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(物理化学专业论文)类脂立方液晶及咪唑类离子液液晶的研究.pdf.pdf 免费下载
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山东大学博士学位论文 张晋 摘要 在溶剂中,两亲分子可以形成多种的缔合结构,如胶束、囊泡、溶致液晶等。 溶致液晶因为相态丰富多样、结构可调控等特殊的性能而受到众多研究人员的关 注,其物理化学性质以及在材料合成、萃取、催化、医药等领域的应用被广泛的 研究。本论文从扩展溶致液晶在药物载体及材料制备方面的应用两个角度出发, 对溶致液晶的物理化学性质进行了系列研究。首先,利用甘油单酸酯构建了类脂 立方液晶,研究了多种添加剂对其物理化学性质的影响、药物分子在立方液晶中 的增溶位置,同时考察了其作为药物载体在药物包载及药物控制释放方面的应用。 其次,利用长链咪唑类离子液体与水和对二甲苯共同构筑了溶致液晶,研究了溶 致液晶的结构参数、流变学性质与各组分含量、烷基链长之间的关系,还比较了 长链咪唑类离子液体形成的溶致液晶与传统阳离子表面活性剂溶致液晶在结构及 流变学性质上的差异。这为今后以眯唑类离子液体溶致液晶作为模板进行纳米材 料的制备打下了理论基础。 甘油单油酸酯( 1 订o ) 与水形成的类脂立方液晶具有生物可降解、生物亲和度高、 粘度大、有助于药物的透皮吸收等优点,因此其在药物载体领域的应用逐渐受到 人们的关注。在本论文的第二章中,我们利用小角x 射线散射( s a x s ) 、流变和傅 立叶变换红外光谱( f t - i r ) 等技术,考察了嵌段共聚物( f 1 2 7 ) 、药物分子( 盐酸普鲁 卡因,p c ) 对m o 水类脂立方液晶结构及流变学性质的影响。发现,f 1 2 7 的加入可 以引起m o 水立方液晶的结构由c d 型向c p 型转变,而盐酸普鲁卡因的加入则可以 引起立方液晶由c g 型向c d 型转变。相应的,体系的流变学性质也随着立方液晶结 构的变化而发生了变化。另一方面,体系流变学性质非线性变化也证实了,随着 f 1 2 7 和p c 的加入,立方液晶内部结构的变化不是连续的,体系确实存在着相态类 型的变化。利用f t - i r 技术研究了盐酸普鲁卡因对立方液晶中m o 分子构象的影响, 结果表明,体系中加入盐酸普鲁卡因后,m o 分子烷基链构象的变化较大,随着p c 的加入,红外光谱的特征峰宽度变窄,说明烷基链活跃度降低,分子排列的有序 性增强。同时,p c 的加入更有利于立方液晶相中k i n k 构象的形成。p c 对m o 分子极 性头的影响主要表现在,m o 分子中羰基的氢键形式加强,这是由于p c 中的圹离子 上的h 原子与羰基上的氧原子间形成了氢键作用。进一步证实,盐酸普鲁卡因可以 山东大学博士学位论文张晋 增溶在m o 分子形成的双层膜中,与m o 共同构筑立方液晶中骨架结构。而随着p c 含量的升高,m o 分子中构象的不连续性变化也恰好对应于s a x s 结果中表明的, m o 水立方液晶由c g 型向c d 型的结构转变。 类脂立方液晶在水中的分散体系( c u b o s o m e ) 也是一种潜在的药物载体。在本论 文的第三章中,我们用一种操作简单的前体法制备了c u b o s o m e ,通过s a x s 、冷冻 蚀刻电镜( f f t e m ) 和激光光散射( d l s ) 等技术考察了该分散体系颗粒的结构类型、 形貌以及粒径分布。研究发现,一定量的嵌段共聚物f 1 2 7 和p 6 1 0 0 对c u b o s o m e 的 形貌不会产生明显的影响,分散体系仍然为不规则的立方状颗粒,但颗粒的粒径 尺寸变化明显,这与嵌段共聚物可以引起体系内部结构由c d 向c p 变化有关,而且 相同量的嵌段共聚物由于分子量的差异对颗粒尺寸的影响也有所不同;链长不同 的三种甘油单酸酯均可以得到相应的c u b o s o m e ,但其分散颗粒的粒径尺寸存在差 异;由于药物分子咖啡因可以破坏m o 分子极性头与水分子之间的氢键作用,因此 其加入可以引起体系发生由c u b o s o m e 向囊泡的相转变。 两亲分子在医药领域具有广泛的应用,它不但可以起到增溶药物、保护药物、 稳定药剂等的作用,而且其在溶剂中形成的多种有序结构本身即可用作药物载体。 在本论文的第四章中,我们在类脂立方液晶作为药物载体方面进行了研究尝试。 首先,研究了两种药物分子一盐酸普鲁卡因( p c ) 和盐酸环丙沙星( c f ) ,对两种双 尾巴表面活性剂二一( 2 一乙基已基) 磺基琥珀酸钠( a o t ) 和双十二烷基二甲基 溴化铵( d d a b ) 在水中胶束化过程热力学参数的影响,从分子层面揭示了药物分子 与表面活性剂分子之间的相互作用。研究方法包括表面张力法、紫外一可见分光 光度法及稳态荧光技术等。研究发现,药物分子对双尾巴表面活性剂在水溶液中 的临界胶束浓度( c m c ) 、表面张力平衡值( c ) 以及表面活性剂分子胶束化过程的热 力学参数均产生了一定程度的影响,但机理有所不同。p c 与a o t 之间的静电引 力,可以导致水溶液中a o t 的c m c 及。值降低。当p c 的浓度增加到一定程度 时,p c 可以与a o t 形成混合胶束,进一步影响其胶束化行为。