技术领域本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶的制备方法。
背景技术：
荧光传感器是一项基于物理、化学识别和荧光检测原理的新兴的高效检测技术。传统的检测技术如色谱、质谱等所使用的仪器不够灵活，仪器运营和维护成本较高，不能得到广泛性运用。因此，高灵敏度和高选择性的荧光传感器能将金属离子识别信号灵活地转化为荧光信号，具有量子产率大、稳定性高和方便快捷等优势，备受人们的青睐。自1980年报道小分子荧光传感器用于Ca2+检测以来，各种形式的金属离子如Cr3+、Cu2+等及其他的一些有机物的小分子荧光传感器已有大量报道，时至今日，聚合物荧光传感器的多功能化修饰赋予了聚合物荧光传感器更多的性能，已成为目前荧光传感器的研究热点。其中，卟啉/聚合物体系由于较高的荧光量子产率，在多种溶液体系下体系稳定，其吸收波长和发生波长间隔大容易区分，是一种理想的荧光传感器类型。该荧光传感器在微量金属离子检测，癌症光动力治疗以及水体污染物吸附净化方面有着广阔的应用。而且通过无皂乳液聚合方法将聚合物荧光传感器中的金属离子探测基团固定在纳米凝胶表面，与溶液体系形成微相分离，同时利用聚N-异丙基丙烯酰胺的温敏特性，达到微相疏水环境的目的，宏观上实现荧光检测信号增强的作用。卟啉是一种具有大环骨架的小分子荧光化合物，其能与水溶液中的多种金属离子结合，形成金属卟啉，从而引起荧光发射强度的改变和荧光发射波长的偏移。通过引入不同的金属离子，金属卟啉的荧光发射强度和荧光发射波长都会发生不同程度的变化，因此可以实现不同金属离子的选择性区分，即荧光探针。通过将卟啉制备成丙烯酸酯类单体后共聚得到聚合物，可以增大卟啉的水溶性和金属离子的结合能力，当含卟啉的聚合物制备成纳米凝胶后，可以发展成为生物相容性、复合多功能的高灵敏度的荧光传感器。更重要的是，温度诱导的纳米凝胶产生可逆的疏水性微区，显著地提高了卟啉基团的荧光产率，从而进一步提高了检测精度。利用聚N-异丙基丙烯酰胺的两亲性，结合无皂乳液聚合这种先进的聚合方法，在聚丙烯酸酯嵌段上引入金属离子响应性的卟啉基团，可以制备含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶，这将在生物化学、仿生催化以及光度分析与传感器方面具有广泛运用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶的制备方法。本发明的目的是将金属离子响应的卟啉基团引入到嵌段聚合物中，实现金属离子响应性的嵌段聚合物的制备。本发明用商品化对羟基苯甲醛、苯甲醛、吡咯合成了单羟基卟啉，再通过商品化的碳酸钾和6-氯-1-己醇与其反应修饰得到扩链后的单羟基卟啉。然后通过与甲基丙烯酰氯反应制备含卟啉的丙烯酸酯类单体。最后以商业化的过硫酸类引发剂采用无乳乳液聚合方法引发含卟啉的丙烯酸酯单体和N-异丙基丙烯酰胺制备嵌段聚合物凝胶。本发明提出了一种含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶的制备方法，具体步骤如下：（1）将对羟基苯甲醛和苯甲醛按照1:3的摩尔比依次加入丙酸中，混合均匀，其中苯甲醛和丙酸的体积比为1:(30~50)。混合均匀后的液体升温至120~150℃，机械搅拌回流1~5小时。然后配制体积分数为10%的新蒸吡咯丙酸溶液，其所用体积与苯甲醛和对羟基苯甲醛丙酸溶液总体积的体积之比为1:(3~1:4)。新蒸吡咯丙酸溶液通过恒压滴液漏斗滴加到苯甲醛和对羟基苯甲醛的丙酸溶液中，滴加时间为30分钟~1小时，反应温度为120~150℃，反应时间为4～8小时。反应结束后，稀释、冷却、提纯、洗涤干燥。（2）将碳酸钾、6-氯-1-己醇和步骤（1）中所得产物溶解于适量溶剂中，体系反应温度为10~50℃，反应时间为12~24小时。其中：碳酸钾、6-氯-1-己醇和步骤（1）中所得产物的摩尔比为1:1.1~1.2:1。反应结束后萃取、过滤、提纯、干燥。（3）将步骤（2）中所得产物和缚酸剂Ｂ按照一定的摩尔比溶解在适量的无水溶剂中，混合均匀后的液体冰浴冷却至0℃。