（物理化学专业论文）小分子有机胶凝剂的设计、合成及胶凝行为研究.pdf

小分子有机胶凝剂的设计、合成及胶凝行为研究 李远网4 摘要在过去的十几年中，人们对小分子有机胶凝剂的设计、合成和所形成的 物理凝胶进行了广泛深入的研究。有机凝胶是由胶凝剂和有机溶剂形成的一类软 固体材料，其中胶凝剂分子通过氢键、疏溶剂、范德华力、静电、配位、偶极、 或舡玎堆积等特殊的弱相互作用自组装形成一维结构，这些一维结构经过交联缠绕 而形成三维网络结构，从而使有机溶剂凝胶化。与传统的化学交联得到的高分子 凝胶不同，小分子有机凝胶在本质上属于物理凝胶，因而具有一些独特的性质， 在传感、先进材料制备、药物固定化和缓释等领域具有潜在的应用价值。 胆固醇是一种已知的天然产物，具有其它化台物所不具备的结构特征。已经 证明胆固醇衍生物是一类很好的小分子有机胶凝剂。以胆固醇衍生物胶凝剂为研 究对象，本论文包括以下三部分内容： 第一部分通过三步反应，将不同的氨基酸残基引入a l s 类化合物的连接臂部 分得到了六种不同的最终产物：9 ，1 0 蒽醌2 甲酰甘氨酸胆固醇酯、9 ，1 0 二甲氧基 蒽- 2 - 甲酰- 甘氨酸胆固醇酯、9 ，1 0 葸醌2 甲酰o 丙氨酸胆固醇酯、9 ，1 0 葸醌2 甲 酰d 一丙氨酸胆固醇酯、9 ，1 0 蒽醌一2 甲酰l 广苯丙氨酸胆固醇酯、9 ，1 0 蒽醌2 甲酰 - d - 苯丙氨酸胆固醇酯；同时得到了其它十种胆固醇衍生物中间产物。利用元素分 析、1 h n m r 和瓜等技术对这些化合物的组成和结构进行了表征，得到了比较满 意的结果，为以后系统地研究胆固醇衍生物的胶凝行为打好了基础。 第二部分系统考察了六种新型a l s 型小分子对常见有机溶剂的胶凝能力。证 明连接臂结构的细微改变对a l s 类胶凝剂的胶凝能力具有显著的影响。以9 ，1 0 葸醌- 2 - 甲酰甘氨酸胆固醇酯乙酸凝胶体系为例，通过凝胶溶胶相转变温度测定和 s e m 、a f m 观察详细研究了其与乙酸所形成凝胶的性质，发现在此凝胶体系中存 在微米尺度的管状结构和纳米尺度的螺旋纤维两种完全不同的结构。根据s e m 和 a f m 观察的结果结合已有的文献报道，提出了可能的成胶机理。 第三部分研究了五种氨基酸胆固醇酯盐酸盐的胶凝情况，发现氨基酸胆固醇 酯盐酸盐是更好的小分子胶凝剂，能使许多有机溶剂胶凝化。氨基酸结构的细微 差别对此类胶凝剂的胶凝行为影响非常明显。以甘氨酸胆固醇酯盐酸盐为例，对 这类化合物的胶凝性质进行了较为详细的研究。通过- - 7 _ , 胺滴定实验、凝胶相转 变的酸碱循环实验说明胶凝剂的盐酸盐形式对凝胶形成至关重要，同时发现辛醇 凝胶体系在酸碱交替作用下，能够发生可逆的相转变，和用这一点或许可以设计 酸性或碱性气体的传感器。对凝胶微结构的研究结果表明不同外观的凝胶具有不 同的微观结构。发现乙醇凝胶体系的聚集体结构为空心超结构，而辛醇凝胶体系 的聚集体结构是更为细小均匀的带状结构，这为利用凝胶模板法制备相关材料提 供了可能。对l 苯丙氨酸盐酸盐的单晶结构研究发现，分子之间同对存在氢键和 范德华堆积作用两种超分子相互作用。对此化合物单晶结构的精确测定有助于深 入理解此类化合物的超分子相互作用。 关键词： 胆固酵，小分子胶凝剂，氨基酸，超分子结构，有机凝胶 i i s t u d i e so nt h ed e s i g n ，s y n t h e s i s a n dg e l a t i o np r o p e r t i e so f l o wm o l e c u l a rm a s so r g a n i c g e l a t o r s y u a n g a n g l i a b s t r a c td u r i n gt h el a s td e c a d e ，n u m e r o u st h e r m o r e v e r s i b l ep h y s i c a lg e l sf o r m e d w i t hl o w - m o l e c a l a r - m a s so r g a n i cg e l a t o r s ( l m o g s ) h a v eb e e nr e p o r t e d - o r g a n o g e l s a r em a t e r i a l st h a tc o n s i s to fas m a l la m o u n to fa l lg e l a t o ra n do r g a n i cl i q u i d i nt h eg e l s ， t h e g e l a t o r s f o r mt h r e e d i m e n s i o n a lf i b r o u sn e t w o r k s a sar e s u l to ft h e g e l a t o r m o l e c u l e sa s s e m b l i n gi n t oo n e d i m e n s i o n a lf i b r o u ss t r u c t u r e sb ym e a n so fv a r i o u s d r i v i n gf o r c e s ，s u c h a s h y d r o g e nb o n d i n g ，p - ps t a k i n g ，v a n d e rw a a l s f o r c e s ， c o o r d i n a t i o n i n t e r a c t i o n s 。