一种具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法

摘要

本发明公开了一种具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法，主要包括以下步骤：(1)将含荧光生色团的双炔单体通过环三聚反应制得超支化荧光聚合物，该超支化荧光聚合物的外围带未反应的炔基；将带单官能团的亲水性聚合物链段通过取代反应得到可加成或可偶合的亲水性聚合物链段，或将亲水性单体进行聚合反应得到可加成或可偶合的亲水性聚合物链段；(2)将所述超支化荧光聚合物与可加成或可偶合的亲水性聚合物链段相应地通过加成或偶合反应得到亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物。本发明属于功能材料技术领域，与现有技术相比，其亲水性显著提高；克服了小分子有机荧光染料的光漂白和稳定性差的缺陷；检测结果准确。

权利要求

1. 一种具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将含荧光生色团的双炔单体通过环三聚反应制得超支化荧光聚合物，该超支化荧光聚合物的外围带未反应的炔基；将带单官能团的亲水性聚合物链段通过取代反应得到可加成或可偶合的亲水性聚合物链段，或将亲水性单体进行聚合反应得到可加成或可偶合的亲水性聚合物链段；所述带单官能团的亲水性聚合物链段为带单官能团的聚乙二醇，所述亲水性单体为异丙基丙烯酰胺；(2)将所述超支化荧光聚合物与可加成或可偶合的亲水性聚合物链段相应地通过加成或偶合反应得到亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物。

2.根据权利要求1所述的具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法，其特征在于：步骤（2)中所述的加成反应为超支化荧光聚合物外围未反应的炔基与可加成的亲水性聚合物链段的叠氮基之间的1，3-偶极环加成反应。

3.根据权利要求2所述的具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法，其特征在于：在所述加成反应中，反应溶剂为甲苯和N，N’ - 二甲基甲酰胺的混合溶液，反应温度为 80—100 0Co

4.根据权利要求1所述的具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法，其特征在于：步骤（2)中所述的加成反应为超支化荧光聚合物外围未反应的炔基与可加成的亲水性聚合物链段的巯基之间的加成反应。

5.根据权利要求1所述的具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法，其特征在于：步骤（2)中所述的偶合反应为超支化荧光聚合物外围未反应的炔基与可偶合的亲水性聚合物链段的碘苯基团之间的偶合反应。

6.根据权利要求1所述的具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法，其特征在于：在步骤（1)所述的环三聚反应中，以二级胺为催化剂。

说明书

一种具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种两亲性的荧光聚合物的制备方法。 背景技术

[0002] 荧光检测具有高灵敏性、高选择性、快响应性及无破坏性等优点，越来越多的学科开始应用荧光检测手段进行科学研究，其中一些已经获得实际应用。尤其在生物医学方面， 荧光检测具有广阔的应用前景。如人体血液中葡萄糖的检测、生命活动中新陈代谢的过程、 ATP的水解、DNA的识别、临床分析等生化过程的研究都需要一种高灵敏度和易操作性的工具来实现，由荧光材料做成的荧光探针无疑是最好的选择之一。然而，要用于生物领域，首先要解决荧光材料的水溶性和高灵敏性两个关键问题。

[0003] 目前，有机小分子荧光染料已经在荧光检测得到广泛应用，其水溶性通过化学修饰或者包埋等手段得到改善。分子探针公司（Molecular Probes，美国）推出了 4700多种小分子荧光探针，在国际市场上占据统治性地位。这类探针存在的问题是：由于光漂白作用，荧光分子在光辐射一段时间后荧光强度显著降低甚至完全失效，严重影响检测结果。近年来，科学家们开始尝试用荧光聚合物来代替小分子荧光探针，试图解决光漂白和光稳定性问题，并且在基础研究上取得了重大进展。因为荧光聚合物通常是含有大的共轭基团的线形聚合物，所以本身是不溶于水的。为了获得水溶性，通用的方法是通过化学修饰把这类聚合物制备成聚电解质。但是聚电解质与生物分子之间有强的相互作用，会影响检测结果。 科学家近年来还发展了无机量子点作为荧光探针，这类材料可以有效解决光漂白和稳定性问题，但构成发光的无机量子点含有镉、碲、砷等元素，生物毒性相当大，必须在其表面进行很多化学修饰来提高其生物相容性，步骤繁琐。并且无机量子点在体内的降解机制目前还不清楚，长时间在体内存在时其中的金属离子是否会释放还有待进一步研究。

