陳香李, 高瑩瑩, 楊 方, 步懷天

(陜西科技大學 化學與化工學院 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室， 陜西 西安 710021)

0 引言

自上世紀九十年代以來，小分子膠凝劑(Low Molecular Mass Gelators，LMMGs)形成的超分子凝膠及其自組裝結構受到了廣泛關注[1-4].超分子凝膠是由確定分子結構的小分子量有機化合物(M<3 000)通過分子間的相互作用(如氫鍵、色散力、范德華力、π-π堆積等)在溶劑中自組裝形成三維網絡結構，進而通過界面張力使溶劑失去宏觀流動性而形成凝膠.相比于化學凝膠中三維網絡間的共價鍵，超分子凝膠具有良好的溶膠-凝膠相轉變可逆性，從而使得超分子凝膠具有對光、電、磁、熱、pH、超聲、氧化/還原等多重刺激響應性[5-8].

隨著超分子凝膠的快速發(fā)展，功能性凝膠受到人們日益廣泛的關注.研究LMMGs分子結構中的官能團在膠凝過程中發(fā)揮的作用，以及分析分子凝膠的形成機理，可以在LMMGs的分子設計中目的性的引入某些功能基團，誘導分子有效自組裝形成凝膠，并賦予其特殊功能性.但是，膠凝劑分子的自組裝并不是各官能團間的簡單堆砌，各官能團之間通常具有協(xié)同作用或存在相互影響，膠凝劑自身的分子結構決定了其自組裝行為.因此，研究膠凝劑的導向性合成仍是一個巨大挑戰(zhàn).

糖類化合物由于具有親水性、手性骨架、良好的生物相容性等特點[9]，已成功用于小分子膠凝劑的設計合成[10].糖類LMMGs由于結構的特殊性，在有機溶劑和水中具有豐富的自組裝行為，表現出特殊的膠凝能力，所形成的凝膠在醫(yī)學、生物學以及材料學等領域存在潛在的應用價值[11,12].但是，現階段對糖類LMMGs的研究主要局限于吡喃型糖類，而對于其它類型(如直鏈型糖、呋喃型糖、五碳糖等)關注較少.此外，由于糖類LMMGs中分子間作用復雜且功能基團多樣，目前很少研究膠凝劑分子的自組裝行為與其分子結構和溶劑結構之間的相互關系.因此，設計合成結構更為新穎的糖類小分子、制備功能性糖類分子凝膠仍是這一領域的研究熱點.

含芳環(huán)的糖類LMMGs利用芳環(huán)間的π-π堆積作用以及糖單元間的氫鍵作用，在溶劑中可能存在特殊的自組裝行為.目前，以直鏈型糖類化合物為基元合成小分子膠凝劑的研究較少，而且對于含芳烴的糖類LMMGs的膠凝機理研究也不深入.因此，本文以(鄰、間、對)苯二胺為連接臂將葡萄糖酸與膽固醇相連接，設計合成了3種含苯環(huán)結構的直鏈型糖類小分子化合物，研究了這些化合物在各類溶劑中的膠凝行為，通過SEM、FTIR、1H NMR、流變學、XRD等手段系統(tǒng)研究了小分子膠凝劑在溶劑中的自組裝行為，提出了凝膠網絡結構可能的形成機理.

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

1.1.1 主要試劑

膽固醇氯甲酸酯(98%)，鄰苯二胺(AR， 97%)，對苯二胺(AR， 97%)，間苯二胺(99%)：麥克林試劑，未經純化直接使用；D-(+)-葡萄糖酸-δ-內酯(99%)：阿拉丁試劑，未經純化直接使用；實驗所用溶劑均為國藥集團化學試劑有限公司產品(分析純)，其中三乙胺(AR)用氫氧化鉀除水后蒸餾純化；四氫呋喃放入鈉絲回流4 h后蒸餾后使用；二氯甲烷、三氯甲烷：經無水氯化鈣干燥后蒸餾；甲醇、丙酮使用前經蒸餾純化；實驗用水經MilliQ超純水機純化.

1.1.2 主要儀器

瑞士Bruker公司AVANCE 400超導核磁共振儀(400 MHz，Me4Si為內標)，德國Bruker Equinx55傅立葉變換紅外光譜儀，德國Vario EL III型元素分析儀，美國UHR-TOF質譜儀(Bruker，ESI正離子光源)，荷蘭Philips-FEI公司Quanta 200掃描電子顯微鏡，美國TA公司AR-G2流變儀，日本理學公司的D/Max2550VB+/PC全自動XRD衍射儀.

