基于芴的水溶性共轭聚合物及其制备方法.pdf

本发明为一种基于芴的水溶性共轭聚合物及其制备方法以及在化学/生物检测方面的应用。本发明以9位含有取代基团的芴化合物为原料，通过金属催化等一系列有机反应，合成了一系列以芴为共轭主链主要结构的水溶性共轭聚合物。合成所得聚合物具有良好的发光性能，是一类高效稳定的高分子发光材料。同时，能溶解于水中，对某些特定的基团或化合物具有很好的荧光淬灭效应。在聚合物的主链及侧链中引入检测基团，就能实现在水溶液中的化学/生物检测，这将是一种新型的化学/生物检测材料。

1.  一种化合物，其特征在于具有如下结构：

其中，R为链长为任意长度的烷基，烷基链可含有N、O原子以及酰胺键；
X为水溶性基团：羧基、磺酸基、磷酸基、季胺基团、烷氧长链中的一种；
Ar为芳基：吡啶、联吡啶、9，9-二取代芴基、苯基、噻吩、吡咯、中的一种；
主链上Ar与芴基连接处的方块表示二者的连接方式，具体为单键、双键或叁键。

2.  根据权利要求1所述的化合物，其特征在于Ar侧链挂接有具有生物或化学检测功能的基团R₁、R₂，基团R₁、R₂为冠醚、烷氧长链、碱基、抗体、酶之一种。

3.  根据权利要求1或2所述的化合物，其特征在于：
R为丙基，X为磺酸基，Ar为联吡啶-炔，其结构式为：

或者，R为丙基，X为磺酸基，Ar为苯基，R₁为18-冠-6，其结构式为：

或者，R为聚乙二醇基团，X为羟基，Ar为苯基，R₁、R₂为烷氧长链，芴与Ar基团之间为双键连接，其结构式为：

或者，R为丙基，X为季胺基团，Ar为联吡啶-炔，其结构式为：


4.  一种如权利要求1所说的化合物的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(一)芴单体的合成
①阴离子型单体
以2，7-二溴芴为模版，在碱催化条件下加入1.5倍量端基为羟基的溴代烷基合成9位双烷基取代的芴A；
对A直接用高锰酸钾对羟基进行氧化，得端基为羧基的双烷基取代的芴A₁；
或者，在A中加入羟基保护剂甲烷磺酰氯，以及碘化试剂碘化钠，再经过与3倍量的亚硫酸钠反应，得到端基为磺酸基的双烷基取代的芴A₂；
或者，将A置于四溴化碳与三苯基磷混合溶液中，与磷酸三丁酯反应，所得产物在二甲基吡啶中与三甲基溴硅烷反应，酸化溶液，即得到端基为磷酸基的双烷基取代的芴A₃；
