(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種樹枝狀凝膠因子的設(shè)計(jì)、合成及其性能研究，尤其涉及氨基酸衍生物修飾的有機(jī)-無機(jī)雜化樹枝狀凝膠因子的制備及性能研究。本發(fā)明屬于超分子化學(xué)領(lǐng)域。

(二)

背景技術(shù)：

低分子量凝膠因子是一種能夠在很低的濃度下使有機(jī)溶劑和/或水凝膠化的小分子化合物。它能通過非共價鍵實(shí)現(xiàn)自組裝形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，該類凝膠屬于超分子凝膠或物理凝膠。由于超分子凝膠具有快速可逆的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變過程、可調(diào)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等優(yōu)良特點(diǎn)，在材料科學(xué)、超分子化學(xué)、組織再生、藥物輸送和催化化學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，從而引起了科學(xué)家們的研究興趣。

多面體低聚倍半硅氧烷(poss)是一種具有納米尺寸立體籠狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)分子，結(jié)構(gòu)式如圖1所示。poss八個頂點(diǎn)上面的硅原子能夠接枝特定有機(jī)分子，達(dá)到有機(jī)化修飾的效果，從而合成特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無機(jī)雜化樹枝狀大分子。以poss為核的樹枝狀大分子在較低代數(shù)時就可擁有較高的端基密度、支化率，較高的空間對稱性、較強(qiáng)的分子間作用力以及自組裝能力。

目前poss基的樹枝狀大分子因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)與性能方面具有獨(dú)特優(yōu)勢、優(yōu)良功能以及潛在應(yīng)用價值，得到了國際上眾多科學(xué)研究者們的關(guān)注。而且poss具有疏水性和易結(jié)晶性質(zhì)，以poss為核的有機(jī)-無機(jī)雜化樹枝狀大分子能夠應(yīng)用在于凝膠領(lǐng)域。在此類研究中，專利申請cn103709578a將能與金屬配位絡(luò)合的poss基大分子吸附金屬鹽后通過化學(xué)共沉淀生成超順磁粒子，最后引發(fā)聚合形成磁響應(yīng)性凝膠。另外，專利申請cn103819610a將功能化的poss大分子與甲基丙烯酸-n,n-二甲氨基乙酯共聚得到ph敏感凝膠。但是以上凝膠合成工藝復(fù)雜，成分復(fù)雜，且凝膠性能欠佳，不適合實(shí)際應(yīng)用。而且目前poss基樹枝狀大分子應(yīng)用于有機(jī)凝膠領(lǐng)域報(bào)道較少，我們之前發(fā)表的類似結(jié)構(gòu)凝膠因子(heh,chens,etc.strongandfast-recoveryorganic/inorganichybridaunps-supramoleculargelsbasedonloofah-like3dnetworks.[j].softmatter,2015,12(3):957-964.)在大部分溶劑中的臨界凝膠濃度在10mg/ml左右，所形成的凝膠雖然有較好的快恢復(fù)性能，但機(jī)械性能欠佳。

基于超分子凝膠與多面體低聚倍半硅氧烷(poss)基樹枝狀大分子的優(yōu)良性能，本發(fā)明設(shè)計(jì)并制備了一種以poss為核心并接枝一系列氨基酸衍生物的超分子凝膠因子，它具有良好的凝膠行為和自組裝能力，能使多種常用有機(jī)溶劑形成凝膠，且凝膠具有優(yōu)良的機(jī)械性能。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種超低含量超高凝膠性能樹枝狀凝膠因子的制備及性能研究。采用本發(fā)明制備的凝膠因子在添加量為1～5mg/ml時，便能使多種常用有機(jī)溶劑凝膠化，且形成的凝膠具備優(yōu)良機(jī)械性能。本發(fā)明提供的凝膠因子合成工藝簡單、凝膠效果顯著，得到的凝膠機(jī)械性能優(yōu)異，具有巨大的應(yīng)用前景。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種樹枝狀凝膠因子，將八-氨丙基poss作為核心，各種氨基酸衍生物作為“臂”，通過酰胺縮合的方法合成了一系列有機(jī)-無機(jī)雜化的樹枝狀大分子，所述凝膠因子為下列之一：凝膠因子poss-asp-cbz(ⅰ)或凝膠因子poss-cn-boc(ⅱ)；