然后将甲基丙烯酰氯溶解于适量的无水溶剂中，通过恒压滴液漏斗滴加到冰浴后的混合液体中，其中步骤（2）中所得产物、缚酸剂Ｂ和甲基丙烯酰氯的摩尔比为1:(1.2~1.5):(1.2~1.5)，体系反应温度为10~50℃，反应时间为12~24小时。反应结束后萃取、洗涤、柱状色谱提纯、沉淀、真空干燥。（4）将重结晶后N,N-亚甲基双丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺和表面活性剂Ｄ按照一定的摩尔比溶解在适量的去离子水中，体系通过抽取氩气或氮气排除空气处理30分钟~1小时，同时在400~600rpm转速下机械搅拌加热至70~90℃并保持恒温。随后体系中加入引发剂Ｅ引发乳液聚合反应，得到反应液。然后称取步骤（3）中所得产物单体溶于二甲基亚砜和丙酮组成的混合溶液中，混合均匀，通过恒压滴液漏斗滴加至反应液中。其中：N,N-亚甲基双丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、表面活性剂Ｄ、引发剂Ｅ和步骤（3）中所得产物单体的摩尔比为1:(30~50):(1.5~3):(1~5):(0.1~0.5)，去离子水、二甲基亚砜和丙酮的体积比为1:(0.001~0.01):(0.1~1)。体系在氩气或氮气保护下反应，反应温度为70~90℃，反应时间为7~10小时。反应结束后冷却至室温，过滤，透析，烘干，即得到所需产物。本发明中，步骤(2)中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。本发明中，步骤(3)中所述缚酸剂Ｂ为三乙胺、乙二胺或丙二胺中的一种或几种。本发明中，步骤(3)中所述无水溶剂Ｃ为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或几种。本发明中，步骤(4)中所述表面活性剂Ｄ为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠中的一种或几种。本发明中，步骤(4)中所述引发剂Ｅ为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠中的一种或两种。本发明的有益效果在于：所用原料市面均已商业化且来源广泛，如6-氯-1-己醇、甲基丙烯酰氯、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和溶剂等均已实现了工业化生产，设计步骤条理清晰，合成方法简便易得，可重复性好。实验制备的含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶利用聚N-异丙基丙烯酰胺的两亲性，结合无皂乳液聚合这种先进的聚合方法，在聚丙烯酸酯嵌段上引入金属离子响应性的卟啉基团，这将在生物化学、仿生催化以及光度分析与传感器方面具有广泛运用。附图说明图1为实施例1制备的含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶的结构示意图。具体实施方式以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。该含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶的分子结构用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和核磁共振分析仪（NMR）测定。光信号由点光源紫外灯发射。共聚物凝胶的微观形貌用透射电镜（TEM）与原子力显微镜（AFM）测定。共聚物凝胶的金属离子及温度双重响应性通过荧光发射光谱测定。实施例1苯甲醛5.47mL和对羟基苯甲醛2.2735g溶解于190mL丙酸中，升温至135℃回流1小时，然后将5mL吡咯（新蒸馏）用移液枪移取加入到20mL丙酸中并用30mL丙酸稀释，恒压滴液漏斗滴加30分钟，135℃回流4小时。甲醇中稀释并冷却过夜，分别进行两次柱层析提纯得到产物A。0.63g产物A,0.15mL6-氯-1-己醇，0.14g碳酸钾溶解于100mLN,N-二甲基甲酰胺中，反应回流12小时。