一種基於芘和多分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子的合成方法與流程
2023-06-20 06:10:26
本發明屬於有機合成領域，涉及一種V型剛柔分子的合成方法，具體涉及一種基於芘和多分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子的合成方法。
背景技術：
近年來，設計與合成具有自組裝能力的新型構築基元，發展基於各種推動力的組裝方法，構築具有不同物理和化學性質的超分子體系是超分子科學的研究熱點。目前，嵌段共聚物、剛柔分子、液晶、多肽複合物等體系都能自組裝成具有完好形狀和尺寸的超分子聚集體。在這些人工合成的自組裝體系中，剛柔分子由於兩種嵌段間強烈的不相容性，可以自組裝成多種超分子納米結構，現已發展成為超分子化學一個新的研究增長點。
在已報導的剛柔分子中，以芳香環為剛性嵌段，以聚乙二醇為柔性嵌段的剛柔分子表現出優異的自組裝性能。研究表明，此類剛柔分子結構中剛性基元的π-π相互作用和柔性鏈段與剛性鏈段的微相分離作用以及在溶液中的親疏水作用是剛柔分子聚集形成高規整性超分子結構的主要驅動力。通過調節幾個參數之間的協同作用如剛棒形狀、剛柔體積比、柔性鏈長度和橫截面積等，可以製備出多種有序的超分子聚集體。例如在本體中可以自組裝成體心四方相、穿孔層狀相、六方柱狀相等，在溶液中可以自組裝成囊泡、纖維、納米籠等納米結構。由於此類分子中剛性嵌段多形成共軛體系，因此在有機溶劑溶液中具有很強的螢光，可作為螢光染料或螢光分子探針；而在水溶液中這些分子又有很好的自組裝性能，在外界條件變化時又可以解組裝，因此該類超分子在納米反應器、藥物載體等方面具有很好的應用前景。
目前，基於苯環剛性嵌段是V型的剛柔分子已有報導(H-J Kim；Y-H Jeong；E Lee et al.J.Am.Chem.Soc.,2009,131(47):17371-17375；L Liu；H-J Kim；M Lee.Soft Matter,2011,7(1):91-95；H J Kim；S K Kang；Y K Lee et al.Angew.Chem.Int.Ed.,2010,49(45):8471-8475；H J Kim；F Liu；J H Ryu et al.J.Am.Chem.Soc.,2012,134(33):13871-13880；Z Huang；S K Kang；M Banno et al.Science,2012,337(6101):1521-1526；S Shin；S Lim；Y Kim et al.J.Am.Chem.Soc.,2013,135(6):2156-2159；H-J Kim；J-K Kim；M Lee.Chem.Commun.,2010,46(9):1458-1460)，但是這些分子都是以取代苯為核心構築V型剛性嵌段，並在剛性嵌段側面引入單根柔性鏈，雖然在柔性鏈上做了很多變化，但是柔性鏈連接位置、柔性鏈的數量對V型剛柔分子自組裝行為的影響尚不明確；所形成的聚集體能否作為某些反應的反應場所(即納米反應器)以及是否具有其它物理性能等等，都有待於進一步深入的研究。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種基於芘和多分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子的合成方法，合成工藝合理，產率高，產品在有機溶劑中有較強螢光，可作為螢光染料或螢光分子探針；而在水溶液中具有很好的自組裝性能，規整的聚集體可作為納米反應器或藥物載體。
本發明的技術解決方案是：
一種基於芘和多分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子的合成方法，其結構通式如下：
其中，R1＝H或，n＝2～6；
具體製備步驟如下：
(1)將化合物1與化合物a、無水碳酸鈉按照摩爾比1：(2～5)：(5～10)進行投料，化合物1中R2＝H或OH，溶解於無水乙腈中，回流反應18小時～48小時，冷卻後減壓蒸出溶劑，水洗，萃取，乾燥，過濾，濃縮，柱層析法分離純化，得到黃色油狀物化合物2
(2)將化合物2與氫氧化鉀按照摩爾比1:(2～15)溶解於的甲醇中，減壓抽出空氣並充入氮氣後，加熱進行回流反應4小時～8小時；停止加熱，冷卻至室溫後旋出溶劑，加入與化合物2摩爾比為(10～25):1的濃鹽酸，繼續攪拌15分鐘，調節pH至酸性，萃取，乾燥，過濾，濃縮，得到化合物3
(3)將化合物3和二甲基甲醯胺(DMF)按摩爾比1:(1～3)溶解於二氯甲烷中，減壓抽出空氣並充入氮氣，然後置於冰浴中；將與化合物3摩爾比為(3～10):1的二氯亞碸溶於二氯甲烷中，氮氣保護下用恆壓滴液漏鬥逐滴加入到上述反應瓶中，滴加結束後撤掉冰浴，室溫攪拌6小時～12小時，去除溶劑，得到化合物4
(4)將化合物4與4-羥基-4』-碘聯苯按照摩爾比1:(1～2)溶於精製四氫呋喃中，減壓抽出空氣並充入氮氣，加入三乙胺，所述三乙胺與化合物4摩爾比為(2～5):1，氮氣保護下回流24小時～36小時；冷卻，旋出溶劑，用二氯甲烷萃取，乾燥，過濾，用柱層析法分離純化，用體積比甲醇：二氯甲烷＝1:(10～30)作為洗脫劑，得到淺黃色油狀物化合物5
