曹嚴(yán)方, 邵長振, 李寶宗, 李　藝, 楊永剛

(江蘇省先進(jìn)功能聚合物設(shè)計(jì)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部, 蘇州 215123)

?

以四肽自組裝體為模板制備手性3-氨基苯酚甲醛樹脂納米纖維

曹嚴(yán)方, 邵長振, 李寶宗, 李藝, 楊永剛

(江蘇省先進(jìn)功能聚合物設(shè)計(jì)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部, 蘇州 215123)

采用經(jīng)典的固相合成法制備了一對烷基取代丙氨酸四肽衍生物對映體, 研究了其在不同溶劑中的成膠行為, 并以其在甲醇中形成的超分子自組裝體為模板, 利用溶膠-凝膠法制備了單手螺旋3-氨基苯酚甲醛樹脂納米纖維. 利用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察超分子自組裝體及3-氨基苯酚甲醛樹脂的螺旋形貌, 并利用圓二色譜研究其光學(xué)性質(zhì). 研究發(fā)現(xiàn), 3-氨基苯酚甲醛樹脂納米纖維既具有納米尺度的手性, 又具有分子尺度的手性. 手性從小分子形成的自組裝體傳遞到高分子樹脂中.

四肽; 超分子模板法; 酚醛樹脂; 納米纖維; 手性

手性和螺旋納米材料在對映體分離、 不對稱催化及光學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注[1～3]. 目前已經(jīng)有多種方法制備和合成手性和螺旋納米材料, 其中, 超分子模板法是一種發(fā)展迅速并取得顯著進(jìn)展的有效方法[4～6]. 超分子模板法主要采用表面活性劑、 膠體、 油脂和增稠劑等作為模板. Rambaud等[7]、 Toyodome等[8]和Yang等[9]以手性小分子膠體為模板劑, 倍半硅氧烷為前驅(qū)體, 制備了各種單手螺旋的二氧化硅[9,10]和有機(jī)無機(jī)雜化氧化硅納米管[8,11]、 納米帶[12]及納米纖維[7,10]等.

Fan等[13]、 Paik等[14]及Zou等[15]利用超分子模板法合成了具有螺旋形貌和獨(dú)特光學(xué)性能的聚吡咯和聚苯胺手性高分子聚合物. 但這些高分子聚合物基本都是線型的且耐熱性差, 限制了其進(jìn)一步應(yīng)用. Yang等[16]以一對苯丙氨酸的烷基衍生物作為模板劑, 以3-氨基苯酚和甲醛的低聚物作為前驅(qū)體, 制備了一種單手螺旋的3-氨基苯酚甲醛樹脂納米管. 該納米管具有與模板劑對應(yīng)的手性, 其中手性傳遞的過程值得深入研究.

四肽化合物能夠利用分子間弱的相互作用(如氫鍵和范德華力), 自組裝形成具有螺旋形貌的納米結(jié)構(gòu)[17]. 本文設(shè)計(jì)合成了一對烷基鏈取代的丙氨酸四肽衍生物對映體, 以其超分子自組裝體為模板, 制備了具有單一手性的3-氨基苯酚甲醛樹脂納米纖維, 并利用圓二色譜研究了其光學(xué)活性. 利用高分子材料復(fù)制四肽化合物自組裝體的形貌尚未見文獻(xiàn)報(bào)道.

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

3-氨基苯酚、 甲醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù), 37%)、 無水甲醇、 肉豆蔻酸、 三氟乙酸、 甲苯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF, 重蒸后使用)、 二氯甲烷(重蒸后使用)、 無水乙醚、 正己烷、 四氫呋喃(THF)、 乙腈和二甲基亞砜(DMSO), 分析純, 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司; 2-Cl-Trt(R)樹脂、 Fmoc-L-丙氨酸(Fmoc-L-Ala)、 Fmoc-D-丙氨酸(Fmoc-D-Ala)和N,N-二異丙基乙胺(DIPEA), 分析純, 吉爾生化上海有限公司; 苯并三氮唑-N,N,N′,N′-四甲基脲六氟磷酸酯(HBTU), 分析純, 蘇州昊帆生物科技有限公司.

C18柱(10 μm, 10 nm, 30 mm×150 mm), 廣東研創(chuàng)公司; S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM), 日本日立公司; Tecnai G220型透射電子顯微鏡(TEM), 美國FEI公司; AVIV-410型圓二色譜(CD)儀, 美國 AVIV Biomedical公司; 1260型高效液相色譜儀, 美國Waters公司.

