一种含芘-吡啶基团的共轭聚合物及其合成方法与应用与流程

本发明涉及共轭聚合物材料及其应用领域，具体涉及一种含芘-吡啶基团的共轭聚合物的合成方法与采用其制备纳米粒子的方法与应用。

背景技术：

近年来，共轭聚合物作为一种新型的化学和生物传感材料受到人们的广泛关注。共轭聚合物(cp)具有p-共轭骨架的大分子，具有高的量子产率。目前已被广泛用于发光二极管、太阳能电池、塑料激光和生化传感等领域(chem.soc.rev.2010,39,2411)。共轭聚合物纳米粒子(cpns)因具有许多独特的属性如高光吸收质量、高亮度、良好光稳定性、良好的相容性和可调控的光谱特性这些优点而成为生物化学传感器方面的研究热点(adv.funct.mater.2019,29，1806818)。

目前，关于cpns用于复杂生物体环境中的细胞成像、癌症等疾病检测的研究层出不穷(advpolymsci.2015，12，324)。据报道，减小cpns的尺寸大小可以减少非特异性的相互作用从而提高检测限和灵敏度(jadv.mater.,2012,24,3498–3504)。

2004年，masuhara及其同事用(3-[2-(n-十二烷基氨基甲酰氧基)乙基]噻吩-2,5-二基)(p3ddut)制备纳米粒子，其尺寸大小在40-400nm范围内，并研究了它的光谱性质(chemphyschem.,2004,5,1609–1615)。mecking和同事通过无环二烯复分解(admet)缩聚，glaser偶联反应，以及水性细乳液中的sonogashira偶联反应合成了各种荧光共轭聚合物纳米粒子，其尺寸大小为30nm左右(jamchemsoc.2009131，14267–14273)。

据研究报道可知，尺寸大小为20到200nm的纳米粒子可以非特异性内化到细胞中，显著损害检测过程的选择性和灵敏度(chem.soc.rev.,2012，41,2718–2739)。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种含芘-吡啶基团的共轭聚合物及其合成方法与应用。所述共轭聚合物属于低聚合物，尺寸小，有利于制备小粒径的纳米粒子。

本发明进一步要解决的技术问题是：提供一种采用含芘-吡啶基团的共轭聚合物制备纳米粒子的方法，该方法制备的纳米粒子的粒径小于10nm。。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种含芘-吡啶基团的共轭聚合物，其化学结构式如式i所示，其中，n＝2～20；优选的，n＝,3～10；更优选的，n＝4，

本发明含芘-吡啶基团的共轭聚合物的合成方法，以芘衍生物与2,6-二(乙炔基)吡啶为单体，通过sonogashira缩聚反应合成得到所述含芘-吡啶基团的共轭聚合物，所述芘衍生物如式iii或iv所示，其中，x＝-cl或-br，

优选的，所述sonogashira缩聚反应的催化剂为cui和pd(pph3)4。

优选的，所述sonogashira缩聚反应的温度为35～60℃，优选为40℃。

优选的，所述cui的物质的量和pd(pph3)4的物质的量均不超过芘衍生物物质的量的10％。所述四(三苯基膦)钯和cui的含量越高，则反应越快，但若含量过高，则将不利于形成所需均匀聚合度的聚合物。

优选的，所述芘衍生物与2,6-二(乙炔基)吡啶的物质的量比为1.0:1.0～1.2。

优选的，所述合成方法包括以下步骤：

(1)按配比称取芘衍生物、2,6-二(乙炔基)吡啶、cui和pd(pph3)4，然后加入甲苯和二异丙胺的混合溶液形成反应液，在惰性气体氛围下，将反应液升温至40～60℃，反应12～48h，冷却至室温，过滤，洗涤滤饼，收集滤液和洗液，浓缩，得粗品；

