0 引言
寡聚芳酰胺是一类由芳环作为构建单元、酰胺键连接的结构稳定、骨架可调且侧链容易修饰的化合物。此类分子具有合成简单、原料易得、产率高等优点。此外,此类化合物具有明确的氢键作用力,酰胺基团中氮原子上的质子可以作为氢键的给体,而氧原子可以作为氢键的受体,常用于构筑超分子自组装体系
[1-2]。但是,基于寡聚芳酰胺骨架的双链凝胶体系仍较少。2010年,CAO等
[3]首次报道了具有自身互补四重氢键序列的寡聚芳酰胺体系凝胶因子,可以在某些有机溶剂中配对形成同源分子拉链(a·a),进而形成有机凝胶(
图1)。在此基础上,2017年,PEI等
[4]报道了具有自身互补四重氢键序列的寡聚芳酰胺体系水凝胶因子,可以在纯水相中形成水凝胶(b·b)(
图1)。
为了进一步拓展此类凝胶因子的应用范围,本文设计合成具有不同的四重氢键序列(DADA和ADAA)、末端为羧基的寡聚芳酰胺分子,并通过酰胺化反应在其末端连接上具有较强疏水性的基团(
图2)。在某些溶剂中,它们可以通过分子间的氢键作用结合形成分子拉链,并进一步通过分子间非共价键作用力组装形成凝胶。在此基础上,研究了分子结构和材料表面粗糙度对疏水性的影响规律。
1 实验部分
1.1 实验药品和实验仪器
药品:没食子酸甲酯、甘氨酸甲酯盐酸盐、1‑(3‑二甲氨基丙基)‑3‑乙基碳二亚胺盐酸盐(EDCI)、1⁃羟基苯并三唑(HOBt)、无水Na2SO4、稀盐酸、饱和食盐水等。溶剂:环己烷、乙腈、苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、丙酮、四氢呋喃、乙醇、甲醇、CH2Cl2、CHCl3、DMSO、DMF、NaOH水溶液、稀盐酸。
仪器:U⁃3900H型紫外可见分光光度计(UV,日立公司,2439⁃002)、扫描电子显微镜(SEM,日立公司,S⁃4800)、JC2000D1型接触角测量仪、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR,5J1⁃0004)、核磁共振波谱仪(NMR,日本理学公司,AvanceⅢ600)。
1.2 化合物的合成
化合物G0:将化合物S1(10 mmol)、EDCI(2.1 g,11 mmol)、HOBt(1.5 g,11 mmol)加入50 mL CH2Cl2中,室温搅拌30 min。 然后,将化合物S2(10 mmol)溶入CH2Cl2(20 mL),并逐滴加入上述体系。 继续室温搅拌,TLC监测,直至反应完全(约15 h)。停止反应,将反应液转至分液漏斗,依次用水(50 mL)、饱和食盐水(50 mL)洗涤,有机层用无水Na2SO4干燥。 旋蒸除去有机溶剂,得到黄色黏稠物。 加入CH3OH(50 mL)使其溶解,搅拌的情况下,加入NaOH水溶液(20 mL,2.0 mol/L)。 加热回流,TLC监测,直至反应完全(约2 h)。停止反应,配合冷却后旋蒸除去CH3OH,加稀盐酸(10%)调节pH至酸性。 用CH2Cl2萃取(50 mL),合并有机层,加入无水Na2SO4干燥。旋蒸除去CH2Cl2,柱层析分离(V∶VMeOH=30∶1),得化合物G0纯品(6.4 g),产率81%。IR (KBr, cm-1): 3392、3351、3112、2931、1737、1693、1643、1550、1494、1365、1292、1220、1095、962。 