萘酰亚胺负载聚降冰片烯荧光传感器的合成及应用

2022-02-02曹迁永陈葵彦

南昌大学学报（工科版） 2022年4期

曹迁永，陈葵彦

(南昌大学化学与化工学院，江西南昌 330031)

荧光传感器归属于光化学类的传感材料，其与被分析对象结合后导致荧光信号的增强或减弱来实现传感作用[1-2]。荧光传感材料一般具有极强的灵敏性和特异性，灵敏度甚至可达到微摩尔或纳摩尔级别。由于荧光传感材料的合成步骤方法简单，原材料便宜，使用简便且重现能力强，近年来得到了不同领域的关注，广泛地应用于微量物质分析、生物分析物识别、环境监测等各种领域[3-4]。

荧光传感器一般分为小分子荧光传感器材料和聚合物荧光传感器材料。小分子荧光传感器由于其荧光信号较弱、水溶性不好且稳定性一般等缺点从而导致应用受限[5-6]。相比于小分子荧光传感器，聚合物荧光传感器由于具有荧光信号放大效应、好的水溶性和生物相容性以及光热稳定性等优点在化学传感器材料领域得到广泛关注[7-8]。

众所周知，降冰片烯是一个聚合活性高的单体。它可以通过开环易位聚合(ROMP)、阳离子/自由基聚合或烯烃加成聚合获得一系列优良的聚合物材料。这些聚合物材料常具有好的力学性能与机械性能，在隔音减震、吸油回收油、生物载药等方面得到了广泛应用[9-10]。同时，基于聚降冰片烯荧光传感材料也有相关报道[11-12]。这种聚降冰片烯荧光传感材料一般是将荧光基团和相应的识别位点通过共价键方式得到功能化的降冰片烯单体，再通过聚合反应得到聚合物传感器材料。

磷酸类阴离子对维持生物正常代谢必不可少，比如在血液凝固、炎症反应、细胞凋亡等方面发挥重要作用[13]。但它也是一种典型的环境污染物，水中含量过多会导致水富营养化，造成环境污染[14]。因此开发一种可以简单高效地检测生物样品和环境中的磷酸盐及其衍生物的传感材料很有必要。

萘酰亚胺类化合物作为一种具有良好的光热稳定性、较高的荧光量子产率以及较大的斯托克斯位移等优点的荧光染料受到越来越多的关注[15]。在荧光探针、有机太阳能电池以及药物靶向定位剂中有着广泛的应用[16-18]。基于萘酰亚胺小分子探针识别分子、阳离子以及阴离子已有大量文献报道[19-21]，但是聚合物关于识别磷酸根阴离子的例子几乎没有。

在本文中，我们通过开环易位聚合反应设计合成了含有酰胺键和咪唑钅翁2个阴离子识别位点的萘酰亚胺功能化降冰片烯单体NB-NA及其开环易位共聚物P-NB-NA-PEG，通过1H NMR、13C NMR以及质谱验证其结构的正确性。详细研究了NB-NA及P-NB-NA-PEG的荧光发射光谱性质，及其对不同阴离子的荧光识别能力。

1 实验部分

1.1 实验仪器及药品

本实验所用药品吗啉(98.0%)、1-(3-氨丙基)咪唑(99.0%)、3-溴丙胺氢溴酸盐(98.0%)、4-溴-1,8-二萘酐(96.0%)等购买自麦克林试剂有限公司；所用溶剂二氯亚砜、超干DMSO、二氯甲烷等均购自探索试剂有限公司，均为分析纯，所有的药品或溶剂无须纯化即可直接使用。

主要仪器：数显电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9030A，上海瑞佳精密科学仪器有限公司)、磁力搅拌器(81-2加热磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司)、荧光分光度计(F-4500，日立(HITACHI)公司)、旋转蒸发仪(SY2000，上海亚荣生化仪器厂)、紫外分光光度计(UV-3010，日立(HITACHI)公司)、核磁共振仪(DD2-400MR，美国安捷伦(Agilent))。