(2)向步骤(1)所得粗品中加入溶解粗品所需chcl3，然后加入甲醇，析出沉淀，过滤，洗涤滤饼，合并滤液和洗液，浓缩，得所述含芘-吡啶基团的共轭聚合物。

优选的，步骤(1)中，所述甲苯与和二异丙胺的体积比为4:1。

优选的，步骤(1)中，所述反应液中，芘衍生物的浓度为0.01～0.03mol/l，优选为0.025mol/l。

优选的，步骤(1)中，所述洗涤的洗液依次为chcl3和thf。

优选的，步骤(2)中，所述溶解粗品所需chcl3的体积与所述粗品的质量比为1.5～3.125ml/mg。

优选的，步骤(2)中，所述甲醇的体积与所述粗品的质量比为1.5～3.125ml/mg。

优选的，所述pd(pph3)4的合成方法是：将pdcl2、三苯基膦和二甲基亚砜以质量比1:5～10:50～150(更优选1:6～8:80～120)混合，在氮气保护下，搅拌升温至140～160℃，保温反应12～18min后，溶液颜色由黄色变红，再以速度0.5～1.5ml/min，以水合肼与二甲基亚砜的质量比为1:60～100(更优选1:70～90)滴入水合肼，静置，冷却，过滤，滤渣用乙醇抽洗≥4次，乙醚洗涤≥2次，得到所述pd(pph3)4。

优选的，所述2,6-二(乙炔基)吡啶的合成方法包括以下步骤：

(a)按1:0.05:0.05的物质的比依次称取26-二溴吡啶、pd(pph3)4和cui，加入体积比为4:1的甲苯与二异丙胺的混合溶液，然后加入2倍当量的三甲基硅乙炔，反应12h，过滤，浓缩，过柱分离，得中间体

(b)将步骤(a)所得中间体溶于体积比为1:1的四氢呋喃与甲醇的混合溶液中，加入7倍当量的k2co3，搅拌12小时，过滤，浓缩滤液，过柱分离，得到所述2,6-二(乙炔基)吡啶。

本发明进一步解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种采用所述含芘-吡啶基团的共轭聚合物制备纳米粒子的方法，包括以下步骤：

s1：将所述含芘-吡啶基团的共轭聚合物溶于易挥发溶剂中，得到浓度为60～125ppm的共轭聚合物溶液；

s2：将表面活性剂加入去离子水中超声10min形成表面活性剂溶液，向表面活性剂溶液中加入所述共轭聚合物溶液，超声至溶液澄清，过滤除去大分子物质，得到所述纳米粒子。

所述共轭聚合物溶液的浓度过低，将导致共轭聚合物难以团聚，形成纳米粒子，收率较低；浓度过高使得共轭聚合物的团聚更易团聚，使得形成的纳米粒子粒径较大。超声至溶液澄清是指超声至易挥发溶剂完全挥发，进而形成纳米粒子的水溶液。

优选的，所述表面活性剂选自peg-cooh、peg-b-ppg-b-peg、dspe-peg-mal和dspe-mpeg2000中的一种或多种，其中，peg-cooh为式v所示表面活性剂，peg-b-ppg-b-peg式为vi所示表面活性剂，dspe-peg-mal为式vii所示表面活性剂，dspe-mpeg2000为式viii所示表面活性剂。

优选的，所述表面活性剂与共轭聚合物的质量比为20～30:1，更为优选的，所述表面活性剂与共轭聚合物的质量比为25:1。

优选的，所述表面活性剂溶液的浓度为0.001g/ml～0.02g/ml；更为优选的，所述表面活性剂溶液的浓度为0.001g/ml。

优选的，所述易挥发溶剂选自二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃和甲醇中的一种或多种；更为优选的，所述易挥发溶剂为二氯甲烷。

优选的，所述过滤是指过0.22μm的水膜。

优选的，所述超声时间为0.5～24h；更为优选的，所述超声时间为12～20h。

本发明的方法制备的纳米粒子也属于本发明的保护范围。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明共轭聚合物属于低聚物，其聚合度较小，分子量小，易形成粒径小的纳米粒子，且其含有芘和吡啶基团，易通过芳香环的π-π作用团聚，避免了当共轭聚合物浓度过低，难以团聚的问题，使其更易形成纳米粒子；进一步的，所述共轭聚合物的芘基团具有强的荧光发射，便于检测和成像；吡啶基团上的孤对电子具有强的电子亲和能力和电子传输性能，在检测过程中易与金属离子配位发生荧光猝灭，更有利于检测金属离子；