旋干N,N-二甲基甲酰胺后用二氯甲烷溶解，并用水进行萃取，二氯甲烷萃取液浓缩后用无水硫酸镁干燥过夜。母液经过柱层析收集得到产物B。0.365g产物B，0.06g三乙胺，20mL四氢呋喃置于50mL圆底烧瓶。冰浴0℃条件下，将0.062g甲基丙烯酰氯溶于5mL无水四氢呋喃中磁力搅拌下逐滴滴到圆底烧瓶中，20℃搅拌过夜。过滤、旋干溶液后用二氯甲烷稀释并用盐水萃取，萃取后加入无水硫酸镁干燥过夜，粗产物用柱层析提纯，冲洗液为二氯甲烷，得到产物C。将15g重结晶后N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.5gN-异丙基丙烯酰胺和4mg表面活性剂十二烷基硫酸钠溶解在50mL去离子水中，体系通过抽取氩气排除空气处理30分钟，同时在400rpm转速下机械搅拌加热至70℃并保持恒温。随后体系中加入引发剂过硫酸铵引发乳液聚合反应。然后称取3mg产物C溶于1mL二甲基亚砜和10mL丙酮中并混合均匀，通过恒压滴液漏斗滴加至反应液中。体系在氩气保护下反应，反应温度为70℃，反应时间为7小时。反应结束后冷却至室温，过滤，透析，烘干，即得到所需产物含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶。实施例2苯甲醛5.47mL和对羟基苯甲醛2.2735g溶解于250mL丙酸中，升温至150℃回流2小时，然后将6mL吡咯（新蒸馏）用移液枪移取加入30mL丙酸中并用30mL丙酸稀释，恒压滴液漏斗滴加45分钟，150℃回流6小时。甲醇中稀释并冷却过夜，分别进行两次柱层析提纯得到产物A。0.63g产物A,0.2mL6-氯-1-己醇，0.14g碳酸钾溶解于80mLN,N-二甲基甲酰胺中，反应回流18小时。旋干N,N-二甲基甲酰胺后用二氯甲烷溶解，并用水进行萃取，二氯甲烷萃取液浓缩后用无水硫酸镁干燥过夜。母液经过柱层析收集得到产物B。0.73g产物B，0.15g三乙胺，45mL四氢呋喃置于100mL圆底烧瓶。冰浴0℃条件下，将0.062g甲基丙烯酰氯溶于5mL无水四氢呋喃中磁力搅拌下逐滴滴到圆底烧瓶中，10℃搅拌过夜。过滤、旋干溶液后用二氯甲烷稀释并用盐水萃取，萃取后加入无水硫酸镁干燥过夜，粗产物用柱层析提纯，冲洗液为二氯甲烷，得到产物C。将10g重结晶后N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.3gN-异丙基丙烯酰胺和4mg表面活性剂十二烷基硫酸钠溶解在60mL去离子水中，体系通过抽取氮气排除空气处理30分钟，同时在600rpm转速下机械搅拌加热至90℃并保持恒温。随后体系中加入引发剂过硫酸铵引发乳液聚合反应。然后称取2mg产物C溶于0.6mL二甲基亚砜和7mL丙酮中并混合均匀，通过恒压滴液漏斗滴加至反应液中。体系在氮气保护下反应，反应温度为90℃，反应时间为10小时。反应结束后冷却至室温，过滤，透析，烘干，即得到所需产物含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶。实施例3苯甲醛2.74mL和对羟基苯甲醛1.1368g溶解于150mL丙酸中，升温至120℃回流5小时，然后将4mL吡咯（新蒸馏）用移液枪移取加入20mL丙酸中并用20mL丙酸稀释，恒压滴液漏斗滴加1小时，150℃回流6小时。甲醇中稀释并冷却过夜，分别进行两次柱层析提纯得到产物A。0.37g产物A,0.1mL6-氯-1-己醇，0.07g碳酸钾溶解于50mLN,N-二甲基甲酰胺中，反应回流24小时。旋干N,N-二甲基甲酰胺后用二氯甲烷溶解，并用水进行萃取，二氯甲烷萃取液浓缩后用无水硫酸镁干燥过夜。母液经过柱层析收集得到产物B。0.37g产物B，0.08g三乙胺，25mLN,N-二甲基甲酰胺置于50mL圆底烧瓶。冰浴0℃条件下，将0.030g甲基丙烯酰氯溶于10mLN,N-二甲基甲酰胺中磁力搅拌下逐滴滴到圆底烧瓶中，20℃搅拌过夜。过滤、旋干溶液后用二氯甲烷稀释并用盐水萃取，萃取后加入无水硫酸镁干燥过夜，粗产物用柱层析提纯，冲洗液为二氯甲烷，得到产物C。