1H NMR(600 MHz, DMSO⁃d6):δ= 10.11(s, 1H)、9.86(s, 1H)、8.69(t, J=5.4 Hz, 1H)、8.60(t, J=5.4 Hz, 1H)、8.06(m, 2H)、7.81~7.83(m, 2H)、7.14~7.18(m, 2H)、4.25(m, 4H)、4.15(m, 2H)、4.02(m, 2H)、3.82~3.86(m, 4H)、3.6(m, 4H)、3.49~3.53(m, 6H)、3.44(t, J=4.8 Hz, 2H)、3.40(t, J=4.8 Hz, 2H)、3.35(t, J=4.8 Hz, 2H)、3.22(s, 3H)、3.18(s, 3H)、2.26(t, J=7.5 Hz, 2H)、1.58(m, 2H)、1.27~1.31(m, 4H)、0.87(t, J=7.2 Hz,3H)。 13C NMR(150 MHz, DMSO⁃d6):δ=171.63、167.69、164.79、164.67、153.10、152.90、133.55、133.04、124.29、124.16、122.47、122.37、122.06、114.95、114.77、71.75、71.70、70.37、70.30、70.26、70.08、70.02、69.40、69.34、69.14、69.06、58.56、58.52、43.88、41.99、36.79、31.43、25.38、22.44、14.41。HRMS(ESI, m/z)理论计算值为C38H56N4O14 [M+Na]+:815.379 3;实测值为: 815.374 6。
化合物G1:将化合物G0(0.24 g,0.30 mmol)、1‑(3‑二甲氨基丙基)‑3‑乙基碳二亚胺盐酸盐(EDCI,0.06 g,0.33 mmol)、1‑羟基苯并三唑(HOBt,0.05 g,0.33 mmol)加入CH2Cl2(50 mL)中,室温搅拌30 min。将化合物S4(0.17 g,0.30 mmol)加入上述溶液中,继续常温搅拌。TLC监测,直至反应完全(约24 h)。停止反应,加稀盐酸(10%)调节pH至酸性。 将反应液转至分液漏斗,分液,有机层依次用H2O(30 mL),饱和食盐水(30 mL)洗涤,然后用无水Na2SO4干燥。减压蒸除有机溶剂,得粗产物。粗产品经柱层析(V∶VMeOH=15∶1)分离,得纯净化合物G1(0.19 g),产率48%。 IR (KBr, cm-1): 3291、3108、2927、 2869、1650、1536、1496、1371、1309、1236、1122、781。1H NMR(600 MHz,CDCl3):δ= 9.98(s, 1H)、9.20(s, 1H)、8.46(s, 1H)、8.38(s, 1H)、7.90(m, 1H)、6.95~7.26(m, 3H)、4.28~4.52(m, 5H)、3.48~4.10(m, 31H)、3.26~3.33(m, 6H)、2.45(s, 1H)、1.69~1.80(m, 8H)、1.27~1.46(m, 34H)、0.85~0.89(m, 12H)。13C NMR(150 MHz,CDCl3):δ=172.54、168.86、166.47、164.74、164.53、153.55、153.31、153.19、141.27、133.02、132.86、124.78、124.61、122.81、120.36、113.33、113.23、105.88、73.57、72.05、71.99、70.78、70.63、69.30、68.95、59.10、59.01、45.33、40.73、39.15、37.54、32.04、31.97、31.62、30.50、29.67、29.53、29.44、26.23、25.58、22.80、22.59、14.22、14.07。HRMS(ESI, m/z)理论计算值为C71H114N6O17[M+Na]+:1 345.824 0;实测值为:1 345.815 3。
