说明书一种水溶性荧光共轭聚合物及其制备方法
技术领域
本发明提供了一种水溶性荧光共轭聚合物及其制备方法。
背景技术
水溶性共轭聚合物作为一类新型高分子材料，近几年来倍受关注。这类材料具有大的π共轭体系，一般都具有很强的吸光性能，而且具有光学信号放大效应，可大大提高检测灵敏度，因此其相对于小分子的荧光传感物质对周围环境中极微量的猝灭剂显示出更迅速、群体的响应性能。这样就能简便地实现对多种有机、无机及生物分子的纳摩尔甚至皮摩尔级快速检测。此外，除了它们的水溶性，侧链所带有的电荷使得共轭聚合物还可以与带电荷的生物分子蛋白质、核酸等发生相互作用。近年来，水溶性共轭聚合物作为生物传感元件，对小分子及生物大分子(如核酸、蛋白质)特异性识别和检测已成为研究的焦点。
众所周知，在流感病毒外套膜上有两组重要的蛋白酶--血球凝集素(hemagglutinin)与神经氨酸酶(neuraminidase)。血球凝集素能够辨识宿主细胞膜上的唾液酸受体并与其相结合；神经氨酸酶能催化裂解宿主细胞表面受体末端的唾液酸残基与糖蛋白、糖脂和寡聚糖之问的糖苷键，从而促进新形成的病毒粒子从宿主细胞表面释放。将唾液酸引入共轭聚合物，便能够与血球凝集素结合，可以实现对流感病毒的选择性检测。水溶性聚芴材料与其它水溶性共轭聚合物如水溶性聚苯撑乙烯、聚噻吩、聚苯等相比具有很多优势(例如较好的化学和热稳定性、高的荧光量子产率、易于修饰等)。其在病原微生物检测中的应用少见报道。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种在水中具有荧光性能、且溶解性好的水溶性荧光共轭聚合物及其制备方法。
本发明提供了一种水溶性荧光共轭聚合物，具有式(I)：
其中，0<x<1，0<y<1，x+y=1，n为所述共轭聚合物的聚合度，n为1～10000的自然数。
在本发明的一些实施例中，x为0.5，y为0.5。
本发明还提供了一种用于制备水溶性荧光共轭聚合物的方法，包括以下步骤：
(a)将单体(A)、单体(B)和单体(C)按摩尔比(A+B)∶C=1∶1混合，在催化剂Pd(dppf)Cl2的存在下进行偶联反应，得到式(II)的聚合物；
(b)将所述式(II)的聚合物经历离子化、氨基脱保护，得到式(III)的聚合物；
(c)将所述式(III)的聚合物与唾液酸单体(D)反应，得到式(I)的水溶性荧光共轭聚合物，
其中，0<x<1，0<y<1，x+y=1，n为所述共轭聚合物的聚合度，n为1～10000的自然数。
在本发明的一些实施例中，x为0.5，y为0.5。
在本发明的一些实施例中，所述偶联反应在80℃～100℃的温度下进行36～54小时。
在本发明的一些实施例中，所述偶联反应在惰性气氛下进行。
在本发明的一些实施例中，所述惰性气氛为氮气气氛。
在本发明的一些实施例中，所述离子化使用三甲胺水溶液在室温下进行。
在本发明的一些实施例中，所述氨基脱保护使用三氟乙酸在室温下进行。
在本发明的一些实施例中，所述式(III)的聚合物与所述唾液酸单体(D)在室温下反应6～24小时。
综上所述，本发明所述基于聚芴的共轭聚电解质具有带季铵基的两性侧链，使得这种材料能够溶于极性溶剂如水、甲醇、乙醇中，且又难溶于甲苯等溶剂。水溶性共轭聚合物由于具有光学信号放大效应，在病原微生物检测研究中表现出优良的应用前景，本发明设计并合成含有唾液酸基团的水溶性聚芴衍生物，并可基于该类材料发展新型的仪器操作简单、分析快速、高选择性和高灵敏度的流感病毒传感器技术。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而 不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的实施例，提供了一种水溶性荧光共轭聚合物，具有式(I)：
其中，0<x<1，0<y<1，x+y=1，n为所述共轭聚合物的聚合度，n为1～10000的自然数。
在本发明的一些实施例中，x为0.5，y为0.5。
根据本发明的实施例，还提供了一种用于制备水溶性荧光共轭聚合物的方法，包括以下步骤：
(a)将单体(A)、单体(B)和单体(C)按摩尔比(A+B)∶C=1∶1混合，在催化剂Pd(dppf)Cl2的存在下进行偶联反应，得到式(II)的聚合物；
(b)将所述式(II)的聚合物经历离子化、氨基脱保护，得到式(III)的聚合物；
(c)将所述式(III)的聚合物与唾液酸单体(D)反应，得到式(I)的水溶性荧光共轭聚合物，
其中，0<x<1，0<y<1，x+y=1，n为所述共轭聚合物的聚合度，n为1～10000的自然数。
在本发明的一些实施例中，x为0.5，y为0.5。