(ⅱ)，式(ⅱ)中n＝3～11正整數(shù)，優(yōu)選n為3、6、8或11。

本發(fā)明還提供一種所述樹枝狀凝膠因子的制備方法，所述方法為：以八-氨丙基多面體低聚倍半硅氧烷鹽酸鹽(poss-nh3cl，即八-氨丙基poss鹽酸鹽)為核心，與芐氧羰基(cbz)保護(hù)的天冬氨酸衍生物(asp-cbz)或叔丁氧羰基(boc)保護(hù)的碳鏈長度3-11的氨基酸衍生物(cn-boc)在苯并三氮唑-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯(hbtu)、1-羥基苯并三唑(hobt)和n-甲基嗎啉(nmm)作用下，于n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中酰胺縮合得到所述樹枝狀凝膠因子。芐氧羰基保護(hù)的天冬氨酸衍生物即為cbz-l-天門冬氨酯β-芐酯(z-asp-oh)。叔丁氧羰基保護(hù)的碳鏈長度3-11的氨基酸衍生物優(yōu)選為c3-boc、c6-boc、c8-boc、c11-boc，所述樹枝狀凝膠因子優(yōu)選為凝膠因子poss-c3-boc、凝膠因子poss-c6-boc、凝膠因子poss-c8-boc、凝膠因子poss-c11-boc。

進(jìn)一步，所述核心與天冬氨酸衍生物或氨基酸衍生物質(zhì)量比為1:1-4，所述核心與苯并三氮唑-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯、1-羥基苯并三唑和n-甲基嗎啉質(zhì)量比為1:0.5-2:1-2:1-2，所述n,n-二甲基甲酰胺體積用量以核心質(zhì)量計(jì)為10-20ml/g。

進(jìn)一步，所述方法是將芐氧羰基保護(hù)的天冬氨酸衍生物或叔丁氧羰基保護(hù)的碳鏈長度3-11的氨基酸衍生物溶在n,n-二甲基甲酰胺中，然后加入苯并三氮唑-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯，1-羥基苯并三唑，n-甲基嗎啉與八-氨丙基poss鹽酸鹽，在20℃下持續(xù)反應(yīng)24h，將反應(yīng)液倒入蒸餾水中，混合沉淀，抽濾，沉淀物用乙腈洗滌后進(jìn)行硅膠柱色譜提純，流動相為體積比1:1的二氯甲烷和甲醇混合溶劑，收集目標(biāo)產(chǎn)物，獲得所述樹枝狀凝膠因子。

本發(fā)明還提供一種所述樹枝狀凝膠因子在制備有機(jī)凝膠中的應(yīng)用。

進(jìn)一步，所述有機(jī)凝膠是將樹枝狀凝膠因子與有機(jī)溶劑混合制成。所述有機(jī)溶劑為下列之一：氯苯、1,2-鄰二氯苯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、乙酸丁酯、四氫呋喃、二氯甲烷、正辛醇。所述樹枝狀凝膠因子用量以有機(jī)溶劑體積計(jì)為1-5mg/ml。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果主要體現(xiàn)在：本發(fā)明利用一些氨基酸衍生物對poss進(jìn)行有機(jī)化修飾后合成的一系列有機(jī)-無機(jī)雜化樹枝狀大分子，該凝膠因子通過π-π堆積、氫鍵、纏結(jié)或靜電作用等非共價作用力在溶劑中自組裝構(gòu)成線型、纖維狀或帶狀的一維結(jié)構(gòu)，一維結(jié)構(gòu)能繼續(xù)相互纏結(jié)，最終形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠使溶劑凝膠化。其凝膠不但具有超低的臨界凝膠濃度，而且凝膠機(jī)械強(qiáng)度比現(xiàn)有凝膠因子高2～3個數(shù)量級，能被廣泛應(yīng)用到催化劑載體、藥物載體、分子探針、藥物選擇性釋放、發(fā)光材料等領(lǐng)域。

(四)附圖說明

圖1poss的結(jié)構(gòu)式。

圖2凝膠因子poss-asp-cbz凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變溫度的測定曲線。

圖3凝膠因子poss-asp-cbz溶液應(yīng)變掃描圖，曲線p-a-1g'是指濃度為1.00mg/ml凝膠溶液的儲存模量，曲線p-a-1g”是指濃度為1.00mg/ml凝膠溶液的損耗模量，曲線p-a-2g'是指濃度為2.00mg/ml凝膠溶液的儲存模量，曲線p-a-2g”是指濃度為2.00mg/ml凝膠溶液的損耗模量。

圖4凝膠因子poss-c6-boc、poss-c8-boc、poss-c11-boc凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變溫度的測定曲線。