p c 与d d a b 之间 的静电斥力,导致d d a b 胶束排列松散,水溶液的。升高。c f 和a o t 间的静 电引力同样可以引起水溶液中a o t 的c 聊c 值及。降低。另一方面,c f 导致d d a b 在水溶液中啪c 及梳升高,则是因为c f 可以破坏d d a b 疏水部分周围水分子形 成的“冰山结构。同时,通过对比药物分子在水溶液及胶束溶液中光学性质的 山东大学博士学位论文张晋 差异,也可以证实p c 与a o t 混合胶束的生成,并推测出c f 增溶在a o t 胶束的 栅栏层中,而在d d a b 体系中,c f 位于d d a b 胶束水的界面附近。其次,在本 章中,利用释放度测定法研究了p c 在m o 水立方液晶中的释放行为。发现在研究 的时间和浓度范围内,不同浓度的盐酸普鲁卡因均可以在m o 水立方液晶中达到 缓释,t l 也超过2 0 小时,且释放效率超过8 0 ,基本达到完全释放。p c 在不同体 系中的释放过程可分为两个阶段,第一阶段为暴释阶段,对应于自由药物分子的 释放;第二阶段为载体中包结的药物分子的释放。两个阶段的释放曲线均符合 h i g u c h i 平方根定律。而第二阶段中,p c 在c d 结构立方液晶中的扩散系数高于在 c g 结构立方液晶中的扩散系数,说明药物释放行为的差异与载体体系的结构存在 着一定的关系。最后,我们还考察了f 1 2 7 的含量对氯霉素在m o 水体系形成的 c u b o s o m e 中释放行为的影响。发现氯霉素的释放效率与体系的结构有关,对于氯 霉素这类亲油的模型药物来说,e u b o s o m e 是一种暴释载体。 近些年来,离子液体由于其特殊的物理化学性质,在绿色化学、合成、催化及 材料制备方面逐渐受到人们的关注。在胶体与界面化学领域,离子液体除了作为 传统溶剂的替代品之外,还可以通过对其分子结构的调控,使之具有一定的表面 活性,进而扩展了离子液体的应用范围。在本论文的第五章中,我们合成了一系 列不同链长的1 一烷基一3 一甲基溴代咪唑类离子液体( c n m i m b r ,n = 1 2 、1 4 、1 6 ) , 并利用这几种离子液体与对二甲苯和水共同构筑了溶致液晶体系,同时应用 s a x s 、偏光显微镜( p o m ) 、核磁共振( 2 h - n m r ) 等技术对离子液体溶致液晶的结构 进行了表征。研究发现,溶致液晶的结构参数受到体系中离子液体的种类及各组 分含量等因素的影响。在六角相中,随着离子液体含量的升高,一方面,离子液 体分子在形成结构单元的棒状胶束中的聚集更加紧密;另一方面,结构单元在体 系中的聚集也更加紧密。在层状相中,随着水含量的升高,溶致液晶的水通道厚 度增大,相应的离子液体分子双层膜受到挤压,其厚度降低。同时,体系的流变 学性质与溶致液晶的结构有关,在六角相中随着离子液体分子的聚集更加紧密, 体系的稳态参数和动态模量值均增大,松弛时间缩短。在层状相中,则由于水含 量的升高,体系的模量值降低。长链咪唑类离子液体形成的溶致液晶的结构参数 与流变学性质随组分含量变化的规律与在传统阳离子表面活性剂c t a b 形成的溶 致液晶体系中的变化规律一致。但由于分子结构的不同,长链咪唑类离子液体形 i l l 山东大学博士学位论文张晋 成的溶致液晶的结构与相同碳链长度的三甲基季铵盐体系有所差异。在c 1 2 m i m b r 对二甲苯水三元体系中,除六角相和层状相外,还利用s a x s 和n m r 等技术手 段证实了双连续型立方相溶致液晶的存在。根据i p m s 理论计算了立方液晶的结构 参数,发现随着离子液体含量的升高,离子液体分子双层膜逐渐膨胀,进而挤压 水通道,使水通道半径的值降低。长链咪唑类离子液体疏水烷基的长度对其形成 的溶致液晶的物理化学性质也有着一定的影响,疏水烷基的长度越大,液晶的晶 胞参数越大、流变学模量参数的值越高。同时,体系的流变学性质与液晶的结构 有关。这部分研究丰富了溶致液晶体系,同时为离子液体在合成纳米材料、催化 和萃取方面的应用进行了探索。 关键词:溶致液晶;类脂立方液晶;药物载体;两亲分子;长链咪唑类离子液体 i v 山东大学博士学位论文 张晋 a b s t r a c t t h es e l f - a s s e m b l e ds t r u c t u r e so fa m p h i p h i l em o l e c u l e si ns o l v e n t s ,s u c ha sm i c e l l e , v e s i c l e ,a n dl y o t r o p i cl i q u i dc r y s t a l l i n ep h a s e ( l l c ) e t c ,h a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n a st h ea b u n d a n to fs t r u c t u r e s ;l l ci ss t u d i e dw i d e l ya n da p p l i e di ns e v e r a l f i e l d s ,s u c ha ss y n t h e s i s ,e x t r a c t i o n , c a t a l y s i s ,p h a r m a