1.2 络合常数和检测限的计算

(2) 检测限(LOD)的计算。其计算公式为

LOD=3σ/K

式中：σ为10次主体荧光的标准偏差值；K为线性拟合图的斜率。

1.3 合成路线

聚合物P-NB-NA-PEG合成路线如图1所示。

1.4 合成

1.4.1 化合物1的合成

化合物1的合成参照文献[22]。

1.4.2 化合物2的合成

在氮气氛围下，将化合物1(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 ℃下回流过夜。反应完成后，将反应液减压旋干，得到粗产物。进一步通过柱层析(V(DCM):V(PE)=50:1)纯化，得到黄色粉末状化合物2(200 mg，50%)。其1H NMR(400 MHz,CDCl3)数据解析如下。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)数据解析如下。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+)，理论值390.0813,实验值390.1692。

1.4.3 化合物3的合成

化合物3的合成参照文献[23]。

1.4.4 化合物4的合成

在氮气氛围下，先将化合物3(300 mg,1 mmol)加入到装有30 mL除水DCM的反应瓶中。然后，将3-溴丙胺氢溴酸盐(328 mg,1.5 mmol)和0.5 mL Et3N溶于10 mL除水DCM中，在冰浴条件下缓慢滴加到反应瓶中，常温下反应8 h。反应完成后，将反应液减压旋干得到粗产物。进一步通过柱层析(V(DCM):V(PE)=4:1)纯化，得到白色粉末状化合物4(200 mg，45%)。其1H NMR(400 MHz,CDCl3)数据解析如下。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)数据解析如下。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+)，理论值401.050 1,实验值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

在氮气氛围下，将聚乙二醇(Mr=750,350 mg,0.47 mmol)和Et3N(1 mL)加入装有20 mL二氯甲烷的圆底烧瓶中，并在0 ℃下搅拌10 min。然后将化合物3(200 mg,0.66 mmol)的二氯甲烷溶液缓慢滴加到上述溶液中，室温下反应10 h。反应完成后，将反应液减压旋干得到粗产物。进一步通过柱层析(V(PE):V(DCM)=6:1)纯化，得到无色透明油状化合物NB-PEG(430 mg，90%)。其1H NMR(400 MHz,CDCl3)数据解析如下。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)数据解析如下。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+)，理论值1 002.519 5,实验值1 002.525 1。

1.4.6 化合物NB-NA的合成

在氮气氛围下，先将化合物4(177 mg,0.44 mmol)、化合物2(156 mg,0.4 mmol)和KI(30 mg)加入到装有15 mL除水乙腈的耐压瓶中，于90 ℃下回流过夜。反应完成后，将反应液减压旋干得粗产物。进一步通过柱层析(V(CDM):V(MeOH)=50:1)纯化，得到橙红色粉末状化合物NB-NA(221 mg，70%)。其FTIR(KBr)数据解析如下。υmax/cm-1:2 916,1 774,1 642,1 582,1 176,840。其1H NMR(400 MHz,CDCl3)数据解析如下。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)数据解析如下。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+)，理论值713.308 0,实验值713.308 2。

1.4.7 化合物P-NB-NA-PEG的合成

在手套箱中，将化合物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溶解反应物，再将格拉布第三代催化剂Grubbs3(30 mg，0.04 mmoL)加入到Schlenk管中。室温避光反应15 min，然后加入1 mL乙烯基乙醚猝灭反应0.5 h。反应结束后，将反应液浓缩，然后使用DCM和PE进行多次重结晶，得化合物P-NB-NA-PEG。其FTIR(KBr)数据解析如下。υmax/cm-1:3 454,1 716,1 656,847,763。其1H NMR(400 MHz,CDCl3)数据解析如下。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 紫外和荧光光谱测试

首先称取一定量的各种阴离子(均为各种阴离子四丁基铵盐)，用超干DMSO将其分别配制成浓度为0.1 mol·L-1的溶液2 mL，最后再分别将其稀释至0.01 mol·L-1和0.001 mol·L-1。然后称取一定量的化合物NB-NA和P-NB-NA-PEG，用超干DMSO分别配制成2 mmol·L-1和3 mg·mL-1的母液。在光谱测试过程中，通过移液枪将离子溶液加入到NB-NA或P-NB-NA-PEG(2 mL)的溶液中的体积是可以忽略不计的，所以按照恒定体积进行计算。