[0004] 因此，开发一种亲水性好的高效荧光探针材料，对于生物等领域的研究具有重要眉、ο

发明内容

[0005] 本发明的目的在于是提供一种新的具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的制备方法主要包括以下步骤：

[0007] (1)将含荧光生色团的双炔单体通过环三聚反应制得超支化荧光聚合物，该超支化荧光聚合物的外围带未反应的炔基；

[0008] 将带单官能团的亲水性聚合物链段通过取代反应得到可加成或可偶合的亲水性聚合物链段，或将亲水性单体进行聚合反应得到可加成或可偶合的亲水性聚合物链段；

[0009] (2)将所述超支化荧光聚合物与可加成或可偶合的亲水性聚合物链段相应地通过加成或偶合反应得到亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物，其疏水内核为超支化聚合物。其中，可加成的亲水性聚合物链段通过加成反应与超支化荧光聚合物结合，可偶合的亲水性聚合物链段通过偶合反应与超支化荧光聚合物结合。

[0010] 进一步地，本发明在步骤（1)中，所述带单官能团的亲水性聚合物链段为带单官能团的聚乙二醇。

[0011] 进一步地，本发明在步骤（1)中，所述亲水性单体为异丙基丙烯酰胺。

[0012] 进一步地，本发明步骤O)中所述的加成反应为超支化荧光聚合物外围未反应的炔基与可加成的亲水性聚合物链段的叠氮基之间的1，3-偶极环加成反应。

[0013] 进一步地，本发明在所述加成反应中，反应溶剂为甲苯和N，N’ - 二甲基甲酰胺的混合溶液，反应温度为80-100°C。

[0014] 进一步地，本发明步骤O)中所述的加成反应为超支化荧光聚合物外围未反应的炔基与可加成的亲水性聚合物链段的巯基之间的加成反应。

[0015] 进一步地，本发明步骤O)中所述的偶合反应为超支化荧光聚合物外围未反应的炔基与可偶合的亲水性聚合物链段的碘苯基团之间的偶合反应。

[0016] 进一步地，本发明在步骤（1)所述的环三聚反应中，以二级胺为催化剂。

[0017] 本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

[0018] 1.该聚合物具有亲水链段构成的外壳，一方面保护了内核的荧光生色团；更重要的是，聚乙二醇和聚异丙基丙烯酰胺是典型的水溶性高分子，而且已经被证明具有良好的生物相容性和低的生物毒性，能够克服无机半导体量子点生物毒性大的缺点。亲水链端的结合使整个聚合物亲水性显著提高。

[0019] 2.该聚合物具有超支化荧光聚合物构成的内核，超支化结构可以将大量荧光生色团聚集在小的空间内，可以有效提高荧光强度，降低光漂白性，从而克服小分子有机荧光染料的光漂白和稳定性差的问题。

[0020] 3.该具有亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的水溶性由亲水链段提供，因此， 将其用作荧光探针时，不会象聚电解质等荧光材料那样与生物分子之间产生强的相互作用而影响检测结果，确保检测的准确性。