c e u t i c s a n ds oo n i no r d e rt o e x p a n dt h ea p p l i c a t i o no fl l ca s t h ed r u gd e l i v e r ys y s t e ma n dt h et e m p l a t e so f n a n o m a t e r i a l s ,t h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft w ok i n d so fl l c sf o r m e db yl i p i d a n di m i d a z o l i u m - t y p ei o n i cl i q u i d sa r es t u d i e di nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n b e s i d eo ft h e c o m p o n e n te f f e c t so nt h ep h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h et w ok i n d so fl l c sa r e s t u d i e d ,t h el i p i d b a s e dl l c sa r ea t t e m p t e dt ob eu s e da sd r u gd e l i v e r ys y s t e m s i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ee f f e c t so fc o p o l y m e r ( f - 1 2 7 ) a n dm o d e ld r u g ( p r o c a i n e h y d r o c h l o r i d e ,p c ) o nt h es t r u c t u r ea n dr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h ec u b i cl l cf o r m e d i nm o n o o l e i n ( m o ) w a t e rs y s t e m sa r es t u d i e db ym e a n so fs m a l la n g l ex - r a y s c a t t e r i n g ,r h c o l o g ya n df t o l r i ti sf o u n dt h a tt h ea d d i t i o no ff 一12 7c o u l dl e a dt ot h e s t r u c t u r et r a n s i t i o nf r o mc o - t y p et oc r t y p ec u b i cp h a s e t h es t r u c t u r et r a n s i t i o nf r o m c o - 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a l k y l 一3 一m e t h y l i m i d a z o l i u mb r o m i d e ( c n m i m - b r , n = 12 ,1 4 ,16 ) p - x y l e n e w a t e rm i x t u r e sa r e c h a r a c t e r i z e db ys m a l la n g l ex r a ys c a t t e r i n g ( s a x s ) ,p o l a r i z e do p t i c a lm i c r o s c o p y ( p o m la n dz h n m rt e c h n o l o g i e s t h e r ea r et w op h a s e si na l lo ft h et h r e es y s t e m sw i t h d i f f e r e n tc a r b o nn u m b e ro ft h eh y d r o p h 6 b i cg r o u po fc n m i m b r , h e x a g o n a la n d l a r n e l l a rl l c s ,r e s p e c t i v e l y t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h et w ol l c sa r ef o u n dt ob e d e p e n d e n to nt h ec a r b o nn u m b e ro ft h eh y d r o p h o b i cg r o u po fc n m i m b ra n dt h e c o m p o n e n t sc o n t e n t f o rh e x a g o n a lp h a s e ,a th i g h e rs u r f a c t a n tc o n t