a n dc h a r g e t r a n s f e ri n t e r a c t i o n s ，c t c t h r e e d i m e n s i o n a l n e t w o r k so fg e l a t o rm o l e c u l e sh o l dt h ei s o t r o p i cl i q u i dc o m p o n e n ti np l a c ep r i m a r i l yb y i n t e r f a c e t e n s i o n ，w h i c h l e a d st ot h ef o r m a t i o no f o r g a n o g e l s d i f f e r e n t f r o m c o n v e n t i o n a lp o l y m e rg e l sh a v i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e sc r e a t e db yc r o s s - l i n k e d c o v a l e n tb o n d s ，l m o gg e l sa r ep h y s i c a lg e l si ne s s e n t i a la n dh a v es o m er e m a r k a b l e c h a r a c t e r i s t i c s s ot h el m o g g e l sh a v e n u m e r o u s p o t e n t i a la p p l i c a t i o n ss u c h a ss e n s o r s ， p r e p a r a t i o n o fa d v a n c e d m a t e r i a l s ，d r u g i m m o b i l i z a t i o na n dc o n t r o l l e d d e l i v e r y s y s t e m s c h o l e s t e r o li saw e l l - k n o w nn a t u r a lp r o d u c tw i t hu n i q u es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s n o tf o u n di no t h e rc o m p o u n d s c h o l e s t e r o ld e r i v a t i v e sh a v eb e e np r o v e da sv e r s a t i l e l m o g s b a s e do nc h o l e s t e r o ld e r i v a t i v e s ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l yc o m p o s e do ft h e f o l l o w i n g t h r e e p a r t s ： i nt h ef i r s tp a r t ，d i f f e r e n ta m i n oa c i d sw e r es e l e c t e da sl i n k e ra n ds i xa l s t y p e c o m p o u n d s w e r e s y n t h e s i z e d t h e s es i xc o m p o u n d s a r ec h o l e s t e r y l 出y c i n a t ea n t h r a q u i - n o n e 一2 一c a r b o x y l a m i d ea n dc h o l e s t e r y lg l y c i n a t e ，9 ，1 0 - d i m e t h y l o x y l a n t h r a c e n e - 2 一c a r - b o x y l a m i d e ，c h o l e s t e r y ll - a l a n i n a t ea n t h r a q u i n o n e 一2 c a r b o x y l a m i d e ，c h o l e s t e r y ld - a l - a n i n a t ea n t h r a q u i n o n e - 2 - c a r b o x y l a m i d e ，c h o l e s t e r y ll - p h e n y l a l a n i n a t ea n t h r a q n i n o n e - 2 - c a r b o x y l a m i d ea n dc h o l e s t e r y ld - p h e n y l a l a n i n a t ea n t h r a q u i n o n e - 2 - c a r b o x y l a r n i d e ， r e s p e c t i v e l y i nt h es a n l ec o u r s e ，t e no t h e rc h o l e s t e r o ld e r i v a t i v e sw e r eo b t a i n e d 。