具体实施方式

[0021] 本发明公开了一种制备具有亲水性外壳、疏水性内核结构的荧光聚合物的方法。 其制备方法包括以下步骤：（1)将含荧光生色团的双炔单体通过环三聚反应制得超支化荧光聚合物，该超支化荧光聚合物的外围带未反应的炔基；将带单官能团的亲水性聚合物链段通过取代反应得到可加成或可偶合的亲水性聚合物链段，或将亲水性单体进行聚合反应得到可加成或可偶合的亲水性聚合物链段；(2)将所述超支化荧光聚合物与可加成或可偶合的亲水性聚合物链段相应地通过加成或偶合反应得到亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物。

[0022] 本发明得到的荧光聚合物具有核-壳两部分：内核由含荧光生色团的超支化聚合物构成，外壳由亲水性的聚合物链段构成。

[0023] 以下结合具体实施例进一步说明本发明。

[0024] 实施例1 ：

[0025] 步骤1)：一方面，在IOOmL烧瓶中加入36mL N，N’ - 二甲基甲酰胺（DMF)。在0°C的冰浴下，将46mL三氯氧磷逐滴加入烧瓶并不断搅拌。待三氯氧磷加入完毕后，称取4. 9g 三苯胺加入，移走冰浴，并升温至95°C。回流反应4小时后，萃取处理，柱层析进行分离提纯后得中间产物1。在干燥的250mL两口烧瓶加入1. 2g中间产物1，保证无水无氧条件，加入 40mL除水的四氢呋喃溶液。冰浴下，逐滴加入20mL 0. 5M的乙炔溴化镁的四氢呋喃溶液。 在室温下反应过夜，用饱和氯化铵水溶液终止反应。反应液经萃取后，将有机相浓缩。将浓缩液溶于IOOmL二氯甲烷溶液中，加入7. 08g 85%活化的二氧化锰。室温下反应过夜，过滤浓缩后，用柱层析进行分离提纯，最终得到含三苯胺生色团的双炔单体。

[0026] 含三苯胺生色团的双炔单体的结构式如式（1)所示：

[0027]

[0028] 将140mg含三苯胺生色团的双炔单体加入聚合管中，抽真空充氮气3次后，加入 3. 5mL 二氧六环作为溶剂，再加入0. 45mL的哌啶作为催化剂。在100°C下反应M小时。该反应即环三聚反应。待反应结束后，将反应液稀释后逐滴加入大量甲醇中沉淀。静置对小时，过滤干燥至恒重，得到含三苯胺生色团的疏水性超支化荧光聚合物，以“tib-TPA”表示。 由式（2)可见，hb-TPA的外围带未反应的炔基。反应式如式（2)所示：

[0029]

[0030] 另一方面，在250mL双口烧瓶中加入将7g分子量为350的带单羟基的聚乙二醇 (peg350-oh)，再加入20mL四氢呋喃和20mL 0. 5g/mL naoh水溶液，充分搅拌并冰浴冷却。将 2g对甲苯磺酰氯溶于60mL四氢呋喃中，逐滴加入到烧瓶中。滴加完毕后，移走冰浴，使反应温度升至室温。待反应18小时后，将反应液萃取浓缩，用柱层析进行分离提纯，得到带单磺酸基的聚乙二醇(Peg350-OTs)。在 IOOmL 单口烧瓶中加入 3. 5g peg35tl-OTs、0· 78g NaN3 和 15mL 二甲基亚砜（DMSO)，室温下反应M小时。反应结束后，加入30mL水终止反应。将反应液用乙醚萃取，有机相经无水MgSO4干燥后过滤浓缩，得到可进行加成反应的带单叠氮基的聚乙二醇（peo35tl-n3)。

[0031] 步骤2)：称取Mmg hb-TPA和PEG35q-n3130mg于聚合管中，加入DMF和甲苯各0. 5mL 作为溶剂，90°C下反应5小时，使tib-TPA的外围带未反应的炔基与PEG35tl-n3的叠氮基之间进行1，3-偶极环加成反应。反应完毕后，反应液稀释后在大量正己烷中沉淀，静置M小时， 过滤干燥至恒重，得到两亲性超支化荧光聚合物，即亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物。 反应式如式（3)所示：