1.2正十四酰L-丙氨酸-L-丙氨酸-L-丙氨酸-D-丙氨酸[13-(LLLD)]和正十四酰D-丙氨酸-D-丙氨酸-D-丙氨酸-L-丙氨酸[13-(DDDL)]的合成

采用經(jīng)典的9-芴甲氧羰基(Fmoc)的固相法[18]合成13-(LLLD)和13-(DDDL). 在N2氣保護(hù)下, 將2.00 g R樹脂用30 mL二氯甲烷振蕩30 min, 保證樹脂溶脹完全; 過濾除去二氯甲烷, 用DMF沖洗3次; 將1.58 g Fmoc-D-Ala溶解于DMF中, 加入2138 μL DIPEA, 混合均勻, 反應(yīng)50 min, 產(chǎn)物用DMF沖洗3次, 得到R-Fmoc-D-Ala.

將二氯甲烷、 甲醇和DIPEA按體積比為80∶15∶5配成阻斷試劑, 將20 mL阻斷試劑加入到裝有R-Fmoc-D-Ala樹脂的反應(yīng)容器中振蕩10 min, 過濾后用阻斷試劑繼續(xù)振蕩保證樹脂上的反應(yīng)位點(diǎn)阻斷完全, 過濾后用DMF沖洗3次. 配制體積比20∶80的哌啶/DMF混合溶液作為脫保護(hù)試劑, 將20 mL脫保護(hù)試劑加入反應(yīng)容器振蕩30 min切斷第一個(gè)連接到樹脂上氨基酸的芴甲氧羰基保護(hù)基, 脫保護(hù)試劑沖洗后繼續(xù)用DMF沖洗3次, 得到R-D-Ala.

將1.58 g Fmoc-L-Ala和1.88 g HBTU完全溶解于DMF中, 加入2138 μL DIPEA混合均勻, 反應(yīng)50 min, 用DMF沖洗3次; 將20 mL脫保護(hù)試劑加入反應(yīng)容器, 振蕩切斷第二個(gè)氨基酸的芴甲氧羰基保護(hù)基, 得到R-L-Ala-D-Ala. 重復(fù)此步驟2次.

用95%(體積分?jǐn)?shù))三氟乙酸水溶液水解肽鏈和固相載體之間的酯鍵. 將含有產(chǎn)物的三氟乙酸水溶液收集后旋干, 用甲苯超聲分散后除去甲苯; 用無水乙醚超聲分散旋干產(chǎn)物, 過濾得到白色粉末狀的產(chǎn)物, 于25 ℃真空干燥12 h; 利用反相高效液相色譜法進(jìn)一步純化樣品, 所用反相柱為C18柱, 流動(dòng)相為水和含體積分?jǐn)?shù)為0.1%三氟乙酸的甲醇溶液, 采用梯度洗脫純化得到最終產(chǎn)物, 命名為13-(LLLD). 用Fmoc-L-Ala代替Fmoc-D-Ala, 采用同樣的方法合成13-(DDDL).

1.3單手螺旋3-氨基苯酚甲醛樹脂的制備

參照文獻(xiàn)[16]方法制備3-氨基苯酚甲醛樹脂(PPR). 將10 mg 13-(LLLD)和50 mg 3-氨基苯酚溶解于2 mL無水甲醇中, 60 ℃下加入16 mL去離子水, 在1500 r/min下攪拌15 min后加入30 μL 37%甲醛溶液, 反應(yīng)1 h后過濾, 用無水甲醇沖洗, 干燥后得到左手螺旋3-氨基苯酚甲醛樹脂(MPR).

以13-(DDDL)為模板劑, 采用同樣的方法可以得到右手螺旋3-氨基苯酚甲醛樹脂(PPR).