e n t , t h es u r f a c t a n t m o l e c u l e sa g g r e g a t em o r ed e n s e l yi nt h ec y l i n d e ru n i to ft h eh e x a g o n a lp h a s e ;w h i l et h e c y l i n d e ru n i t sa g g r e g a t em o r ed e n s e l yi nt h eh e x a g o n a lp h a s e f o rl a m e l l a rp h a s e t h e i n c r e a s eo ft h ew a t e rc o n t e n tl e a d st ot h ew a t e rc h a n n e ls w e l l ,a n dt h es u r f a c t a n tb i l a y e r i sc o m p r e s s e d m e a n w h i l e ,t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h el l c sa r er e l a t e dt ot h e p h a s es t r u c t u r e s i nt h eh e x a g o n a lp h a s e t h es a m p l e 埘廿1h i g h e rs u r f a c t a n tc o n t e n th a sa h i g h e rz e r o r a t ev i s c o s i t y ,z e r o r a t es t r e s sa n dd y n a m i cm o d u l u s ,w h i c hi sd u et ot h e m o r ed e n s ea g g r e g a t i o no fs u r f a c t a n tm o l e c u l e si nt h em e m b r a n e s t h ev i s c o s i t yo f l a m e l l a rp h a s ei sd e p e n d e n to nt h ec o m p o n e n tc o n t e n t s s a m p l e s 、 ,i mh i g h e rc o n t e n to f s u r f a c t a n to rl o w e rw a t e rc o n t e n th a v et h eh i g h e rv i s c o s i t ya n dd y n a m i cm o d u l u s b e s i d e so fh e x a g o n a la n dl a m e l l a rp h a s e s ,t h e r ei sab i c o n t i n u o u sc u b i cp h a s ei nt h e c 1 2 m i m - b rs y s t e m , w h i c hi si n v e s t i g a t e db ys a x s ,p o ma n dz h - n m re x p e r i m e n t s m o r e o v e r , t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s a n dr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h ec s m i m - b r - b a s e d l l c sa l e c o m p a r e d w i t ht h a to ft h et r a d i t i o n a lc a t i o n i cs u r f a c t a n t c e t y l t r i m e t h y l a m m o n i u mb r o m i d e ( c t a b ) s y s t e m i ti sf o u n dt h a tt h ee f f e c t so f c o m p o n e n t sc o n t e n to nt h el l c sf o r m e df r o mt h et w ok i n d so fa m p h i p h i l em o l e c u l e s a r es i m i l a r h o w e v e r , t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h et w o s y s t e m sa l ed i f f e r e n tb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n tm o l e c u l a rs t r u c t u r e t h es t u d i e so ft h e p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so