1.2 膠凝劑CnG的合成與表征

中間產物Cn的合成參考文獻[13]中的方法.CnG的合成路線示意圖如圖1所示.

C1G的合成：將中間體C1(0.52 g，1 mmol)和D-(+)-葡萄糖酸內酯(0.18 g，1 mmol)溶于40 mL甲醇中攪拌回流12 h.反應結束后，將反應液經抽濾后，所得到的固體用甲醇(3×100 mL)和水(3×100 mL)熱洗以去除雜質，真空干燥后得到白色粉末狀固體C1G，產率為62%.化合物C2G和C3G用同樣方法合成.C2G為淺灰色固體粉末，C3G為淺粉色固體粉末.

圖1 化合物CnG的合成路線示意圖

化合物C1G的分子結構表征如下：1H NMR(THF-d8/Me4Si，400 MHz)：δ(ppm)：8.11(1H，s，CONH)，7.72～7.31(m，4H，benzene)，7.2(1H，s，CONH)，5.37(s，C=C，1H)，4.50～3.30(m，11H，glucosylprotons)，0.67～2.53(m，CH3，43H，cholesterylprotons).FTIR(υ/cm-1)：3 315(-NH鍵的伸縮振動)，1 726(C=O鍵的伸縮振動)，1 630(C=C鍵的伸縮振動)，1 539(-NH鍵的彎曲振動)，1 235(-C-O-C-鍵的伸縮振動).元素分析C40H62N2O8計算值/%：C，68.74；H，8.94；N，4.01；O，18.31.實測值/%：C，68.71；H，9.02；N，4.12；O，18.36.MS(ESI)：m/z計算值[M+Na]+：721.452 9，實測值：721.453 8.

化合物C2G的分子結構表征如下：1H NMR(THF-d8/Me4Si，400 MHz):δ(ppm):8.06(1H，s，CONH)，7.81(1H，t，benzene)，7.62～7.75(2H，s，benzenering)，7.43～7.26(1H，s，benzenering)，7.18(1H，s，CONH)，5.47(s，C=C，1H)，4.86～3.89(m，11H，glucosylprotons)，0.68～2.43(m，CH3，43H，cholesterylprotons).FTIR(υ/cm-1):3 348(-NH鍵的伸縮振動)，1 741(C=O鍵的伸縮振動)，1 634(C=C鍵的伸縮振動)，1 537(-NH鍵的彎曲振動)，1 245(-C-O-C-鍵的伸縮振動).元素分析C40H62N2O8計算值/%：C，68.74；H，8.94；N，4.01；O，18.31.實測值/%：C，68.81；H，8.96；N，4.08；O，18.43.MS(ESI)：m/z計算值[M+Na]+：721.452 9，實測值：721.453 5.

化合物C3G的分子結構表征如下：1H NMR(THF-d8/Me4Si，400 MHz)：δ(ppm):8.09(1H，s，CONH)，7.92～7.78(2H，d，benzenering)，7.71～7.63(2H，d，benzene)，7.59(1H，s，CONH)，5.42(s，C=C，1H)，4.53～3.38(m，11H，glucosylprotons)，0.69～2.48(m，CH3，43H，cholesterylprotons).FTIR(υ/cm-1)：3 329(-NH鍵的伸縮振動)，1 753(C=O鍵的伸縮振動)，1 648(C=C鍵的伸縮振動)，1 541(-NH鍵的彎曲振動)，1 241(-C-O-C-鍵的伸縮振動).元素分析C40H62N2O8計算值/%：C，68.74；H，8.94；N，4.01；O，18.31.實測值/%：C，68.79；H，9.03；N，4.22；O，18.46.MS(ESI)：m/z計算值[M+Na]+：721.452 9，實測值：721.454 2.

1.3 膠凝試驗

將0.025 g膠凝劑置于帶蓋樣品瓶(d≈10 mm)中，加入1.0 mL溶劑密封靜置24 h.室溫下為溶液或加熱冷卻至室溫后仍為溶液，記為“S”，室溫下完全溶解，靜置后形成凝膠，記為“Grt”；加熱溶解，冷卻至室溫靜置后形成凝膠，記為“G”；若形成透明凝膠，記為“TG”；若經過超聲誘導后形成凝膠，記為“G*”；加熱后在冷卻過程中析出沉淀，記為“P”；，記為“S”；冷卻后為粘稠溶液，記為“VS”；加熱過程中基本不溶，記為“I”；冷卻過程中部分形成凝膠，記為“PG”.