将5g重结晶后N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.15gN-异丙基丙烯酰胺和2mg表面活性剂十二烷基硫酸钠溶解在30mL去离子水中，体系通过抽取氩气排除空气处理1小时，同时在500rpm转速下机械搅拌加热至80℃并保持恒温。随后体系中加入引发剂过硫酸铵引发乳液聚合反应。然后称取1mg产物C溶于0.3mL二甲基亚砜和4mL丙酮中并混合均匀，通过恒压滴液漏斗滴加至反应液中。体系在氩气保护下反应，反应温度为80℃，反应时间为8小时。反应结束后冷却至室温，过滤，透析，烘干，即得到所需产物含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶。实施例4苯甲醛10.94mL，对羟基苯甲醛4.547g溶解于350mL丙酸中，升温至140℃回流3小时，然后将10mL吡咯（新蒸馏）用移液枪移取加入40mL丙酸中并用60mL丙酸稀释，恒压滴液漏斗滴加1小时，145℃回流7小时。甲醇中稀释并冷却过夜，分别进行两次柱层析提纯得到产物A。1.26g产物A,0.3mL6-氯-1-己醇，0.3g碳酸钾溶解于200mLN,N-二甲基乙酰胺中，反应回流12小时。旋干N,N-二甲基乙酰胺后用二氯甲烷溶解，并用水进行萃取，二氯甲烷萃取液浓缩后用无水硫酸镁干燥过夜。母液经过柱层析收集得到产物B。0.73g产物B，0.12g三乙胺，40mLN,N-二乙基甲酰胺置于100mL圆底烧瓶。冰浴0℃条件下，将0.25g甲基丙烯酰氯溶于10mLN,N-二乙基甲酰胺中磁力搅拌下逐滴滴到圆底烧瓶中，30℃搅拌过夜。过滤、旋干溶液后用二氯甲烷稀释并用盐水萃取，萃取后加入无水硫酸镁干燥过夜，粗产物用柱层析提纯，冲洗液为二氯甲烷，得到产物C。将30g重结晶后N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1gN-异丙基丙烯酰胺和10mg表面活性剂十二烷基硫酸钠溶解在100mL去离子水中，体系通过抽取氩气排除空气处理30分钟，同时在450rpm转速下机械搅拌加热至85℃并保持恒温。随后体系中加入引发剂过硫酸钠引发乳液聚合反应。然后称取6mg产物C溶于1.5mL二甲基亚砜和25mL丙酮中并混合均匀，通过恒压滴液漏斗滴加至反应液中。体系在氩气保护下反应，反应温度为85℃，反应时间为9小时。反应结束后冷却至室温，过滤，透析，烘干，即得到所需产物含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶。实施例5苯甲醛5.47mL，对羟基苯甲醛2.2735g溶解于300mL丙酸中，升温至125℃回流4小时，然后将5.5mL吡咯（新蒸馏）用移液枪移取加入20mL丙酸中并用35mL丙酸稀释，恒压滴液漏斗滴加35分钟，145℃回流6小时。甲醇中稀释并冷却过夜，分别进行两次柱层析提纯得到产物A。0.60g产物A,0.10mL6-氯-1-己醇，0.13g碳酸钾溶解于90mLN,N-二乙基甲酰胺中，反应回流20小时。旋干N,N-二乙基甲酰胺后用二氯甲烷溶解，并用水进行萃取，二氯甲烷萃取液浓缩后用无水硫酸镁干燥过夜。母液经过柱层析收集得到产物B。0.38g产物B，0.08g三乙胺，25mLN,N-二甲基乙酰胺置于50mL圆底烧瓶。冰浴0℃条件下，将0.07g甲基丙烯酰氯溶于7mLN,N-二甲基乙酰胺中磁力搅拌下逐滴滴到圆底烧瓶中，40℃搅拌过夜。过滤、旋干溶液后用二氯甲烷稀释并用盐水萃取，萃取后加入无水硫酸镁干燥过夜，粗产物用柱层析提纯，冲洗液为二氯甲烷，得到产物C。将18g重结晶后N,N-亚甲基双丙烯酰胺、0.6gN-异丙基丙烯酰胺和5mg表面活性剂十二烷基苯磺酸钠溶解在50mL去离子水中，体系通过抽取氮气排除空气处理35分钟，同时在470rpm转速下机械搅拌加热至75℃并保持恒温。随后体系中加入引发剂过硫酸钾引发乳液聚合反应。然后称取4.5mg产物C溶于3mL二甲基亚砜和12mL丙酮中并混合均匀，通过恒压滴液漏斗滴加至反应液中。体系在氮气保护下反应，反应温度为75℃，反应时间为7.5小时。反应结束后冷却至室温，过滤，透析，烘干，即得到所需产物含卟啉的温度及多种金属离子双重响应性嵌段共聚物凝胶。