化合物G2:将化合物S3(0.290 g,0.3 mmol)、1‑(3‑二甲氨基丙基)‑3‑乙基碳二亚胺盐酸盐(EDCI,0.063 g,0.33 mmol)、1‑羟基苯并三唑(HOBt,0.045 g,0.33 mmol)加入CH2Cl2 (35 mL)中,室温搅拌30 min。 将化合物S4(0.072 g,0.3 mmol) 加入上述反应液中,继续室温搅拌,TLC检测,直至原料反应完全(约7 h)。停止反应,加稀盐酸(10%)调节pH至酸性。将反应液转至分液漏斗,分液,有机层依次用H2O(30 mL),饱和食盐水(30 mL)洗涤,然后用无水Na2SO4干燥。减压蒸除有机溶剂,得粗产物。 粗产品经柱层析(V∶VMeOH=20∶1)分离,得纯净化合物G2,淡黄色粉末261 mg,产率55%。IR(KBr, cm-1): 3388、3286、2927、2362、1660、1527、1378、1284、1238、1106、782。1H NMR(600 MHz,CDCl3):δ=8.99(s, 1H)、8.63(s, 1H)、8.44(s, 1H)、8.30~8.35(m, 3H)、8.10(m, 1H)、7.92~8.05(m, 3H)、7.89(m, 1H)、7.58(m, 2H)、7.28(m, 1H)、6.83(d, J=9.0 Hz, 1H)、6.41(s, 1H)、4.15~4.31(m, 9H)、4.03(s, 2H)、3.81~3.89(m, 6H)、3.52~3.66(m, 20H)、3.43~3.46(m, 6H)、3.32(m, 2H)、3.29(s, 3H)、3.26(s, 6H)、1.81(s, 2H)、1.51(m, 2H)、1.18~1.29(m, 6H)、0.81(t, J=6.6 Hz, 3H)。13C NMR(150 MHz,CDCl3):δ=168.98、166.80、163.75、163.51、163.39、159.20、159.13、151.92、135.14、132.85、131.43、130.25、130.17、126.86、125.81、123.65、122.43、121.15、121.08、113.86、113.46、112.41、96.34、70.91、70.85、69.64、69.61、69.55、69.41、69.35、68.32、68.02、67.94、67.88、67.29、58.02、57.92、57.88、43.46、42.81、39.04、38.47、37.62、30.64、28.57、25.87、21.66、13.10。HRMS(ESI, m/z)理论计算值为C60H82N6O17 [M+Na]+:1 213.563 5;实测值为:1 213.555 8。
化合物G3:将化合物S3(0.388 g,0.4 mmol)、1‑(3‑二甲氨基丙基)‑3‑乙基碳二亚胺盐酸盐(EDCI,0.088 g,0.44 mmol)、1⁃羟基苯并三唑(HOBt,0.060 g,0.44 mmol)加入CH2Cl2 (50 mL)中,室温搅拌30 min。将化合物S5(0.219 g,0.4 mmol)加入上述溶液中,继续常温搅拌。TLC检测,直至反应完全(约7 h)。停止反应,加稀盐酸(10%)调节pH至酸性。将反应液转至分液漏斗,分液,有机层依次用H2O(30 mL),饱和食盐水(30 mL)洗涤,然后用无水Na2SO4干燥。减压蒸除有机溶剂,得粗产物。粗产品经柱层析(V∶VMeOH=20∶1)分离,得纯净化合物G3,白色粉末128 mg,产率43%。 IR (KBr, cm-1):3386、3282、2927、2863、2362、1639、1536、1437、1284、1238、1122、782。