基于柱[5]芳烃的双大环分子及其超分子体系的制备和应用

本发明涉及一种基于柱[5]芳烃的双大环分子及其合成方法，还涉及基于柱[5]芳烃的双大环分子构建的超分子主客体组装体系和超分子荧光纳米颗粒，同时涉及超分子主客体组装体系作为光致发光和光致变色材料在信息加密材料中的应用，以及超分子荧光纳米颗粒在细胞成像中的应用。

背景技术：

1、开发基于大环组装的超分子功能材料是新颖、有趣且有广阔应用前景的方向。利用大环组装构建超分子功能材料可以实现单分子难以实现的功能。例如，利用大环空腔可以包结与之相匹配的客体从而实现组装、刺激响应、控制释放等性能，这些性能在先进智能材料的构建中有着广泛的应用。在此基础上，研究者开发了一系列基于大环主体的先进功能材料，在主客体识别、分离、药物控制释放、催化等领域显示出较好的的应用性能。然而，传统的组装过程受大环的单一空腔的限制，其主客体组装模式也有一定的局限性。因此，如何提高大环化合物的组装能力，开发具有特定功能的超分子体系一直是一个巨大的挑战。双大环可以提供不同尺寸，电子结构的空腔，并可以与不同的客体进行组装，使其具有更丰富的主客体性质。

2、光学材料作为一种重要的功能材料，已广泛应用于生产和生活的各个领域。其中，有机发光自由基由于其特殊的分子结构成为了研究的热点之一，在发光领域具有很大的应用潜力。有机自由基由于其开壳结构一般并不能稳定存在，使得稳定有机发光自由基成为一项极具挑战性的研究。因此，利用超分子相互作用实现稳定、高效的自由基发射是一项有趣且具有挑战性的工作。此外，纳米材料由于其独特的物理和化学性质，在生物医学领域具有广阔的应用前景。具有生物相容性和强荧光性质的纳米探针在肿瘤检测和诊断中具有一定优势，而荧光纳米颗粒（fns）则具有更好的光稳定性和通用性，在细胞成像和生物分子传感方面表现出色。与普通荧光探针不同，荧光纳米颗粒通常具有较低的细胞毒性，且表面功能化（抗体、配体或酶）的nps 可用于生物传感器用来分析目标蛋白质。因此，荧光纳米颗粒的光稳定性明显优于小分子探针。荧光纳米颗粒因其良好的荧光性能和在生物成像中的优异潜力而受到广泛关注。然而，荧光纳米颗粒的稳定性和构建方法也是此类材料应用的有趣挑战。

3、有鉴于此，本发明报道了基于柱[5]芳烃的双大环主体分子dnpb，它包含两个刚性，电子结构不同的大环空腔，可以根据各自的结构特征与不同的客体进行分步组装，构建了性能更丰富的超分子功能体系。首先，在客体g1的两端引入带有腈基的烷基链，使客体g1可以进入柱[5] 芳烃空腔。其次，功能性客体g2是ndi 的衍生物，强缺电子体系使其能够与双大环dnpb的侧大环结合。至此，双大环主体dnpb同时与客体g1，g2组装形成交联的超分子功能体系hg1g2。在此基础上，所得到的超分子组装系统hg1g2具有良好的光致发光和光致变色性能。由于基于双大环逐步组装的空间位阻和封装效应，hg1g2的自由基发射特性得到了显著提高，荧光量子产率是单独g2的3倍。hg1g2具有优异的光致发光和光致变色性能，这里还将其引入到聚甲基丙烯酸甲酯中，使光致变色和光致发光过程在固体体系中更加稳定，已成功应用于信息分加密材料的开发。此外，不同维度空腔的存在可以同时增加主体组装的维度，然后通过不同维度的非质子相互作用、氢键、金属配位等组装超分子聚合物。此外，本发明利用基于主客体相互作用和金属配体相互作用的正交自组装方法，向主客体组装体系中引入不同的金属离子（银、铅、锌），构建一系列原位限定的基于超分子聚合物的荧光纳米颗粒（fsnps），同时该荧光纳米颗粒具有细胞低毒性，且可以很好的应用于细胞成像。

技术实现思路

1、本发明的目的提供一种可以提供两个大环空腔的基于柱[5]芳烃的双大环分子及其合成方法。

2、本发明的还有一个目的是提供基于柱[5]芳烃的双大环分子构建的超分子主客体组装体系和作为光致发光和光致变色材料在信息加密材料中的应用。

3、本发明的还有一个目的是提供基于柱[5]芳烃的双大环分子构建的超分子荧光纳米颗粒并将其应用于细胞成像。

4、一、双大环化学传感器dnpb及其合成

5、本发明双大环dnpb的合成方法：将对苯二甲酰氯溶于二氯甲烷中，然后滴入溶解了双-n-（2-氨基乙基）-2-（己巯基）乙酰胺功能化柱[5]芳烃的二氯甲烷体系中，在25~30℃下反应45~50 h，除去溶剂得到粗品，再用乙醇重结晶得到基于柱[5]芳烃的双大环分子。其中，双-n-（2-氨基乙基）-2-（己巯基）乙酰胺功能化柱[5]芳烃和对苯二甲酰氯的摩尔比为1.2:1~1.3:1。