1.4 理論模擬計算

本實驗使用Materials Studio 7.0軟件進行分子模擬計算.首先在Visualizer模塊中分別構建膠凝劑分子C1G、C2G和C3G的單體模型，使用Forcite模塊中的Geometry Optimization功能分別對所構建的單體模型進行能量最小化，能量最小化算法選擇Smart minimizer，體系的能量趨于最小值，即化合物的空間構象達到了最穩(wěn)定[14].將模擬計算后所得到的分子模型測量長度(兩端原子中心之間的距離加上兩端原子的范德華半徑即為膠凝劑分子的拉伸長度).

2 結果與討論

2.1 膠凝行為

考察了膠凝劑分子CnG(n=1，2，3)在30種溶劑中的膠凝行為，樣品濃度為2.5%(w/v)，實驗結果如表1所示.由表1可知，膠凝劑C2G的膠凝能力明顯優(yōu)于膠凝劑C1G和C3G，C1G能夠膠凝甲苯和水兩種溶劑，C3G只能膠凝DMSO一種溶劑，而C2G可以膠凝水、DMSO、甲苯、正丁醇、正戊醇、正己醇、正庚醇、正辛醇、正壬醇、正癸醇十種溶劑，且在DMSO中能夠室溫成膠.

究其原因，可分析其分子結構，膠凝劑C2G分子中的苯環(huán)是通過間位與其它基團連接，而C1G和C3G的分子結構中的苯環(huán)分別通過鄰位和對位與其它基團連接，模擬計算這三種化合物在能量最低時的空間構型如圖2所示，可以看出C1G分子的空間構型出現明顯彎折(如圖2(a)所示)，這使得分子間堆積時出現了較大位阻，從而阻礙了膠凝劑的簇集；C3G的空間構型(如圖2(c)所示)中的糖結構部分出現非常強的分子內聚集，這也在一定程度上阻礙了膠凝劑的簇集；而C2G的空間構型較為舒展，其位阻較小(如圖2(b)所示)，明顯具有更合理的分子間堆積趨勢.由此也證明了膠凝劑分子通過苯環(huán)間位連接其他基團時能夠使更多溶劑膠凝的原因.同時，從膠凝表中可以明顯看出，溶劑極性對膠凝劑的膠凝行為具有明顯影響，可以看出具有較好膠凝能力的C2G在極性較大的溶劑(如醇類)中更容易成膠，這也歸結于膠凝劑分子結構中含有葡萄糖酸殘基，富含羥基基團，可以更容易與質子性溶劑發(fā)生氫鍵結合，更有利于三維網絡結構的生成，進而促進成膠.

表1 化合物CnG在不同溶劑中的

2.2 凝膠的微觀結構

根據上述分析，我們選擇能夠室溫膠凝的C2G/DMSO凝膠體系為研究對象，深入研究其膠凝行為及其成膠機理.

利用環(huán)境掃描電鏡觀察了不同濃度的C2G/DMSO凝膠體系干凝膠的微觀形貌，如圖3所示.可以看出，膠凝劑分子C2G在DMSO中，當濃度為1.0%(w/v)以下，凝膠的聚集結構以纖維狀存在，當濃度進一步增大后，凝膠結構逐漸變?yōu)槔w維與球狀結構并存的形貌，而當濃度增加到2.5%(w/v)時，凝膠的微觀結構則呈現為球狀聚集體.

(a)0.5 %(b)1.0 %(c)1.5 %(d)2.5 %圖3 不同濃度的C2G/DMSO凝膠體系干凝膠的掃描電鏡照片

為了進一步研究C2G在DMSO中的聚集過程.將濃度調至0.01%(w/v)，此時C2G在DMSO中溶解(C2G/DMSO為超級膠凝體系，其最低膠凝濃度(CGC)為0.06%(w/v))，但從該體系的AFM照片(如圖4所示)可以看出，在此濃度下，C2G分子在DMSO中已經開始聚集，纏繞形成一股具有左手螺旋的纖維.這表明，隨著膠凝劑濃度的增加，凝膠的微觀結構逐漸由纖維結構演化成為球狀結構.

