动态共价键在表面活性剂中的应用研究

陆娉娉 郭 爽 张永民

（江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡，214122）

表面活性剂具有极性的亲水头和非极性的疏水尾，是一种两亲物质，被称为“工业味精”，是一种功能性的精细化工产品。表面活性剂的发展历史从肥皂开始，直到20世纪30年代，以石油化工原料衍生的合成表面活性剂和洗涤剂部分取代了肥皂，才打破了肥皂唯我独尊的局面。我国的表面活性剂工业始于20世纪50年代，尽管起步比较晚，但发展速度很快。目前，表面活性剂已经渗透人类生活的方方面面，在洗涤、农药、食品、材料、医药、采油、采矿、纺织、印染、皮革、造纸和建筑等方面都有着广泛的应用。

表面活性剂在溶液中达到一定的浓度时，会自组装得到各种聚集体(例如胶束和囊泡等)。其中胶束在食品检测、医疗医学等方面有突出的应用，而囊泡因为与生物细胞的相似性，受到研究者们的广泛关注。表面活性剂的自组装给智能材料的研究带来了无限的可能，通过给予一些环境刺激来调控表面活性剂的自组装，触发两亲化合物的开/关，使它们可以自组装成具有可控特性的囊泡、胶束和凝胶[1]。外部刺激导致化合物的分子结构发生改变，分子结构的变化是调控两亲化合物自组装的关键。如果分子结构的变化是可逆的，则可以实现宏观性质和微观聚集行为的可逆转变。动态共价键的可逆性和动态性是构建自适应和可逆系统的有力工具[2]，并且可以形成各种超分子聚集体，如凝胶、纳米棒和胶束等。动态共价键在超分子科学领域受到广泛关注，它结合了经典共价键的稳定性和非共价键的可逆性，是一种具有动态特征、相对稳定的共价键。由于动态共价键具有可逆性质，自组装聚集体的结构和形态可以更容易的进行可逆调节[3]。因此，动态共价键是构建智能材料的理想工具。目前，研究者们已经利用动态共价键研发出了一系列的智能材料，在化学、医疗等方面做出了独特的贡献。近年来，也出现了很多基于动态共价键的表面活性剂，它们可以自组装成各种智能材料，这种材料不仅具有可逆性，还具有稳定性。本文将结合各种不同动态共价键的特点，介绍其应用，并展望其发展前景。

1 动态共价化学

动态共价化学的出现和超分子化学有着密切的联系，动态共价化学的核心部位是动态共价键，近几年，动态共价键的发展壮大在超分子科学领域引起了人们的广泛关注。由于超分子实体中的分子组分是靠非共价键连接的，非共价键的不稳定性使得超分子化学在本质上是一种动态化学，因此，超分子物质可以可逆地解离和缔合[4]。后来有学者认识到分子化学也可以具有相似的动态特征，只要分子中含有可以可逆地断裂和形成的共价键，就可以通过重组和构建单元的交换使结构发生连续的变化。因此，动态共价化学由此产生。动态共价化学与动态共价键密不可分，使用可逆的共价键合成复杂的化合物促进了动态共价化学的进一步发展。动态共价键 (DCB) 能够在一定的条件下裂解，又在一定的条件下形成，已广泛用于刺激响应系统、动态组合化学和动态材料[5]。

随着动态共价化学的发展，人们对动态共价键的研究也日益增多。例如，Higaki等[6]基于烷氧基胺的单元交换反应开发了一种具有温度响应的动态共价聚合物；Rong等[7]用烯胺键改性了纤维素海绵，实现了纤维素多孔材料的多功能性和再循环；Ji等[8]发现在没有催化作用的条件下，可见光可以诱导动态二硒键发生交换反应。动态共价键优点突出，通过可逆共价键交联的材料具有高抗蠕变性、高模量、高断裂强度和高耐溶剂性等优点[6]；通过引入可逆的共价键可以增强表面活性剂自组装体的形成和解离动力学，使表面活性剂及其组装体可以响应环境的变化。另外，动态共价键可以为药物的发现提供新方法，简化靶向分子的筛选，在分子水平和材料水平上都具有重要的意义。动态共价键的种类有很多，如亚胺键、二硫键、酰腙键、硼酸脂键和肟键等，下面我们主要介绍一些典型且应用广泛的动态共价键。