1H NMR(600 MHz,CDCl3):δ=9.34(s, 1H)、8.58(s, 1H)、8.42(s, 2H)、8.16~8.22(m, 3H)、7.95(m, 1H)、7.26(m, 1H)、7.02(s, 2H)、6.92(m, 1H)、6.39(s, 1H)、4.27~4.42(s, 4H)、4.24~4.25(m, 2H)、4.10~4.20(s, 4H)、3.97~4.05(s, 2H)、3.88~3.92(m, 9H)、3.47~3.74(m, 31H)、3.37(s, 3H)、3.28(s, 6H)、1.58~1.71(m, 8H)、1.26~1.41(m, 36H)、0.86~0.89(m, 12H)。13C NMR(150 MHz,CDCl3):δ=170.40、167.51、167.23、164.82、164.15、163.55、159.77、159.52、152.48、152.26、139.83、135.73、132.18、129.04、123.66、123.03、122.05、113.87、112.87、105.06、96.60、72.85、71.46、71.40、71.22、70.22、70.18、70.15、70.06、69.97、69.91、68.88、68.67、68.52、68.49、68.41、67.93、67.63、58.57、58.38、58.27、43.67、43.45、40.91、39.58、38.64、31.47、31.41、31.18、29.91、29.16、29.12、29.00、28.97、28.89、26.42、25.71、25.65、22.24、22.21、13.66、13.63。HRMS (ESI, m/z)理论计算值为C79H130N6O21 [M+Na]+:1 521.928 9;实测值为:1 521.912 7。
1.3 凝胶实验
1.3.1 实验方法
取一定量的凝胶因子(G1、G2、G3)置于透明小试剂瓶中,然后向其中分别加入不同的溶剂,加热溶解,室温下静置 0.5 h。 将试剂瓶倒置后,物质不流动则为凝胶,记为“G”;加热不溶的化合物,记为“I”;加热溶解且不析出固体(>50 mmol/L), 记为“S”;加热溶解、冷却后析出固体,记为“P”。
1.3.2 临界成胶浓度的测定
分别取10 mg凝胶因子(G1、G2、G3)置于透明小试剂瓶中,然后分别向其中加入0.5 mL不同的溶剂,加热溶解,室温下静置 0.5 h,形成凝胶。 然后,加入0.1 mL的同种溶剂,加热重新溶解,室温下静置0.5 h,用倒立法观察凝胶是否形成。若形成凝胶,则继续补加相同溶剂,直到凝胶太弱不足以束缚溶剂而沿瓶壁流动或不形成凝胶,此时的浓度即为凝胶的临界成胶浓度(CGC)。
1.4 扫描电镜
取10 mg凝胶因子G1、G2、G3,分别加入0.5 mL不同溶剂制备凝胶,待凝胶形成后再加入适量的同种溶剂进行稀释。 取少量稀释后的凝胶,滴在洁净的硅片上,冷冻干燥,制得干凝胶。将上述制得的干凝胶粘在样品台上,喷铂后,用扫描电镜观察其形貌。
1.5 接触角
取15 mg凝胶因子G1、G2、G3,分别加入0.5 mL不同溶剂制备凝胶,待凝胶形成后再加入适量的同种溶剂进行稀释。取少量稀释后的凝胶,滴在洁净的玻璃片上,铺匀,真空干燥24 h,制得干凝胶薄膜。然后,用接触角测试仪测定其接触角。
2 结果与讨论
2.1 化合物的合成
以CH
2Cl
2为溶剂,在EDCl、HOBt催化下,化合物S1与S2首先发生缩合反应。旋蒸除去二氯甲烷,粗产物不经纯化直接通过水解反应得到化合物G0。在EDCl、HOBt催化下,化合物G0与S5发生缩合反应形成化合物G1。通过类似的方法,S3分别与S4、S5发生缩合反应得化合物G2和G3(
图3)。
化合物S1—S5均为已知化合物,按照文献[
5-
6]方法合成。化合物G0—G3为新化合物,结构经IR、
1H NMR、
13C NMR、HRMS表征。
2.2 凝胶性能
影响凝胶性能的因素主要包括溶剂、凝胶因子的分子结构、外界刺激或诱导等
