萘酰亞胺負(fù)載聚降冰片烯熒光傳感器的合成及應(yīng)用

2022-02-02 01:15曹遷永陳葵彥

南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版） 2022年4期

曹遷永，陳葵彥

(南昌大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，江西南昌 330031)

熒光傳感器歸屬于光化學(xué)類的傳感材料，其與被分析對象結(jié)合后導(dǎo)致熒光信號的增強(qiáng)或減弱來實(shí)現(xiàn)傳感作用[1-2]。熒光傳感材料一般具有極強(qiáng)的靈敏性和特異性，靈敏度甚至可達(dá)到微摩爾或納摩爾級別。由于熒光傳感材料的合成步驟方法簡單，原材料便宜，使用簡便且重現(xiàn)能力強(qiáng)，近年來得到了不同領(lǐng)域的關(guān)注，廣泛地應(yīng)用于微量物質(zhì)分析、生物分析物識別、環(huán)境監(jiān)測等各種領(lǐng)域[3-4]。

熒光傳感器一般分為小分子熒光傳感器材料和聚合物熒光傳感器材料。小分子熒光傳感器由于其熒光信號較弱、水溶性不好且穩(wěn)定性一般等缺點(diǎn)從而導(dǎo)致應(yīng)用受限[5-6]。相比于小分子熒光傳感器，聚合物熒光傳感器由于具有熒光信號放大效應(yīng)、好的水溶性和生物相容性以及光熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)在化學(xué)傳感器材料領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注[7-8]。

眾所周知，降冰片烯是一個聚合活性高的單體。它可以通過開環(huán)易位聚合(ROMP)、陽離子/自由基聚合或烯烴加成聚合獲得一系列優(yōu)良的聚合物材料。這些聚合物材料常具有好的力學(xué)性能與機(jī)械性能，在隔音減震、吸油回收油、生物載藥等方面得到了廣泛應(yīng)用[9-10]。同時，基于聚降冰片烯熒光傳感材料也有相關(guān)報(bào)道[11-12]。這種聚降冰片烯熒光傳感材料一般是將熒光基團(tuán)和相應(yīng)的識別位點(diǎn)通過共價鍵方式得到功能化的降冰片烯單體，再通過聚合反應(yīng)得到聚合物傳感器材料。

磷酸類陰離子對維持生物正常代謝必不可少，比如在血液凝固、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡等方面發(fā)揮重要作用[13]。但它也是一種典型的環(huán)境污染物，水中含量過多會導(dǎo)致水富營養(yǎng)化，造成環(huán)境污染[14]。因此開發(fā)一種可以簡單高效地檢測生物樣品和環(huán)境中的磷酸鹽及其衍生物的傳感材料很有必要。

萘酰亞胺類化合物作為一種具有良好的光熱穩(wěn)定性、較高的熒光量子產(chǎn)率以及較大的斯托克斯位移等優(yōu)點(diǎn)的熒光染料受到越來越多的關(guān)注[15]。在熒光探針、有機(jī)太陽能電池以及藥物靶向定位劑中有著廣泛的應(yīng)用[16-18]?；谳刘啺沸》肿犹结樧R別分子、陽離子以及陰離子已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[19-21]，但是聚合物關(guān)于識別磷酸根陰離子的例子幾乎沒有。

在本文中，我們通過開環(huán)易位聚合反應(yīng)設(shè)計(jì)合成了含有酰胺鍵和咪唑钅翁2個陰離子識別位點(diǎn)的萘酰亞胺功能化降冰片烯單體NB-NA及其開環(huán)易位共聚物P-NB-NA-PEG，通過1H NMR、13C NMR以及質(zhì)譜驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的正確性。詳細(xì)研究了NB-NA及P-NB-NA-PEG的熒光發(fā)射光譜性質(zhì)，及其對不同陰離子的熒光識別能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