在本发明的一个具体实施例中，用于制备水溶性荧光共轭聚合物的方法的具体步骤如下：
将对甲氧基苯酚、1，6-二溴正己烷和K2CO3在催化剂量的十八冠六醚的存在下在有机溶剂(例如丙酮)中加热回流1～3天，得到1-(6’-溴代正己基)-4-甲氧基苯。将1-(6’-溴代 正己基)-4-甲氧基苯和催化剂量的铁粉溶解在CCl4中，在0℃下滴加液溴的CCl4溶液，滴加完后将溶液在室温搅拌过夜，得到1-(6’-溴代正己基)-2,5-二溴-4-甲氧基苯。将1-(6’-溴代正己基)-2,5-二溴-4-甲氧基苯和叠氮化钠在无水DMF中在N2保护下加热到100℃～120℃反应10～30min，得到1-(6’-正己基叠氮)-2,5-二溴-4-甲氧基苯。将1-(6’-正己基叠氮)-2,5-二溴-4-甲氧基苯和三苯基磷在室温下搅拌过夜后加入(Boc)2O，在室温再搅拌4h，得到1-(6’-叔丁氧基-酰氨正己基)-2,5-二溴-4-甲氧基苯(A)。
将2,7-二溴-芴和1，6-二溴己烷在氢氧化钾水溶液和四丁基溴化铵的存在下在80℃下反应1～3h，得到2,7-二溴-9,9-二-(6-溴己基)芴(B)。
将单体(A)、单体(B)和单体(C)按摩尔比(A+B)∶C=1∶1混合，在催化剂Pd(dppf)Cl2的存在下进行偶联反应，得到式(II)的聚合物。在本发明的一些实施例中，所述偶联反应在80℃～100℃，优选80℃的温度下进行36～54小时，优选48h。在本发明的一些实施例中，所述偶联反应在惰性气氛下进行。在本发明的一些实施例中，所述惰性气氛为氮气气氛。
将所述式(II)的聚合物经历离子化、氨基脱保护，得到式(III)的聚合物。在本发明的一些实施例中，所述离子化使用三甲胺水溶液在室温下进行。在本发明的一些实施例中，所述氨基脱保护使用三氟乙酸在室温下进行。
5-乙酰氨基-3,5-二脱氧-2-(3-氯-丙氧基)-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯(D)的合成路线：
将5-乙酰氨基-4,7,8,9-四-O-乙酰基-3，5-二脱氧-D-甘油-D-半乳-2-吡哺神经氨酸甲酯、苯硫酚和三氟化硼乙醚溶液在无水二氯甲烷中在室温下搅拌过夜，得到5-乙酰氨基-4,7,8,9-四-O-乙酰基-3，5-二脱氧-2-S-苯基-2-硫代-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯。将5-乙酰氨基-4,7,8,9-四-O-乙酰基-3,5-二脱氧-2-S-苯基-2-硫代-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯和3-氯-1-丙醇和N-碘代丁二酰亚胺(NIS)在室温下反应，得到5-乙酰氨基-4,7,8,9-四-O-乙酰 基-3,5-二脱氧-2-(3-氯-丙氧基)-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯。将5-乙酰氨基-4,7,8,9-四-O-乙酰基-3,5-二脱氧-2-(3-氯-丙氧基)-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯和甲醇钠，在室温下搅拌2～4h，得到5-乙酰氨基-3，5-二脱氧-2-(3-氯-丙氧基)-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯(D)。
将所述式(III)的聚合物与唾液酸单体(D)反应，得到式(I)的水溶性荧光共轭聚合物。在本发明的一些实施例中，所述式(III)的聚合物与所述唾液酸单体(D)在室温下反应6～24小时，优选12小时。
下面通过具体示例详细描述本发明。
示例
单体的合成
1-(6’-溴代正己基)-4-甲氧基苯
将化合物对甲氧基苯酚(3.1g，25mmole)，1，6-二溴正己烷(30.5g，125mmole)，K2CO3(6.9g，50mmole)和催化剂量的十八冠六加入到150mL的丙酮中溶解，然后将溶液加热回流2天。停止反应后将溶液冷却至室温，减压除去溶剂，随后倒入300mL的乙酸乙酯重新溶解，并用1.0M的盐酸和水依次洗涤后用无水MgSO4干燥。减压除去剩余的1，6-二溴正己烷，将所得粗产品经硅胶柱层析，以石油醚／乙酸乙酯(10∶1，V／V)为洗脱剂得到白色固体产物(6g，产率：83.6％)。
1H NMR(CDCl3，400MHz)：δ(ppm)1.50(t，4H)，1.76-1.81(m，2H)，1.86-1.93(m，2H)，3.42(t，2H)，3.77(s，3H)，3.91(t，2H)，6.83(s，4H).
