圖5可知，M1的紫外-可見吸收峰為379 nm，此峰對應(yīng)于苯環(huán)共軛骨架上的π-π*電子躍遷.M2中引入的環(huán)氧丙氧基為供電子基團(tuán)，使M2的吸收峰發(fā)生藍(lán)移，出現(xiàn)在372 nm.P3存在一個從304 nm到436 nm寬而弱的吸收峰，這是因?yàn)榫酆衔镏挥兄行牡摩?α’-二亞芐基-對苯二乙腈存在紫外吸收，但是其相對含量較少，并且聚合物主鏈為供電性的柔性連，使P3紫外吸收峰發(fā)生藍(lán)移，峰值約為368 nm.

圖4 P1和P2的GPC譜圖

ρ(M1)=2 μg/mL, ρ(M2)=2 μg/mL, ρ(P3)= 600 μg/mL

2.5 熒光譜圖分析

F：P3在不同DMSO體積分?jǐn)?shù)時440 nm處的熒光強(qiáng)度；F0：P3在DMSO中440 nm處的熒光強(qiáng)度ρ(P3)=600 μg/mL, λex=380 nm; 狹縫寬度: 20, 20 nm

圖6為聚合物P3在DMSO-H2O中熒光譜圖和熒光強(qiáng)度比率圖. 聚合物中α,α’-二亞芐基-對苯二乙腈單元是共軛分子，在苯環(huán)的轉(zhuǎn)動和振動受阻時，分子內(nèi)激發(fā)態(tài)能量主要以輻射方式損耗，發(fā)射出熒光，熒光發(fā)射峰在440 nm.P3熒光強(qiáng)度隨著混合溶劑中DMSO體積分?jǐn)?shù)的升高而增強(qiáng)，在體積分?jǐn)?shù)小于80%時熒光微弱并且緩慢增強(qiáng)，在體積分?jǐn)?shù)大于80%時熒光強(qiáng)度大幅度增強(qiáng)，表現(xiàn)出典型的AIE特性，熒光強(qiáng)度比率F/F0從0.27上升到1. 這是因?yàn)榫酆衔颬3側(cè)鏈上含有大量裸露的羥基，所以P3在水中具有良好的溶解性，聚合物鏈呈現(xiàn)舒展?fàn)顟B(tài)，α,α’-二亞芐基-對苯二乙腈單元中的苯環(huán)可以自由轉(zhuǎn)動，分子內(nèi)激發(fā)態(tài)能量主要以非輻射方式損耗，發(fā)射微弱的熒光. 而DMSO是其不良溶劑，隨著混合溶劑中DMSO含量的升高，聚合物P3在混合溶劑中的溶解性逐漸降低，其聚糖分子鏈逐漸蜷縮，這使得分子鏈的空間位阻變大，α,α’-二亞芐基-對苯二乙腈單元的運(yùn)動受阻，聚合物P3發(fā)生聚集，主要以發(fā)光的形式進(jìn)行能量衰減，導(dǎo)致其熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng).

以硫酸奎寧的0.1 mol/L硫酸溶液為基準(zhǔn)測定P3在DMSO中的熒光量子產(chǎn)率[20].

根據(jù)公式計(jì)算待測物的熒光量子產(chǎn)率，式中：Φu、Fu和Au分別表示待測物質(zhì)的熒光量子產(chǎn)率、積分熒光強(qiáng)度和吸光度；Φs、Fs和As分別表示參比物質(zhì)的熒光量子產(chǎn)率、積分熒光強(qiáng)度和吸光度；nu和ns分別表示待測物質(zhì)所用溶劑和參比物質(zhì)所用溶劑的折射率. 經(jīng)計(jì)算得到P3在DMSO溶劑中的熒光量子產(chǎn)率為11.88%.

2.6 TGA和DSC分析

圖7a是聚合物P1、P2和P3的TGA曲線(氣氛：高純氮?dú)?；氣體流速：20 mL/min；起止溫度：30 ℃～830 ℃；升溫速率：10 ℃/min)；圖7b是聚合物P3的DSC曲線(氣氛：高純氮?dú)?；氣體流速：20 mL/min；起止范圍：-30 ℃～300 ℃；升溫速率：10 ℃/min). 由圖7a可知，P1、P2和P3失重率5%，熱分解溫度分別為317、285和323 ℃；失重率50%，熱分解溫度分別為391、383和378 ℃；完全熱分解溫度分別為455、500和486 ℃；灰分分別為3.2%、17.2%和9.7%.P1、P2和P3均具有良好的熱穩(wěn)定性. 由圖7b可知，P3的相轉(zhuǎn)變溫度為118 ℃，聚合物主鏈為柔性鏈，而側(cè)鏈為甘露糖類衍生物，相對于主鏈體積較大，減小了鏈的柔順性，并且糖環(huán)上含有大量裸露的羥基形成分子間氫鍵，從而使相轉(zhuǎn)變溫度升高.

圖7 聚合物P1、P2和P3的TG曲線(a)和聚合物P3的DSC曲線 (b)

3 結(jié)論

含對苯二乙腈單元水溶性熒光聚合物P3紫外吸收峰和熒光發(fā)射峰分別出現(xiàn)在368 nm和440 nm；其熒光強(qiáng)度隨DMSO/H2O混合溶劑中DMSO含量升高而增強(qiáng)，具有典型的AIE特性；在DMSO中的熒光量子產(chǎn)率為11.88%.P3具有較好的熱穩(wěn)定性，相轉(zhuǎn)變溫度為118 ℃.