(2)本发明共轭聚合物的合成方法通过sonogashira缩聚反应成功的合成了低聚的共轭聚合物，尽管sonogashira缩聚反应为常见的偶联反应，但通过对原料芘衍生物和2,6-二(乙炔基)吡啶的限定以及反应的温度、时间等条件的限定，成功的合成了本发明共轭聚合物；

(3)本发明制备纳米粒子的方法通过对共轭聚合物溶液的浓度调控以及结合本发明共轭聚合物聚合度小的特点采用微乳液法成功的制备了粒径小于10nm的纳米粒子，采用其应用检测金属粒子、有机小分子和细胞成像领域，有助于显著降低检测方法的检测限和提高检测方法的灵敏度；

(4)本发明方法制备的纳米粒子具有优良的水分散性，聚合物易溶于四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷和甲醇等有机溶剂，适用范围广；且纳米粒子的尺寸大小可通过改变聚合物在二氯甲烷中的浓度调控，适用于不同的检测方法；同时，该方法简单易行，投入成本低。

附图说明

图1是本发明实施例1合成的共轭聚合物的核磁氢谱图；

图2是图1局部放大图；

图3是实施例3利用实施例1合成的共轭聚合物制备的纳米粒子的tem图；

图4是实施例3利用实施例1合成的共轭聚合物制备的纳米粒子的尺寸大小分布图；

图5是实施例3制备的纳米粒子溶液的紫外吸收光谱图和荧光光谱图；

图6是对比例1的合成的聚合物纳米粒子的tem图；

图7是对比例1的合成的聚合物p1纳米棒的宽度尺寸分布图；

图8是对比例1的合成的聚合物p1纳米棒的长度度尺寸分布图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行进一步的说明。

本发明实施例所使用的氮气为纯度≥99.999％的高纯氮气；氩气为纯度≥99.999％的高纯氩气。本发明实施例所使用的化学试剂，如无特殊说明，均通过常规商业途径获得。

参考例1：四(三苯基膦)钯的合成

将pdcl2、三苯基膦和二甲基亚砜以质量比1:5～10:50～150(更优选1:6～8:80～120)混合，在氮气保护下，搅拌升温至140～160℃，保温反应12～18min后，溶液颜色由黄色变红，再以速度0.5～1.5ml/min，以水合肼与二甲基亚砜的质量比为1:60～100(更优选1:70～90)滴入水合肼，停止反应，静置，冷却，过滤，滤渣用乙醇抽洗≥4次，乙醚洗涤≥2次，即成。

参考例2：2,6-二(乙炔基)吡啶的合成

50ml三颈烧瓶中，加入2,6-二溴吡啶0.95g(4mmol)，pd(pph3)40.232g(0.2mmol)及cui38.1mg(0.2mmol)，在氮气的保护下加入15ml甲苯：二异丙胺＝4:1的混合溶剂，缓慢用针管加入1.1ml三甲基硅乙炔。室温(25℃)下反应12小时，滤液为黑色，除去不溶物后将滤液浓缩，获得产物，以石油醚：二氯甲烷＝5:1为展开剂，过柱。将得到的滤液旋干，得中间体600mg。

将上述产物溶于18ml四氢呋喃：甲醇＝1:1的溶剂中，加入3.54gk2co3，室温(25℃)搅拌12小时后过滤不溶物，将滤液浓缩后，粗产物用石油醚：二氯甲烷＝1:1为展开剂，过柱分离，得到产物300mg。

实施例1

式i为本实施例合成的共轭聚合物的化学结构式，合成方法包括以下步骤：

(1)在50ml三颈烧瓶加入1,6-二溴芘(0.25mmol，90.8mg)，2,6-二(乙炔基)吡啶(0.25mmol，31.8mg)，pd(pph3)4(25μmol，28.6mg)，和cui(25μmol，4.8mg)后，再加入8ml甲苯和2ml二异丙胺，抽真空，充氩气，在氩气氛围下在40℃下搅拌反应48h后停止反应，冷却至室温，用50mlchcl3洗出产物抽滤并用50mlthf洗涤固体，滤渣为黑灰色固体，滤液为黄色澄清液体，利用旋转蒸发仪除去滤液的溶剂后，得粗品；

