CN110818614B - 一种具有聚集诱导发光功能的氮氧稳定自由基及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有聚集诱导发光功能的氮氧稳定自由基及其制备方法,所述氮氧稳定自由基具有如下结构:
Description
技术领域
本发明涉及新型氮氧稳定自由基及制备方法。
背景技术
氮氧稳定自由基的应用广泛,可作为信号传递的官能团,通过自旋标记法来标记蛋白质、核酸,类脂和药物分子。并且氮氧稳定自由基已成功用于合成有生物活性的顺磁性物质,以进一步研究标记物质的微观结构及性能。此外,部分氮氧稳定自由基可用于进行活性可控自由基聚合,以控制聚合物分子量及分子结构。然而目前氮氧稳定自由基的功能性仍有待进一步开发。
聚集诱导发光技术近年来备受关注。大量的具有聚集诱导发光性能的材料被应用于有机发光二极管、荧光传感器、生物成像等领域。将具有聚集诱导发光性质的基团与各种功能性基团相结合而衍生出新的化合物是聚集诱导发光技术发展的重要方向。目前为止,尚未发现有将聚集诱导发光的基团与氮氧稳定自由基结合的报道。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种具有聚集诱导发光功能的氮氧稳定自由基。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种制备该氮氧稳定自由基的方法。
为解决第一个技术问题,本发明的技术方案是:一种具有聚集诱导发光功能的氮氧稳定自由基,具有如下结构:
式中:R1,R2,R3,R4各自独立得为C1-6烷基,其它元素任选取代的杂链基;R5为氢、NH2、羰基、羟基、氧连接的烷基,其它元素任选取代的杂链基。
为解决第二个技术问题,本发明的技术方案是:一种制备具有聚集诱导发光功能的氮氧稳定自由基的方法,以四甲基哌啶醇为原料合成带有羟基的四甲基哌啶氮氧自由基;以2-溴-1,1,2-三苯乙烯和4-甲基苯硼酸为原料合成四苯乙烯中间体并进行溴化得到带有苄溴基团的四苯乙烯;再将氮氧自稳定由基与带有苄溴基团的四苯乙烯室温下进行亲核取代反应,总反应时间为2~12h;采用柱层析分离方法提纯得到具有聚集诱导发光性能的氮氧稳定自由基产品。
带有苄溴基团的四苯乙烯和带有羟基的四甲基哌啶氮氧稳定自由基质量用量比优选为1∶1~1∶5。
进一步的,一种制备具有聚集诱导发光功能的氮氧稳定自由基的方法,包括以下步骤:
(1)将四甲基哌啶醇、碳酸氢钠、去离子水、丙酮、过硫酸氢钾复合盐混合后在冰浴条件下搅拌2~6h,继续在常温下搅拌2~6h,停止搅拌,进行油水相分离,用乙酸乙酯洗涤有机相,收集乙酸乙酯相并依次用去离子水和饱和食盐水进行洗涤,干燥,除去乙酸乙酯后得到粗产品,再用正庚烷和乙酸乙酯混合溶剂进行重结晶提纯得到中间体1。优选的投料量为:四甲基哌啶醇和碳酸氢钠质量比为0.3~0.7;去离子水和丙酮等质量加入,且为碳酸氢钠质量的0.5~5倍;过硫酸氢钾复合盐以碳酸氢钠质量的0.5~5倍加入。
(2)将2-溴-1,1,2-三苯乙烯和4-甲基苯硼酸混合并加入到反应瓶中,加入碳酸钠水溶液、四氢呋喃、乙二醇,搅拌均匀后加入四(三苯基膦)钯,排除氧后加氮气保护,升温至70~90℃,保持回流12~24h,自然降至常温。反应液用乙酸乙酯萃取,分液,有机相用干燥剂除水静置,除去乙酸乙酯,得到墨绿色油状中间体2。以石油醚为淋洗剂,用柱层析分离法对中间体2进行提纯。优选的投料量为:2-溴-1,1,2-三苯乙烯和4-甲基苯硼酸的质量比为1.0~3.0;碳酸钠水溶液以2-溴-1,1,2-三苯乙烯质量的5~15倍加入,碳酸钠水溶液的质量浓度为10%~30%;四氢呋喃以碳酸钠水溶液体积的0.3~0.7倍加入,乙二醇以碳酸钠水溶液体积的0.05~0.10倍加入;四(三苯基膦)钯加入量为2-溴-1,1,2-三苯乙烯质量的0.3~0.7倍。
(3)将中间体2溶于四氯化碳中,加入N-溴代丁二酰亚胺、过氧化苯甲酰,排除氧后加氮气保护,升温至78~90℃,回流反应12~24h,降温至室温,将反应的产品倒入分液漏斗中,用二氯甲烷和饱和食盐水混合溶液萃取,有机相用干燥剂除水静置;除去溶剂,以石油醚为淋洗剂,用柱层析分离法对粗产品进行提纯得到中间体3。优选的投料量为:中间体2溶于四氯化碳的质量分数为1%~10%;N-溴代丁二酰亚胺以中间体2质量的0.4~0.8倍加入;过氧化苯甲酰以N-溴代丁二酰亚胺质量的0.5%~5%加入。