2　結(jié)果與討論

2.1 13-(LLLD)和13-(DDDL)的自組裝行為

手性兩親氨基酸(單肽或寡肽)衍生物可以通過分子間弱相互作用自組裝形成多種多樣的螺旋納米結(jié)構(gòu), 在醫(yī)藥、 電子、 生物及化工等領(lǐng)域具有極大的潛在應(yīng)用[19～21]. 本文設(shè)計(jì)合成了一對基于丙氨酸的烷基鏈取代的四肽對映體13-(LLLD)和13-(DDDL), 其結(jié)構(gòu)式如圖1所示. 通過在不同溶劑中的成膠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 這對化合物在甲醇中的成膠濃度分別為5和10 mg/mL, 在DMF中的成膠濃度為10 mg/mL, 在DMSO中的成膠濃度為20 mg/mL, 而在水、 乙醇、 正丙醇、 四氫呋喃、 乙腈及二氯甲烷等溶劑中的溶解性極差. 將10 mg 13-(LLLD)或13-(DDDL)加熱溶解于1 mL甲醇中, 在25 ℃下放置12 h后完全成膠. 圖2給出13-(LLLD)和13-(DDDL)膠體的SEM照片. 13-(LLLD)和13-(DDDL)在甲醇中分別自組裝形成右手螺旋和左手螺旋的納米纖維, 纖維直徑在50 nm左右, 長度為數(shù)微米.

Fig.1　Molecular structures of 13-(LLLD) and 13-(DDDL)

Fig.2　　　　FE-SEM images of 13-(LLLD)(A) and 13-(DDDL)(B) in methanol at concentration of 10 mg/mL

Fig.3　CD(a, b) and UV-Vis(c, d) spectra of 13-(LLLD)(a, c) and 13-(DDDL)(b, d) in methanol at concentration of 10 mg/mL

圖3給出13-(LLLD)和13-(DDDL)組裝體在甲醇中的紫外-可見光譜及圓二色譜. 在紫外-可見吸收光譜(圖3譜線a和b)中, 13-(LLLD)和13-(DDDL)組裝體在195 nm處出現(xiàn)了羰基的吸收帶. 在圓二色譜(圖3譜線c和d)中, 13-(LLLD)和13-(DDDL)的譜圖呈現(xiàn)出類似鏡面對稱的形狀. 13-(LLLD)組裝體在245 nm處出現(xiàn)第一個(gè)正信號, 表明在組裝過程中分子中的羰基按照順時(shí)針方向進(jìn)行堆積. 而13-(DDDL)組裝體在250 nm處出現(xiàn)第一個(gè)負(fù)信號, 表明組裝過程中13-(DDDL)分子中羰基按照逆時(shí)針方向進(jìn)行堆積. 13-(LLLD)和13-(DDDL)組裝體的信號不完全相反的現(xiàn)象可能來源于線二色譜[22].

Fig.4　　　　FE-SEM(A, B) and TEM(C, D) images of 3-aminophenol-formaldehyde resin nanofibers MPR(A, C) and PPR(B, D)

2.2單手螺旋3-氨基苯酚甲醛樹脂的表征

分別以13-(LLLD)和13-(DDDL)的超分子自組裝體作為軟模板, 3-氨基苯酚和甲醛為前驅(qū)體, 制備手性3-氨基苯酚甲醛樹脂MPR和PPR. 圖4給出手性3-氨基苯酚甲醛樹脂MPR和PPR的SEM和TEM照片. 由圖4可見, MPR和PPR分別具有左手和右手螺旋的納米纖維結(jié)構(gòu). MPR納米纖維的直徑約為200 nm, 螺距約為1300 nm; PPR納米纖維的直徑約為120 nm, 螺距約為950 nm. 從不同手性的自組裝體模板劑得到的樹脂產(chǎn)物的手性也不相同, 表明手性從模板劑傳遞到高分子樹脂; 但3-氨基苯酚甲醛樹脂的螺旋取向與對應(yīng)的自組裝體恰好相反, 表明手性傳遞并不是簡單的復(fù)制過程, 而是模板劑與樹脂前驅(qū)體間協(xié)同作用的結(jié)果[23].

Fig.5　CD(a, b) and UV-Vis(c, d) spectra of MPR(a, c) and PPR(b, d) at concentration of 0.15 mg/mL in ethanol

圖5給出3-氨基苯酚甲醛樹脂的紫外-可見及圓二色譜. MPR和PPR在200～700 nm范圍內(nèi)都有一個(gè)寬的紫外吸收. MPR在260～700 nm 范圍內(nèi)有負(fù)的CD信號, 主要來源于芳環(huán)在納米管壁上的堆積[24,25], 而PPR在此范圍內(nèi)得到的信號正好相反, 表明這對3-氨基苯酚甲醛樹脂納米纖維具有相反的光學(xué)活性. 這與圖4結(jié)果一致. 這對3-氨基苯酚甲醛樹脂納米纖維在納米尺度(外在螺旋)和分子尺度(光學(xué)信號)上都表現(xiàn)出手性, 有可能應(yīng)用于手性分離和催化.