t h e s t r u c t u r e sa n dc o m p o s i t i o n so fa l lt h e s es i x t e e nc o m p o u n d sw e r ec h a r a c t e r i z e db y e l e m e n t a la n a l y s i s ，i ra n d1 h n m r s p e c t r o s c o p y a n ds a t i s f i e dr e s u l t sw e r eo b t a i n e d i nt h es e c o n dp a r t ，t h eg e l a t i o np r o p e r t i e so ft h e s ec h o l e s t e r o la m i n o c a r b o x y l a t e a n t h r a q u i n o n e 2 c a r b o x y l a m i d e si nc o m m o ns o l v e n t sw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i ti s l l l d i s c o v e r e dt h a tas l i g h tc h a n g ei nt h el i n k e rs t r u c t u r eo r a l s t y p ec o m p o u n d s l e a d st oa l a r g ec h a n g ei nt h eg e l a t i o np r o p e r t i e s a s a l le x a m p l e ，t h ep r o p e r t i e so ft h eg e lf o r m e d b yc h o l e s t e r y lg l y c i n a t ea n t h r a q u i n o n e - 2 - c a r b o x y l a m i d ei na c e t i ca c i dw e r es t u d i e di n d e t a i l t w oe n t i r e l yd i f f e r e n ts u p e r s t r u c t u r e sw e r ef o u n di nt h eg e ls y s t e mt h r o u g hs e m a n da f mo b s e r v a t i o n s o n et y p eo ft h es t r u c t u r e si st u b eo rh a l f - c u tt u b el i k es t r u c t u r e i nm i c r o m e t e rs c a l e a n dt h eo t h e rt y p ei sh e l i c a lf i b r i l si nn a n o m e t e rs c a l e b a s e do n t h e s ef a c t s ，ap o s s i b l em e c h a n l s mo fg e lf o r m a t i o n w a s p r o p o s e d i nt h et h i r dp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o n ，g e l a t i o np r o p e r t i e so ft h eh y d r o c h l o r i d es a l t so f f i v ec h o l e s t e r y ld e r i v a t i v e so fa m i n oa c i d sw e r ei n v e s t i g a t e d i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h e s e c o m p o u n d s a r ev e r s a t i l eg e l a t o r sa n dc a ng e lm a n yo r g a n i cs o l v e n t s s u b t l ed i f f e r