新型長(zhǎng)鏈芳香酰胺聚合物的合成

劉靜媛, 曹金鑫, 黃睛菲， 陳中祝, 王啟衛(wèi)， 鄧金根, 朱 槿

( 1． 中國(guó)科學(xué)院 成都有機(jī)化學(xué)研究所，四川 成都 610041； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

自1996年Gellman小組設(shè)計(jì)合成出第一個(gè)直鏈多肽折疊物體系以來(lái)，設(shè)計(jì)具有確定二級(jí)結(jié)構(gòu)的非天然折疊物的研究引起了化學(xué)家極大的興趣[1～6]。2000年，Gong小組[4，7，8]設(shè)計(jì)了一類(lèi)利用分子內(nèi)三中心氫鍵形成具有剛性骨架的寡聚芳香酰胺折疊物Ⅰ(Chart 1)。隨著鏈的增長(zhǎng)，它們的骨架會(huì)彎曲成月牙型或螺旋狀，由此獲得具有洞穴或螺旋管道的超分子結(jié)構(gòu)。

在制備較長(zhǎng)鏈的芳香酰胺寡聚物過(guò)程中，他們嘗試了逐步耦合的合成策略，僅得到螺旋圈數(shù)不大于三的寡聚物[9]。當(dāng)采用二酸酰氯和二胺單體進(jìn)行縮合反應(yīng)時(shí)，并沒(méi)得到聚合物Ⅱ(Chart 1)，卻高產(chǎn)率的得到大環(huán)化合物[10]。由此說(shuō)明這類(lèi)芳香酰胺化合物很強(qiáng)的剛性骨架阻礙了線(xiàn)性長(zhǎng)鏈分子的形成。

Ⅰ ⅡChart 1

本文在化合物Ⅱ的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并合成了一類(lèi)新型芳香酰胺聚合物7a和7b。以4,6-二羥基-1，3-苯二甲酸甲酯為原料，經(jīng)Williamson反應(yīng)、水解和?；磻?yīng)制得4,6-二烷氧基-1,3-苯二甲酰氯單體3。 由3,5-二硝基苯甲酸為起始原料，經(jīng)?；?、縮合、還原反應(yīng)得到二胺單體6a,6b； 6a, 6b分別與3經(jīng)縮合反應(yīng)合成了兩個(gè)新型的長(zhǎng)鏈芳香酰胺聚合物7a和7b(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR， IR和GPC表征。

CompabR1-C8H17-C12H25

Scheme1

7a和7b同樣因?yàn)榉肿庸羌芫哂幸欢ǖ膭傂?，可以發(fā)生折疊形成螺旋構(gòu)象，每層螺旋間的芳環(huán)π-π堆積作用可以進(jìn)一步穩(wěn)定螺旋構(gòu)象。分子骨架中的三中心二氫鍵變?yōu)橐粋€(gè)氫鍵后，其骨架的剛性明顯減弱，有利于長(zhǎng)鏈骨架的形成。二胺側(cè)鏈引入的酰胺(-CONHR)可以發(fā)生螺旋層間的分子內(nèi)氫鍵，進(jìn)一步穩(wěn)定其螺旋折疊構(gòu)象[11]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

Bu Chi B-545型熔點(diǎn)儀(溫度未校正)；Bruker-300型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Thermo Fisher Nicolet 6700型紅外光譜儀(KBr壓片)；MicrOTOF-QⅡ 10203型高分辨質(zhì)譜儀；SPD-20A型凝膠色譜儀(GPC， THF， TSK gel GMHHR-N， 254 nm， 0.35 mL·min-1， 20 ℃， 133.3 Pa)。

正辛胺和正十二胺，阿拉丁試劑公司；其余所用試劑均為分析純，其中DMF，N,N-二甲基乙酰胺(DMA)，三乙胺，THF，二氯甲烷和甲醇等按常規(guī)方法作純化處理。

1.2 合成

(1)1的合成

在圓底燒瓶中依次加入4,6-二羥基-1,3-苯二甲酸甲酯0.7 g(3.2 mmoL)， DMF 30 mL和無(wú)水碳酸鉀1.8 g，攪拌下于100 ℃反應(yīng)30 min(反應(yīng)液呈深紅色)。緩慢加入2-(異戊氧基)乙基對(duì)甲基苯磺酸酯(TsOR)2.3 g(8 mmoL)，于100 ℃反應(yīng)8 h(TLC監(jiān)測(cè))。加水200 mL，用二氯甲烷(3×20 mL)萃取，合并有機(jī)相，依次用1 mol·L-1鹽酸(2×200 mL),飽和碳酸氫鈉溶液與飽和食鹽水洗滌，用無(wú)水Na2SO4干燥，蒸除溶劑后經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑：V(二氯甲烷) ∶V(甲醇)=100 ∶1]純化得淡黃色固體4,6-二[2′-(異戊氧基)乙氧基]-1,3-苯二甲酸甲酯11.2 g，產(chǎn)率80%；1H NMRδ: 8.39(s， 1H), 6.57(s， 1H), 4.17(t，J=4.7 Hz， 4H), 3.79(m， 10H), 3.53(t，J=6.8 Hz， 4H), 1.69～1.60(m， 2H), 1.46～1.40(m， 4H), 0.84(d，J=6.6 Hz， 12H)。