1-(6’-溴代正己基)-2,5-二溴-4-甲氧基苯
将上步产物1-(6’-溴代正己基)-4-甲氧基苯(2.87g，10mmole)和催化剂量的铁粉首先溶解在150mL的CCl4中，然后在0℃下滴加液溴(1.08mL，21mmole)的CCl4(10mL)溶液，滴加完后将溶液在室温搅拌过夜。反应后将铁粉过滤除去，溶液用水洗涤三次后用无水MgSO4干燥，减压除去溶剂，将所得粗产品利用硅胶柱层析，以石油醚／乙酸乙酯(10∶1，V／V)为洗脱剂得到无色液体(3.15g，产率：91％)。
1H NMR(400MHz，CDCl3)：δ(ppm)1.51(m，4H)，1.80-1.92(m，4H)，3.42(t，2H)，3.84(s，3H)，3.96(t，2H)，7.09(s，2H)
1-(6’-正己基叠氮)-2,5-二溴-4-甲氧基苯
将化合物1-(6’-溴代正己基)-2,5-二溴-4-甲氧基苯(890mg，2mmol)和叠氮化钠(260mg，4 mmol)加入到25mL的无水DMF中，然后将溶液在N2保护下加热到100℃反应10min；反应后将溶液冷却至室温，随后倒入100mL的乙酸乙酯，将此有机溶液用300mL水洗涤三次后用无水MgSO4干燥；减压除去溶剂，将所得粗产品经硅胶柱层析，以石油醚／乙酸乙酯(40∶1，V／V)为洗脱剂得到无色油状液体(773mg，产率：95％)。
1H NMR(CDCl3，400MHz)：δ(ppm)7.09(s，2H)，3.96(t，2H)，3.84(s，3H)，3.29(t，2H)，1.82(m，2H)，1.63(m.2H)，1.52(m，2H)，1.46(m，2H).
1-(6’-叔丁氧基-酰氨正己基)-2,5-二溴-4-甲氧基苯(A)
取1-(6’-正己基叠氮)-2,5-二溴-4-甲氧基苯(610mg，1.5mmol)和三苯基磷(786mg，3mmol)加入到50mL的THF／H2O(v／v：45／5)的混合溶剂中，混合溶液在室温下搅拌过夜后加入(Boc)2O(654mg，3mmol)在室温再搅拌4h，反应后减压除去溶剂，将所得粗产品利用硅胶柱层析，以石油醚／乙酸乙酯(10∶1，V／V)为洗脱剂得到白色固体(600mg，产率：86％)。
1H NMR(CDCl3，400MHz)：δ(ppm)7.09(s，2H)，4.51(s，1H)，3.95(t，2H)，3.84(s，3H)，3.13(t，2H)，1.81(m，2H)，1.52(m，4H)，1.44(s，9H)，1.40(m，2H).