[7-9]。通过对凝胶因子G1、G2和G3在不同溶剂中的凝胶性能(
表1)的研究发现,G3的凝胶性能较广泛,可通过加热⁃冷却的方式在弱极性溶剂(环己烷、乙腈)、中等极性溶剂(苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、丙酮)、强极性溶剂(甲醇)中形成凝胶,其中在乙酸乙酯中的成胶浓度最低(5.6 mg/mL)。G2的成胶范围较窄,只能在乙醇中形成凝胶。可能是由于G2中萘酰亚胺基团具有较强的刚性,存在π⁃π堆积作用,从而影响了其在有机溶剂中的溶解性,并最终导致其不能形成凝胶。
2.3 红外光谱
在酰胺类化合物形成的超分子自组装体系中,氢键起着非常重要的作用
[3-4]。红外光谱(FT⁃IR)是能够证实超分子自组装体系中是否存在氢键作用的重要手段
[10]。为了探究G1、G2和G3形成凝胶的自组装驱动力,对干凝胶进行了FT⁃IR分析(
图4)。
凝胶因子G1、G2和G3在3050~3400 cm-1处均有多个较强吸收峰,它们可以归属为酰胺基团中N—H键的伸缩振动吸收峰。二级酰胺N—H键的伸缩振动峰应该在3400 cm-1附近。所以,3390 cm-1附近的吸收峰可以归属为游离的酰胺基团中N—H键的伸缩振动吸收峰,低于3300 cm-1的吸收峰可以归属为缔合的酰胺基团中N—H键的伸缩振动吸收峰。结果表明,在凝胶因子G1、G2和G3形成凝胶的过程中存在较强的氢键作用。
2.4 扫描电镜
将凝胶因子G1、G2和G3在不同溶剂(浓度均为15 mg/mL)中制得干凝胶,用扫描电镜观察它们的形貌(
图5)。
图5中,凝胶因子G1、G2和G3在不同溶剂中形成由一定长度的纤维交织成的三维网状或片状结构,直径为100~200 nm。
2.5 接触角测试
材料的疏水性主要取决于分子结构和表面微观粗糙程度。凝胶因子能在不同的溶剂里通过作用形成长棒状、片状、纤维状或蜂窝状的网状结构,可以通过精准设计凝胶因子的分子结构、控制凝胶形成的条件来调控材料的疏水性
[11]。因此,对不同溶剂(浓度均为15 mg/mL)中得到的G1、G2和G3的干凝胶表面润湿性能进行了测试。凝胶因子G1形成的干凝胶具有较强的疏水性,最大接触角为117.0°(乙醇)。凝胶因子G2形成干凝胶薄膜不具备疏水性,最大接触角仅为72.0°(乙醇)。凝胶因子G3形成干凝胶的表面显示出一定的疏水性,最大接触角为106.0°(丙酮)(见
图6)。这种疏水性上的差异,可能是由于G1、G2和G3在不同溶剂中形成的干凝胶薄膜表面具有不同的粗糙度导致的。G1(乙醇,
图5(e))和G3(丙酮,
图5(k))能自组装形成较为粗壮的纤维状网络结构。 此外,凝胶G1、G2和G3具有不同的分子结构,这可能是导致它们疏水性变化的另一个原因。G1与G3相比,寡聚芳酰胺骨架上少了一个亲水性的多醚链,所以其在乙醇中形成干凝胶的表面具有更强的疏水性。G2和G3具有相同的寡聚芳酰胺骨架,但是G3中的长烷基链修饰的没食子酸单元比G2中的萘酰亚胺单元更大、疏水性更强。
3 结束语
设计合成了3个末端连接有较强疏水性的基团的寡聚芳酰胺类凝胶因子G1、G2和G3,并研究了分子结构和材料表面粗糙度对凝胶性能以及疏水性的影响。 研究表明,疏水基团较大或者亲水基团数目减少时,凝胶因子形成的干凝胶薄膜的疏水性增强。该研究能为新型疏水性材料的研制提供有益参考。未来,将在寡聚芳酰胺骨架上引入强疏水基团、荧光基团或具有刺激响应性的基团(比如—S—S—),合成具有特殊功能的新型疏水性凝胶因子,并进一步研究它们自组装形成凝胶的机理,拓展它们的应用范围。
国家自然科学基金项目(21401159)
河南省高等学校重点科学研究资助项目(19A150042)
信阳师范大学博士科研启动基金(18077)
信阳师范大学博士科研启动基金(18072)
信阳师范大学“南湖学者奖励计划”青年项目