e n c e i nt h es t r u c t u r eo fa m i n oa c i dc a ni n f l u e n c et h eg e l a t i o np r o p e r t i e so ft h e s ec o m p o u n d s g r a t e l y t h ep r o p e r t i e so ft h eg e l sf o r m e db yc h o l e s t e r y lg l y c i n a t eh y d r o c h l o r i d es a l ti n a l c o h o l sw e r es t u d i e di nd e t a i lt h r o u g hd i f f e r e n tt e s t s i n t e r e s t i n g l y , f o rt h eo c t a n o lg e l s y s t e m ，t h es o l u t i o nt og e lo rg e lt os o l u t i o nt r a n s i t i o nc o u l d b ec o n t r o l l e db y a l t e r n a t i n g p h o ft h es y s t e m t h i sp r o p e r t ym a yb ee m p l o y e dt od e s i g nn o v e lp hs e n s o r s s e m o b s e r v a t i o np r o v e dt h a tt h eg e l sh a v i n gd i f f e r e n ta p p e a r e n c e sp o s s e s s e dv e r yd i f f e r e n t m i c r o s t r u c t u r e sa n ds u p e r s t r u c t u r e s t h e s es u p e r a m o l a c u l a ra g g r e g a t i o n sm a yb eu s e d a s t e m p l a t e s f o rt h e p r e p a r a t i o n o f i n o r g a n i cn a n o m a t e r i a l s s i n g l ec r y s t a l o f c h o l e s t e r y ll - p h e n y l a l a n i n a t eh y d r o c h l o r i d es a l tw a so b t a i n e da n di t sx r a ys t r u c t u r e o b v i o u s l ys h o wt h a ti n t e r m o l e c u l eh y d r o g e nb o n d i n ga n dv a nd e rw a a l si n t e r a c t i o n b e t w e e nt h es t e r o i d a lp a r t sa r et h em a i nd r i v i n gf o r c ef o rt l l em o l e c u l a r s e l f - a s s e m b l y t h i sc o n c l u s i v es t r u c t u r ee v i d e n c ei s v e r yh e l p f u l f o rt h e u n d e r s t a n d i n g o ft h e s e l f - a s s e m b l y b e h a v i o r so ft h es r n l et y p ec o m p o u n d si ns o l u t i o n k e y w o r d sc h o l e s t e r o l ，l o wm o l e c u l a rm a s sg e l a t o r s ，a m i n oa c i d s ， s u p e r a m o l e c u l a rs t r u c t u r e s ，o r g a n o g e l s i v 学位论文独创性声明 v 7 2 8 6 8 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构的学位 、一 或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期：垡：墨! 。 