②阳离子型单体
以芴为原料，在二甲亚砜溶液中，氢氧化钠催化下与二甲基丙基氯化铵反应得到端基为二甲基胺的双烷基取代芴B，进一步与多聚甲醛在醋酸溶液中反应，得到2，7位为醛基的单体B₁；
或者，以2，7-二溴芴为原料，同上可得到端基为二甲基胺的双烷基取代芴B₂，B₂在正丁基锂的催化下与3倍量的硼酸三甲酯反应，水解可得2，7位为硼酸的9位双取代芴B₃，再加入甲苯、丙二醇回流，反应制得2，7位为硼酸酯的9位双取代芴B₄；
③中性单体
用两段带有羟基的聚乙二醇与三溴化磷反应，得到两段带有溴的聚乙二醇；然后在碱催化条件下与2，7-二溴芴反应，得到中性单体，9位双烷氧长链取代的芴C₁；
将化合物A在正丁基锂的催化下与3倍量的硼酸三甲酯反应，经过水解得到2，7位为硼酸的9位双烷基取代芴C₂；
(二)Ar单体的合成
从两端双溴代的Ar出发在正丁基锂的催化下，与三异丙基硼酸酯反应，经过水解得到两段带硼酸的Ar基团；进一步在甲苯溶液中与丙二醇回流反应，得到两端带硼酸酯的Ar基团；
或者，将两端双溴代的Ar基团在三苯基磷钯和碘化亚铜的催化下与三甲基硅炔反应，所得产物在甲醇溶液中进行碱水解，得到两端为炔的Ar基团；
或者，两端为二甲基取代的Ar基团在醋酸和醋酸钠作用下甲基变为羟甲基，再继续与二氯亚砜以及三苯基磷反应，得到两端为二季磷盐取代的Ar基团；
(三)聚合物的合成
将上述2，7位双溴代芴单体与等摩尔量带有不饱和三键炔键的Ar基团在二异丙胺和二甲基甲酰胺的混合溶剂中，用三苯基磷钯作为催化剂进行Heck反应，所得产物经过丙酮逐级沉淀和水溶液透析膜过滤后，得到以共轭叁键连接芴和Ar基团的共轭聚合物；
或者，将2，7位双溴代芴单体与等摩尔量两段带有硼酸或者硼酸酯的Ar基团在甲苯中，用碳酸钠和三苯基磷钯作为催化剂进行Suzuki反应，所得产物经过丙酮逐级沉淀和水溶液透析膜过滤，得到以单键连接芴和Ar基团的共轭聚合物；
或者，将2，7位为醛基的芴单体与两端为二季磷盐取代的Ar基团在乙醇和乙醇钠的溶液中，经过三苯基氯化钯的催化，得到以共轭双键连接芴和Ar基团的共轭聚合物；
从9位端基为氨基的芴出发合成聚合物之后，再与溴代乙烷反应，进行季胺化，得到阳离子共轭聚合物。