(4)中间体3、中间体1溶于四氢呋喃中,搅拌2h;加入三乙胺,继续搅拌12h;分离上层溶液,用二氯甲烷萃取产物后用去离子水和饱和食盐水溶液洗涤,除水,除溶剂,用柱层析分离法进行提纯,得到橙红色粉末目标产物。优选的投料量为:中间体3与中间体1的质量比为1∶3~1∶5,三乙胺为中间体3质量的0.5~2倍。
本发明合成了一种具有聚集诱导发光性能的氮氧稳定自由基,其主体官能团为四苯乙烯和四甲基哌啶,该产品在紫外区(220nm-360nm)有强吸收,在蓝绿光区有荧光发射(400nm-550nm)。在紫外光的照射下,该自由基在良溶剂(如二氯甲烷)中不发光,但在不良溶剂(如水)中发出强烈的蓝绿色荧光。该自由基能够用于引发苯乙烯类单体的可控活性自由基聚合,并使得到的聚合物同样具有在紫外光照射下发光的性能。该聚合物具有良好的聚集诱导发光性能,可用作荧光化学传感器,荧光探针,荧光造影材料等。
附图说明
图1是本发明产物核磁谱图。
图2是本发明氮氧稳定自由基的发光性能荧光发射谱图。
图3是本发明氮氧稳定自由基在紫外灯下的发光照片。
图4是实施例3聚合物产品分子量及分子量分布G P C谱图。
图5是实施例3聚合物产品荧光性能照片。
具体实施方式
实施例1 氮氧稳定自由基的合成
(1)将四甲基哌啶醇(30g),碳酸氢钠(50g),去离子水(100g),丙酮(100g),过硫酸氢钾复合盐(100g)混合后在冰浴条件下强烈搅拌2~6h,继续在常温下搅拌2h。停止搅拌后进行油水相分离,用适量的乙酸乙酯洗涤3次,收集乙酸乙酯相并依次用适量去离子水和饱和食盐水进行洗涤,之后再用无水硫酸钠进行干燥。旋蒸除去乙酸乙酯后得到粗产品,再用正庚烷和乙酸乙酯混合溶剂进行重结晶提纯得到中间体1即4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶1-氧自由基。
(2)将2-溴-1,1,2-三苯乙烯(10g)和4-甲基苯硼酸(5g)加入到250mL的三颈烧瓶中,加入100mL 2mol/L的碳酸钠水溶液和50mL四氢呋喃,再加入适量乙二醇,磁力搅拌均匀后加入5.2g的四(三苯基膦)钯,冷冻抽排除氧3次后加氮气保护后,升温至74℃。保持回流12h后关闭反应降至常温。将混合溶液用乙酸乙酯萃取3次,分液,有机相用无水硫酸钠除水静置2h。旋蒸除去乙酸乙酯,得到墨绿色油状中间体2即4-甲基四苯乙烯。以石油醚为淋洗剂,用柱层析分离法对中间体2进行提纯。
(3)取中间体2(5g)溶于100mL四氯化碳,加入N-溴代丁二酰亚胺(3.0g),加入过氧化苯甲酰(0.03g),冷冻抽排除氧后加氮气保护,升温至78℃,待回流稳定后保持反应12h,将温度降至室温,将反应液倒入分液漏斗中,用二氯甲烷和饱和食盐水混合溶液萃取3次,有机相用无水硫酸钠除水静置2h,蒸发溶剂,以石油醚为淋洗剂,用柱层析分离法对粗产品进行提纯得到中间体3。
(4)分别称取中间体3(1.0g)和中间体1(3.0g)充分溶于10mL四氢呋喃中,室温搅拌2h后加入适量三乙胺,继续搅拌12h。反应完毕后分离上层溶液,用二氯甲烷萃取产物后用去离子水和饱和食盐水溶液进行洗涤,再用无水硫酸钠溶液除水。旋蒸除去溶剂,用柱层析分离法进行提纯并得到目标产物。核磁谱图如附图1所示。
实施例2 氮氧稳定自由基的发光性能
称量5mg氮氧稳定自由基溶于5mL四氢呋喃中配置母液。分别配置不同比例的四氢呋喃和正己烷混合溶液,总体积为5mL。分别移取100微升母液加入到不同的混合溶剂中,混合均匀后进行荧光光谱分析。可以观察到,随着环己烷所占比例的增大,氮氧自由基不断具有并引起荧光强度在增大,其所对应的荧光发射谱图如附图2所示,其在紫外灯下的发光照片如附图3所示。
实施例3 使用氮氧稳定自由基进行可控活性自由基聚合