圖4 0.01%的C2G/DMSO體系的AFM照片

2.3 凝膠的流變學

在研究過程中發(fā)現，C2G在室溫下能夠使DMSO膠凝，并能通過加熱-冷卻循環(huán)或者機械搖晃-停止循環(huán)使C2G/DMSO體系出現凝膠-溶膠相轉變過程，表現出良好的剪切觸變性，通過測量 C2G/DMSO體系的流變學性質科學解釋該凝膠體系的這一現象.

測量不同濃度下C2G/DMSO凝膠體系的儲能模量G′隨剪切應力σ的變化趨勢，如圖5所示，發(fā)現當膠凝劑C2G的濃度從1.0%增加到2.5%(w/v)時，凝膠體系的G′值從81.42 Pa 逐漸增加到4124.02 Pa，其相應的屈服應力從21.92 Pa 增加到175.68 Pa.這表明凝膠的流變學性質(機械強度和穩(wěn)定性)受體系中膠凝劑濃度的影響較大，隨著體系中膠凝劑濃度的增大而加強.

圖5 不同濃度的C2G/DMSO凝膠體系的儲能模量G′隨剪切應力σ的變化曲線圖

流變測試中的頻率掃描是檢測體系對外界刺激忍受能力的一種常用方法[15].選擇C2G在DMSO中濃度為2.5%(w/v)的凝膠體系，取其線性范圍內的剪切力60.0 Pa，測量結果如圖6所示.可以看出，當角頻率在1.0 rad s-1到 628 rad s-1范圍內，儲能模量G′一直大于損耗模量G″，表現為凝膠的固體屬性[16, 17].且G′和G″的數值沒有發(fā)生大范圍波動，這說明該凝膠體系對外界應力刺激具有很好的忍受能力，表現為典型的黏彈性流變學性質[18, 19].

為了研究該凝膠體系的觸變性和可恢復性，測試了濃度為2.5%(w/v)的C2G/DMSO凝膠體系經剪切應力掃描破壞后隨時間恢復變化的情況.經剪切應變掃描后使凝膠破壞后，撤去剪切力，立刻開始監(jiān)測該體系的G′隨時間的變化(該過程為了防止機械力過大而影響凝膠的恢復過程，監(jiān)測時取較小的剪切力5.0 Pa，角頻率為6.28 rad/s).取一次剪切應變掃描和一次恢復性掃描作為一個循環(huán)單元，對其進行了6次重復測量，結果如圖7所示，每個循環(huán)中，在撤去外力后體系很快就恢復到被破壞前的數值.并且測量至第6個循環(huán)，所得到的G′數據與第一次測量數據相比變化并不大，說明該體系具有可重復剪切觸變性[20-22].

圖6 C2G/DMSO凝膠體系的G′和G″隨頻率的變化曲線圖

圖7 C2G/DMSO凝膠的G′隨時間變化曲線圖

2.4 成膠機理

2.4.1 紅外光譜

FTIR光譜是證實體系中是否存在分子間氫鍵的有效方法[23].圖8給出了C2G/THF溶液和C2G/DMSO凝膠的FTIR光譜圖.C2G在THF能夠形成真溶液，即C2G在THF中是以單分子態(tài)存在，其FTIR光譜如圖8中a曲線所示，3 348 cm-1和1 537 cm-1處分別對應N-H鍵的伸縮振動以及彎曲振動的特征吸收.1 741 cm-1和1 664 cm-1處分別對應于酯基中的C=O伸縮振動和酰胺中的C=O伸縮振動.但在C2G/DMSO干凝膠的FTIR圖(如圖8中b曲線所示)，可以明顯看到這幾個紅外特征峰位移發(fā)生了明顯移動，分別移動至3 216 cm-1、1 732 cm-1、1 637 cm-1和1 526 cm-1，表明凝膠體系中存在分子間氫鍵作用，此為凝膠形成的主要驅動力之一[24-27].