本實(shí)驗(yàn)所用藥品嗎啉(98.0%)、1-(3-氨丙基)咪唑(99.0%)、3-溴丙胺氫溴酸鹽(98.0%)、4-溴-1,8-二萘酐(96.0%)等購買自麥克林試劑有限公司；所用溶劑二氯亞砜、超干DMSO、二氯甲烷等均購自探索試劑有限公司，均為分析純，所有的藥品或溶劑無須純化即可直接使用。

主要儀器：數(shù)顯電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9030A，上海瑞佳精密科學(xué)儀器有限公司)、磁力攪拌器(81-2加熱磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司)、熒光分光度計(jì)(F-4500，日立(HITACHI)公司)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(SY2000，上海亞榮生化儀器廠)、紫外分光光度計(jì)(UV-3010，日立(HITACHI)公司)、核磁共振儀(DD2-400MR，美國安捷倫(Agilent))。

1.2 絡(luò)合常數(shù)和檢測限的計(jì)算

(2) 檢測限(LOD)的計(jì)算。其計(jì)算公式為

LOD=3σ/K

式中：σ為10次主體熒光的標(biāo)準(zhǔn)偏差值；K為線性擬合圖的斜率。

1.3 合成路線

聚合物P-NB-NA-PEG合成路線如圖1所示。

1.4 合成

1.4.1 化合物1的合成

化合物1的合成參照文獻(xiàn)[22]。

1.4.2 化合物2的合成

在氮?dú)夥諊?，將化合?(300 mg，1.06 mmol)溶于60 mL乙醇中，再加入1-(3-氨丙基)咪唑(200 mg，1.6 mmol)，于80 ℃下回流過夜。反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液減壓旋干，得到粗產(chǎn)物。進(jìn)一步通過柱層析(V(DCM):V(PE)=50:1)純化，得到黃色粉末狀化合物2(200 mg，50%)。其1H NMR(400 MHz,CDCl3)數(shù)據(jù)解析如下。δ/ppm:8.54(dt,J=7.3,1.2 Hz,1H),8.44(td,J=7.9,1.1 Hz,2H),7.68～7.61(m,1H),7.54(d,J=1.5 Hz,1H),7.09(dd,J=8.3,1.0 Hz,1H),7.04～6.98(m,2H),4.21(t,J=6.9 Hz,2H),4.05(t,J=7.4 Hz,2H),3.10(d,J=1.1 Hz,6H),2.24(p,J=7.2 Hz,2H)。其13C NMR(101 MHz,CDCl3)數(shù)據(jù)解析如下。δ/ppm:164.65,164.05,157.1,137.13,132.86,131.51,131.19,129.46,125.15,124.85,118.69,113.24,44.99,44.74,37.45,29.75。TOF-HRMS(m/z):C22H22N4O3(M+H+)，理論值390.0813,實(shí)驗(yàn)值390.1692。

1.4.3 化合物3的合成

化合物3的合成參照文獻(xiàn)[23]。

1.4.4 化合物4的合成

在氮?dú)夥諊?，先將化合?(300 mg,1 mmol)加入到裝有30 mL除水DCM的反應(yīng)瓶中。然后，將3-溴丙胺氫溴酸鹽(328 mg,1.5 mmol)和0.5 mL Et3N溶于10 mL除水DCM中，在冰浴條件下緩慢滴加到反應(yīng)瓶中，常溫下反應(yīng)8 h。反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液減壓旋干得到粗產(chǎn)物。進(jìn)一步通過柱層析(V(DCM):V(PE)=4:1)純化，得到白色粉末狀化合物4(200 mg，45%)。其1H NMR(400 MHz,CDCl3)數(shù)據(jù)解析如下。δ/ppm:7.80～7.74(m,2H),7.22～7.16(m,2H),6.24(s,2H),3.59～3.52(m,2H),3.48(d,J=7.8 Hz,2H),3.46～3.39(m,4H),2.20～2.11(m,2H),1.77(dd,J=8.4,2.3 Hz,1H),1.60(d,J=8.8 Hz,1H)。其13C NMR(101 MHz,DMSO)數(shù)據(jù)解析如下。δ/ppm:176.96,176.85,165.42,136.81,135.00,134.98,130.27,129.63,128.20,127.60,127.21,52.24,46.01,45.94,45.29,45.25,38.37,32.96,32.70。TOF-MS(m/z):C19H19N2O3Br(M-H+)，理論值401.050 1,實(shí)驗(yàn)值401.131 9。