圖5凝膠因子poss-c6-boc、poss-c8-boc、poss-c11-boc溶液的應(yīng)變掃描圖，其中曲線poss-c6-bocg'是指濃度為2.50mg/ml凝膠溶液的儲存模量，曲線poss-c6-bocg”是指濃度為2.50mg/ml凝膠溶液的損耗模量，poss-c8-bocg'是指濃度為2.50mg/ml凝膠溶液的儲存模量，曲線poss-c8-bocg”是指濃度為2.50mg/ml凝膠溶液的損耗模量，poss-c11-bocg'是指濃度為2.50mg/ml凝膠溶液的儲存模量，曲線poss-c11-bocg”是指濃度為2.50mg/ml凝膠溶液的損耗模量。

(五)具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此：

實(shí)施例1、式(ⅰ)所示cbz保護(hù)的天門冬氨酸衍生物修飾poss的樹枝狀大分子的合成

1、凝膠因子poss-asp-cbz的合成

將4.00gcbz-l-天門冬氨酯β-芐酯(z-asp-oh，購自阿拉丁試劑(上海)有限公司)溶在20.00ml的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)于100ml圓底燒瓶中，然后加入2.00g苯并三氮唑-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯(hbtu，購自阿拉丁試劑(上海)有限公司)與1.50g1-羥基苯并三唑(hobt)，2.00gn-甲基嗎啉(nmm)與1.00g八-氨丙基poss鹽酸鹽(購自阿拉丁試劑(上海)有限公司)，在20℃下持續(xù)反應(yīng)24h。將反應(yīng)得到的溶液倒入100ml蒸餾水中，混合后得到白色沉淀。用布氏漏斗抽濾后，取白色沉淀用乙腈洗滌后進(jìn)行硅膠柱層析，收集rf＝0.90的流出液。色譜固定相為200-300目硅膠，流動相為二氯甲烷/甲醇＝1/1(v/v)的混合溶劑。產(chǎn)物(凝膠因子poss-asp-cbz)外觀為白色晶體狀，產(chǎn)率為92.50％，產(chǎn)量為4.67g。

2、凝膠因子poss-asp-cbz的凝膠化性能

本發(fā)明主要使用管反演法測定凝膠因子的凝膠性能，具體操作如下：先用分析天平精確稱取1.00mg的凝膠因子poss-asp-cbz，放入干凈的小瓶子中，再用移液槍精確量取1.00ml的表1所示特定溶劑，擰緊瓶蓋后纏生料帶進(jìn)行密封。然后通過超聲震動使凝膠因子快速溶解在溶劑中形成澄清透明溶液，如果在常溫下凝膠因子難溶于溶劑，可以根據(jù)溶劑沸點(diǎn)選擇在80℃水浴或120℃油浴下使凝膠因子溶解。將形成的溶膠在空氣中或者溫度高于溶劑凝固點(diǎn)的冰箱中靜置冷卻5～15mins。最后等溶膠恢復(fù)常溫，觀察是否形成了凝膠。如果瓶子底部的溶膠呈現(xiàn)均相不流動的狀態(tài)，小瓶子翻轉(zhuǎn)后依然能黏附在小瓶子底部，不沿瓶壁流下或直接掉落，表明已形成凝膠。

臨界凝膠濃度(cgc)是指能夠在室溫下形成凝膠的最低凝膠因子濃度。具體方法為：使用分析天平精確稱取1.00mg凝膠因子poss-asp-cbz，再用移液槍精確量取1.00ml表1所示特定溶劑，即凝膠因子的起始濃度是1.00mg/ml，接著依次增加凝膠因子的重量(每次增加0.5mg)，直到室溫下能形成穩(wěn)定凝膠。

表1poss-asp-cbz在不同有機(jī)溶劑中的凝膠能力

注：p＝沉淀；tg＝透明凝膠；og＝不透明凝膠；pg＝部分凝膠；s＝溶液；()內(nèi)數(shù)值表示臨界凝膠濃度(cgc)，mg/ml。

3、凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變溫度的測定

稱取1.00mg，2.00mg，4.00mg，6.00mg的poss-asp-cbz凝膠因子分別加入到盛有1.00ml四氫呋喃和1.00ml甲基丙烯酸甲酯的干凈小瓶子中，擰緊瓶蓋后纏生料帶進(jìn)行密封。在100℃油浴下形成澄清透明溶液，再靜置冷卻到室溫，形成凝膠。將待測凝膠放置在恒溫水浴鍋中，水浴鍋起始溫度設(shè)置為20℃，按1℃/min的速度逐漸升溫，觀察并且記錄下當(dāng)凝膠態(tài)開始轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z態(tài)時的溫度，即管反演法使凝膠開始沿壁流下時的溫度。根據(jù)凝膠因子濃度與凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變溫度(tgel)的關(guān)系繪圖，結(jié)果見圖2所示。

