2. 桂林医学院 药学院, 广西 桂林 541004
2. College of Pharmacy, Guilin Medical University, Guilin 541004, Guangxi, P. R. China
树枝形聚合物(Dendrimer)是一类围绕中心核、外围基团随着代数的增加呈指数级别增长的具有精确分子量的大分子化合物[1]，合成方法的发展可以使功能基团准确地修饰在树枝形聚合物的外围、核心或支化节点处。树枝形聚合物特殊的结构特性引起了研究者们的兴趣，已被广泛应用于催化[2]、自组装[3,4]、分子识别和包囊[5,6,7]等研究。
树枝形聚合物的化学结构可以通过各种方法进行表征，然而其确切的三维结构至今还不是十分清楚，深入研究树枝形聚合物的分子结构，包括构象和微环境，将会大大促进它的应用。树枝形聚合物的构象结构目前有两种理论模型：密实壳模型[8]和密实核模型[9]。密实壳模型认为树枝形聚合物的所有末端向外伸展不发生折叠，形成外围致密的壳体包裹疏松核的分子结构，而密实核模型则认为树枝形聚合物的每个末端均可发生折叠，分子密度分布从核到外围单调下降，形成一个密实核的分子结构。对于不同结构类型的树枝形聚合物，两种理论模型都有一定的实验支持。
芳醚树枝形聚合物性能稳定、合成便捷，广泛应用于光功能材料研究。研究芳醚树枝形聚合物的构象，对促进其在相关各研究领域的应用有着重要的意义。研究者们通过粘度测量[10]、核磁共振[11]、溶致变色探针[12]、荧光探针[13]、偏振荧光[14]、能量传递和电子转移[15,16,17,18,19]等方法对芳醚树枝形聚合物的构象进行了研究，证实芳醚树枝形聚合物分子内存在高度折叠结构，接近密实核理论模型。我们也通过分子内电子转移过程对芳醚树枝形聚合物的构象进行了研究，利用分子内激基复合物的形成直接观察到了芳醚树枝形聚合物的折叠构象，并通过分子内电子转移过程研究证实芳醚树枝形聚合物的末端基团可以折叠到接近核心的位置[20,21]。
为了深入了解芳醚树枝形聚合物的折叠构象，以及构象折叠对分子内微环境的影响，本工作设计合成了1~4代外围修饰一个芘基团以及核心修饰一个芘基团的芳醚树枝形聚合物Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py (n=1~4)，通过小分子猝灭剂对处于树枝形聚合物分子不同位置的芘荧光的猝灭实验，研究芳醚树枝形聚合物的折叠构象，并说明核心和外围基团所处微环境的差异。
1 实验部分 1.1 试剂与仪器实验中用于合成和分离的试剂均为北京化学试剂公司产品，分析纯和化学纯试剂无特别说明均直接使用；用于光谱测试的溶剂均按照文献的标准方法进行处理。
Bruker 400 MHz核磁共振仪；Bio-Rad Win型红外光谱仪；Bruker BIFLEX Ⅲ型MALDI-TOF飞行时间质谱仪；Hitachi L7110型高效液相色谱仪，C18反相柱；Shimadzu UV-1601PC紫外可见光谱仪；Hitachi F-4500型荧光光谱仪；Edinburgh FLS920单光子计数时间分辨荧光光谱仪。
1.2 芳醚树枝形聚合物的合成采用Fréchet合成法[22,23]合成了核心为溴的芳醚树枝形聚合物骨架——芳醚支化苄基溴，以Gn-Br表示。合成核心接芘的芳醚树枝形聚合物Gn-CH2-Py的通用方法是：在两口瓶中加入1.2当量的1-芘甲醇，10.0当量的氢化钠，适量的干燥四氢呋喃，氮气保护下加热回流。然后自滴液漏斗加入1.0当量相应的Gn-Br溶于干燥四氢呋喃的溶液，滴加完毕后，搅拌回流24 h。反应混合物冷却，减压除去溶剂，剩余物用二氯甲烷和水萃取，有机层用水洗涤3次，合并有机相，然后用无水硫酸镁干燥，过滤，减压除去溶剂，粗产品按下文具体步骤进行提纯。