5.  一种如权利要求2所说化合物为检测物的化学/生物检测方法，其特征在于具体步骤如下：
用去离子水将化合物以及待测物质分别配成5×10^-6M和10^-5M稀溶液；
将待测物质的溶液通过微量移液枪加入到化合物溶液中，其中待测物质溶液体积与聚合物溶液体积的比值小于0.1％，大于0.001％；
测定在不同待测物质存在下，化合物溶液的紫外吸收光谱和荧光发射光谱，根据待测物荧光强度的衰减情况，当加入待测物后荧光与原化合物荧光比值在0.1以下时，可对待测物进行检测；
测定待测物质不同浓度状态下，化合物溶液的紫外吸收光谱和荧光发射光谱，通过荧光强度与待测物浓度关系图，计算化合物的淬灭常数K_sv，其中横轴为加入待测物的浓度，纵轴为加入待测物前后荧光强度的比值，K_sv为斜率，当K_sv值达到10⁵以上时即为检测效果良好。

基于芴的水溶性共轭聚合物及其制备方法
技术领域
本发明属于光电材料技术领域，具体涉及一种基于芴的离子型水溶性共轭聚合物及其制备方法，以及在化学/生物检测方面的应用。
技术背景
有机共轭聚合物作为一种优良的电致发光材料，已经被广泛地应用在柔性平板显示以及聚合物电池及发光电池、发光二极管等方面。近年来，科学家发现某些微量物质的存在能使共轭聚合物的光电性质发生极大的变化。这种光电性质的变化使共轭聚合物具有作为高灵敏度传感器材料的良好前景。
共轭聚合物最初应用于化学/生物检测，主要是在共轭聚合物侧链上引入环糊精或环状冠醚，实现对金属离子的检测。这类实验一般只能在有机溶剂中进行，而更多的被检测物在有机溶剂中的溶解度并不理想，因此开发水溶性的检测体系成为了研究的重点。侧链含有多羟基化合物、烷氧长链的中性水溶性共轭聚合物，侧链含有阳离子季胺基团、阴离子磺酸基、磷酸基、羧基等的离子型水溶性共轭聚合物，已经开始被研究并应用于化学/生物检测领域。目前研究的体系主要集中在聚对苯乙烯撑(PPV)体系(红光、绿光)和聚对苯乙炔撑(PPP)(较弱的蓝光)体系。在研究中，同时存在许多问题亟待解决，例如聚合物的稳定性不好，发光强度弱，检测的灵敏度低，检测选择性不好以及更多检测体系的开发等。
聚芴，是一类极具发展前途的高效稳定的高分子电致发光材料。无论是在溶液状态，还是在固体膜状态，聚芴类高分子都显示出了优秀的热稳定性以及良好的发光效率，它的光稳定性和热稳定性已大大优于同为高分子电致发光材料的聚对苯乙烯撑(PPV)、聚对苯乙炔撑(PPP)等。主链基于芴的共轭聚合物，本身良好的共轭性，使其成为一种非常优秀的蓝光材料。9位上取代基团的引入，一方面可以减少由高分子链聚集所引起的荧光淬灭效应，另一方面，取代基团可以改善聚合物的发光性能，同时，功能基团的引入也将赋予聚合物新的性质及功能。由于主链基于芴的聚合物具有良好的发光性能，因此，研究此类聚合物的荧光淬灭及恢复过程，并应用于化学/生物检测将有着非常美好的发展前景。强大的发光效率，将极大地提高检测的灵敏度，为检测痕量物质提供了基础；聚合物水溶性的实现，可以使大大地拓宽检测范围，从小分子的无机金属离子，到大分子的蛋白质DNA片断，都可以在水溶液中实现检测目的。应用生物学中的碱基-碱基、酶-底物和抗体-抗原配对原则，将特定基团接入侧链，可以实现检测目标的单一性。因此，研究基于芴的水溶性共轭聚合物，在生物/化学检测方面将有着非常广阔的应用前景
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有良好光电性能的基于芴的水溶性共轭聚合物及其制备方法，提出该聚合物在生物/化学检测方面的应用。
本发明采用有机金属催化反应合成了一类基于芴的水溶性共轭聚合物，并表征其结构及测定其发光性能。同时进行了在生物/化学检测方面的研究。相对于已有的可用于生物/化学检测的共轭聚合物，本发明中所涵盖的材料具有更优良的发光性能，化学稳定性、热稳定性以及更好的水溶性，同时，侧链可挂接多种检测基团，为广泛、专一地进行生物/化学检测提供了前提条件。
本发明提出的采用有机金属催化反应合成的基于芴的水溶性共轭聚合物，其分子结构如下：

其中，R为链长为任意长度的烷基，烷基链可含有N、O原子以及酰胺键；
X为水溶性基团，具体可为羧基、磺酸基、磷酸基、季胺基团、烷氧长链中的一种；
Ar为芳基，具体可为吡啶、9，9-二取代芴基、苯基、噻吩、吡咯、对苯乙烯撑、苯炔中的一种；
主链上Ar与芴基连接处可为单键、双键或叁键。
本发明提出的聚合物具有优良的发光特性、化学稳定性、热稳定性和水溶性。
本发明的聚合物中，在Ar侧链还可挂接具有生物或化学检测功能的基团R₁、R₂，例如冠醚、烷氧长链、碱基、抗体、酶等，则得到具有化学或生物检测功能的检测材料。
本发明的上述化合物，较为典型有如下几种：
R为丙基，X为磺酸基，Ar为联吡啶-炔，其结构式为：

