室温下水凝胶合成的新型方法及测试研究

王艳秋，王 涛，史艳景

(河北科技大学理学院，河北石家庄 050018)

室温下水凝胶合成的新型方法及测试研究

王艳秋，王 涛，史艳景

(河北科技大学理学院，河北石家庄 050018)

旨在报道一种新型的水凝胶因子，可在室温下形成凝胶。通过向安替比林-环己烷羰基酯(物质1)的乙醇溶液中加入定量的水可原位、即刻形成凝胶，利用有机合成方法得到了含有吡唑啉酮和环己胺基团的凝胶因子，通过IR，XRD，SEM，TEM等手段对凝胶进行了表征。研究发现，在水含量较低时，凝胶因子分子聚集成为囊泡形状；随着含水量的增大，它的聚集体能实现由0D囊泡向不规整的2D片状结构的转变，并胶凝溶剂。

有机凝胶；片状结构；囊泡；形貌转变

近年来，由于在药品控制和释放、无机材料模板、细胞培养、功能性纳米/微观结构等领域具有潜在应用，LMOGs(低分子聚合有机凝胶)正受到越来越多研究人员的关注[1-3]。目前，大多数有机凝胶是通过加热-冷却过程形成的，这样的过程在实际应用中具有很大的局限性，室温下制备凝胶开始引起人们的重视[4-7]。到目前为止，文献共报道了4类室温成胶方法：1)震动-静置形成凝胶；2)通过溶解-凝固缓慢形成凝胶；3)反相溶剂刺激形成凝胶；4)超声诱导形成凝胶[8-13]。其中反相溶剂法可以用作药物的即时原位包裹及药物载体和缓释，水作为溶剂在生物化学反应和生物组织的自动组装中充当重要的反应环境[14]。因此，水凝胶在LMOGs领域占有重要的地位[15-17]。然而，关于室温、有水的情况下引发即刻成胶的文献报道还较少。

溶胶-凝胶的转变过程常伴随着其形貌的重要转变。在有机溶剂或者水凝胶中，文献报道的常见结构是1D纤维结构、0D囊泡结构或3D的网状结构。大多数反相溶剂诱导形成的凝胶形态结构是管状、带状的1D纤维结构[18]。本文得到了2D片状的凝胶形貌，经SEM表征，这种结构是由0D囊泡结构经过水泡伸展形成纳米片，纳米片经相互胶连等中间产物最后形成；同时，这种2D片状结构不稳定，长时间静置后易于分解又成囊泡状。有关水作为刺激因素引发的溶胶-凝胶转变过程中的这种实时的、可逆的形貌转变报道较少[19]。

1 实验部分

1.1主要药品

4-氨基安替比林，2-异丙基-5-甲基环己胺氯甲酸酯，中国医药公司提供。

1.2主要仪器及测试方法

1)红外光谱： Prestige-21型傅里叶变换红外光谱测试仪(岛津公司提供)，用KBr压片，在室温下对产品进行扫描。

2)扫描电镜测试：FE-SEM S-4800扫描电镜 (日立公司提供)，将样品放在载玻片上，定型、凝固干燥，然后喷金。

3)透射电镜测试：JEOL JEM2011 200 kV透射电镜，将样品放在碳膜铜网上凝固干燥4 h。

4)X射线测试仪器：Bruker AXS D8 (铜靶，λ=0.154 2 nm)；电源为40 kV，50 mA。

5)1H NMR测试：核磁共振谱仪，500 Hz。

2 安替比林-环己烷羰基酯(化合物1)的合成

将2 mmol(406 mg) 4-氨基安替比林和等当量的2-异丙基-5-甲基环己胺氯甲酸酯放入干燥的CH2Cl2溶剂中，加入1 mL三乙胺，搅拌反应24 h，将混合液旋蒸后柱层色谱法提纯(m(CH2Cl2)∶m(CH3OH)= 200∶1)得到化合物1。合成过程见图1。