G1-CH2-Py的合成：该产物以G1-Br为原料按照上述通用步骤进行制备，粗产物柱层析分离(洗脱剂为4/5的二氯甲烷/石油醚)，得到淡黄色固体，产率为88%。HPLC保留时间tR为12.0 min，流动相为乙腈/四氢呋喃＝2/1；IR(KBr) ν(cm-1)：3062,3033,2927,2875,1600,1450,1374,1060; 1HNMR (CDCl3)：4.61 (s,2H,—OCH2Ar核心),5.00 (s,4H,—OCH2Ar),5.25 (s,2H,—OCH2-Py),6.56~6.66(m,3H,ArH),7.31~7.40(m,10H,ArH),7.99~8.39(m,9H,PyH); MS(MALDI-TOF): m/z,557.4 (M+Na+),573.3(M+K+),calcd. m/z 534.2。
G2-CH2-Py的合成：该产物以G2-Br为原料按照上述通用步骤进行制备，粗产物柱层析分离(洗脱剂为9/5的二氯甲烷/石油醚)，得到淡黄色泡沫状固体，产率为80%。HPLC保留时间tR为15.3 min，流动相为乙腈/四氢呋喃＝2/1；IR(KBr)ν(cm-1)：3062,3034,2925,2873,1598,1498,1450,1375,1160,1061; 1HNMR (CDCl3)：4.61(s,2H,—OCH2Ar核心),4.95~5.00(m,12H,—OCH2Ar),5.24(s,2H,—OCH2-Py),6.53~6.66(m,9H,ArH),7.28~7.41(m,20H,ArH),7.96~8.38(m,9H,PyH); MS(MALDI-TOF): m/z,981.5 (M + Na+),997.4 (M + K+),calcd. m/z 958.4。
G3-CH2-Py的合成：该产物以G3-Br为原料按照上述通用步骤进行制备，粗产物柱层析分离(洗脱剂为4/1的二氯甲烷/石油醚)，得到淡黄色泡沫状固体，产率为78%。HPLC保留时间tR为24.8 min，流动相为乙腈/四氢呋喃＝2/1；IR(KBr)ν(cm-1)：3088，3062，3032，2928，2872，1598，1448，1372，1158，1046；1HNMR (CDCl3)：4.58 (s,2H,—OCH2Ar核心),4.93~4.99 (m,28H,—OCH2Ar),5.21 (s,2H,—OCH2-Py),6.52~6.65 (m,21H,ArH),7.27~7.39 (m,40H,ArH),7.93~8.35 (m,9H,PyH); MS (MALDI-TOF): m/z,1830.0 (M + Na+),1846.0 (M + K+),calcd. m/z 1806.7。
G4-CH2-Py的合成：该产物以G4-Br为原料按照上述通用步骤进行制备，粗产物柱层析分离(洗脱剂为8/1的二氯甲烷/石油醚)，得到淡黄色泡沫状固体，产率为70%。HPLC保留时间tR为9.5 min，流动相为乙腈/四氢呋喃＝1/2；IR(KBr)ν(cm-1)：3088，3062，3030，2930，2872，1597，1448，1371，1150，1044；1HNMR (CDCl3)：4.54 (s,2H,—OCH2Ar核心),4.89~4.95 (m,60H,—OCH2Ar),5.16 (s,2H,—OCH2-Py),6.50~6.62 (m,45H,ArH),7.28~7.36 (m,80H,ArH),7.88~8.31 (m,9H,PyH); MS (MALDI-TOF): m/z,3527.3 (M + Na+),3543.6 (M + K+),calcd. m/z 3503.4.