R为丙基，X为磺酸基，Ar为苯基，R₁为18-冠-6，其结构式为：

R为聚乙二醇基团，X为羟基，Ar为苯基，R₁、R₂为烷氧长链，芴与Ar基团之间为双键连接，其结构式为：

R为丙基，X为季胺基团，Ar为联吡啶-炔，其结构式为：

本发明提出的化合物的合成方法如下：
(一)芴单体的合成
(1)阴离子型单体
以2，7-二溴芴为模版，在碱催化条件下加入1.5倍量端基为羟基的溴代烷基合成9位双烷基取代的芴A。
对A直接用高锰酸钾对羟基进行氧化，可得端基为羧基地双烷基取代的芴A₁；
在A中加入羟基保护剂甲烷磺酰氯，以及碘化试剂碘化钠，再经过与3倍量的亚硫酸钠反应得到端基为磺酸基的双烷基取代的芴A₂；
将A置于四溴化碳与三苯基磷混合溶液中，与磷酸三丁酯反应，所得产物在二甲基吡啶中与三甲基溴硅烷反应，酸化溶液，即得到端基为磷酸基的双烷基取代的芴A₃。
(2)阳离子型单体
以芴为原料，在二甲亚砜溶液中，氢氧化钠催化下与二甲基丙基氯化铵反应得到端基为二甲基胺的双烷基取代芴B，进一步与多聚甲醛在醋酸溶液中反应，得到2，7位为醛基的单体B₁。
以2，7-二溴芴为原料，同上可得到端基为二甲基胺的双烷基取代芴B₂。B₂在正丁基锂的催化下与3倍量的硼酸三甲酯反应，水解可得2，7位为硼酸的9位双取代芴B₃，再加入甲苯、丙二醇回流，反应制得2，7位为硼酸酯的9位双取代芴B₄。
(3)中性单体
用两段带有羟基的聚乙二醇与三溴化磷反应，得到两段带有溴的聚乙二醇。然后在碱催化条件下与2，7-二溴芴反应，得到中性单体，9位双烷氧长链取代的芴C₁。
A在正丁基锂的催化下与3倍量的硼酸三甲酯反应，经过水解得到2，7位为硼酸的9位双烷基取代芴C₂。
(二)Ar单体的合成
从两端双溴代的Ar出发在正丁基锂的催化下，与三异丙基硼酸酯反应，经过水解得到两段带硼酸的Ar基团；进一步在甲苯溶液中与丙二醇回流反应，得到两端带硼酸酯的Ar基团；
将两端双溴代的Ar基团在三苯基磷钯和碘化亚铜的催化下与三甲基硅炔反应，所得产物在甲醇溶液中进行碱水解，得到两端为炔的Ar基团；
两端为二甲基取代的Ar基团在醋酸和醋酸钠作用下甲基变为羟甲基，再继续与二氯亚砜以及三苯基磷反应，得到两端为二季磷盐取代的Ar基团。
(三)聚合物的合成
将上述2，7位双溴代芴单体与等摩尔量带有不饱和三键炔键的Ar基团在二异丙胺和二甲基甲酰胺的混合溶剂中，用三苯基磷钯作为催化剂进行Heck反应，所得产物经过丙酮逐级沉淀和水溶液透析膜过滤后，得到以共轭叁键连接芴和Ar基团的共轭聚合物。
将2，7位双溴代芴单体与等摩尔量两段带有硼酸或者硼酸酯的Ar基团在甲苯中，用碳酸钠和三苯基磷钯作为催化剂进行Suzuki反应，所得产物经过丙酮逐级沉淀和水溶液透析膜过滤，得到以单键连接芴和Ar基团的共轭聚合物。
将2，7位为醛基的芴单体与两端为二季磷盐取代的Ar基团在乙醇和乙醇钠的溶液中，经过三苯基氯化钯的催化，得到以共轭双键连接芴和Ar基团的共轭聚合物
从9位端基为氨基的芴出发合成聚合物之后，需再与溴代乙烷反应，进行季胺化，才能得到阳离子共轭聚合物。
上述所得聚合物分子量在5000到300000之间，分子量分布在2以下
本发明的合成方法中，水溶性的芴是一个重要单体，同时兼顾优良的发光性能和良好的水溶性。主链的芳基可以进行各种修饰，不同的基团可改善聚合物的发光性能和水溶性。同时侧链挂接不同的具有生物/化学检测机能的基团，可进一步实现其检测功能。具体检测过程如下：
用去离子水将化合物以及待测物质分别配成5×10^-6M和10^-5M稀溶液；
将待测物质的溶液通过微量移液枪加入到化合物溶液中，其中待测物质溶液体积与聚合物溶液体积的比值小于0.1％，大于0.001％；
测定在不同待测物质存在下，化合物溶液的紫外吸收光谱和荧光发射光谱。根据待测物荧光强度的衰减情况，认为加入待测物后荧光与原化合物荧光比值在0.1以下时，可对待测物进行检测；