[0032]

[0033] 静态接触角测试表明：未与PEG35tl结合的ΙΛ-ΤΡΑ的接触角为118. 2°，而本实施例得到的亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的接触角为81. 4°，接触角值的降低表明亲水性得到改善。

[0034] 实施例2 ：

[0035] 步骤1)：按实施例1的方法制备tib-TPA。

[0036] 并将实施例1中的分子量为350的带单羟基的聚乙二醇（PEG35ci-OH)换成分子量为1900的聚乙二醇（PEG19tltl-OH),其他制备条件与实施例1相同，制备分子量为1900的带单叠氮端基的聚乙二醇（PEG19tici-N3)15

[0037] 步骤2)：称取40mg hb-TPA和800mg PEG19tltl-N3于聚合管中，加入DMF与甲苯各ImL 作为溶剂，100°c下反应4小时，使ΙΛ-ΤΡΑ的外围带未反应的炔基与PEG19tltl-N3的叠氮基之间进行1，3_偶极环加成反应。反应完毕后，反应液稀释后在大量正己烷中沉淀，静置M小时，过滤干燥至恒重，得到两亲性超支化荧光聚合物，即亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物。

[0038] 静态接触角测试表明：未与PEG19tltl结合的Wd-TPA的接触角为118. 2°，而本实施例得到的亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的接触角为58. 5°，亲水性得到显著提高。 与传统的荧光材料相比，具有优良的亲水性。

[0039] 实施例3 ：

[0040] 步骤1)：首先，将3. 17g 4-溴二苯甲酮加入到充分干燥的250mL两口烧瓶中，无水无氧条件下加入60mL新蒸的四氢呋喃。以丙酮/液氮混合液为冰浴，温度在_78°C左右， 逐滴加入IOmL 1. 6M的正丁基锂正己烷溶液。将反应体系温度保持在_78°C左右两小时，随后逐滴加入2. 4mL除过水的DMF。加入完毕后，回到室温，反应M小时。反应液经过萃取， 柱层析分离后得到中间产物1。在干燥的250mL两口烧瓶加入1. 2g中间产物1，无水无氧环境下，加入40mL新蒸的四氢呋喃溶液。冰浴下，逐滴加入15mL 0.5M的乙炔溴化镁四氢呋喃溶液。在室温下反应过夜，用饱和氯化铵水溶液终止反应，反应液经二氯甲烷萃取后浓缩。将浓缩液溶于IOOmL丙酮中，加入三氧化二铬溶液与浓硫酸配制的Jones试剂将其氧化。反应完全后，用异丙醇中和，后将反应液浓缩，柱层析进行分离提纯，最终得到含四苯基乙烯生色团的双炔单体。

[0041] 含四苯基乙烯生色团的双炔单体的结构式如式（4)所示：[0042]

[0043] 将200mg含四苯基乙烯生色团的双炔单体加入聚合管中，抽真空充氮气3次后，加入3. 5mL 二氧六环作为溶剂，再加入0. 45mL的哌啶作为催化剂。在100°C下反应M小时。 该反应即环三聚反应。待反应结束后，将反应液稀释后逐滴加入大量甲醇中沉淀。静置M 小时，过滤干燥至恒重，得到含四苯基乙烯生色团的疏水性超支化荧光聚合物，以“tib-TPE” 表示，同样tib-TPE的外围带未反应的炔基。

[0044] 其次，将实施例1中的分子量为350的带单羟基的聚乙二醇（PEG35tl-OH)换成分子量为6000的聚乙二醇（PE(i6_-0H)，其他制备条件与实施例1相同，制备分子量为6000的带单叠氮端基的聚乙二醇（PEG6cicici-N3)15