称量64mg氮氧稳定自由基,0.0203g偶氮二异丁腈,分别量取8mL苯乙烯和2mL甲苯于反应瓶中。用氮气鼓泡排除反应瓶内的氧气,待反应混合物温度加热并稳定至130℃,反应物呈淡黄色,随着反应时间的增加产品粘度逐渐增加,由粘度较低的液态物质变成粘度较大的液态流状物,最后变为淡黄色固体。反应12h后,单体转化率达到85%,降温停止反应并将所得聚合物产品做分子量以及荧光测试,结果如附图4、5所示。将聚合产物溶于二氯甲烷中进行紫外测试,发现该聚合物在250-330nm处有较强的吸收峰,用该波长作为激发光测试产物的荧光性能,发现该产物在可见光范围内都有一定的荧光发射,且在450-500nm之间有很强的荧光发射。用365nm的紫外灯照射聚合产物,产物发出肉眼可见的蓝绿色荧光。
Claims (8)
2.一种制备权利要求1所述的氮氧稳定自由基的方法,以四甲基哌啶醇为原料合成带有羟基的四甲基哌啶氮氧自由基;以2-溴-1,1,2-三苯乙烯和4-甲基苯硼酸为原料合成四苯乙烯中间体并进行溴化得到带有苄溴基团的四苯乙烯;再将氮氧自稳定由基与带有苄溴基团的四苯乙烯室温下进行亲核取代反应,总反应时间为2~12h;采用柱层析分离方法提纯得到具有聚集诱导发光性能的氮氧稳定自由基产品。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征是带有苄溴基团的四苯乙烯和带有羟基的四甲基哌啶氮氧稳定自由基摩尔用量比为1:1~1:5。
4.根据权利要求2所述的方法,包括以下步骤:
(1)将四甲基哌啶醇、碳酸氢钠、去离子水、丙酮、过硫酸氢钾复合盐混合后在冰浴条件下搅拌2~6h,继续在常温下搅拌2~6h,停止搅拌,进行油水相分离,用乙酸乙酯洗涤有机相,收集乙酸乙酯相并依次用去离子水和饱和食盐水洗涤,干燥,除去乙酸乙酯后得到粗产品,再用正庚烷和乙酸乙酯混合溶剂进行重结晶提纯得到中间体1;
(2)将2-溴-1,1,2-三苯乙烯和4-甲基苯硼酸混合并加入到反应瓶中,加入碳酸钠水溶液、四氢呋喃、乙二醇,搅拌均匀后加入四(三苯基膦)钯,排除氧后加氮气保护,升温至70~90℃,保持回流12~24h,自然降至常温;反应液用乙酸乙酯萃取,分液,有机相用干燥剂除水静置,除去乙酸乙酯,得到墨绿色油状中间体2;以石油醚为淋洗剂,用柱层析分离法对中间体2进行提纯;
(3)将中间体2溶于四氯化碳中,加入N-溴代丁二酰亚胺、过氧化苯甲酰,排除氧后加氮气保护,升温至78~90℃,回流反应12~24h,降温至室温,将反应的产品倒入分液漏斗中,用二氯甲烷和饱和食盐水混合溶液萃取,有机相用干燥剂除水静置;除去溶剂,以石油醚为淋洗剂,用柱层析分离法对粗产品进行提纯得到中间体3;
(4)中间体3、中间体1溶于四氢呋喃中,搅拌2h;加入三乙胺,继续搅拌12h;分离上层溶液,用二氯甲烷萃取产物后用去离子水和饱和食盐水溶液进行洗涤,除水,除溶剂,用柱层析分离法进行提纯,得到橙红色粉末目标产物。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征是四甲基哌啶醇和碳酸氢钠质量比为0.3~0.7;去离子水和丙酮等质量加入,且为碳酸氢钠质量的0.5~5倍;过硫酸氢钾复合盐以碳酸氢钠质量的0.5~5倍加入。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征是2-溴-1,1,2-三苯乙烯和4-甲基苯硼酸的质量比为1.0~3.0;碳酸钠水溶液以2-溴-1,1,2-三苯乙烯质量的5~15倍加入,碳酸钠水溶液的质量浓度为10%~30%;四氢呋喃以碳酸钠水溶液体积的0.3~0.7倍加入,乙二醇以碳酸钠水溶液体积的0.05~0.10倍加入;四(三苯基膦)钯加入量为2-溴-1,1,2-三苯乙烯质量的0.3~0.7倍。
7.根据权利要求4所述的方法,其特征是中间体2溶于四氯化碳的质量分数为1%~10%;N-溴代丁二酰亚胺以中间体2质量的0.4~0.8倍加入;过氧化苯甲酰以N-溴代丁二酰亚胺质量的0.5%~5%加入。
8.根据权利要求4所述的方法,其特征是中间体3与中间体1的质量比为1:3~1:5,三乙胺质量为中间体3质量的0.5~2倍。
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