(a) 2-Methoxyethanol，125 ℃ reflux；(b) EtOH,80 ℃ reflux；(c) KI,MeCN,75 ℃ reflux；(d) PhMe,120 ℃ reflux；(e) Thionyl Chloride,45 ℃ reflux；(f) Dry DCM，Et3N,RT；(g) Dry DCM,HO(CH2CH2O)16CH3，Et3N,RT；(h) Dry DCM,Grubbs 3,RT.

1.4.5 化合物NB-PEG的合成

在氮?dú)夥諊?，將聚乙二?Mr=750,350 mg,0.47 mmol)和Et3N(1 mL)加入裝有20 mL二氯甲烷的圓底燒瓶中，并在0 ℃下攪拌10 min。然后將化合物3(200 mg,0.66 mmol)的二氯甲烷溶液緩慢滴加到上述溶液中，室溫下反應(yīng)10 h。反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液減壓旋干得到粗產(chǎn)物。進(jìn)一步通過柱層析(V(PE):V(DCM)=6:1)純化，得到無色透明油狀化合物NB-PEG(430 mg，90%)。其1H NMR(400 MHz,CDCl3)數(shù)據(jù)解析如下。δ/ppm：8.08(d,J=8.3 Hz,2H),7.22(d,J=8.4 Hz,2H),6.23(s,2H),4.44(t,J=4.8 Hz,2H),3.81～3.76(m,3H),3.61(s,58 H),3.51(dd,J=5.8,3.6 Hz,2H),3.50～3.46(m,2H),3.42(dd,J=2.9,1.6 Hz,2H),3.34(s,3H),1.77(d,J=8.9 Hz,1H),1.59(d,J=8.9 Hz,1H)。其13C NMR(101 MHz,CDCl3)數(shù)據(jù)解析如下。δ/ppm：176.3,165.6,135.8,134.6,130.4,129.9,126.4,71.9,70.6,69.1,64.3,59.0,52.3,45.8,45.5。TOF-HRMS(m/z):C49H79NO20(M+H+)，理論值1 002.519 5,實(shí)驗(yàn)值1 002.525 1。

1.4.6 化合物NB-NA的合成

在氮?dú)夥諊?，先將化合?(177 mg,0.44 mmol)、化合物2(156 mg,0.4 mmol)和KI(30 mg)加入到裝有15 mL除水乙腈的耐壓瓶中，于90 ℃下回流過夜。反應(yīng)完成后，將反應(yīng)液減壓旋干得粗產(chǎn)物。進(jìn)一步通過柱層析(V(CDM):V(MeOH)=50:1)純化，得到橙紅色粉末狀化合物NB-NA(221 mg，70%)。其FTIR(KBr)數(shù)據(jù)解析如下。υmax/cm-1:2 916,1 774,1 642,1 582,1 176,840。其1H NMR(400 MHz,CDCl3)數(shù)據(jù)解析如下。δ/ppm:9.90～9.86(m,1H),8.53(dt,J=7.4,1.5 Hz,1H),8.43(dq,J=8.4,1.3 Hz,2H),8.19(s,1H),8.14(dd,J=8.5,2.2 Hz,2H),7.64(ddd,J=8.6,7.4,2.1 Hz,1H),7.52～7.46(m,1H),7.40～7.35(m,1H),7.17(dd,J=8.6,2.1 Hz,2H),7.09(dd,J=8.5,2.1 Hz,1H),6.20(m,2H),4.43(s,2H),4.12(s,4H),3.60(d,J=6.0 Hz,2H),3.42(s,2H),3.36～3.31(m,2H),3.12(d,J=2.0 Hz,6H),2.40(s,2H),2.30(d,J=8.0 Hz,2H),1.75(d,J=8.8 Hz,1H),1.56(d,J=8.8 Hz,1H)。其13C NMR(101 MHz,CDCl3)數(shù)據(jù)解析如下。δ/ppm:176.68,166.95,164.78,164.16,157.30,136.52,134.63,133.46,133.12,131.80,131.34,130.47,128.61,126.74,126.65,124.82,122.62,122.31,122.16,113.63,113.17,77.23,52.28,48.01,47.86,45.92,45.50,45.43,44.73,36.61,36.54,29.37,28.62。TOF-HRMS(m/z):C41H41N6O6(M+H+)，理論值713.308 0,實(shí)驗(yàn)值713.308 2。