2 结果与讨论

2.1 聚合物荧光传感器材料的合成与表征

聚合物荧光传感器材料P-NA-NB-PEG的合成方法如图1所示。以5-降冰片烯-2,3-二羧酸酐和4-溴-1,8-二萘酐为起始原料，经过取代反应、酯化反应、酰化反应等得到单体化合物NB-NA和NB-PEG，并通过1H NMR、13C NMR、TOF-HRMS验证了其化学结构的正确性。然后将单体NA-NB和单体NB-PEG以1:2的物质的量比在格拉布第三代催化剂Gruubs3作用下，经过开环易位聚合反应(ROMP)得到共聚物P-NB-NA-PEG。

通过1H NMR证明了共聚物P-NB-NA-PEG的成功合成。如图2所示，化合物NB-NA的双键质子峰在6.20 ppm，吗啉基团上亚甲基的质子峰分别位于3.42，3.33，3.12，3.11 ppm；单体化合物NB-PEG的双键质子峰在6.20 ppm，—CH3质子信号在3.34 ppm。2个单体经过开环易位聚合之后，对聚合物P-NB-NA-PEG核磁氢谱图进行分析发现，单体NB-NA和NB-PEG在6.20 ppm处的双键共振信号消失，同时在5.80 ppm处出现一个新的质子峰；而且在聚合物核磁信号中发现了单体NB-NA吗啉基团上亚甲基的质子峰和单体NB-PEG中—CH3质子信号。这些结果进一步表明，聚合物P-NB-NA-PEG成功合成了。

同时，我们对单体NB-NA和共聚物P-NB-NA-PEG进行了热重分析(TGA)，如图2所示，共聚物P-NB-NA-PEG分解温度(重量损失5%时的温度)在263 ℃以上，远高于单体NB-NA的分解温度106 ℃，说明共聚物P-NB-NA-PEG具有良好的热稳定性。这种高的热稳定性可能归因于聚合物相比于小分子化合物具有最大的分子量。

2.2 聚合物荧光传感器材料的光谱性质

首先，我们对聚合物P-NB-NA-PEG及其单体NB-NA、NB-PEG在DMSO溶液中进行紫外吸收光谱测试，结果如图4所示。P-NB-NA-PEG在430 nm(ε=5.96×103mol-1·cm-1)处有一特征可归属为萘酰亚胺的吸收峰。根据Lambert-Beer定律及紫外-可见吸收光谱标准工作曲线进行分析，确定了共聚物P-NB-NA-PEG中单体NB-NA的质量分数为37%，单体NB-NA和NB-PEG的实际聚合物质的量比为1:1.33，低于实际投料比1:2。所以，为了统一标准对比，后续光谱测定共聚物质量浓度为25 μg·mL-1，此时对应单体NB-NA浓度为10 μmol·L-1。

f1/ppm图2 化合物P-NB-NA-PEG、NB-NA、NA-PEG的1H NMR比较图Fig.2 1H NMR spectra of compounds P-NB-NA-PEG,NB-NA and NA-PEG

θ/℃图3 共聚物P-NB-NA-PEG和单体NB-NA的TGA曲线Fig.3 TGA curves of copolymer P-NB-NA-PEG and monomer NB-NA

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

同时我们研究了单体NB-NA及聚合物P-NB-NA-PEG在不同极性有机溶剂如二甲亚砜、乙腈、N,N-二甲基酰胺、四氢呋喃、甲苯及二氯甲烷中的吸收光谱及发射光谱，所有数据结果如图5及表1所示。在不同有机溶剂中，单体NB-NA和共聚物P-NB-NA-PEG的吸收和发射峰位置都有一定的溶剂依赖关系，随着溶剂极性的增加，其吸收与发射峰位置都有一定的红移，这可能归属于荧光团萘酰亚胺分子内电荷转移效应。同时，我们发现，在DMSO溶液中其Stocks位移最大，可归因于其大的溶剂极性。为此后续光谱测试选择在DMSO中进行。