[0045] 步骤2)：称取40mg hb-TPE和Ig PEG6000-N3于聚合管中，加入DMF与甲苯各ImL作为溶剂，80°C下反应7小时，使tib-TPA的外围带未反应的炔基与PEG6ticitl-N3的叠氮基之间进行1，3-偶极环加成反应。反应完毕后，反应液稀释后在大量正己烷中沉淀，静置M小时， 过滤干燥至恒重，得到两亲性超支化荧光聚合物，即亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物。

[0046] 静态接触角测试表明：未与PE(i6_结合的Wd-TPE的接触角为124. 4°，而本实施例得到的亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的接触角为45. r，亲水性大大提高，亲水性能十分良好。

[0047] 实施例4 ：

[0048] 步骤1)：按实施例3的方法制备Wd-TPE。

[0049] 另外，在20mL聚合管中加入异丙基丙烯酰胺单体，无水无氧条件下，加入除水的 DMF作为溶剂，异丙苯基二硫代苯甲酸酯作为RAFT试剂，偶氮二异丁腈作为引发剂。其中， RAFT试剂与单体的摩尔比为1 ： 135，RAFT试剂与引发剂的摩尔比为5 ： 1。聚合反应在 70°C下进行18小时。反应完毕后，将反应液稀释后在大量乙醚中沉淀，静置M小时，过滤干燥至恒重，得到聚异丙基丙烯酰胺（POTPAM)聚合物。将该聚合物在硼氢化钠溶液中水解，通过透析法提纯即可得到一边末端带巯基的聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM-SH)，可以进一步与三键进行加成反应。通过凝胶色谱分析，PNIPAM-SH的分子量约1万。

[0050] 步骤2~)：称取30mg hb-TPE和800mg PNIPAM-SH于聚合管中，无水无氧条件下加入2. 5mL DMF作为溶剂，加入0. 5g 二苯基胺作为催化剂，室温下反应M小时，使tib-TPE的外围带未反应的炔基与PNIPAM-SH的巯基之间进行加成反应。反应完毕后，反应液稀释后在大量正己烷中沉淀，静置M小时，过滤干燥至恒重，得到两亲性超支化荧光聚合物，即亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物。

[0051] 静态接触角测试表明：未与PNIPAM结合的tib-TPE的接触角为124. 4°，而本实施例得到的亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的接触角为33.6°，亲水性大大提高。

[0052] 实施例5 ：

[0053] 步骤1)：按实施例1的方法制备ΙΛ-ΤΡΑ。[0054] 另外，称取6g分子量为3000的带单羟基的聚乙二醇（PEG3ticitl-OH)和600mg对碘苯甲酸加入到250mL的烧瓶中，再加入450mg N，N，- 二环己基碳化二亚胺（DCC)作为缩合剂，147mg 4-二甲氨基吡啶（DMAP)作为催化剂，500mg对甲基苯磺酰氯作为脱水剂，以新蒸的四氢呋喃为溶剂，室温下反应10小时。反应结束后，过滤，滤液浓缩后再次溶解到四氢呋喃中，通过透析法提纯，得到带有卞碘基团的聚乙二醇亲水链段（PEG3_-Ph-I)，可进一步与三键进行偶合反应。

[0055]步骤 2)：称取 40mg hb-TPA 和 600mg PEG3cicitl-Ph-I 加入 250mL 的圆底烧瓶中，无水无氧条件下加入IOOmL三乙胺作为溶剂，加入20mg 二三苯基膦氯化钯，16mg碘化亚铜和IOmg三苯基膦作为催化剂，30°C下反应10小时，使tib-TPA的外围带未反应的炔基与 PEG3000-Ph-I的卞苯基团之间进行偶合反应。反应完毕后，反应液稀释后在乙醚中沉淀，静置M小时，过滤得到的聚合物再通过透析法进行提纯，得到两亲性超支化荧光聚合物，即亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物。

[0056] 静态接触角测试表明：未与PE(i3_结合的WD-TPA的接触角为118. 2°，而本实施例得到的亲水外壳疏水内核结构的荧光聚合物的接触角为52. 3°，亲水性提高。