1.4.7 化合物P-NB-NA-PEG的合成

在手套箱中，將化合物NB-NA(50 mg,0.06 mmoL)，化合物NB-PEG(128 mg,0.12 mmoL)加入到Schlenk管中，加入5 mL除水DCM溶解反應(yīng)物，再將格拉布第三代催化劑Grubbs3(30 mg，0.04 mmoL)加入到Schlenk管中。室溫避光反應(yīng)15 min，然后加入1 mL乙烯基乙醚猝滅反應(yīng)0.5 h。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液濃縮，然后使用DCM和PE進(jìn)行多次重結(jié)晶，得化合物P-NB-NA-PEG。其FTIR(KBr)數(shù)據(jù)解析如下。υmax/cm-1:3 454,1 716,1 656,847,763。其1H NMR(400 MHz,CDCl3)數(shù)據(jù)解析如下。δ/ppm:8.41(s,3H),8.05(s,4H),7.49～7.30(m,4H),6.97(s,1H),5.80(s,2H),4.44(s,3H),3.80(s,3H),3.63(s,39H),3.53(s,3H),3.36(s,3H),3.08(s,5H),2.41(s,1H),2.29(s,1H)。

1.5 紫外和熒光光譜測試

首先稱取一定量的各種陰離子(均為各種陰離子四丁基銨鹽)，用超干DMSO將其分別配制成濃度為0.1 mol·L-1的溶液2 mL，最后再分別將其稀釋至0.01 mol·L-1和0.001 mol·L-1。然后稱取一定量的化合物NB-NA和P-NB-NA-PEG，用超干DMSO分別配制成2 mmol·L-1和3 mg·mL-1的母液。在光譜測試過程中，通過移液槍將離子溶液加入到NB-NA或P-NB-NA-PEG(2 mL)的溶液中的體積是可以忽略不計(jì)的，所以按照恒定體積進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物熒光傳感器材料的合成與表征

聚合物熒光傳感器材料P-NA-NB-PEG的合成方法如圖1所示。以5-降冰片烯-2,3-二羧酸酐和4-溴-1,8-二萘酐為起始原料，經(jīng)過取代反應(yīng)、酯化反應(yīng)、?；磻?yīng)等得到單體化合物NB-NA和NB-PEG，并通過1H NMR、13C NMR、TOF-HRMS驗(yàn)證了其化學(xué)結(jié)構(gòu)的正確性。然后將單體NA-NB和單體NB-PEG以1:2的物質(zhì)的量比在格拉布第三代催化劑Gruubs3作用下，經(jīng)過開環(huán)易位聚合反應(yīng)(ROMP)得到共聚物P-NB-NA-PEG。