(5)將化合物b和化合物5按照摩爾比1:(2～3)溶於四氫呋喃和精製三乙胺中，減壓抽出空氣並充入氮氣後，加入碘化亞銅和四(三苯基磷)鈀，所述碘化亞銅與化合物b摩爾比為(0.1～0.2):1，所述四(三苯基磷)鈀與化合物b摩爾比為(0.05～0.1):1，氮氣保護下回流48小時～72小時；旋出溶劑，水洗，分別用二氯甲烷和乙酸乙酯萃取，乾燥，過濾，濃縮，用柱層析法分離提純，得到紅褐色固體6
進一步的，步驟(1)柱層析法分離純化時，洗脫液為溶劑A與二氯甲烷按照體積比為1:(20～40)混合液，所述溶劑A是乙酸乙酯或甲醇。
進一步的，步驟(5)柱層析法分離純化時，洗脫液為甲醇與乙酸乙酯按照體積比為1:(10～20)的混合溶液。
進一步的，所述濃鹽酸質量濃度為37％。
本發明所提供的基於芘和多分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子的合成路線如下：
其中，化合物1中R2＝H或OH，化合物2～化合物6中R1＝H或，n＝2～6。
本發明的有益效果是：
合成工藝設計合理，產率高，選用具有較強π電子離域能和較高螢光量子效率，良好熱穩定性的芘作為剛性核，它可以和苯環形成芳香共軛體系來增強π-π作用，增加分子排列的有序性。選取親水性的多分支聚乙二醇作為柔性嵌段，可以提高溶解性和增加水溶性，所述各類V型剛柔分子在有機溶劑中可作為螢光染料或螢光分子探針；而在水溶液中具有很好的自組裝性能，可作為納米反應器或藥物載體。
附圖說明
圖1是本發明(對應實施例1)所製備的化合物2a的核磁氫譜圖；
圖2是本發明(對應實施例1)所製備的化合物5a的核磁氫譜圖；
圖3是本發明(對應實施例1)所製備的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6a的核磁氫譜圖(溶劑:CDCl3)；
圖4是本發明(對應實施例1)所製備的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6a的核磁碳譜圖(溶劑:CDCl3)；
圖5是本發明(對應實施例1)所製備的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6a的MALDI-TOF-MS圖(基質：CHCA)；
圖6是本發明(對應實施例1)所製備的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6a在二氯甲烷中的螢光發射光譜圖(0.01wt％)；
圖7是本發明(對應實施例1)所製備的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6a在水溶液中的透射電鏡圖(0.01wt％)；
圖8是本發明(對應實施例2)所製備的中間體2b的核磁氫譜圖；
圖9是本發明(對應實施例2)所製備的中間體5b的核磁氫譜圖；
圖10是本發明(對應實施例2)所製備的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6b的核磁氫譜圖(溶劑:CDCl3)；
圖11是本發明(對應實施例2)所製備的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6b的核磁碳譜圖(溶劑:CDCl3)；
圖12是本發明(對應實施例2)所製備的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6b的MALDI-TOF-MS圖(基質：CHCA)；
圖13是本發明(對應實施例2)所製備的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6b在二氯甲烷中的螢光發射光譜圖(0.01wt％)；
圖14是本發明(對應實施例2)所製備的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6b在水溶液中的透射電鏡圖(0.01wt％)。
具體實施方式
實施例1
1)中間體2a的合成
將沒食子酸甲酯0.83g(4.5mmol)，無水碳酸鉀3.13g(22.7mmol)溶於50mL的精製乙腈中，然後稱取4.96g(18.1mmol)的化合物a，用15mL的精製乙腈將其溶解，倒入恆壓漏鬥中緩慢滴加到上述溶液中，滴加持續約1.5小時，滴加完畢撤去冰浴裝置，回流24小時。冷卻後旋出溶劑，水洗，用二氯甲烷萃取三次，乾燥，過濾，濃縮，用柱層析法分離純化(質量比為1:20的乙酸乙酯和二氯甲烷做洗脫液)，得到黃色油狀物化合物2a，稱重為1.8g，產率為70％。1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ7.26(s,2H),4.18(s,6H),3.81(d,9H),3.69(s,6H),3.52(d,6H),3.35(d,9H).