(2)2的合成

在圓底燒瓶中依次加入16.7 g(14.8 mmoL)，氫氧化鈉11.8 g的水(27.6 mL)溶液及甲醇80 mL，攪拌下回流反應(yīng)4 h(TLC監(jiān)測(cè),反應(yīng)液呈深紅色)。加水250 mL，用1 mol·L-1鹽酸調(diào)至pH 2，析出白色固體，抽濾，濾液旋干后用水(200 mL)和二氯甲烷(200 mL)溶解，分液，有機(jī)相用飽和食鹽水(3×150 mL)洗滌，用無(wú)水Na2SO4干燥，蒸除溶劑得淡黃色固體4,6-二[2′-(異戊氧基)乙氧基]-1,3-苯二甲酸(2)5.8 g，產(chǎn)率92%， m.p.148.7 ℃～149.7 ℃；1H NMRδ: 12.37(s， 2H), 8.18(s， 1H), 6.77(s， 1H), 4.27(t，J=4.2 Hz， 4H), 3.73(t，J=4.5 Hz， 4H), 3.51(t，J=6.7 Hz， 4H), 1.66～1.59(m， 2H), 1.42～1.35(m， 4H), 0.85(d，J=6.6 Hz， 12H)；13C NMRδ: 165.72， 162.40, 135.86, 112.337, 99.253, 68.972, 68.846, 68.343, 38.089, 24.515, 22.475； ESI-HR-MSm/z: Calcd for C22H34O8Na{[M+Na]+} 449.214 6, found 449.213 6。

(3) 3的合成

在圓底燒瓶中加入2 853.2 mg(2 mmoL)和THF 50 mL，攪拌下慢慢加入草酰氯1.1 mL(1.5 g， 12 mmoL)，有氣泡冒出，回流反應(yīng)2 h(TLC監(jiān)測(cè))。旋干溶劑得淡黃色半固體4,6-二[2′-(異戊氧基)乙氧基]-1,3-苯二甲酰氯(3) 926.8 mg(直接進(jìn)行下步反應(yīng))。

(4) 4的合成

在圓底燒瓶中加入3,5-二硝基苯甲酸1.1 g(5.4 mmoL)和THF 20 mL，攪拌使其溶解；慢慢加入二氯亞砜1.6 mL(2．4 g, 18.6 mmoL)， 大量氣泡冒出,回流反應(yīng)2 h(TLC監(jiān)測(cè))。旋干溶劑得淡黃色半固體3,5-二硝基苯甲酰氯1.2 g(直接進(jìn)行偶聯(lián)反應(yīng))。

(5) 5的合成(以5a為例)

在圓底燒瓶中依次加入正辛胺(n-C8H17NH2)1.6 g(12.7 mmoL)，二氯甲烷100 mL和三乙胺3.9 mL(2．9 g, 28.3 mmoL)，冰浴冷卻，攪拌下滴加4 3.3 g(14.1 mmoL)的THF(10 mL)溶液，滴畢，反應(yīng)8 h(TLC監(jiān)測(cè))。依次用1 mol·L-1鹽酸(2×50 mL)，飽和碳酸氫鈉溶液(2×50 mL)洗滌，用無(wú)水Na2SO4干燥，蒸除溶劑后經(jīng)乙酸乙酯/石油醚重結(jié)晶得白色粉末N-辛基-3，5-二氨基苯甲酰胺(5a)。

用類(lèi)似的方法合成白色粉末N-十二烷基-3，5-二氨基苯甲酰胺(5b)。

5a： 產(chǎn)率85%， m.p.81.0 ℃～82.0 ℃;1H NMRδ: 9.16(t，J=1.86 Hz， 1H), 8.94 (d，J=2.01 Hz， 2H), 6.34(s， 1H), 3.56～3.49(m， 2H), 1.70～1.63(m， 2H), 1.42～1.28(m， 10H), 0.87(d，J=6.78 Hz， 3H)；13C NMRδ: 162.71， 148.62, 138.21, 127.16, 120.90, 40.84, 31.74, 30.92, 29.41, 29.20, 29.14, 26.95, 22.59, 14.03； ESI-HR-MSm/z: Calcd for C15H21N3O5Na{[M+Na]+} 346.137 3, found 346.137 1。