通過1H NMR證明了共聚物P-NB-NA-PEG的成功合成。如圖2所示，化合物NB-NA的雙鍵質(zhì)子峰在6.20 ppm，嗎啉基團(tuán)上亞甲基的質(zhì)子峰分別位于3.42，3.33，3.12，3.11 ppm；單體化合物NB-PEG的雙鍵質(zhì)子峰在6.20 ppm，—CH3質(zhì)子信號在3.34 ppm。2個單體經(jīng)過開環(huán)易位聚合之后，對聚合物P-NB-NA-PEG核磁氫譜圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，單體NB-NA和NB-PEG在6.20 ppm處的雙鍵共振信號消失，同時在5.80 ppm處出現(xiàn)一個新的質(zhì)子峰；而且在聚合物核磁信號中發(fā)現(xiàn)了單體NB-NA嗎啉基團(tuán)上亞甲基的質(zhì)子峰和單體NB-PEG中—CH3質(zhì)子信號。這些結(jié)果進(jìn)一步表明，聚合物P-NB-NA-PEG成功合成了。

同時，我們對單體NB-NA和共聚物P-NB-NA-PEG進(jìn)行了熱重分析(TGA)，如圖2所示，共聚物P-NB-NA-PEG分解溫度(重量損失5%時的溫度)在263 ℃以上，遠(yuǎn)高于單體NB-NA的分解溫度106 ℃，說明共聚物P-NB-NA-PEG具有良好的熱穩(wěn)定性。這種高的熱穩(wěn)定性可能歸因于聚合物相比于小分子化合物具有最大的分子量。

2.2 聚合物熒光傳感器材料的光譜性質(zhì)

首先，我們對聚合物P-NB-NA-PEG及其單體NB-NA、NB-PEG在DMSO溶液中進(jìn)行紫外吸收光譜測試，結(jié)果如圖4所示。P-NB-NA-PEG在430 nm(ε=5.96×103mol-1·cm-1)處有一特征可歸屬為萘酰亞胺的吸收峰。根據(jù)Lambert-Beer定律及紫外-可見吸收光譜標(biāo)準(zhǔn)工作曲線進(jìn)行分析，確定了共聚物P-NB-NA-PEG中單體NB-NA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%，單體NB-NA和NB-PEG的實(shí)際聚合物質(zhì)的量比為1:1.33，低于實(shí)際投料比1:2。所以，為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對比，后續(xù)光譜測定共聚物質(zhì)量濃度為25 μg·mL-1，此時對應(yīng)單體NB-NA濃度為10 μmol·L-1。

f1/ppm圖2 化合物P-NB-NA-PEG、NB-NA、NA-PEG的1H NMR比較圖Fig.2 1H NMR spectra of compounds P-NB-NA-PEG,NB-NA and NA-PEG

θ/℃圖3 共聚物P-NB-NA-PEG和單體NB-NA的TGA曲線Fig.3 TGA curves of copolymer P-NB-NA-PEG and monomer NB-NA

λ/nm圖4 化合物P-NB-NA-PEG、NB-NA、NB-PEG在DMSO溶液中紫外吸收光譜圖Fig.4 UV absorption spectra of compounds P-NB-NA-PEG,NB-NA and NB-PEG in DMSO solution

同時我們研究了單體NB-NA及聚合物P-NB-NA-PEG在不同極性有機(jī)溶劑如二甲亞砜、乙腈、N,N-二甲基酰胺、四氫呋喃、甲苯及二氯甲烷中的吸收光譜及發(fā)射光譜，所有數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5及表1所示。在不同有機(jī)溶劑中，單體NB-NA和共聚物P-NB-NA-PEG的吸收和發(fā)射峰位置都有一定的溶劑依賴關(guān)系，隨著溶劑極性的增加，其吸收與發(fā)射峰位置都有一定的紅移，這可能歸屬于熒光團(tuán)萘酰亞胺分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)。同時，我們發(fā)現(xiàn)，在DMSO溶液中其Stocks位移最大，可歸因于其大的溶劑極性。為此后續(xù)光譜測試選擇在DMSO中進(jìn)行。