6、上述合成的双大环化学传感器dnpb的分子式为：c71h88n4o14s2，标记为：dnpb，其结构式为：

7、

8、双大环化学传感器分子dnpb的质谱和氢谱谱图见图1和图2。

9、二、双大环dnpb超分子主客体组装体系的构建及在信息分级加密中的应用

10、1、双大环dnpb超分子主客体组装体系的构建方法

11、以 dmso 为溶剂，在室温下，向浓度为1 × 10-4m 的双大环主体dnpb中加入0.5当量的两端带有腈基烷基链的客体g1，客体g1进入柱芳烃空腔，构建hg1的主客体复合物。另外，再向上述体系中加入1当量客体g2，ndi 的衍生物客体g2作为强缺电子体系使其能够与双大环dnpb的侧大环结合，形成交联的超分子功能体系hg1g2。

12、客体g1的结构式为：

13、

14、客体g2的结构式为：

15、。

16、如图3所示，双大环dnpb的组装氢谱出峰位移表明当双大环dnpb、客体g1和g2同时存在时，客体g1进入双大环dnpb的柱[5]芳烃空腔，而客体g2与双大环dnpb的侧空腔进行组装。以上研究结果表明，客体g1通过ch···π，氢键等相互作用进入双大环dnpb的柱[5]芳烃空腔，而客体g2与双大环dnpb的侧空腔通过氢键，π···π等弱相互作用力组装，进而将客体g2包结至侧空腔，组装构建了超分子主客体组装体系（hg1g2）。

17、2、双大环dnpb的主客体组装体系光学性能

18、我们讨论了主客体组装体系hg1g2在dmf中的光物理性质，并讨论了主客体组装体系的构建对发光强度的影响。当以双大环主体分子dnpb：客体分子g1：客体分子g2的摩尔比为2：1：2（1× 10-4m）复合为主客体组装体系hg1g2时，在初始状态下也没有明显的发光。然而，当用365 nm的紫外光照射主客体组装体系hg1g2时，荧光强度随着紫外灯光照时间增加而逐渐增强，大约在照射2.75 分钟时荧光强度达到最大值，同时在575 nm处显示出强烈的黄色发射（图4）。如图附图4d所示，主客体组装体系hg1g2的紫外可见-吸收光谱在365 nm的紫外灯照射后在475 nm、600nm 和755nm 处出现三个新的吸收峰，这可能是由于产生了ndi阴离子自由基。这可能主要是由于主客体组装体系hg1g2中，在通过主客体相互作用构建的聚合物中存在空间位阻，该空间位阻阻止了由客体分子g2还原的 ndi 阴离子自由基聚集和湮灭。

19、3、光致变色及光致发光发光机理分析

20、为了确定主客体组装体系hg1g2的光致变色及光致发光发光原因，利用电子顺磁共振（epr）对365 nm紫外光照后的主客体组装体系hg1g2进行了进一步的表征。如图5所示，epr检测到一个 g因子为2.0037的强信号，证实了ndi自由基阴离子（ndi·-），表明发射应该来自自由基发射。此外，我们还测试了客体分子g2在dmf 中的电子顺磁共振（epr）。同样，在365nm 紫外光照射后，在 epr 谱图的同一位置也产生了相应的信号，但其强度弱于主客体组装体系hg1g2。dmf 作为电子供体，g2（ndi）作为电子受体，电子供体 dmf 与电子受体g2（ndi）在溶液中存在极强的孤对电子-π 相互作用，基于此，我们推测365 nm光照后，以孤对电子-π相互作用为从电子给体 dmf 到电子受体g2（ndi）的电子转移通道，实现了 dmf 的孤对电子向缺电子受体g2的电子转移，同时由于ndi自由基阴离子的产生，其紫外可见吸收光谱出现新的吸收峰并且溶液颜色肉眼可视的由无色转变为棕色。另外，主客体组装体系hg1g2的荧光量子产率（qy）和寿命分别为26%和11.31 ns（图5a和5b）。值得注意的是，客体分子g2体系在365 nm紫外光照后qy为10%，主客体组装体系hg1g2比客体分子g2体系的 qy 约高2.6 倍。这一结果表明，与客体分子g2体系相比，主客体组装体系hg1g2对ndi自由基发光具有有效的保护作用。实验结果表明，分子之间的超分子相互作用和主客体组装产生的空间位阻对增强自由基的发射发挥着重要作用。

21、4、双大环分子dnpb分步组装构建主客体组装体系用于信息加密材料

22、取双大环分子dnpb主客体组装体系（hg1g2）以2wt% 用dmf溶液掺杂聚甲基丙烯酸甲酯制成高分子膜。如图6所示，将主客体组装体系的薄膜和空白pmma薄膜以代码的形式组合成了一个防伪结构。由于主客体组装体系的薄膜和空白pmma薄膜均是无色的，在365 nm光照前无法显示相应的信息。然而，在365 nm光照射下处理10 秒，主客体组装体系的薄膜变成淡褐色，而空白pmma薄膜依然无色，信息浮现。同时，主客体组装体系的薄膜荧光颜色变为紫红色，而空白pmma薄膜依然为蓝色，信息浮现。继续用365 nm光照射10 秒，主客体组装体系的薄膜图案的淡褐色加深，同时，荧光由紫红色变为橘色，而空白pmma薄膜依然不变，至此完成二次加密。继续在365 nm光照射下处理40 秒，主客体组装体系的薄膜图案的褐色加深，同时，荧光由橘色变为黄色，至此完成三次分级加密。使用这些材料进行信息加密比使用不利于加工的晶体材料更方便。