(2)加入1ml三氯甲烷溶解固体，然后快速加入50ml甲醇使其沉淀，抽滤并用甲醇洗涤，最后将下层甲醇利用旋转蒸发仪除去即得暗棕色粘状产物(32mg)。

提纯过柱：利用梯度过柱的方法，先用石油醚：乙酸乙酯＝100：1的展开剂过柱，直至点板没有原料点，再用石油醚：乙酸乙酯＝1：1的展开剂过柱，收集洗脱液并旋干，最终得暗棕色粘状产物。

核磁表征：取5mg样品溶于0.5ml氘代氯仿试剂中，将溶于样品的氘代氯仿试剂全部转移至核磁管，配成样品溶液。进行核磁表征，氢谱如图1和图2所示，具体数据如下：¹hnmr(500mhz,chloroform-d)δ7.74–7.66(m,5h),7.58(td,j＝7.3,1.5hz,2h),7.52–7.46(m,5h)。7.74ppm-7.66ppm的5个质子氢为芘中的4个质子氢和吡啶环上的一个质子氢，7.58ppm的一个质子氢为吡啶环上4位的质子氢，7.52ppm–7.46ppm中的质子氢为芘中的4个质子氢和吡啶环上的一个质子氢，其中多余的一个质子氢可能为溶剂甲苯上的质子氢。

通过高分辨质谱测定实施例1所得的聚合物分子量为1300.36，聚合物的单元分子式为c25h11n，计算可得n＝4.

实施例2

式ii所示本实施例合成的共轭聚合物的化学结构式，合成方法包括以下步骤：

(1)在50ml三颈烧瓶加入1,8-二溴芘(0.25mmol，90.8mg)，2,6-二炔基吡啶(0.25mmol，31.8mg)，pd(pph3)4(25μmol，28.6mg)，和cui(25μmol，4.8mg)后，再加入8ml甲苯和2ml二异丙胺，抽真空，充氩气，在氩气氛围下在40℃下搅拌反应48h后停止反应，冷却至室温，用50mlchcl3洗出产物抽滤并用50mlthf洗涤固体，滤渣为黑灰色固体，滤液为黄色澄清液体，利用旋转蒸发仪除去滤液的溶剂后，得粗品；

(2)加入1ml三氯甲烷溶解固体，然后快速加入50ml甲醇使其沉淀，抽滤并用甲醇洗涤，最后将下层甲醇利用旋转蒸发仪除去即得暗棕色粘状产物。

实施例3

(1)将取实施例1所得共轭聚合物p1(0.6mg)溶于10ml二氯甲烷溶液中，制成60ppm的p1溶液。

(2)将0.015gpeg-300-cooh(液体)加入15ml去离子水中搅拌10min。

(3)将(1)加入(2)中超声12h至溶液完全澄清，即二氯甲烷完全挥发，过0.22μm的水膜，即得尺寸为4.88nm的小尺寸纳米粒子。

本实施例所得纳米粒子的tem图如3所示，纳米粒子的尺寸分布图如图4所示。如图3所示，共轭聚合物纳米粒子在水溶液中呈现优良的水分散性。如图4所示，纳米粒子的平均直径为4.88nm左右。

将1ml的纳米粒子溶液转移至荧光比色皿中，测定其荧光光谱。其光谱图如图5所示，聚合物纳米粒子溶液在455nm处有最大发射峰。

对比例1

(1)将实施例1制备的共轭聚合物(1.0mg)溶于8ml二氯甲烷溶液中，制成125ppm的共轭聚合物溶液；

(2)将0.02gpeg-300-cooh(液体)加入20ml去离子水中搅拌10min，得表面活性剂溶液；向表面活性剂溶液中加入共轭聚合物溶液，超声12h，即二氯甲烷完全挥发，过0.22μm的水膜，即得纳米粒子。

对本实施例的纳米粒子进行电镜扫描，其结果如图6所示，纳米粒子呈棒状，平均宽度为10.33nm，平均长度为59.27nm，其宽度和长度的分布图分别如图7和8所示。