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位是陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西师 范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校 图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索； 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名日期：丝些：羔：j 口 第一章甾体衍生物小分子有机胶凝剂 1 1 有机凝胶和小分子有机胶凝剂 早在上世纪3 0 年代l l o y d 就指出凝胶容易识别却难以定义，这与1 8 6 1 年 g r a d h a m 提出的观点是一致的。他们对凝胶的认识均是建立在对凝胶的宏观观察 上。凝胶的现代定义是由f l o r y 在上世纪7 0 年代提出的【”。f l o r y 认为只有满足以 下标准的体系才可称之为凝胶：( 1 ) 体系是一个具有观尺寸的连续宏结构，这种 结构具有相对的稳定性：( 2 ) 宏观尺寸上的流体力学行为与固态物质相似。基于 这些认识，可以认为凝胶是介乎于固体和液体之间的软固体物质。其最突出的特 征在于体系中包含的胶凝剂分子通过化学或物理的交联作用形成了三维网络结 构，这种网状结构中包含了大量溶剂。溶剂分子与网络结构中胶凝热分子的相互 作用以及毛细作用使其失去流动性，从而被固定下来。与此同时，溶剂又通过自 身的填充作用阻碍了网络结构的塌陷。 从科学角度看，形成凝胶的 化学体系是多种多样的。例如， 由高分子稀溶液、蛋白质、二氧 化硅或黏土等无机物形成的凝 胶已经得到了深入研究，而且在 诸如照相、化妆品、食品和石油 工业中得到了广泛应用【m l 。近 年来，人们发现某些小分子量有 图1 - 1 有机凝胶形成过程示意图 机化合物能在浓度很低的情况下( - - w t 2 ) 通过非共价键弱相互作用使有机溶剂胶 凝化，形成有机凝胶。其中小分子量有机化合物被称为小分子量有机胶凝剂( l o w m o l e c u l a r - m a s so r g a n i cg e l a t o r s ，l m o g s ) ，简称小分子有机胶凝剂【。”】。这类胶凝 剂具有一些共同的特征，就是在有机溶剂中都是通过特殊的弱相互作用( 如氢键、 疏溶剂、范德华、静电、偶极、或兀冗堆积作用等) 自组装形成一维结构，这些一 维结构经过交联缠绕而形成三维网络结构，从而使有机溶剂凝胶化( 如图i - i ) 。 小分子胶凝剂的研究得到了广泛的关注，这不仅因为所得凝胶的潜在应用价值， 而且因为实际上这些体系表现出了明显的自组装现象。 有机凝胶与其他凝胶体系一样，胶凝剂在溶剂中形成连续缠绕的三维网络结 构，进而通过界面张力等作用使溶剂失去流动性。所不同的是，小分子有机胶凝 剂形成的网络结构只是靠上述非共价键作用维持的。由于自组装过程开始于单个 分子形成纤维结构的过程，所以形成的缠绕网络结构是完全可逆的。同时，这种 体系形成凝胶的效率也是非常 高的，许多有机胶凝剂能够在浓 度远远小于1w t 的情况下形 成凝胶。有机凝胶的第二个特别 之处是组成网络的微米尺度的 细丝结构是由高度有序的分子 阵列构成的( 如图- 1 t 2 ) ，不同 形状的这种阵列( 如带状、棒状、 片状和桶状) 已经见诸报道。可 图1 - 2 有机凝胶结构：胶凝剂自组装形成的纤维结构 见，由小分子有机胶凝剂形成有 ( 右) ；缠绕形成的网络结构( 中) ；凝胶实物( 左) 。 枫凝胶的过程是超分子自组装的典型实例。 由小分子有机胶凝荆形成的凝胶还具有热可逆性，也就是说样品可以经过冷热 循环，而发生从溶胶到凝胶再到溶胶的可逆相变。如果胶凝剂不发生热分解，这 一过程可以重复很多次。这是小分子凝胶区别于聚合物凝胶的又一显著特点。 1 2 物理凝胶的常用表征方法 随着这一领域研究工作的深入，新的胶凝剂不断出现，而在纳米尺度和分子 水平上表征凝胶的手段显得相对滞后。结构表征的主要目的是对分子水平的原位 组装有更深的理解，从而为理性设计新的胶凝剂提供依据，所以，要特别注意不 同方法要求的制样过程及其可能对凝胶结构产生的影响。总的来说，能保持样品 原貌的原位表征方法要比那些需要干燥、染色或既需要干燥又需要染色的一般表 征方法优越。 1 2 1 流变学方法 凝胶的宏观性质主要取决于其三级结构，在一定程度上还与其二级结构有关。 这些性质在流变学上和热力学上可以通过一定的手段，例如，示差扫描量热( d s c ) 和流变仪进行测量。通过这些方法获得的数据可以用来比较不同结构的胶凝剂， 也可以通过测量所得凝胶的强度和弹性来评估其可能的用途【1 1 1 6 i 。胶凝化温度是 凝胶体系经常报道的性质之一，一般采用落球实验、d s c 等方法测量，实际上多 种流变学方法也可以测量胶凝化温度【”】。 流变学方法是通过研究流动性而得出与所研究的凝胶的网络结构类型有关的 信息，例如，交联剂的种类、数目、强度等。测定凝胶流变学行为的流变仪附件 有多种，例如：平行板型、同心套筒型、锥板型等。测量时，要求将薄薄的一层 2 凝胶样品平铺在静台和转予之间。通过给样品施加一定的脉冲剪切力，可以得到 多个不同的参数，其中以复合模量( g ) 、储能模量( g ) 和损耗模量( g ”) 最为 重要。分别以这些物理参量对振动频率、剪切力、温度和胶凝剂浓度作图，可以 得到凝胶体系的一系列特定性质。 