fl l cf o r m e db a s e do ni o n i cl i q u i da r eh e l p f u lt ot h e f - r r t h e ra p p l i c a t i o no fl l ci nt h en a n o m a t e r i a l sp r e p a r a t i o n k e y w o r d s :l y o l r o p i cl i q u i dc r y s t a l l i n ep h a s e ;d r u gd e l i v e r ys y s t e m s ;c u b i cp h a s e ; a m p h i p h i l e s ;l o n g - c h a i ni m i d a z o l i u mi o n i cl i q u i d 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名:二虹日期:垄堡:竺:三呈 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名:导师签么趁堕日 山东大学博士学位论文 张晋 1 液晶的简介 第一章绪论 1 8 8 8 年,r e i n i t z e r 等人发现,熔点为1 4 5 5 0 c 的胆甾醇苯酸酯晶体在1 7 8 5 0 c 突然变成透明的有流动性的体系,而这种体系又是不同于液体的相态。随后,1 8 8 9 年,l e h m a n n 使用附有加热装置的偏光显微镜对这类化合物进行观察,发现这种 相态在外观上表现出液体的流动性,同时在偏光显微镜下,能够显示出各向异性 晶体所具有的双折射性。因此,将这种在某个温度范围内,兼具液体和固体性质 的相态命名为l i q u i dc r y s t a l l i n e ,即液晶。相对于晶体来说,液晶中分子在短程上 的位置是无序的,但相对于液体来说,在液晶体系中,分子的排列在一维或者二 维上又具有一定的取向有序性和各向异性,从而在宏观上分别具有的流动性和双 折射性。 2 液晶的分类 通常,根据液晶体系的形成条件,将液晶分为热致液晶和溶致液晶两种。前 者为单组分的纯化合物或均匀混合物,体系在一定的温度范围内形成液晶相,如 氧化偶氮茴香醚、对甲氧基苄叉对氨基丁苯等,分子形状多为盘状和棒状;后者 为两种或以上组分形成的体系,在一定的组成条件下形成液晶相,这一体系多为 由两亲分子( 表面活性剂) 与溶剂形成的。根据组成成分的不同,液晶可以分为有机 液晶和无机液晶,前者主要由有机小分子或者聚合物组成,主要应用于屏幕显示 等领域;后者主要由无机金属化合物与溶剂构成。 本部分按照液晶形成条件的分类,对液晶体系进行简单的介绍。另外,由于 本论文主要研究两亲分子形成的溶致液晶,因此本部分也主要对两亲分子溶致液 晶的结构、性能、研究方法及应用进行介绍。 2 1 热致液晶 根据分子的有序性,1 9 2 2 年,f f i e d e l 等人提出按分子排列的方式,将热致液 晶分为向列相( n e m a f i c ,丝状相) 、近晶相( s m e c t i c ,层状相) 、胆甾型( c h o l e s t e f i c , 螺旋状相) 、柱状相( c o l u m n a r ,六角相) 几种,这四种相型中的分子排列方式,如图 1 1 所示。 山东大学博士学位论文张晋 (c)(d) 图1 1 热致液晶中分子排列示意图: ( a ) 向列相,( b ) 近晶相,( c ) 胆甾相,( d ) 柱状液晶相 f i g 1 t h es k e t c ho fm o l e c u l a ra r r a n g e m e n ti nt h c r m o t r o p i cn q u i dc r y s t a l l i n e : ( a ) n e m a t i cp h a s e ,( b ) s m c c t i cp h a s e ,( c ) c h o l e s t e r i cp h a s e ,( d ) c o l u m n a rp h a s e 其中,向列相是一种位置无序而取向有序的液晶相,在偏光显微镜下呈现丝 状条纹,因此又称为丝状相。目前发现的无机液晶材料绝大部分只存在向列相。 近晶相具有一维位置有序和取向有序性,是典型的层状结构。胆甾相中的分子排 列取向沿着一条轴螺旋式地变换方向,又被称为螺旋状相。柱状相液晶的分子首 先在层内进行排列,然后形成较为规则的六角柱状,因此又被称为六角相。如图 1 1 ( d ) 所示,在六角相中,分子排列存在着层内的短程有序及层间的长程有序。 2 2 溶致液晶 可以形成溶致液晶的体系主要有两大类,一类为无机溶致液晶,主要成分为 无机粒子;另一类则是由两亲分子与溶剂形成的。 2 2 1 无机溶致液晶 常见的无机溶致液晶主要有三种,向列相、近晶相和柱状相,形成无机溶致 蘸甜龄祥 黼 谳燃 山东大学博士学位论文张晋 液晶的体系组成如表1 1 所示。 表1 1 常见无机溶致液晶体系及晶型 t a b l e1 1t h et y p e so fl l c sf o r m e df r o
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