圖8 C2G/THF溶液和C2G/DMSO干凝膠的紅外光圖譜

2.4.2 核磁共振譜

利用1H NMR技術可以為氫鍵作用和苯環(huán)的π-π堆積作用提供有效證據，能夠進一步研究凝膠網絡結構的形成機理，深入研究溶液中膠凝劑分子的聚集行為[28, 29].選用膠凝劑的良溶劑氘代四氫呋喃作為溶劑，圖9(a)為2%(w/v)的C2G/THF在不同溫度下的核磁圖譜.可以看出，當溫度從298 K升至338 K時，兩個-NH的化學位移分別從7.18 ppm和8.06 ppm移動至7.07 ppm和7.99 ppm，而歸屬于葡萄糖酸殘基的-OH的化學位移也從4.86 ppm移動至4.69 ppm.顯然，這說明了膠凝劑分子中的-NH和-OH參與了氫鍵形成，與FTIR測試結果一致.

同時，增加了C2G的濃度，測試其在氘代四氫呋喃中不同濃度的1H NMR，如圖9(b)所示.發(fā)現-NH和-OH的化學位移均向低場發(fā)生了相應移動，說明在該體系中存在分子間氫鍵作用[30].并且，膽固醇片段上特征氫的化學位移(5.47 ppm)和苯環(huán)上氫的化學位移(7.81 ppm)無論是在變溫核磁還是在變濃度核磁中，均能看到發(fā)生了輕微的移動，這表明膠凝劑分子的膽固醇片段與苯環(huán)具有較弱的π-π堆積作用[12, 31].綜上所述，氫鍵和π-π堆積作用凝膠形成的主要驅動力.

(a)C2G/THF-d8在不同溫度(2% w/v)的核磁圖譜片段

(b)C2G/THF-d8在不同濃度下(2% w/v)的核磁圖譜片段圖9 C2G/THF-d8的變溫和變濃度核磁圖譜片段

2.4.3 XRD

通過測定X-射線衍射可以明確膠凝劑分子在凝膠中的堆積方式，進一步提出合理的膠凝機理和堆積[32-35].測定了膠凝劑C2G的粉末態(tài)及其在DMSO中形成干凝膠的XRD圖譜，結果如圖10所示.可以看出，無論是粉末態(tài)還是凝膠態(tài)均出現了三個明顯的衍射峰，凝膠態(tài)對應的d值分別為4.12、2.12、1.38，而粉末態(tài)對應的d值分別為3.94、1.99、1.33，兩種狀態(tài)的d值比例均接近 1∶1/2∶1/3，這表明膠凝劑分子的粉末態(tài)和在C2G/DMSO凝膠中具有相同的分子堆積模式，均呈片層狀堆積，層間距是3.98 nm，這與模擬計算的兩個單分子形成的分子單元長度接近，如圖10插圖所示.

圖10 C2G/DMSO的干凝膠態(tài)和C2G粉末態(tài)的XRD圖譜

2.4.4 堆積模型

綜上所述，提出了C2G在DMSO中凝膠網絡結構可能的自組裝過程及機理如圖11所示.即葡萄糖酸殘基的-OH間以及連接臂上-NH與C=O間的分子間氫鍵作用、苯環(huán)的π-π堆積作用和膽固醇之間的范德華相互作用是凝膠網絡形成和維系的主要驅動力.這兩種弱相互作用相互協(xié)同使膠凝劑分子先聚集成左右螺旋狀原纖維，進而相互交織形成球狀結構，最后將溶劑固定形成凝膠.

圖11 C2G/DMSO體系的聚集體形成機理示意圖

3 結論

本文系統(tǒng)考察了3種含苯環(huán)的糖類小分子膠凝劑在常見溶劑中的膠凝行為.結果表明，膠凝劑分子結構中苯環(huán)連接方式不同，其空間位阻不同，進而使得3種化合物的膠凝能力存在明顯差異.間位連接的膠凝劑分子C2G的膠凝能力明顯優(yōu)于鄰位和間位連接的膠凝劑分子C1G和C3G，且C2G在DMSO中最低膠凝濃度可達0.06%(w/v).

選取膠凝能力較好的C2G進行深入研究，發(fā)現溶劑本性和膠凝劑濃度對膠凝劑在溶劑中的膠凝行為、聚集體結構和流變學性能具有顯著影響；流變學研究表明C2G/DMSO具有較好的機械穩(wěn)定性和剪切觸變性.FTIR和變溫、變濃度1H NMR表明氫鍵及π-π堆積作用是該類超分子凝膠形成的兩大驅動力.XRD結果表明膠凝劑C2G在DMSO中以層狀模型堆積.根據這些測試結果，提出了C2G在DMSO中可能的堆積模型.