2.33-氨基苯酚甲醛樹脂MPR的形成機(jī)理

將10 mg 13-(LLLD)和50 mg 3-氨基苯酚溶于2 mL無水甲醇中, 在60 ℃時(shí)整個(gè)體系為澄清透明溶液, 加入16 mL去離子水后, 在剪切力的作用下出現(xiàn)膠狀物, 體系顏色變成白色. 圖6給出MPR制備過程中不同時(shí)間的SEM照片. 從圖6(A)可以觀察到左手螺旋的納米纖維. 對比圖2(A), 13-(LLLD)在甲醛中自組裝形成的是右手螺旋的納米纖維. 烷基鏈的疏水作用和酰胺鍵間的氫鍵作用有助于13-(LLLD)形成組裝體的骨架[26]. 由于13-(LLLD)和3-氨基苯酚可以通過氨基與羧基間的靜電作用相互結(jié)合形成絡(luò)合物[16,27], 同時(shí)通過四肽分子間的相互作用發(fā)生聚集, 這種協(xié)同組裝改變了膠束的螺旋方向. 加入甲醛溶液后, 30 s時(shí)反應(yīng)體系為淺黃色, 由圖6(B)可見, 此時(shí)已經(jīng)有結(jié)構(gòu)相對完整的左手螺旋MPR的生成, 直徑約為200 nm, 說明甲醛吸附到膠束的表面, 并與3-氨基苯酚縮合形成低聚物. 低聚物進(jìn)一步聚合和熱固化, 5 min后體系變成黃色, 從圖6(C)可以觀察到樹脂的直徑和厚度同時(shí)增大, 而反應(yīng)30 min后的樹脂形貌基本與反應(yīng)5 min時(shí)一致[圖6(D)], 螺距更加明顯. 上述研究表明, 3-氨基苯酚甲醛樹脂的聚合反應(yīng)在較短的時(shí)間內(nèi)就可以發(fā)生, 從而將模板劑自組裝體的螺旋形貌復(fù)制出來.

Fig.6　　　　FE-SEM images of the reaction of MPR at different time Time/min: (A) 0; (B) 0.5; (C) 5; (D) 30.

3　結(jié)　　論

合成了一對丙氨酸的四肽衍生物對映體, 并以其超分子自組裝體為模板, 利用溶膠-凝膠法制備了單手螺旋的3-氨基苯酚甲醛樹脂納米纖維. 研究發(fā)現(xiàn), 螺旋樹脂納米纖維的形成過程中存在模板劑與前驅(qū)體的協(xié)同組裝. 得到的3-氨基苯酚甲醛樹脂既具有納米尺度的手性, 又具有分子尺度的手性, 手性從小分子形成的自組裝體傳遞到了高分子樹脂中.

[ 1 ]Terech P., Velu S. K. P., Pernot P., Wiegart L.,J.Phys.Chem.B, 2012, 116, 11344—11355

[ 2 ]Hanabma K., Tanaka R., Suzuki M., Kimura M., Shirai H.,Adv.Mater., 1997, 9, 1095—1097

[ 3 ]Zhang C. H., Zhang H. B., Hu Y. F., Liu L., Li H., Yao S. Z.,Chem.J.ChineseUniversities, 2008, 29(10), 1941—1946(張朝暉, 張華斌, 胡宇芳, 劉麗, 李輝, 姚守拙. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào), 2008, 29(10), 1941—1946)

[ 4 ]Xie J. J., Qiu H. B., Che S. A.,Chem.Eur.J., 2012, 18, 2559—2564

[ 5 ]Jung H., Shinkai S., Shimizu T.,Chem.Mater., 2003, 15, 2141—2145

[ 6 ]Jin Q. X., Zhang L., Zhu X. F., Duan P. F., Liu M. H.,Chem.Eur.J., 2012, 18, 4816—4922

[ 7 ]Rambaud F., Valle K., Thibaud S., Julian-Lopez B., Sanchez C.,Adv.Funct.Mater., 2009, 19, 2896—2905

[ 8 ]Toyodome H., Higo Y., Sasai R., Kurawaki J., Kaneko Y.,Nanosci.Nanotechnol., 2013, 13, 3074—3078

[ 9 ]Yang Y. G., Suzuki M., Fukui H., Shirai H., Hanabusa K.,Chem.Mater., 2006, 18, 1324—1329