测定待测物质不同浓度状态下，化合物溶液的紫外吸收光谱和荧光发射光谱，通过荧光强度与待测物浓度关系图，计算化合物的淬灭常数K_sv，其中横轴为加入待测物的浓度，纵轴为加入待测物前后荧光强度的比值，K_sv为斜率，认为K_sv值达到10⁵以上时即为检测效果良好。
附图说明
图1是本发明中合成的聚合物在不同过渡金属离子存在情况下的荧光发射光谱。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明的技术方案，以便更好地理解本发明内容。
实施例按以下步骤进行：
1.阴离子型水溶性聚合物：
实施例1、Poly[9，9-di(3-sulfonatopropyl)fluorene-2，7-yleneethylene-co-alt-5，5’-(2，2’-bipyridylethylene)]的合成
2，7-dibromofluorene和3-bromopropanol，50％NaOH以及催化剂在DMSO中回流反应12个小时后，用CH₂Cl₂萃取，旋干溶剂得粗产品。粗产品经过柱层析分离得黄色粉末状固体2，7-dibromo-9，9-di(3-hydroxyl-propyl)-fluorene(1)。中间物(1)与MsCl在THF和三乙胺混合溶液中反应3小时过滤，滤液旋干得黄色固体粗产物。粗产物经过柱层析分离得黄色粉末状固体2，7-dibromo-9，9-di(3-methane-sulfonatopropyl)-fluorene(2)。中间物(2)与NaI在丙酮溶液中反应24小时过滤，滤液旋干后粗产品通过柱层析分离得浅黄色晶体2，7-dibromo-9，9-di(3-iodipropyl)-fluorene(3)。中间物(3)与Na₂SO₃的水溶液混合反应48小时，反应液经过CHCl₃萃取除去杂质，旋干后再用acetone洗涤，得到灰白色固体2，7-dibromo-9，9-di(3-sulfonatopropyl)-fluorene(4)。
往2，2’-dipyridyl的甲醇溶液中通入HBr气体，将沉淀物干燥后与纯溴在封管中加热到180℃反应72小时，所得混合物中和后用CH₂Cl₂萃取，除去溶剂得到的初产物经过重结晶得到白色固体5，5’-dibromo-2，2’-bipyridine(5)。将中间物(5)CuI和催化剂混合溶解在哌啶中，向反应体系中缓慢加入Trimethylsilyl acetylene，升温搅拌反应6小时。减压蒸馏除去溶剂，粗产物经过柱层析分离和重结晶，得到白色固体
5，5’-Bis[(trimethylsilyl)ethynyl]-2，2’-bipyridine(6)。向溶有中间物(6)的THF溶液中缓慢加入methanol和20％的KOH溶液，常温反应10小时，所得溶液用乙醚萃取，干燥。除去乙醚后得到的粗产物再经过柱层析和重结晶，得到亮黄色的晶体5，5’-diethynyl-2，2’-bipyridine(7)。
在diisopropylamine与无水甲苯比例为5∶2的混合溶剂中依次加入中间物(4)、(7)和催化剂[Pd(PPh₃)₄]、CuI。反应体系被加热到70℃，维持反应24小时。反应完成后，冷却到室温，将反应液滴入甲醇中，收集所得的沉淀物。将沉淀物用甲醇洗涤后，在索氏提取器中用丙酮洗涤反应24小时除去寡聚物和多余的催化剂，经过真空干燥后，得到亮黄色的固体Poly[9，9-di(3-sulfonatopropyl)
fluorene-2，7-yleneethylene-co-alt-5，5’-(2，2’-bipyridylethylene)]。1H NMR(D₂O，400MHz，ppm)：δ8.75(br，2H)，δ8.47(br，2H)，δ7.82(br，2H)，δ7.73(br，2H)，δ7.35(br，2H)，δ7.18(br，2H)，δ3.41(m，4H)，δ1.87(m，4H)，δ1.85(m，4H).
实施例2、Poly[(9，9-di(3-sulfonatopropylfluorene-col-alt-(1，4-benzo-18-crown-6)]的合成