2)中間體3a的合成
將2a(1.8g，3.67mmol)溶解於30mL的精製甲醇中，加入氫氧化鉀(2.055g，36.7mmol)，抽出空氣並充入氮氣後回流4小時。停止加熱，冷卻至室溫後旋幹溶劑，加入30mL蒸餾水和4mL濃度為37wt％的濃鹽酸，攪拌15分鐘，調節pH至酸性，用乙酸乙酯萃取，硫酸鎂乾燥過夜，過濾，濃縮後得到化合物3a，不用提純直接進行下步反應。
3)中間體4a,5a的合成
用20mL精製的二氯甲烷溶解化合物3a(2.1g，4.56mmol)，然後抽出空氣並充入氮氣，然後在氮氣保護下加入DMF(1mL，13mmol)，置於冰浴下，用恆壓滴液漏鬥將溶於40mL二氯甲烷的氯化亞碸(1.63g，13.68mmol)逐滴加入到上述反應瓶中，滴加結束後撤掉冰浴，室溫攪拌12小時，旋幹溶劑，得到化合物4a，不用提純，直接進行下步反應。
4)將4-羥基-4』-碘聯苯(1.24g，4.18mmol)與4a(2.0g，4.18mmol)溶於50mL精製四氫呋喃中，抽出空氣並充入氮氣，加入約0.85g(8.36mmol)三乙胺，氮氣保護下回流36小時。冷卻，旋幹溶劑，用二氯甲烷萃取，乾燥，過濾，用柱層析法分離純化，洗脫劑為甲醇：二氯甲烷＝1:30(v/v)，得到1.2g淺黃色油狀物化合物5a，產率為66％。1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ7.79(d,J＝8.1Hz,2H),7.62(d,J＝8.2Hz,2H),7.49(s,2H),7.35(d,2H),7.29(s,2H),4.29(d,6H),3.89(d,6H),3.75(d,6H),3.59(s,6H),3.41(d,9H).
5)基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6a的合成
將化合物5a(950mg，1.26mmol)，化合物b(150mg，0.6mmol)溶於25mL精製四氫呋喃和25mL精製三乙胺中，抽出空氣並充入氮氣後，加入碘化亞銅(15mg，0.08mmol)，四(三苯基膦)鈀(50mg，0.04mmol)，氮氣保護下回流48小時。旋幹溶劑，水洗，分別用二氯甲烷和乙酸乙酯萃取，乾燥，過濾，濃縮，用柱層析法分離提純，洗脫劑為乙酸乙酯：甲醇＝20:1(v/v)，得到160mg紅褐色固體化合物6a，產率為44％。1H-NMR(300MHz,CDCl3)δ8.84(s,2H),8.22(m,4H),8.10(s,2H),7.83(d,J＝8.4Hz,4H),7.71(t,J＝8.2Hz,8H),7.49(s,4H),7.31(d,4H),4.29(m,12H),3.88(m,12H),3.74(m,12H),3.58(m,12H),3.39(d,18H).13CNMR(101MHz,CDCl3)δ164.71,152.45,150.72,143.24,140.21,138.04,132.19,131.75,131.28,129.85,128.11,127.91,127.09,126.38,125.11,124.13,124.07,122.47,122.20,118.43,109.62,95.58,89.48,72.06,71.99,70.76,70.64,69.64,68.97,59.07.MALDI-TOF-MS m/z(M+Na)+1524。
將合成的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6a，進行了螢光性能測試。稱取6a分子放入二氯甲烷中，配置成濃度為0.01wt％的二氯甲烷溶液，用波長320nm激發，得到螢光發射光譜圖，如圖6所示。從圖中可看出分子6a具有雙發射，最大發射強度在446nm和470nm處，溶液狀態下能發出黃綠色螢光，色純度較好。
將合成的基於芘和三分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6a，進行了水中自組裝性能測試。稱取6a分子放入水中溶解，配置成濃度為0.01wt％的水溶液，取少量滴到銅網上，自然乾燥後測試投射電鏡得到圖7。從圖中可看出分子6a在水中能自組裝成球形聚集體，粒徑在20nm～80nm範圍內，可見此類分子在水中具有很好的自組裝性能，可形成穩定的超分子結構。實施例2
1)中間體2b的合成
將3,5-二羥基苯甲酸甲酯0.74g(4.46mmol)，無水碳酸鉀3.1g(22.9mmol)溶於60mL精製的乙腈中，然後稱取a 4.97g(11.04mmol)，用20mL精製的乙腈將其溶解，倒入恆壓滴液漏鬥中緩慢滴加到上述溶液中，回流20小時。冷卻後，旋出溶劑，水洗，用二氯甲烷萃取三次，乾燥，過濾，濃縮，用柱層析法分離純化，洗脫劑為甲醇：二氯甲烷＝1:30(v/v)，得到2.91g淺黃色油狀物化合物2b，產率為90.1％。1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ7.18(s,2H),6.69(s,1H),4.13(d,4H),3.92-3.80(m,8H),3.69(d,12H),3.54(s,4H),3.37(s,6H).
