一种环状荧光聚合物、制备方法及其应用

1.本发明涉及化学合成技术领域，具体涉及一种环状荧光聚合物、制备方法及其应用。


背景技术：

2.荧光聚合物具有独特的光化学和光物理特性，在荧光化学传感器、荧光探针、荧光分子温度计和光电材料等方面应用广泛。萘酰亚胺类化合物是一种常用的小分子荧光染料，其结构具有以下特点：(1)共平面性；(2)具有较大的π共轭体系。在萘环上引入不同的基团可极大地改变萘酰亚胺的荧光性能：当引入吸电子基团时，不显示荧光；当引入给电子基团时，则成为强荧光染料。这是由于给电子基团与酰亚胺结构形成了强烈的推-拉电子体系，使得体系中的电子极易发生跃迁，从而产生荧光。萘酰亚胺结构具有多活性点，可分别在亚胺端及萘环进行修饰从而得到各种萘酰亚胺衍生物。小分子萘酰亚胺材料合成简便、可设计性强，但作为生物应用荧光材料，其着色较差、易结晶、易相分离，同时其生物毒性也限制了其在生物成像中的应用。因此，生物安全性高、发光性能稳定的萘酰亚胺基荧光剂的制备亟需解决。
3.聚合物的拓扑结构在很大程度上影响着其性质，相对于线性聚合物，环状聚合物不存在末端基团，很大程度上限制了聚合物链的运动，降低了分子链间缠结，使得环状聚合物在众多领域中表现出独特的物理性质，如流体力学体积小、回转半径小、玻璃化转变温度高、特性粘数低等。近年来的研究结果表明，相较于线性聚合物，环状聚合物组装成的胶束在不同温度、ph等环境中的稳定性更强，且环状聚合物细胞毒性更低，在体内、血液中循环时间更长。
4.鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决萘酰亚胺材料作为生物应用荧光材料，着色较差、易结晶、易相分离、生物安全性低的问题，公开了一种环状荧光聚合物、制备方法及其应用。
6.为了实现上述目的，本发明公开了一种环状荧光聚合物，环状荧光聚合物结构如式ⅰ所示：
[0007][0008]
其中，r1为氨基、烷氧基、烷氧氨基等强供电基团中的任意一种，r2为h或羟基，m为4～6，n为10～100的整数。
[0009]
本发明还公开了上述环状荧光聚合物的制备方法，包括以下步骤：
[0010]
s1，以萘酐为原料，通过取代反应在萘酐上引入供电子基团以及双键官能团，得到萘酰亚胺类荧光单体；
[0011]
s2，将亲水性单体和步骤s1中得到的萘酰亚胺类荧光单体在功能引发剂的作用下合成线性荧光聚合物；
[0012]
s3，以步骤s2中得到的线性聚合物和叠氮化钠为原料，进行叠氮化反应，得到含叠氮基的线性聚合物；
[0013]
s4，将步骤s3中得到的含有叠氮基的线性聚合物在溴化亚铜催化下进行点击化学反应，得到固定于树脂表面的环状荧光聚合物，用三氟乙酸将环状聚合物从树脂上切下来，得到环状荧光聚合物。
[0014]
所述步骤s1中得到的萘酰亚胺类荧光单体为萘酰亚胺基团的具有推拉电子体系的一类化合物，其结构通式如下：
[0015]
[0016]
其中，r选自-nh2、-nhch3、-n(ch3)2、-nhc4h5、-nhc5h
11
、-och3、-oc2h5、、
[0017]
所述步骤s2中功能引发剂为dhp树脂，结构如下所示：
[0018][0019]
所述步骤s2中亲水性单体为聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯或聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯。
[0020]
所述聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯的重均分子量mw为300，所述聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯的重均分子量mw为360。
[0021]
所述步骤s2中萘酰亚胺类荧光单体和亲水性单体的摩尔比为1：25～2500。
[0022]
所述步骤s2中制得的环状荧光聚合物的平均分子量为2000～40000。
[0023]
本发明还公开了上述环状荧光聚合物在在生物荧光成像中的应用。
[0024]