在diisopropylamine与无水甲苯比例为5∶2的混合溶剂中依次加入例1中化合物4、1，4-bromo-benzo-18-crown-6和催化剂[Pd(PPh₃)₄]、CuI。反应体系被加热到70℃，维持反应24小时。反应完成后，冷却到室温，将反应液滴入甲醇中，收集所得的沉淀物。将沉淀物用甲醇洗涤后，在索氏提取器中用丙酮洗涤反应24小时除去寡聚物和多余的催化剂，经过真空干燥后，得到亮黄色的固体
Poly[(9，9-di(3-sulfonatopropylfluorene-col-alt-(1，4-benzo-18-crown-6))].
2.阳离子型水溶性聚合物：
实施例3、Poly[(9，9-bis(3’-((N，N-dimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2，7-fluorene)-co-alt-5，5’-(2，2’-bipyridylethylene)]Dibromide的合成
2，7-dibromofluorene和3-dimethylaminopropylchloride hydrochloride、50％NaOH以及催化剂在DMSO中回流反应12个小时后，用CH₂Cl₂萃取，旋干溶剂得粗产品。粗产品经过重结晶得白色晶体2，7-dibromo-9，9-bis(3’-(N，N-dimethylamino)propyl)-fluorene(1’)
将中间物(1’)、实施例1中化合物7、催化剂[Pd(PPh₃)₄]、CuI混合溶解在甲苯中。在惰性气体保护下，反应体系被加热到70℃，维持反应72小时。反应完成后，冷却到室温，将反应液滴入甲醇中，收集所得的沉淀物。将沉淀物用甲醇洗涤后，在索氏提取器中用丙酮洗涤反应24小时除去寡聚物和多余的催化剂，经过真空干燥后，得到亮黄色的固体Poly[(9，9-bis(3’-((N，N-dimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2，7-fluorene)-co-alt-5，5’-(2，2’-bipyridylethylene)].(2’)
实施例4、Poly[(9，9-bis(3’-((N，N-dimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2，7-fluorene)-co-alt-(1，4-benzo-18-crown-6)]的合成
在diisopropylamine与无水甲苯比例为5∶2的混合溶剂中依次加入实施例3中的化合物1’、1，4-bromo-benzo-18-crown-6和催化剂[Pd(PPh3)4]、CuI。反应体系被加热到70℃，维持反应24小时。反应完成后，冷却到室温，将反应液滴入甲醇中，收集所得的沉淀物。将沉淀物用甲醇洗涤后，在索氏提取器中用丙酮洗涤反应24小时除去寡聚物和多余的催化剂，经过真空干燥后，得到亮黄色的固体
Poly[(9，9-bis(3’-((N，N-dimethyl)-N-ethylammonium)-propyl)-2，7-fluorene)-co-alt-(1，4-benzo-18-crown-6)]。
3、水溶液中金属离子的检测(以Poly[9，9-di(3-sulfonatopropyl)fluorene-2，7-yleneethylene-co-alt-5，5’-(2，2’-bipyridylethylene)]对Ni²⁺的检测为例)
将聚合物配成5×10^-6M的水溶液，在其中加入1.0M的金属离子水溶液，加入的体积百分比不超过0.1％。此时可观察到聚合物溶液颜色由无色变为深黄色。测定聚合物溶液得紫外吸收光谱，出现吸收红移的现象，位移值达到26nm。同时采用滴定的方法测定不同金属离子浓度情况下聚合物溶液的荧光发射光谱，发现在金属离子浓度小于0.1ppm的情况下，聚合物的荧光就可以被完全淬灭。因此，证明聚合物可以有效地在水溶液中检测Ni²⁺。