2)中間體3b的合成
將2b(1.5g，2.07mmol)溶解於30mL精製的甲醇中，加入氫氧化鉀(1.16g，20.7mmol)，抽出空氣並充入氮氣，在氮氣保護下回流8小時。停止加熱，旋幹溶劑，然後加入20mL蒸餾水和2mL濃鹽酸，攪拌15分鐘，調節pH至酸性，用乙酸乙酯萃取，硫酸鎂過夜乾燥，過濾，濃縮後即為化合物3b，不用提純直接進行下步反應。
3)中間體4b,5b的合成
用25mL精製的二氯甲烷溶解混合物3b(1.43g，2.01mmol)，然後抽出空氣並充入氮氣，在氮氣保護下加入DMF(0.46mL，6.0mmol)的DMF，置於冰浴下，用恆壓滴液漏鬥將溶於20mL二氯甲烷的氯化亞碸(0.84g，7.06mmol)逐滴加入到上述反應瓶中，滴加結束撤掉冰浴，室溫攪拌6小時，旋幹溶劑，得到化合物4a，不用提純，直接進行下步反應。
4)將4b(1.46g，2.0mmol)與4-羥基-4』-碘聯苯(1.2g，4mmol)溶於30mL精製的四氫呋喃中，抽出空氣並充入氮氣，加入三乙胺1.25g(10mmol)，氮氣保護下回流24小時。冷卻，旋幹溶劑，用二氯甲烷萃取，乾燥，過濾，用柱層析法分離純化，洗脫劑為甲醇：二氯甲烷＝1:10(v/v)，得到1.87g淺黃色油狀物5b，產率為94.6％。1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ7.77(s,2H),7.59(s,2H),7.35(dd,6H),6.80(s,1H),4.19(d,4H),3.89(m,4H),3.80-3.63(m,36H),3.57(dd,4H),3.39(s,6H).
5)基於芘和二分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6b的合成
化合物b(200mg，0.80mmol)，化合物5b(1.87g，1.9mmol)溶於40mL精製的四氫呋喃和40mL精製的三乙胺中，抽出空氣並充入氮氣後，加入碘化亞銅(20mg，0.1mmol)，四(三苯基膦)鈀(100mg，0.08mmol)，氮氣保護下回流72小時。反應結束後旋幹溶劑，水洗，用二氯甲烷和乙酸乙酯萃取，乾燥，過濾，濃縮，用柱層析法分離提純，洗脫劑為乙酸乙酯：甲醇＝10:1(v/v)，得到725mg紅褐色固體6b，產率為46％。1H-NMR(300MHz,CDCl3)δ8.77(s,2H),8.21(d,J＝7.9Hz,2H),8.12(d,J＝8.0Hz,2H),8.03(s,2H),7.80(d,4H),7.67(d,8H),7.37(s,4H),7.31(d,4H),6.77(t,2H),4.18(d,8H),3.88(d,8H),3.77(s,8H),3.65(s,16H),3.55(d,8H),3.38(s,12H)；13C NMR(101MHz,CDCl3)δ164.85,159.87,150.61,140.22,138.08,132.17,131.77,131.29,131.07,129.87,128.12,127.94,127.10,126.40,125.12,124.11,122.42,122.12,118.43,108.58,107.42,95.53,89.40,71.90,70.83,70.75,70.64,69.56,67.78,59.06.
MALDI-TOF-MS m/z(M+Na)+1991。
將合成的基於芘和二分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6b，進行了螢光性能測試。稱取6b分子放入二氯甲烷中，配置成濃度為0.01wt％的二氯甲烷溶液，用波長325nm激發，得到螢光發射光譜圖，如圖13所示。從圖中可看出分子6b具有雙發射，最大發射強度在448nm和475nm處，溶液狀態下能發出黃綠色螢光，色純度較好。
本發明所述合成的基於芘和二分支聚乙二醇鏈的V型剛柔分子6b，進行了水中自組裝性能測試。稱取6b分子放入水中溶解，配置成濃度為0.01wt％的水溶液，取少量滴到銅網上，自然乾燥後測試投射電鏡得到圖，如圖14所示。從圖中可看出分子6b在水中能自組裝成線性纖維，長度大小不一，但纖維直徑在12nm～16nm範圍內，比較均一，可見此類分子在水中具有很好的自組裝性能，可形成穩定的超分子結構。
以上僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。