23、三、超分子荧光纳米颗粒的构建及在细胞成像中的应用

24、1、双大环dnpb的主客体组装体系（hg1g2）构建超分子荧光纳米颗粒

25、利用扫描电子显微镜进一步研究了双大环dnpb、客体分子g1和g2在二甲基亚砜/水（v：v = 9：1）中的自组装行为。如图7所示，主客体复合物hg1g2在dmso/h2o（v：v = 9：1）中出现了有序的纳米立方体结构，表明超分子主客体组装体系hg1g2自组装成形成有序的纳米立方体。向由氢键、π – π 等弱相互作用构建的超分子主客体组装体系hg1g2中分别引入3.00当量金属离子（ag+, pb2+, zn2+）进行正交自组装后，如图7所示，该体系的形貌由纳米立方体转变为3d纳米纤维，螺旋纳米棒以及交联网络，这一形貌转变可归因于超分子主客体组装体系hg1g2与金属离子（ag+, pb2+, zn2+）发生配位作用。

26、2、双大环dnpb构建超分子荧光纳米颗粒光物理性质研究

27、利用紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱进行了探究。如图8所示，超分子主客体组装体系hg1g2在dmso/h2o（v：v=9：1）中的紫外可见光谱分别在292，358，378 nm 处有吸收峰。当向超分子主客体组装体系hg1g2溶液中加入3.00 当量的ag+时，超分子主客体组装体系hg1g2在dmso/h2o（v：v=9：1）中的吸收光谱未发生明显的变化。向含ag+的分子主客体组装体系hg1g2（ag+⊂hg1g2）溶液中加入10 当量的i-，溶液澄清透明变浑浊，同时在420 nm处观察到一个新的吸收带，而在358，378 nm处的客体g2的特征吸收双峰的0-0峰与0-1峰的比值由原来1.13变为1.04，这就表明超分子主客体组装体系hg1g2与agi发生明显的组装。超分子主客体组装体系hg1g2在dmso/h2o（v：v=9：1）中荧光发射光谱在330 nm 处具有最大发射，其荧光量子产率为4%（图8），荧光寿命为2.14 ns。向超分子主客体组装体系hg1g2中加入3.00 当量的ag+后，荧光发射光谱显示出以479 nm为中心的宽发射峰，这归因于ag+与主客体组装体系hg1g2之间的配位。向含ag+的超分子聚合物溶液中加入10.0 当量的i-，在380 -652 nm范围内观察到强的发射带，这导致了非常强的蓝色发射，其荧光量子产率为28%，荧光寿命为7.25 ns，至此，我们得到了agi@hg1g2荧光纳米颗粒。根据类似的操作，得到了基于超分子聚合物的pbs@hg1g2和zns@hg1g2荧光纳米颗粒。

28、3、双大环分子dnpb分步、正交组装构建荧光纳米颗粒用于细胞成像

29、将基于荧光超分子聚合物网络的agi@hg1g2、pbs@hg1g2和zns@hg1g2fsnps用于活细胞成像。如图9所示，基于浓度为20 μm的荧光超分子聚合物网络agi@hg1g2、pbs@hg1g2和zns@hg1g2fsnps分别作用于hepg 2细胞6小时，激光共聚焦扫描显微镜观察荧光聚合物网络在细胞质中的分布。在hepg 2细胞的细胞质中观察到绿色荧光（图9）。这些结果表明，基于荧光超分子聚合物网络的agi@hg1g2、pbs@hg1g2和zns@hg1g2fsnps可以成功应用于细胞成像领域。

30、综上所述，本发明合成了基于柱 [5] 芳烃的双大环主体分子dnpb，它包含两个刚性，电子结构不同的大环空腔，这些空腔可以根据各自的结构特征与不同的客体进行分步组装，构建了性能更丰富的超分子功能体系。由于双大环组装提供的空间位阻和封装效应，使hg1g2的自由基发射特性得到了显著提高。同时，利用超分子组装系统hg1g2良好的光致发光和光致变色性能，将其引入到聚甲基丙烯酸甲酯中，使光致变色和光致发光过程在固体体系中更加稳定，并将其应用于分级信息加密。此外，利用柱 [5] 芳烃双大环dnpb不同维度的空腔，通过主客体相互作用和金属配位相互作用的正交自组装方法，向主客体组装体系中引入不同的金属离子（银、铅、锌），构建一系列原位限定的基于超分子聚合物的荧光纳米颗粒（fsnps），并将其应用于细胞成像。因此，利用双大环主体化合物分步、正交组装构建发光材料的策略是一种新颖可行的方法。