2,7-二溴-9,9-二-(6-溴己基)芴(B)
将2，7-二溴-芴(5g，15.4mmole)加入到25ml1，6-二溴己烷中，加热至60℃，之后加入50ml50％的氢氧化钾水溶液和四丁基溴化铵(0.7g)。混合物在80℃下搅拌1h，之后冷却至室温，用二氯甲烷萃取，有机相依次用水、1MHCl和水洗涤。用无水硫酸钠干燥。将溶剂及过量1，6-二溴己烷减压蒸出后，残余物过柱分离(流动相石油醚：二氯甲烷10∶1)得到白色固体(6.0g，60％)。
1H NMR(CDCl3，300MHz)：δ(ppm)0.578(4H，m)，1.08(4H，m)，1.20(4H，m)，1.64(4H，q)，1.92(4H，m)，3.29(4H，t)，7.43(2H，d，4JHH=1.8Hz)，7.46(2H，dd，3JHH=8.0Hz，4JHH=1.8Hz)，7.53(2H，d,3JHH=8Hz)。
9,9-二-[6’-(叔丁氧羰基胺基)-己基]-2,7-二溴芴
化合物9,9-二(6’-叠氮己基)-2,7-二溴芴(1.8g3.12mmole)溶解在四氢呋喃／水(44ml／6ml)混合溶剂中，加入PPh3(1.808g6.9mmole)，反应液在室温下搅12h。反应停止后，减压除去溶剂。剩余物溶解在50ml四氢呋喃中，再加入碳酸-二-叔丁酯[(Boc)2O，1.506g，6.9mmole]。反应液在室温下搅6h。反应停止后，减压除去溶剂。粗产物硅胶柱层析分离纯化，展开剂为石油醚／乙酸乙酯(3／1)，得白色固体产物1.89g，两步产率84％。
1H NMR：(CDCl3，300MHz)：δ(ppm)0.59(m，4H)，1.06(m，8H)，1.29(m，4H)，1.41(m，18H)，1.89(m，4H)，3.13(m，4H)，4.43(b，2H，NH)，7.43(s，4H)，7.53(s，2H).
5-乙酰氨基-4,7,8,9-四-O-乙酰基-3,5-二脱氧-2-S-苯基-2-硫代-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯
将5-乙酰氨基-4,7,8,9-四-O-乙酰基-3,5-二脱氧-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯(533mg，1mmole)、苯硫酚(110μL，1.1mmole)和三氟化硼乙醚溶液(300μL，2.5mmole)溶于无水二氯甲烷中(10ml)，室温搅拌过夜。之后加入150ml二氯甲烷，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤，有机相用无水硫酸钠干燥，浓缩。残余物过柱分离(流动性：甲苯∶甲醇70∶1)，得到产物(472mg，81％)。
1H NMR：(CDCl3，600MHz)：δ(ppm)7.64，7.10，6.99(3m，5H，Ph)，5.72(dd，1H)，5.44(ddd，1H)，5.35(ddd，1H)，5.00(dd，1H)，4.61(m.1H.H-6)，4.52-4.43(m，2H)，4.38(dd，1H)，3.26(s，3H)，2.80(dd，1H)，2.01(dd，1H).1.92，1.88，1.67，1.63，1.60(5s，15H)。
5-乙酰氨基-4,7,8,9-四-O-乙酰基-3,5-二脱氧-2-(3-氯-丙氧基)-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯
将上步产物5-乙酰氨基-4,7,8,9-四-O-乙酰基-3,5-二脱氧-2-S-苯基-2-硫代-D-甘油-D-半乳-2-吡哺神经氨酸甲酯(3.0g，6.32mmole)和3-氯-1-丙醇(0.84g，10.1mmole)溶于无水二氯甲烷(30ml)和乙腈(30ml)中，氮气保护。室温搅拌30分钟后，加入N-碘代丁二酰亚胺(1.42g，6.32mmole)，室温下再搅拌30分钟。将反应液冷却至-40℃，缓缓加入三氟甲磺酸(0.07g，0.88mmole)，3h后，反应液用二氯甲烷稀释，用20％的硫代硫酸钠洗涤，之后用水洗涤。干燥有机相，浓缩。残余物过柱分离(淋洗剂：石油醚：乙酸乙酯1∶1)，得到产物(2.5g，70％)。
1H NMR(CDCl3，600MHz,)：δ(ppm)1.86-1.94(m，1H)，1.90-1.96(m，2H)，1.80，1.96，1.97，2.06，2.07(5s，5x3H)，2.51(dd，J=4.5，12.5Hz，1H)，3.33-3.37(m，1H)，3.54(t，J=6.5Hz，2H)，3.73(s，3H)，3.76-3.80(m，1H)，4.00-4.08(m，3H)，4.26(dd，J=3.0，12.5Hz，1H)，4.74-4.80(m，1H)，5.26(dd，J=2.5，8.5Hz，1H)，5.30-5.40(m，1H)。