图1 合成过程Fig.1 Synthesis process

HRMS：C22H32N3O3(M+H)+386.244 4，结果为386.240 5。

1H NMR (CDCl3,500 MHz)：7.47～7.27(4H，m)， 6.20(1H，s)，4.62～4.56(1H，m)，3.05(3H，s)，2.27(s，3H)，2.08～1.33(8H，m)，1.10～0.97(2H，m)，0.91～0.88(6H，m)，0.80～0.79(3H，d，J=5 Hz)。

3 结果与讨论

3.1化合物1的凝胶测试

当质量浓度为25 mg/mL时，化合物1在纯的有机溶剂(如乙醇、乙腈、环己烷和丙酮)中都不能形成凝胶，通过轻微震荡，在乙醇和乙腈中就能完全溶解；加热到90 ℃后，在水中也能完全溶解，溶液冷却后析出沉淀。然而当向适宜质量浓度的化合物1的甲醇溶液中加入水后，在室温下即刻形成凝胶。例如：将10 mg化合物1通过轻微震荡溶解到150 μL甲醇中形成透明溶液(见图2 a))，然后向溶液中加入100 μL水，溶液变浑浊(见图2 b))，随后再加入100 μL水，此时有大量沉淀出现，几秒钟后，形成凝胶(见图2 c)和图2 d))。进一步研究表明，放置3 h后，凝胶自发逐渐分解成悬浮态(见图2 e))。

图2 凝胶状态Fig.2 Gel state

图3 化合物1在甲醇溶液中的TEM图像Fig.3 TEM images of the compound 1 in methanol

3.2即时的凝胶过程研究

利用透射电镜TEM和扫描电镜SEM对溶胶-凝胶过程中的形态变化进行探索。将化合物1的甲醇溶液蒸发后，扫描电镜发现化合物1的截面结构是短的不规则棒状结构(见图3)。当向溶液加入50 μL水后，可以看见大面积的纳米囊泡状结构(见图4 a))；加入80 μL水后，这些水泡破裂延伸成不规则的纳米棒状，同时，还可以看见有的纳米棒黏附在一起(见图4 b))；加入100 μL水后，可以清楚地看到纳米棒相互黏连并形成沉淀(见图4 c))，这表明新出现的聚集体正好起到了连接作用，将纳米棒连接成小薄片；加入150 μL水后，具有一定长度和宽度的片状形貌出现(见图4 d))；加入200 μL水后，片状结构逐步增大，形成凝胶(见图4 e))。这种凝胶不稳定，静置3 h 后，沉淀从溶液中析出，并分解成囊泡(见图4 f))。

TEM图像表明这种悬浮物是由非常小的纳米囊泡组成的，这种囊泡壁厚约为3.5 nm，平均直径为3.6 nm。3.5 nm的距离接近于分子2倍的长度，表明了聚集体的层状结构。从大面积相应的SEM图像可以看出，除了纳米-囊泡，还有十字交联的囊泡作为中间体从棒状分离出来(如图5所示)，这表明从片状结构到水泡的自发转化造成凝胶分解。

此外，还对化合物1 在水和乙醇混合溶剂中形成的凝胶形貌进行了测试(如图6所示)。图6表明，除了片状结构外，可以看见规整的囊泡，因此可以推断，化合物1在乙醇中的溶解性优于甲醇，囊泡是由于水引发形成的。

图4 化合物1的甲醇溶液加入不同体积的水后聚集体的TEM图片Fig.4 TEM images of the solution or gel of the compound 1 in methanol treated with different volume of water

图5 已成凝胶放置3 h后悬浮物的SEM图像 Fig.5 SEM images of the suspension of the performed hydrogel aged for three hours