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
[0025]
1、本发明将萘酰亚胺荧光小分子引入到环状大分子体系中，制备了一种基于萘酰亚胺基团的环状荧光聚合物，使得合成的荧光聚合物有相比于线性结构更好的生物相容性，更低的细胞毒性，有望在临床方面得到应用；
[0026]
2、本发明将聚合物固定于树脂上再成环，固定后反应可以很好地避免点击过程中线性杂质的产生，更容易产生分子链头尾的点击而不是链与链之间的点击反应；
[0027]
3、本发明提供的环状聚合物的合成方式，使用了可控的原子转移自由基聚合，且反应过程简单高效，后处理简单，重复性好；
[0028]
4、本发明的环状荧光聚合物，可以通过调节荧光单体的供电子基团调节荧光强度，以应对不同的应用场景。
附图说明
[0029]
图1为本发明实施例1制备的小分子荧光单体ⅰ的1h-nmr图；
[0030]
图2为本发明实施例1制备的环状荧光聚合物的1h-nmr图；
[0031]
图3为本发明实施例1中制备的由dhp树脂固定的聚合物的红外光谱；
[0032]
图4为本发明实施例1制备的小分子荧光单体和环状荧光聚合物的荧光发射图谱。
具体实施方式
[0033]
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
[0034]
实施例1
[0035]
本实施例按如下步骤进行环状荧光聚合物的制备：
[0036]
s1：将化合物1(3.2g，10mmol)投入到两口烧瓶中，加入20ml的无水乙醇，搅拌分散加热至80℃，滴加溶有金属钠的无水乙醇溶液，80℃条件下冷凝回流反应8-10h，反应结束
后将反应物倒入到装有40ml的去离子水的烧杯中，有絮状沉淀析出，布氏漏斗抽滤并用离子水洗涤滤饼直至溶液澄清，将滤饼烘干，得到化合物2。将化合物2(0.2g，2mmol)、三乙胺(1.04ml，3mmol)溶解在20ml的dcm溶液当中，将甲基丙烯酰氯(0.7ml，3mmol)溶解在dcm溶液当中，并使用恒压漏斗在冰浴条件下缓慢(1-2h)滴加至烧瓶中，滴加完成后常温反应6h。反应结束后将产物倒入装有去离子水的烧杯中，使用分液漏斗萃取，收集有机相，加入硫酸钠除水，过滤浓缩后过硅胶层析柱(石油醚：乙酸乙酯＝3：1)分离，得到小分子荧光单体ⅰ。
[0037][0038]
图1为荧光单体的1h-nmr图(400mhz,cdcl3):δ(ppm)＝1.59(1h,i)1.84(3h,j)4.31(2h,b)4.45(2h,a)4.51(2h,h)5.48(1h,l)6.03(1h,k)6.97(2h,d)7.66(2h，g)8.48(2h，e)8.56(2h，c)。
[0039]
s2：在氮气保护下，将dhp树脂自由基引发剂(1g，0.01mmol)，溴化亚铜(56mg，0.4mmol)、荧光单体i(70mg,0.02mmol)，mw＝300的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(1.5g，5mmol)单体加入史莱克管中，加入7mln,n'-二甲基甲酰胺做溶剂，抽气-冷冻-充气三个循环，循环结束后，使用微量注射器注射三(2-甲氨基乙基)胺(84μl，0.4mmol)，开始聚合，在70℃下反应70h，所得产物经过过滤，洗涤，干燥后得到固定于树脂的线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯-单体ⅰ；
[0040][0041]
s3：在氮气保护下，将s2得到的1g固定于dhp树脂的线性荧光聚合物与叠氮化钠(0.1g，1.5mmol)和7ml dmf投入到单口烧瓶中，50℃下反应24h，反应结束后用水，二氯甲烷洗涤树脂，将树脂干燥后得到固定于dhp树脂的叠氮化线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯-单体ⅰ；
[0042][0043]