外围接一个芘基团的芳醚树枝形聚合物Py-Gn-OH的合成方法和表征参见文献[17]。芳醚树枝形聚合物Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py (n=1~4)的结构式如图 1所示。
 | 图 1 Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py(n=1~4)结构 Structures of Py-Gn-OH and Gn-CH2-Py (n=1-4) |
测定了Py-Gn-OH、Gn-CH2-Py(n=1~4)以及不含芘基团的芳醚骨架Gn-OH在二氯甲烷中的紫外吸收光谱。图 2为相同分子浓度下Py-G2-OH、G2-CH2-Py和G2-OH在二氯甲烷中的紫外吸收光谱，从图中可以看到，300 nm以上只有芘的吸收，因此可以用300 nm以上的光选择性激发Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py分子中的芘基团。相同代数的Gn-CH2-Py比Py-Gn-OH结构中多了一个苯环，因此Gn-CH2-Py在278 nm处的摩尔消光系数比Py-Gn-OH略高。
 | 图 2 Py-G2-OH、G2-CH2-Py和G2-OH在二氯甲烷中的紫外吸收光谱 Absorption spectra of the compounds Py-G2-OH, G2-CH2-Py and G2-OH in CH2Cl2 |
选取芘S0-S1吸收带的最大吸收345 nm作为激发波长，测量了Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py(n=1~4)在二氯甲烷中的稳态荧光发射光谱，如图 3所示。不同代数树枝形聚合物的荧光光谱形状没有发生变化，但强度均随代数增加而增加，经分析是因为树枝形聚合物的构象发生了折叠，随代数增加，不管是处于于树枝形聚合物外围还是核心的芘基团均被树枝形聚合物骨架包裹，随代数增大的树枝形聚合物骨架对芘基团的包裹作用增大，减少了溶剂分子与芘基团的相互作用，抑制了溶剂分子对芘激发态猝灭引起的非辐射跃迁，从而使芘的荧光发射增强。
 | 图 3 Py-Gn-OH(a)和Gn-CH2-Py(b)在二氯甲烷中的荧光发射光谱 激发波长为345 nm，[Py-Gn-OH] = [Gn-CH2-Py]=1.0×10-6 mol/L Fluorescence spectra of Py-Gn-OH (a) and Gn-CH2-Py (b) in CH2Cl2 λex=345 nm, [Py-Gn-OH] = [Gn-CH2-Py]=1.0×10-6mol/L |
向1~4代Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py的二氯甲烷溶液中加入不同量的N-苄基苯胺，随着N-苄基苯胺的加入,树枝形聚合物的荧光强度逐渐降低，显然N-苄基苯胺猝灭了树枝形聚合物的荧光。N-苄基苯胺的紫外吸收截止波长约为325 nm，其单重态能量比芘高，从芘到N-苄基苯胺的单重态能量传递是吸热过程，不易发生，显然，可以排除芘到N-苄基苯胺单重态能量传递导致体系荧光猝灭的可能性。进一步利用Rehm-Weller方程[24,25]分析了Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py中芘基团与N-苄基苯胺之间发生电子转移的可能性，计算得到一个电子参与的从N-苄基苯胺到Py-Gn-OH或Gn-CH2-Py的电子转移过程自由能变化ΔG均小于0，说明从基态N-苄基苯胺到激发单重态芘的电子转移过程是热力学允许的，因此，树枝形聚合物体系荧光猝灭应该是N-苄基苯胺与芘基团间发生了光诱导电子转移的结果。
利用Stern-Volmer方程I0/I=1+Ksv[Q]=1+kqτ0[Q]计算了树枝形聚合物中芘荧光被N-苄基苯胺猝灭的猝灭速率常数。式中，I0、I分别为加入猝灭剂之前和之后树枝形聚合物体系的荧光强度；Ksv为表观猝灭速率常数；τ0为没有猝灭剂存在时芘基团的荧光寿命；kq为双分子猝灭速率常数，受扩散速率控制。以Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py(n=1~4)在378 nm处的荧光发射强度变化比(I0/I)对猝灭剂N-苄基苯胺浓度作图，得到不同树枝形聚合物体系的Stern-Volmer曲线，如图 4所示。