需要说明的是，流交学方法只能给出凝胶的宏观性质，而难以给出分子水平 上的凝胶结构和凝胶形成的机理等更详细的信息。因此，要从分子水平上理解凝 胶的结构和形成过程；需要一些新的分子水平的结构表征方法。 1 2 2 光谱学方法 核磁、荧光、紫外可见、圆= 色谱和红外光谱等光谱技术已经被用来研究小 分子凝胶，较之流变学方法，光谱学方法一般提供的是凝胶中胶凝剂分子组装的 信息。可以设想，伴随着凝胶的形成和消失，凝胶体系中胶凝剂分子的结构或其 堆积方式会发生变化，因此，可以用光谱方法监测凝胶体系的胶凝化温度。但是， 需要注意，用光谱法测得的胶凝化温度与用流变仪测得的胶凝化温度可能不同。 这是由于光谱法检测的是胶凝剂所形成三维网络结构一级结构的变化，而流交仪 检测的是三级结构的变化m 。一般来讲，对同一体系，光谱法测得的胶凝化温度 比流变法测得的要高一些。 液态核磁图谱可以证明胶凝过程中是否有氢键形成【1 8 侧，而弛豫时间测量可 以说明在胶凝过程中分子的振动和转动动量减小【2 l 】：固态魔角旋转核磁图谱也可 以用来测试凝胶态样品，从化学位移的变化可以推测聚集状态的改变【2 2 2 3 】。 以小分子荧光物质标记胶凝剂分子，跟踪凝胶形成前后标记物荧光行为的变 化，据此可以推测胶凝剂分子的可能聚集形式l 矧。荧光探针技术已经被用来表征 在水凝胶中形成的疏水微区【2 5 。2 8 1 。紫外可见技术能够探测报告基团1 2 6 l 微环境的变 化，从而确证导致凝胶形成的n 堆积或金属配合作用的存在。具有弱紫外可见 吸收特性的手性胶凝剂在胶凝过程中常伴随圆二色性的显著增强，这一特点可以 用来跟踪凝胶形成 2 9 l ，还能提供与紫外可见实验相似的信息 3 0 , 3 1 ，例如，酰胺和 脲基的吸收( 2 0 0 2 5 0r i m ) 就可以用于跟踪聚集体的形成【3 2 ，3 3 1 。 氯键作用和羧酸根是否处于质子化状态对于凝胶的形成与破坏具有重要的作 用，利用红外光谱技术可以对其进行深入研究1 1 9 2 9 , 3 4 3 7 】。不过，与之相关的一些 重要吸收峰( 如n h 振动吸收) 往往被水中的o h 振动所干扰，因此，实验时需要 采用脱水样品。而脱除溶剂的过程可能导致凝胶结构改变，因此。对这类实验结 果的使用要持慎重态度。 1 2 3 显微学方法 显微学方法就是依靠一定技术得到给定凝胶的微纳米结构。例如偏光显微镜、 扫描探测显微镜( a f m 、s t m 等) 、电子显微技术( s e m 和t e m ) 都可以得到凝 胶的微纳米尺度上的结构信息。 偏光显微镜，虽然存在分辨率低的缺点( 理论极限为0 2 m ) ，但由于不需要 预先处理样品，因而能观察到聚集体的本来结构，从高清晰度的观察还可以得到 聚集体规整度的信息l = 2 7 , 2 8 , 3 4 , 3 8 1 ，在凝胶表征中应用广泛。 扫描探测显微镜( 削p m 、s t m 等) 是一种能够在高湿度条件下观察含水样品 高分辨图像的技术，然而，为了容易观察，往往需要干燥样品i 鲫j ，这可能产生假 象p 6 ，3 4 0 。但这一技术的最大优点是它的能达到分子水平的分辨率，从而可以直 接观察极性头和烷烃链的堆积方式1 3 ”。 电子显微技术，包括扫描电镜( s e m ) 和透射电镜( t e m ) 可以观察到分辨 率达到0 2n m 的图像，从而得到形成凝胶的聚集体形貌的有用信息。然而，在标 准的高真空操作条件下，s e m 和t e m 需要样品完全干燥，而这可能导致在溶剂化 条件下存在的凝胶体系失真 4 ”，另外，t e m 需要对有机聚集体染色以提高电子密 度从而得到更清晰的图像，而染色剂，包括磷钨酸盐和四氧化锇，可能与聚集体 作用而改变其本来面貌。 近来，低温技术与电子显微技术相结合的冷冻透射电镜和冷冻扫描电镜被应 用到凝胶体系。冷冻透射电镜。就是在液氮温度下将样品在乙烷中速冻得到玻璃 化薄膜，用这种薄膜在低温下直接进行电镜观察，就可以得到实际上在溶剂环境 中的有机聚集体形貌【4 2 l 。凝胶体系的高黏度使得其很难形成完全玻璃化的薄膜， 但是，还是有几个小组成功地运用冷冻透射电镜观察了有机凝胶中的线状聚集体 【4 3 巧2 1 。低温技术与透射电镜技术结合的另外一种技术是冷冻蚀刻透射电镜，就是 将冷冻的样品蚀刻，常常是把双层膜从中间断开，采取特殊方法将断面复制，然 后在标准的透射电镜操作条件下进行观察【5 3 5 4 1 。这种技术不需要玻璃化，更适宜 研究凝胶体系。 冷冻扫描电镜，可以用来研究溶液中的有机聚集体【5 5 5 日。制样方法与冷冻透 射电镜相似，不同之处是这里不是采用玻璃化薄膜，而是将约1 0 “l 的样品在液态 乙烷中玻璃化，然后蚀刻掉一层溶剂，再溅射喷金，最后进行扫描电镜观察。冷 冻扫描电镜的缺点是难以将如此大量的样品完全玻璃化。但是，因为扫描电镜是 通过样品表面发射的二次电子成像，可以得到近似三维的图像，这是其突出的优 点。 4 1 2 4 衍射学方法 小角x 射线散射( s a x s ) 和小角中子散射( s a n s ) 的分辨率与透射电镜接 近，可以用来研究凝胶体系中形成的线状超结构1 5 刀。不过，为了解释实验所得到 的结果，必须进行大量的数学分析。首先，应该确定聚集体类型的模型，比如棒 状胶束模型，再利用合适的参数将所得数据进行拟合，就可以得到棒状聚集体堆 积方式( 立方、六方等) 的信息【5 8 5 9 1 。