s4，在氮气保护下，将s2得到的1g固定于dhp树脂的叠氮化线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯-单体ⅰ与溴化亚铜(56mg，0.4mmol)，加入7ml n,n'-二甲基甲酰胺做溶剂，抽气-冷冻-充气三个循环，循环结束后，使用微量注射器注射配体三(2-甲氨基乙基)胺(84μl，0.4mmol)，在70℃下反应24h，所得产物经过过滤，洗涤，干燥后得到固定于树脂的环状聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯-单体ⅰ；
[0044][0045]
s5，将s4得到的固定于树脂的环状聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯-单体ⅰ加入到配有搅拌磁子的两口瓶中，加入10ml经过蒸馏除水的二氯甲烷，溶胀半小时后，加入1ml的三氟乙酸，常温避光反应8h，所得产物经过过滤，收集滤液，将滤液经过旋转蒸发仪除去有机溶剂，使用正己烷进行沉降，干燥，得到环状荧光聚合物。
[0046][0047]
图2为本实施例合成的固定于dhp树脂的聚合物的红外光谱曲线，1730cm-1
对应酯基峰，它的出现证明单体顺利固定于树脂上且增长，2110cm-1
叠氮峰的出现及后续的消失则证明点击所得产物是含有叠氮基的环状聚合物。
[0048]
图3为s5合成的环状荧光聚合物的1h-nmr图(400mhz,cdcl3):δ(ppm)＝1.27(1h,a)1.78(2h,b)2.96(2h,c)3.06(2h,d)3.40(2h,e)3.58(1h,h)3.67(1h,i)4.09(2h,j)7.86
(2h，k)
[0049]
图4(a)为实施例1合成的荧光单体的荧光光谱图，图4(b)为实施例2合成的环状荧光聚合物的荧光光谱图，图4可以看出，合成的荧光单体小分子和环状荧光聚合物的最大发射波长在450nm左右，但最大的荧光强度的激发波长差别较大，单体的最大荧光强度对应的激发波长在400nm左右，而环状聚合物的最大荧光强度对应的激发波长300nm左右，激发波长越短，其能量越高，组织穿透性更强，更有利于生物体内成像。
[0050]
实施例2
[0051]
本实施例按如下步骤进行环状荧光聚合物的制备：
[0052]
s1：将化合物1(3.2g，10mmol)投入到两口烧瓶中，加入20ml的无水乙醇，搅拌分散加热至80℃，滴加溶有金属钠的无水乙醇溶液，80℃条件下冷凝回流反应8-10h，反应结束后将反应物倒入到装有40ml的去离子水的烧杯中，有絮状沉淀析出，布氏漏斗抽滤并用离子水洗涤滤饼直至溶液澄清，将滤饼烘干，得到化合物2。将化合物2(0.2g，2mmol)、三乙胺(1.04ml，3mmol)溶解在20ml的dcm溶液当中，将甲基丙烯酰氯(0.7ml，3mmol)溶解在dcm溶液当中，并使用恒压漏斗在冰浴条件下缓慢(1-2h)滴加至烧瓶中，滴加完成后常温反应6h。反应结束后将产物倒入装有去离子水的烧杯中，使用分液漏斗萃取，收集有机相，加入硫酸钠除水，过滤浓缩后过硅胶层析柱(石油醚：乙酸乙酯＝3:1)分离，得到小分子荧光单体ⅰ。
[0053][0054]
s2：在氮气保护下，将实验室合成的自由基引发剂(1g，0.01mmol)，溴化亚铜(56mg，0.4mmol)、荧光单体i(70mg,0.02mmol)、mw＝360的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(1.8g，5mmol)单体加入史莱克管中，加入7mln,n'-二甲基甲酰胺做溶剂，抽气-冷冻-充气三个循环，循环结束后，使用微量注射器注射五甲基二乙烯三胺(72μl，0.4mmol)，开始聚合，在70℃下反应70h，所得产物经过过滤，洗涤，干燥后得到固定于树脂的线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ；
[0055][0056]
s3，在氮气保护下，将s2得到的1g固定于dhp树脂的线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ与叠氮化钠(0.1g，1.5mmol)和7mldmf投入到单口烧瓶中，50℃下反应24h，反应