图6 化合物1的凝胶TEM图像Fig.6 TEM images of hydrogel of compound 1

进一步研究表明，向化合物1的乙醇溶液中加入较多的水稀释后会形成沉淀。例如：在乙醇溶液中，当质量浓度由0.2 mg/μL降低到0.05 mg/μL时，需要加入的水量从50 μL增加到400 μL时形成凝胶，这表明凝胶的最低成胶质量浓度(CGC)是16.7 mg/mL。另一方面，按照同样的比例，将化合物1的乙醇溶液加入到纯水中同样也能形成凝胶。还注意到在混合溶剂中，形成的凝胶加热后不会再逆向转变成溶液。随着乙醇溶液浓度的进一步稀释，加入的水仅能引发形成部分凝胶(PG)或者沉淀(其相位如图7 a)所示)。通过对PG(10 mg化合物1，250 μL乙醇和600 μL水)的SEM图像测试，可以发现它的扭曲片状结构(如图7 b)所示)。

图7 化合物1在不同比例乙醇和水混合溶剂中的相位及SEM图像Fig.7 Different phase state of the compand 1 in the mixed solvents of ethanol and water with different volume ratios and SEM images of the PG

如图8所示， SEM 图像揭示了在甲醇或乙醇与水混合溶剂中形成的凝胶片状结构是不规则的，厚度大约为100 nm。相反，通过对在乙腈和水的混合溶剂(150 μL乙腈，250 μL水)中析出的沉淀测试发现，形成的是规则的片状结构，厚度超过200 nm，这表明在混合溶剂中较薄的不规则的片状结构易于凝胶溶剂。

图8 化合物1的凝胶或者沉淀的SEM图像Fig.8 SEM images of the hydrogel or precipitate of the compand 1

3.3凝胶机理

图9 IR及XRDFig.9 IR spectra and XRD spectra

基于以上所有数据，化合物1的动态组装原理如图10所示。随着少量水的加入，分子聚合成带有层状结构的泡状结构；随着水量的增加，水泡首先混合成较大的泡，然后水泡破裂延伸成纳米带状或片状；最后通过水的引发混合成柱状结构的纳米级或微米级薄片。据此推断，在混合溶剂中，薄片状结构比弯曲薄片、水泡和较厚片更易形成凝胶，尤其是破裂的水泡在各个方向都是随机的。因此，小棒状或片状是不规则的。通过进一步黏附结合，可以看见一些规则的薄片。

图10 水作为反溶剂引发的泡状-片状转换路径示意图Fig.10 Schematic illustration of the vesicle-sheet pathway controlled by water stimulus as anti-solvent

4 结 语

报道了室温下安替比林-环己烷羰基酯在水刺激下即时成胶的一种新的制备方法，同时，利用透射电镜，观测到了化合物1的聚集体从囊泡到片状结构的完整的形貌转变过程。这种从0D囊泡到2D片状形貌转化的研究将为“由下而上”研究超分子聚集体提供一个新的模型。

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New methods of instant gelation stimulated by water at room temperature and test research

WANG Yanqiu，WANG Tao，SHI Yanjing

(School of Science, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

A new kind of hydro-gelator antipyrine-cyclohexane carbonyl ester (substance 1) was introduced, which could gel in water at room temperature. The addition of a certain amount of water into the solution of 1 in alcohols could induce instant and in situ gelation. The organogelator combining antipyrine and methylcyclohexyl groups were obtained via organic synthesis method. The gelation properties were characterized by IR, XRD, SEM and TEM. The study shows that the compound 1 assembles into 0D vesicle with the lower content of water, while with the higher concentration, it aggregates into irregular 2D sheet structure, and gels the mixed solvents.

organogel; sheet structure; vesicles; morphology evolution

2014-05-06；

2014-08-30；责任编辑：张士莹

国家自然科学基金(21301047)；河北省自然科学基金(B2014208160)

王艳秋(1973-)，女(满族)，河北承德人，讲师，硕士，主要从事有机物合成、测试及纺织助剂应用等方面的研究。

E-mail：wangyanqiu@hebust.edu.cn

1008-1542(2014)05-0454-06

10.7535/hbkd.2014yx05008

O621.2

A

王艳秋，王 涛，史艳景.室温下水凝胶合成的新型方法及测试研究[J].河北科技大学学报,2014,35(5):454-459. WANG Yanqiu，WANG Tao，SHI Yanjing. New methods of instant gelation stimulated by water at room temperature and test research[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(5):454-459.