有人已经利用这种技术研究了溶剂分子在 有机凝胶体系中对纤维结构形成的作用，通过比较从密堆积纤维中估算的柬的大 小与实验测得的实际大小，所得差异即可归结为溶剂分予的作用。 广角x 射线衍射( x r d ) 对阐明有机凝胶的结构很有用1 6 0 - 6 2 1 ，x 射线粉末衍 射的最大用途之一在于确定d 值，它与晶体结构中的最大重复距离相对应。将d 值与分子长度比较，就可以确定分子在堆积过程中采取伸展还是弯曲构象，该方 法还可以确定分子中烷基链是否相互交错。测定相邻衍射峰的强度比，还可以确 定分子的堆积类型【6 3 删，比如片状堆积比值为1 ，1 2 ，1 3 ，六方堆积比值为1 ， ( 1 2 ) m ，( 1 3 ) m 。广角衍射的缺点在于必须是干燥样品，这就很难直接得到原始凝 胶状态的信息。 。 胶凝剂的晶体结构能够为阐明其在凝胶态的堆积方式提供有用信息【6 5 - 7 0 。理 想的情况是，已经有胶凝剂分子所有可能的多种晶体结构的衍射数据，将这些数 据直接与干凝胶的粉末衍射花样比较，最相近的结构就是凝胶态的堆积结构。如 果由于胶凝剂分子的结晶性差而不能得到所有多种晶体的结构，可以将胶凝剂培 养成单晶，再将其单晶结构与凝胶的粉末衍射花样比较，从而推断出胶凝剂分子 可能的堆积方式【7 l 】。如果得不到单晶，也可以用高质量的粉末衍射数据t 7 2 - 7 6 】结合 理论模拟得到分子水平凝胶结构的信息。但是，在得出结论时必须慎重，因为在 胶凝化过程中分子的多晶化现象很普遍，而且凝胶态和晶体态的分子聚集可能会 存在很大差异。 1 2 5 理论模拟方法 以衍射技术收集到的数据为基础，利用理论模拟可能得到凝胶态分子组装的 情况；高水平能量最小化方法和分子动力学计算也可以用来模拟凝胶的一级结构。 总之，利用模拟方法可以得到水胶凝荆f 7 _ 7 】和有机胶凝剂【7 8 8 1 】的聚集体模型。 1 3 甾类小分子有机胶凝剂 胆固醇是一种已知的天然产物，经常用来作为分子组装的构造子。由于其独 特的结构特点，它作为构造子具有其它化合物难以比拟的优点：( 1 ) 作为天然产 5 物，胆固醇可以方便地得到，其价格也较便宜；( 2 ) 胆固醇具有刚性结构而且含 有多个手性碳原子，这为手性识别提供了基础；( 3 ) 胆固醇衍生物可以形成多种 独特的聚集体，如液晶、有机凝胶和单层膜；( 4 ) c - 3 的绝对构型很容易转化怫l ； ( 5 ) 由于甾体骨架是许多生物激素的主体结构，磅究甾体衍生物的超分子自组装 行为对揭示生命奥秘、新药物开发有重要意义【8 3 1 。 自从w e i s s 小组在上世纪八十年代首先报道【8 4 1 胆固醇4 、分子衍生物形成有机 凝胶以来，出现了大量的胆固醇类有机小分子胶凝剂，按照结构特点分类如下。 1 3 i 含一个胆甾基的胶凝剂 1 3 1 1a l s 类 最早报道的小分子有机胶凝剂是4 ( 2 - 氧葸 基) 丁酸胆固醇酯( c a b ) ，其结构如图1 - 3 所 示。u n 等【8 4 1 在次光化学实验中发现，很低浓 度的c a b 可以使多种有机溶剂胶凝化。在室温 下密封保存，有些凝胶可以稳定存在好几年，而 有些在几分钟之后就发生相分离，形成宏观分离 的固体和液体。 后来的深入研究发现与c a b 具有相似结构 特点的许多分子都可以作为胶凝剂【8 5 删，把这类 胶凝剂称为j l s 类，即具有芳香基( a r o m a t i c p a r t ， a ) 、连接体( l i n k e r , l ) 和胆甾基( s t e r o i d a lp a r t 。 s ) 的一类化合物。对a l s 的每一部分还可以进 行结构改造，包括胆甾基c 3 的立体化学绝对构 型翻转和c 1 7 处的链的变化。2 位取代的9 ，1 0 蒽醌、n 取代苯胺、2 萘基、1 芘基、吡啶、对 以d 扒 蚶忒h c a q c m q 图1 3 a l s 胶凝剂的结构 位取代的苯基、取代偶氮苯、二苯乙烯、卟啉、酞菁衍生物等都可以作为a 部分。 对连接体的长度和功能性也进行过变化【蛀9 5 1 。 将胆甾基与蒽醌( 电子受体) 连接得到的化合物c a q 是一种很好的胶凝剂可 以使脂肪族烷烃和脂肪族伯醇等有机溶剂胶凝化。而对应的电子给体c m a q 本身 不是胶凝剂( 结构见图1 3 ) ，但在c a q 形成的某些凝胶体系中加入一定比例的 c m a q ，可以使所得凝胶具有触变性，例如，c a ( 3 和c m a q 与正辛醇、正十六烷 可以形成触变性凝胶体系1 1 0 1 。 量善姨 t 。o q c b “；t o 培驰 r 删t州 a m b c i b l h r _ c j l h r _ c _ d h 蛐“ a c h m 蝴m 图1 - 4 偶氦苯衍生物胶凝剂的结构图 - 5 凝胶相转变的光调控 由于偶氮苯存在顺反异构体，而且其顺反构型能够在光刺激条件下发生可逆转 化，这是这类化合物具有光致变色性质的原因。将偶氮苯基引入小分子有机胶凝 剂中，希望得到对光信号敏感的有机凝胶，从而实现溶胶一凝胶转化的光调控。 