结束后用水，二氯甲烷洗涤树脂，将树脂干燥后得到固定与dhp树脂的叠氮化线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ；
[0057][0058]
s4：在氮气保护下，将s2得到的1g固定于dhp树脂的叠氮化线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ与溴化亚铜(56mg，0.4mmol)，加入7mln,n'-二甲基甲酰胺做溶剂，抽气-冷冻-充气三个循环，循环结束后，使用微量注射器注射五甲基二乙烯三胺(72μl，0.4mmol)，在70℃下反应24h，所得产物经过过滤，洗涤，干燥后得到固定于树脂的环状线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ；
[0059][0060]
s5：将s4得到的固定于树脂的环状聚线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ加入到配有搅拌磁子的两口瓶中，加入10ml经过蒸馏除水的二氯甲烷，溶胀半小时后，加入1ml的三氟乙酸，常温避光反应8h，所得产物经过过滤，收集滤液，将滤液经过旋转蒸发仪除去有机溶剂，使用正己烷进行沉降，干燥，得到环状荧光聚合物。
[0061][0062]
实施例3
[0063]
本实施例按如下步骤进行环状荧光聚合物的制备：
[0064]
s1：将化合物1(3.2g，10mmol)投入到两口烧瓶中，加入20ml的无水甲醇，搅拌分散
加热至80℃，滴加溶有金属钠的无水甲醇溶液，80℃条件下冷凝回流反应8-10h，反应结束后将反应物倒入到装有40ml的去离子水的烧杯中，有絮状沉淀析出，布氏漏斗抽滤并用离子水洗涤滤饼直至溶液澄清，将滤饼烘干，得到化合物2。将化合物2(0.2g，2mmol)、三乙胺(1.04ml，3mmol)溶解在20ml的dcm溶液当中，将甲基丙烯酰氯(0.7ml，3mmol)溶解在dcm溶液当中，并使用恒压漏斗在冰浴条件下缓慢(1-2h)滴加至烧瓶中，滴加完成后常温反应6h。反应结束后将产物倒入装有去离子水的烧杯中，使用分液漏斗萃取，收集有机相，加入硫酸钠除水，过滤浓缩后过硅胶层析柱(石油醚：乙酸乙酯＝4:1)分离，得到小分子荧光单体ⅰ。
[0065][0066]
s2：在氮气保护下，将实验室合成的自由基引发剂(1g，0.01mmol)，溴化亚铜(56mg，0.4mmol)、荧光单体i(68mg,0.02mmol)、mw＝360的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯单体(1.8g，5mmol)加入史莱克管中，加入7mln,n'-二甲基甲酰胺做溶剂，抽气-冷冻-充气三个循环，循环结束后，使用微量注射器注射五甲基二乙烯三胺(72μl，0.4mmol)，开始聚合，在70℃下反应70h，所得产物经过过滤，洗涤，干燥后得到固定于树脂的线性聚丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ；
[0067][0068]
s3：在氮气保护下，将s2得到的1g固定于dhp树脂的线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ与叠氮化钠(0.1g，1.5mmol)和7mldmf投入到单口烧瓶中，50℃下反应24h，反应结束后用水，二氯甲烷洗涤树脂，将树脂干燥后得到固定与dhp树脂的叠氮化线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ；
[0069][0070]
s4：在氮气保护下，将s2得到的1g固定于dhp树脂的叠氮化线性聚(乙二醇)甲基丙