5b： 產(chǎn)率80%， m.p.97.7 ℃～98.7 ℃;1H NMRδ: 9.16(s， 1H), 8.94 (d，J=2.00 Hz， 2H), 6.37(s， 1H), 3.56～3.49(m， 2H), 1.70～1.62(m， 2H), 1.26～1.22(m， 18H), 0.87(d，J=6.26 Hz， 3H)；13C NMRδ: 162.66， 148.64, 138.23, 127.14, 120.90, 40.83, 31.88, 30.91, 29.59, 29.56, 29.50, 29.42, 29.31, 29.25, 26.95, 22.66, 14.08； ESI-HR-MSm/z: Calcd for C19H29N3O5Na{[M+Na]+} 402.199 9, found 402.199 5。

(6) 7的合成(以7a為例)

在圓底燒瓶中依次加入5a616.0 mg(2 mmoL)，二氯甲烷50 mL， 10%Pd-C 193 mg及一滴醋酸，用水泵和氫氣球配合置換空氣三次，避光條件下于室溫反應(yīng)8 h。過(guò)濾，濾液旋干得白色固體6a502.2 mg，粗產(chǎn)率100%(直接投入下步反應(yīng))。

在圓底燒瓶中依次加入6a926.8 mg(2 mmoL)，三乙胺1.1 mL(7.8 mmoL)及DMA 32 mL，氮?dú)獗Ｗo(hù)，冰浴冷卻下加入3 0.9 g(2 mmoL)，于室溫反應(yīng)8 h。旋干溶劑后用二氯甲烷(20 mL)溶解，飽和食鹽水(2×20 mL)洗滌，用無(wú)水Na2SO4干燥，蒸除溶劑得粗品，用二氯甲烷(10 mL)溶解，加入甲醇3 mL，析出固體，過(guò)濾,濾餅用二氯甲烷溶解，加入甲醇再次析出固體,如此反復(fù)沉淀6次制得淡黃色粉末7a。用類(lèi)似的方法制得淡黃色粉末7b。

2 結(jié)果與討論

聚合反應(yīng)在DMA中進(jìn)行，需加入一定量的三乙胺，在氮?dú)獗Ｗo(hù)、避光條件下室溫反應(yīng)8 h得到黃色粗品，用GPC測(cè)定分子量，結(jié)果表明，7a和7b粗品的重均分子量(Mw)分別為9 921和29 560；分子量分布(Mw/Mn)分別為2.6和1.8。經(jīng)適量的二氯甲烷溶解粗品，在溶液中加入甲醇，析出的沉淀再用適量的二氯甲烷溶解，再加入甲醇析出沉淀，如此重復(fù)操作多次，可以得到分子量分布較窄、分子量更高的聚合物，達(dá)到分段純化聚合物的目的。其分段純化后的GPC分析結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)，7a的Mw提高至19 343，Mw/Mn提高到1.3； 7b的Mw提升至51 550。這類(lèi)聚合物折疊可形成大約6個(gè)芳香基為一圈的螺旋構(gòu)象[11]，純化的7a和7b折疊后對(duì)應(yīng)的螺旋環(huán)數(shù)(turn)分別為9和23。更長(zhǎng)的鏈長(zhǎng)、更好的成膜性將有助于系統(tǒng)了解這類(lèi)聚合物的折疊性質(zhì)，相關(guān)研究正在進(jìn)行中。從聚合物的IR數(shù)據(jù)可見(jiàn)，7a和7b的酰胺N-H伸縮振動(dòng)分別在3 352 cm-1和3 354 cm-1; C-N伸縮振動(dòng)分別在1 546 cm-1和1 548 cm-1;兩種酰胺的C=O伸縮振動(dòng)分別在1 672 cm-1和1 601 cm-1處有很強(qiáng)的吸收峰，聚合后形成的共軛體系使得C=O伸縮振動(dòng)吸收明顯向低波數(shù)移動(dòng)(表1)。

表 1 聚合物的GPC和IR數(shù)據(jù)Table 1 Data of GPC and IR for polymers

δ圖1 聚合物的1H NMR譜圖Figure 1 1H NMR spectra of polymers

Ⅲ

Chart2

聚合物的1H NMR譜圖(圖1)顯示，苯環(huán)的4個(gè)不同H分別在9.17～9.20， 8.67～8.69， 7.93～7.96和6.54～6.55處出現(xiàn)寬峰，與其結(jié)構(gòu)相似的三聚體(Ⅲ， Chart 2)[11]分別在對(duì)應(yīng)的8.79， 8.50， 7.92和6.54處出峰，與其相比聚合物的苯環(huán)H均發(fā)生了一定的位移，最大化學(xué)位移Δδ=0.4。

IR和1H NMR的分析進(jìn)一步說(shuō)明，通過(guò)上述縮合反應(yīng)得到了酰胺聚合物7。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了3,5-二胺基苯甲酰胺和4,6-二烷氧基-1,3-苯二甲酰氯兩種單體。通過(guò)一鍋煮的方法合成了一類(lèi)新型的長(zhǎng)鏈芳香酰胺聚合物衍生物。該類(lèi)化合物具有很好的成膜性能，其骨架具有一定的剛性，有望折疊成螺旋管道，在離子通道、離子膜等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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