s h i n k a i 小组合成得到了一系列含偶氮基团的胆固醇衍生物胶凝剂i 轴】( 如图1 4 ) ， 并对其胶凝行为进行了系统研究，发现( 1 ) 这类胶凝剂在溶液中可以形成一维螺 旋聚集体；( 2 ) 偶氮基上的取代基对其胶凝行为影响很大；( ”胆甾基c 3 的绝 对构型也影响其胶凝能力；( 4 ) 凝胶溶胶转化具有光响应性，即用3 3 0n m 4 6 01 3 1 1 1 的可见光照射溶 胶又恢复到凝胶状态( 如图1 5 ) 。 1 3 。1 2 冠醚衍生物 冠醚是主客体化学中最 常见的主体化合物，它对金 属离子、铵根离子有特异的 结合能力【9 6 1 。将冠醚引入小 分子有机胶凝剂，可以得到 一些对特定客体有响应的有 飞。扩 、删i r 隅 一6 b 丫岫 ，佛h幔h 钟 街l s h 机凝胶。s h i n k a i 等合成了一 系列胆固醇冠醚衍生物，对 圈1 - 6 实现了胺类手性识别的胶凝剂及对应胺的结构 这些化合物胶凝性质研究发现，所得凝胶的相转变温度对加入的客体离子有依赖 性，即加入的离子会影响凝胶的稳定性【9 0 ，9 7 】。通过向体系中引入不同的胺类化合 物 9 8 1 ( 如图1 - 6 ) 可以使凝胶相转变温度得到不同程度的提高，这主要是二胺的桥 联作用或胺类与冠醚形成了配合物的原因。值得一提的是，本体系中的胶凝剂可 以区分胺类化合物的绝对构型。如图1 - 6 所示的胺类化合物4 、5 的r 构型和s 构 型对凝胶的稳定化程度明显不同，这为在凝胶态实现化合物的手性拆分提供了依 据。对冠醚衍生物凝胶态的超分子聚集体研究，在模拟细胞膜离子通道方面取得 了可喜的进展 9 9 ，1 0 0 】。 1 3 1 3 其它胆甾类胶凝剂 为了实现不同的目的，而又保留胆甾基的优点，对胆固醇进行了许多不同的 功能化。将胆甾基与碱基( 嘧啶基或嘌呤基) 结合【1 0 1 】，从而通过加入配对的碱基 衍生物实现了对凝胶稳定性和超分子聚集体形貌的控制。将硼酸与胆甾基结合【加2 】 所得到的胶凝剂可以与多羟基化合物发生复合，实现了对不同糖类化合物的识别。 】3 2 含两个胆甾基的胶凝剂 s h i n k a i 小组合成了含有两个胆 甾基和氮杂1 8 冠6 基团的哑铃型化 合物1 ( 如图1 7 ) ，对其胶凝行为的 研究发现它能使许多有机溶剂胶凝 化。其有机凝胶的圆二色谱( c d ) 说明其中的偶氮苯基呈顺时针排列， 而电子显微镜研究发现其聚集体呈 囊泡结构【“1 。他们合成的含更大冠 k r 。一 图1 7 双胆甾基胶凝剂的分子结构 醚基团3 0 冠1 0 的哑铃型化合物2 表现出更强的胶凝能力【1 洲，其c d 谱说明其中 的偶氮苯基也呈顺时针排列，但其聚集体形貌明显不同于化合物1 ，而呈管状结构 和螺旋带状结构。对这类哑铃型化合物聚集机理的研究发现胶凝剂分子通过胆甾 基的疏水作用采取折叠构象，折叠的分子进一步通过分子间疏水作用相互聚集而 形成不同的超分子结构( 如图1 8 ) 。实际上，这种折叠构象好象并不利于形成凝 胶的三维网络结构。s h i n k a i 小组的另一工作【1 0 5 】充分说明了这一点。将二铵离子加 入此类凝胶体系中，发现胶凝剂的胶凝能力和所得凝胶的稳定性均有明显提高。 对这个现象的解释，作者认为有两个原因，其一，冠醚与二铵离子的主客体相互 作用使胶凝剂分子从折叠构想转化为伸展构象( 如图1 9 ) ，而胶凝剂的伸展构象更 图1 - 8 疏水堆积作用使分子呈折叠构象图1 - 9 伸展构象的胶凝能力更强 1 ， f 有利于形成三维网络结 构；其二，二铵离子的桥 联作用使凝胶稳定性提 高。然而，由于胆甾基之 间存在较强的疏水堆积作 用，分子内的两个胆甾基 总是相互堆叠而成折叠构 象要使这类哑铃型化合 物呈伸展构象并不容易。 虽然二胆甾基化合物 在结构上比较复杂，但是， r = 1 a ：- - h l b ：一o e * c - l d ：一。 爵1 - 1 0 剧性稠环芳烃平面连接的= 胆甾基艘凝唰舶结构 由于两个胆甾基堆积作用的协同性，使这类化合物具有更强的自组装能力。为了 实现特殊韵功能，往往需要选择二胆甾基胶凝剂。 t o m a o k i 等利用取代偶氮苯基两边都连接胆甾基的胶凝剂实现了氢键破坏、恢 复的光调控，从而实现了凝胶溶胶相转变的光开关调控( 1 0 6 j 。s h i n k a i 等利用连有 两个胆甾基的2 , 2 双吡啶的c u 0 ) e 厶物首次实现了凝胶溶胶可逆相转变的氧化 还原调控，从而为凝胶溶胶相转变的电化学控制奠定了基础【1 “”。在同一实验中他 们还发现，所得凝胶的颜色与正常配合物的颜色差别很大。这是因为在凝胶态， 胆甾基的超分子堆积作用使配合物的四面体构型发生了变形。这一结果说明，在 主要依靠范德华力形成凝胶的胆甾类胶凝剂体系中，配位等其它弱相互作用对凝 胶的稳定化作用往往非常显著；另一方面，在凝胶态，由于胆甾基之间的相互堆 积，反过来又可以影响配位等其它作用的方式和实现途径。在他们的另一工作中 o s j ，将两个胆甾基连接在刚性的稠环芳烃平面两侧( 如图1 - 1 0 ) ，在凝胶态实现 了稠芳环不同衍生物之间的非辐射能量转移。而同样的分子在溶液态却不能发生 能量转移，这说明凝胶态特殊的超分子聚体结构对能量转移过程的发生非常重要。 1 3 3 其它