烯酸羟乙酯-单体ⅰ与溴化亚铜(56mg，0.4mmol)，加入7mln,n'-二甲基甲酰胺做溶剂，抽气-冷冻-充气三个循环，循环结束后，使用微量注射器注射五甲基二乙烯三胺(72μl，0.4mmol)，在70℃下反应24h，所得产物经过过滤，洗涤，干燥后得到固定于树脂的环状聚(乙二醇)甲基丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ；
[0071][0072]
s5：将s2得到的固定于树脂的环状聚丙烯酸羟乙酯-单体ⅰ加入到配有搅拌磁子的两口瓶中，加入10ml经过蒸馏除水的二氯甲烷，溶胀半小时后，加入1ml的三氟乙酸，常温避光反应8h，所得产物经过过滤，收集滤液，将滤液经过旋转蒸发仪除去有机溶剂，使用正己烷进行沉降，干燥，得到环状荧光聚合物。
[0073][0074]
实施例4
[0075]
s1：将化合物1(3.2g，10mmol)投入到两口烧瓶中，加入20ml的无水乙醇溶液，搅拌分散加热至80℃，滴加溶有二乙胺的无水乙醇溶液，80℃条件下冷凝回流反应8-10h，反应结束后将反应物倒入到装有40ml的去离子水的烧杯中，有絮状沉淀析出，布氏漏斗抽滤并用离子水洗涤滤饼直至溶液澄清，将滤饼烘干，得到化合物2。将化合物2(0.2g，2mmol)、三乙胺(1.04ml，3mmol)溶解在20ml的dcm溶液当中，将甲基丙烯酰氯(0.7ml，3mmol)溶解在dcm溶液当中，并使用恒压漏斗在冰浴条件下缓慢(1-2h)滴加至烧瓶中，滴加完成后常温反应6h。反应结束后将产物倒入装有去离子水的烧杯中，使用分液漏斗萃取，收集有机相，加入硫酸钠除水，过滤浓缩后过硅胶层析柱(石油醚：乙酸乙酯＝6:1)分离，得到小分子荧光单体ⅰ。
[0076][0077]
s2：在氮气保护下，将dhp树脂自由基引发剂(1g，0.01mmol)，溴化亚铜(56mg，0.4mmol)、荧光单体i(71mg,0.02mmol)，mw＝300的聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(1.5g，5mmol)单体加入史莱克管中，加入7ml n,n'-二甲基甲酰胺做溶剂，抽气-冷冻-充气三个循环，循环结束后，使用微量注射器注射三(2-甲氨基乙基)胺(84μl，0.4mmol)，开始聚合，在70℃下反应70h，所得产物经过过滤，洗涤，干燥后得到固定于树脂的线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯-单体ⅰ；
[0078][0079]
s3：在氮气保护下，将s2得到的1g固定于dhp树脂的线性荧光聚合物与叠氮化钠(0.1g，1.5mmol)和7mldmf投入到单口烧瓶中，50℃下反应24h，反应结束后用水，二氯甲烷洗涤树脂，将树脂干燥后得到固定与dhp树脂的叠氮化线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯-单体ⅰ；
[0080][0081]
s4：在氮气保护下，将s2得到的1g固定于dhp树脂的叠氮化线性聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯-单体ⅰ与溴化亚铜(56mg，0.4mmol)，加入7mln,n'-二甲基甲酰胺做溶剂，抽气-冷冻-充气三个循环，循环结束后，使用微量注射器注射配体三(2-甲氨基乙基)胺(84μl，0.4mmol)，在70℃下反应24h，所得产物经过过滤，洗涤，干燥后得到固定于树脂的环状聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯-单体ⅰ；
[0082][0083]
s5：将s4得到的固定于树脂的环状聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯-单体ⅰ加入到配有搅拌磁子的两口瓶中，加入10ml经过蒸馏除水的二氯甲烷，溶胀半小时后，加入1ml的三氟乙酸，常温避光反应8h，所得产物经过过滤，收集滤液，将滤液经过旋转蒸发仪除去有机溶剂，使用正己烷进行沉降，干燥，得到环状荧光聚合物。
[0084][0085]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。