[10]Yang Y. G., Suzuki M., Owa S., Shirai H., Hanabusa K.,J.Mater.Chem., 2006, 16, 1644—1650

[11]Yan Z. J., Li Y., Wang S. B., Xu Z., Chen Y. L., Li B. Z., Zhu X. L., Zhu G. S., Yang Y. G.,Chem.Commun., 2010, 46, 8410—8412

[12]Chen Y. X., Wang S. B., Liu X. J., Li Y., Li B. Z., Yang Y. G.,Chin.J.Chem., 2010, 28(10), 1941—1945(陳玉霞, 王思兵, 劉瀟娟, 李藝, 李寶宗, 楊永剛. 中國化學(xué), 2010, 28(10), 1941—1945)

[13]Fan. C., Qiu H., Ruan J., Terasaki O., Yan Y., Wei Z., Che S. A.,Adv.Funct.Mater., 2008, 18, 2699—2707

[14]Paik P., Gedanken A., Mastai Y.,J.Mater.Chem., 2010, 20, 4085—4093

[15]Zou W. J., Yang Y., Fang J., Yang Y., Liang J., Deng K., Yao J. L., Wei Z. X.,J.Am.Chem.Soc., 2013, 136, 578—581

[16]Chen H., Li Y., Tang X. H., Li B. Z., Zhang C. Y., Yang Y. G.,RSCAdvances, 2015, 5, 39946—39951

[17]Cui H. G., Cheetham A., Thomas P. E., Stupp S.,J.Am.Chem.Soc., 2014, 136, 12461—12468

[18]Alewood P., Johns R., Valerio R., Kemp B.,Synthesis, 1983, 1, 30—31

[19]Mason A., Muller K.,Nature, 1982, 296, 655—657

[20]Kaneto K., Tsuruta M., Motojima S.,SynthMet., 1999, 103, 2578—2579

[21]Girardet C., Vardanega D., Picaud F.,Chem.Phys.Lett., 2007, 443, 113—117

[22]Fu Y. T., Li B. Z., Huang Z. B., Li Y., Yang Y. G.,Langmuir, 2013, 29, 6013—6017

[23]Liu D., Li B. Z., Guo Y. M., Li Y., Yang Y. G.,Chirality, 2015, 27, 809—815

[24]Pappas C., Frederix P., Mutasa T., Fleming S., Abul-Haija Y., Kelly S., Gachagan A., Kalafatovic D., Trevino J., Ulijn R., Bai S.,Chem.Commun., 2015, 51, 8465—8468

[25]Marchesan S., Waddington L., Easton C., Winkler D., Goodall L., Forsythe J., Hartley P.,Nanoscale, 2012, 4, 6752—6760

[26]Shen Z. C., Wang T. Y., Liu M. H.,Chem.Commun., 2014, 50, 2096—2099

[27]Chakraborty P., Bairi P., Roy B., Nandi A. K.,ACSAppl.Mater.Interfaces, 2014, 6, 3615—3622

(Ed.: W, Z)

Preparation of Chiral 3-Aminophenol-formaldehyde Resin Nanofibers Using the Self-assemblies of Tetrapeptides as Template?

CAO Yanfang, SHAO Changzhen, LI Baozong, LI Yi, YANG Yonggang*

(JiangsuKeyLaboratoryofAdvancedFunctionalPolymerDesignandApplication,DepartmentofChemistry,ChemicalEngineeringandMaterialsScience,SoochowUniversity,Suzhou215123,China)

A pair of tetrapeptide enantiomers derived from alanine was prepared through a classic solid phase peptide synthesis method. Their gel-forming properties were investigated, and their self-assemblies in methanol were selected as the template to prepare 3-aminophenol-formaldehyde resinsviaa sol-gel process. The obtained resins products were single-handed helical nanofibers characterized by field-emission scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Meanwhile, their optical activities were disclosed by circular dichroism. The research results indicate that 3-aminophenol-formaldehyde resins exhibited chirality both at the nano level and at the molecular level. Chirality transferred from the self-assemblies to the resins successfully.

Tetrapeptide; Supramolecular template; Phenolic resin; Nanofiber; Chirality

10.7503/cjcu20160286

2016-04-26. 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-09-20.

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號: 51473106, 21574095)資助.

O632.7+2

A

聯(lián)系人簡介: 楊永剛, 男, 博士, 教授, 主要從事手性納米材料研究. E-mail: ygyang@suda.edu.cn

? Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.51473106, 21574095).