5-乙酰氨基-3,5-二脱氧-2-(3-氯-丙氧基)-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯(D)
将上步产物5-乙酰氨基-4,7,8,9-四-O-乙酰基-3,5-二脱氧-2-(3-氯-丙氧基)-D-甘油-D-半乳-2-吡喃神经氨酸甲酯溶于干燥的甲醇中，加入甲醇钠，室温搅拌2h。反应液用H+交换树脂中和至pH=6.5。之后过滤，蒸干。过柱分离(淋洗剂：甲醇：二氯甲烷1∶4)，得到产物(90％)。
1H NMR(500MHz，CD3OD)：δ(ppm)1.80-1.87(m，2H)，H2.67(dd，J=4.5，13.0Hz，1H， H-3eq.)，3.23-3.25(m，1H)，3.36(s，3H，CO2CH3)，3.43(t，J=6.5Hz，2H)，3.51(d，J＝8.5Hz，1H)，3.62(d，J=10.0Hz，1H)，3.68-3.73(m，1H)，3.78-3.88(m，4H)。
聚合物的合成
式(II)的聚合物
将单体1-(6’-叔丁氧基-酰氨正己基)-2,5-二溴-4-甲氧基苯(90mg，0.2mmol)、2，7-二溴-9,9-二-(6-溴己基)芴(130mg，0.2mmol)和1，4-苯二硼酸(101mg，0.4mmol)溶解在8mL的THF中然后加入2mL浓度为2.0M碳酸钾水溶液，将混合溶液脱气然后加入适量的催化剂Pd(dppf)Cl2，溶液在氮气保护下被加热到80℃然后反应48h。反应后将溶液降至室温用100mL的CHCl3萃取三次，合并有机相，用无水MgSO4干燥后减压除去溶剂，将所得粗产品用1mL的CHCl3重新溶解然后加入到100mL的丙酮中，收集固体，将此过程重复三次，得到灰色固体产物(80mg，43％)。
1H NMR(CDCl3，400MHz)：δ(ppm)7.83-7.65(br，19H)，7.10(s，2H)，4.51(br，1H)，4.00(br，2H)，3.88(m，3H)，3.30(t，6H)，3.09(br，2H)，2.14(br，6H)，1.77(br，2H)，1.73-1.68(br，6H)，1.43(br，13H)，1.35(m，2H)，1.25(br，6H)，1.14(br，6H)，0.78(br，6H).
Boc-NMe3-PF
取聚合物II(20mg)溶解到5mL二氯甲烷中然后再加入1mL30％的三甲胺水溶液，将混合溶液在室温下搅拌24h，减压除去溶剂即得到固体产物。
1H NMR(DMSO-d6，600MHz)：δ(ppm)7.91-7.74(br，19H)，7.14(br，2H)，6.77(br，1H)，4.05(br，2H)，3.84(m，3H)，3.15(br，8H)，2.94(br，27H)，1.70(br，6H)，1.48(br，8H)，1.35(m，15H)，1.30-1.05(br，12H)，0.78(br，6H)。
式(III)的聚合物
将聚合物Boc-NMe3-PF溶解到的5mL甲醇中然后加入1mL的三氟乙酸，混合溶液在室温下搅拌过夜后减压除去溶剂，然后将得到的固体重新溶于5mL的甲醇同时加入1mL的三乙胺，将重新混合的溶液在在室温下搅拌过夜，减压除去溶剂后得到产物。
1H NMR(DMSO-d6，600MHz)：δ(ppm)7.91-7.76(br，19H)，7.14(br，2H)，6.77(br，1H)，4.05(br，2H)，3.85(m，3H)，3.15-3.10(br，8H)，2.94(br，27H)，1.74(br，6H)，1.58(br，2H)，1.49(br，6H)，1.35(br，4H)，1.18-1.07(br，12H)，0.78(br，6H)。
式(I)的聚合物
将聚合物III溶解到10ml甲醇中，加入唾液酸单体(D)，室温搅拌过夜，减压除去溶剂，将所得粗产品用少量甲醇加热重新溶解，然后冷却，离心收集固体，得到灰色固体产物 (60mg，80％)。
1H NMR(DMSO-d6，600MHz)：δ(ppm)7.95-7.81(br，19H)，7.20(br，2H)，6.77(br，1H)，4.15(br，2H)，3.78-3.88(m，7H)，3.68-3.73(m，2H)3.51(m，1H)3.43(br，2H)，3.36(br，3H)，3.19-3.22(br，9H)，2.98(br，27H)，2.67(m，1H)，1.82-1.87(m，2H)，1.80(br，6H)，1.63(br，2H)，1.53(br，6H)，1.39(br，4H)，1.22-1.11(br，12H)，0.81(br，6H)。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。