4、凝膠機(jī)械性能的測定

分子凝膠的機(jī)械性能是非常重要的參數(shù)，它可以決定分子凝膠在實(shí)際的應(yīng)用能力。如果某種分子凝膠需具備實(shí)際的應(yīng)用價值，那它在流變學(xué)方面必須表現(xiàn)為：儲存模量g'比損耗模量g”幾乎高出一個數(shù)量級，而且g'與g”都不隨著頻率改變而改變。高級拓展流變儀(奧地利antonpaar公司,型號為mcr302)的振動模式能夠測試凝膠流變性能。

本發(fā)明的機(jī)械性能使用的轉(zhuǎn)子規(guī)格為pp25，樣品為凝膠因子poss-asp-cbz溶液，濃度分別是1.00mg/ml，2.00mg/ml，溶劑是1,2-鄰二氯苯。應(yīng)變掃描見圖3所示，角頻率為6.28rad/s，測試溫度為25℃。結(jié)果顯示該凝膠的機(jī)械強(qiáng)度比現(xiàn)有凝膠(ⅲ)因子高2～3個數(shù)量級。

現(xiàn)有凝膠(ⅲ)凝膠因子形成的凝膠的儲存模量只有10²pa，poss-asp-cbz形成的凝膠儲存模量能達(dá)到10⁴～10⁵pa。

實(shí)施例2、式(ⅱ)所示boc保護(hù)的不同碳鏈長度的氨基酸衍生物修飾poss的樹枝狀大分子的合成

1、凝膠因子poss-cn-boc的合成

分別將4.00gc3-boc(購自阿拉丁試劑(上海)有限公司)、4.50gc6-boc(購自阿拉丁試劑(上海)有限公司)、5.00gc8-boc(購自阿拉丁試劑(上海)有限公司)、6.00gc11-boc(購自阿拉丁試劑(上海)有限公司)溶在40.00mldmf于250ml圓底燒瓶中，然后加入2.00g苯并三氮唑-n,n,n',n'-四甲基脲六氟磷酸酯(hbtu)與3.00g1-羥基苯并三唑(hobt)，3.50gn-甲基嗎啉(nmm)與2.50g八-氨丙基poss鹽酸鹽，在20℃下持續(xù)反應(yīng)24h。分別將反應(yīng)得到的溶液倒入200ml蒸餾水中，混合后得到白色沉淀。離心分離(10000r/min,10min)，取白色沉淀物用乙腈洗滌后進(jìn)行硅膠柱層析，分別收集rf＝0.65、0.65、0.60、0.60的流出液。色譜固定相為200-300目硅膠，流動相為二氯甲烷/甲醇＝6/1(v/v)的混合溶劑。產(chǎn)物分別為凝膠因子poss-c3-boc、凝膠因子poss-c6-boc、凝膠因子poss-c8-boc和凝膠因子poss-c11-boc，外觀均為白色晶體狀，產(chǎn)率分別為91％(產(chǎn)量5.91g)、93％(產(chǎn)量6.51g)、92％(產(chǎn)量6.90g)、94％(產(chǎn)量8.00g)。

2、凝膠因子poss-cn-boc的凝膠化性能

方法及步驟同實(shí)施例1。

表2poss-cn-boc在不同有機(jī)溶劑中的凝膠能力

注：mma＝甲基丙烯酸甲酯；thf＝四氫呋喃；dmso＝二甲基亞砜；dmf＝n,n-二甲基甲酰胺；p＝沉淀；s＝溶液；tg＝透明凝膠；og＝不透明的凝膠。表中的值代表臨界凝膠濃度(cgc)mg·ml^-1。

3、凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變溫度的測定

方法及步驟同實(shí)施例1，樣品為凝膠因子poss-c6-boc、poss-c8-boc、poss-c11-boc溶液，濃度分別為1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mg/ml，溶劑是1,2-鄰二氯苯，結(jié)果見圖4所示。

4、凝膠機(jī)械性能的測定方法及步驟同實(shí)施例1，樣品為凝膠因子poss-c6-boc、poss-c8-boc、poss-c11-boc溶液，濃度都為2.50mg/ml，溶劑是1,2-鄰二氯苯，結(jié)果見圖5所示。結(jié)果顯示該凝膠的機(jī)械強(qiáng)度比現(xiàn)有凝膠因子高2～3個數(shù)量級。

同實(shí)施例1，poss-c6-boc、poss-c8-boc、poss-c11-boc形成的凝膠儲存模量也能達(dá)到10⁴～10⁵pa。