 | 图 4 二氯甲烷中N-苄基苯胺对Py-Gn-OH(a)和Gn-CH2-Py(b)的猝灭曲线 Stern-Volmer plots of I0/I and the quencher concentration for dendrimers Py-Gn-OH (a) and Gn-CH2-Py (b) in CH2Cl2 |
Stern-Volmer曲线的斜率即为表观猝灭速率常数，Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py(n=1~4)的表观猝灭速率常数列于表 1。双分子猝灭速率常数kq表示猝灭剂接近发色团的难易程度，kq越大说明猝灭剂越容易接近发色团，也就是说猝灭剂接近发色团的位阻越小，发色团所处环境的拥挤程度越小。利用未加猝灭剂时的芘基团荧光寿命(见表 2)计算得到的双分子猝灭速率常数也归纳于表 1中。两个系列的树枝形聚合物与猝灭剂间的双分子猝灭速率常数均随代数增加而减小，说明猝灭剂与Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py中芘的接触难度均随代数增加而增加，说明树枝形聚合物结构发生了折叠，即使是连接在树枝形聚合物外围的芘基团也被树枝形聚合物骨架包裹，随代数增加，芘基团外围包裹的树枝形聚合物骨架增大，导致猝灭剂N-苄基苯胺接近树枝形聚合物中芘基团的位阻增加；3到4代树枝形聚合物体系的双分子猝灭速率常数减小幅度变小，说明高代数树枝形聚合物骨架对猝灭剂的位阻大小接近。进一步地观察还发现，Gn-CH2-Py体系的双分子猝灭速率常数均比相应代数Py-Gn-OH体系稍小，说明连接在核心的芘基团比连接在外围的芘基团被树枝形聚合物骨架包裹程度略高，猝灭剂接近位于树枝形聚合物核心芘基团的位阻比接近树枝形聚合物外围芘基团的位阻略大。
 | 表 1 Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py的表观猝灭速率常数Ksv和双分子猝灭速率常数kq Quenchingrate constants of dendrimers Py-Gn-OH and Gn-CH2-Py |
| 表 2 Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py的荧光寿命 Fluorescence lifetimes for Py-Gn-OH and Gn-CH2-Py |
测定了Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py(n=1~4)在二氯甲烷中的时间分辨荧光光谱，所有化合物的荧光衰减曲线均可以用单指数衰减很好地拟合，拟合得到的寿命列于表 2中。
Py-Gn-OH和Gn-CH2-Py的荧光寿命均随代数增加而增加，荧光寿命为辐射跃迁与非辐射跃迁速率常数和的倒数，树枝形聚合物体系中的发光基团均为芘，可以认为其辐射跃迁速率常数相同，随代数增加而变长的荧光寿命显然来自非辐射跃迁速率常数的减小。经分析，认为是树枝形聚合物结构发生了折叠，随代数增加，不管是连接在外围还是核心的芘基团均被树枝形聚合物骨架包裹，阻碍了溶剂分子对芘基团的猝灭，减少了非辐射跃迁，使荧光寿命增加，这与稳态荧光光谱结果是一致的。Gn-CH2-Py中芘的荧光寿命均比相应代数Py-Gn-OH中略长，说明树枝形聚合物骨架对位于核心的芘基团的包裹相比位于外围的芘基团更紧密，对溶剂分子的屏蔽作用更强，这与稳态荧光猝灭研究结果一致。
3 结论本工作合成了外围修饰一个芘基团和核心修饰一个芘基团两个系列的芳醚树枝形聚合物Py-Gn-OH(n=1~4)和Gn-CH2-Py(n=1~4)。稳态和时间分辨荧光光谱、N-苄基苯胺对树枝形聚合物的荧光猝灭研究表明，芳醚树枝形聚合物分子高度折叠，不论是处于核心的或是外围的基团，均被树枝形聚合物骨架包裹，随代数增加，树枝形聚合物骨架增大，对芘基团的包裹更为紧密，树枝形聚合物骨架对处于核心的芘基团的包裹比对处于外围的芘团的包裹更为严密。树枝形聚合物骨架对共价连接在骨架上的发色团有保护作用，可以抑制溶剂或猝灭剂分子对其猝灭。本工作为功能芳醚树枝形聚合物设计和应用提供了实验依据。
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