2 动态共价键的应用

2.1 亚胺键

亚胺键是一种被广泛应用的动态共价键，由醛基和伯胺基团反应生成。该动态共价键在碱性环境中稳定存在，在酸性环境中解离，所以可以通过调节pH 来实现亚胺键的生成和解离，具有pH 响应性。2010年，Minkenberg等[9]使用动态亚胺型表面活性剂成功开发了对环境变化高度响应的动态囊泡。如图1所示，阳离子双醛A与庚胺B在水中混合，通过醛基和伯胺基团反应形成可逆的亚胺键，从而生成了含有动态共价键的双链阳离子表面活性剂。该表面活性剂在水溶液中自组装，几分钟内澄清的溶液变成乳白色，形成了聚集体。通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)和低温透射电子显微镜(Cryo-TEM)研究聚集体的形态，发现该聚集体为囊泡。用动态光散射(DLS)和荧光光谱法观察到，囊泡在pH=7.1±0.2时保持稳定状态，在pH ＜4时，囊泡完全解离，当溶液的pH再次调回碱性时，囊泡再次形成，这证明亚胺键的存在使得囊泡的形成与解离完全可逆，是一个可循环的过程。基于亚胺键构筑的囊泡具有高度动态的特性，由于它易于形成、快速解离和可循环的特征，成为动态包封和释放载体的可靠工具。

图1 囊泡的形成

醛基和伯胺基团反应可以生成亚胺键，那么醛基的个数和位置是否对亚胺键的形成产生一定的影响呢？实际上，结构对动态共价键的影响十分显著。Wang等[10]通过研究三种不同结构的苯二甲醛与二肽的反应，发现动态共价键的形成和超分子的组装明显受到苯二醛结构的影响。如图2所示，邻苯二甲醛和二肽在碱性条件下，以甲醇作为溶剂混合时，两个醛基都和伯胺基团发生了反应，并且它们自组装形成了凝胶；而对苯二甲醛和二肽混合时，只有一个醛基和伯胺基团发生了反应，它们自组装形成了囊泡；当间苯二甲醛和二肽混合时，有一部分的间苯二甲醛的两个醛基都和伯胺基团发生了反应，另一部分的间苯二甲醛却只有一个醛基和伯胺基团发生了反应，该体系出现了两种产物，没有发现它们的聚集体。出现这种现象的原因可能是邻苯二甲醛的两个醛基的距离小，极性增加，可以促进反应；对苯二甲醛的两个醛基处于对位、相距较远，当其中一个醛基与二肽分子靠近并反应时，相反的醛基几乎不反应。而且鉴于溶剂(甲醇)的极性较强，极性较弱的醛基被包裹在内部，阻止了二肽分子中的氨基接近醛基。这一发现可以帮助我们有选择性地制备产物，让我们对亚胺键有了更进一步的了解。

近年来，学者们对亚胺键的研究越来越深入，基于亚胺键构筑的智能材料也迅速发展。2014年，Wang等[11]利用动态亚胺键制备了一系列具有不同对称性的bola型超分子两亲物；2015年，Dai等[12]通过简单的芳族三胺与二醛的反应合成了二维共价有机单层膜；2018年，Han等[13]开发了基于亚胺键的自我修复性热敏水凝胶，并将盐酸多柔比星(DOX)包封在凝胶中用于抗肿瘤治疗；2019年，Wang等[14]基于动态亚胺键开发了一种pH响应形态转换体系，该体系可以完成聚集体从胶束到囊泡的响应性形态转变。

图2 具有不同结构的苯二甲醛与二肽的反应及其自组装行为

2.2 硼酸酯键

硼酸与含有二醇结构的物质在碱性环境中可以形成硼酸酯键，硼酸酯键在碱性条件下稳定，酸性条件下解离，是一种典型的动态共价键。Guo等[15]利用硼酸酯键构筑了一种核心交联聚合物纳米粒子(CCPN)。如图3所示，将聚乙烯醇(PVA)加入到聚N，N-二甲基丙烯酰胺-b-3-丙烯酰胺基苯基硼酸(PDMA -b-PAPBA)的水溶液(pH≈9.30)中，PDMA-b-PAPBA中的苯基硼酸(PBA)单元与PVA络合生成硼酸酯键，形成了核心交联聚合物纳米粒子，CCPN具有核-壳结构，由于核心中可逆的B-O化学键，CCPN具有pH响应性和葡萄糖响应性。当pH下降时，硼酸酯键的解离会导致填充在CCPN核心的水排出，PDMA-b-PAPBA中的PAPBA是疏水的而PDMA是亲水的，该两亲物质自组装形成聚合物胶束，而且胶束的核心中存在PVA链。当pH再次增加时，可逆的硼酸酯键也会再次形成，这时胶束消失，CCPN形成。由于葡萄糖具有顺式二醇的结构，所以CCPN具有葡萄糖响应性，在pH≈10.3时，葡萄糖可与PBA形成相对较强的络合物，PBA/ PVA络合物会慢慢被PBA/葡萄糖络合物所取代。

另外，Wu等[16]设计了一种分子结构类似音叉的二硼酸(OPAB-C8)，该硼酸分子同时具有亲水部分和疏水部分，是一种潜在的功能性表面活性剂。OPAB-C8在水溶液中自组装形成囊泡。在糖类的刺激下，硼酸分子与具有二醇结构的糖形成硼酸酯键，影响了囊泡的表面环境，造成了囊泡形态的改变。由于硼酸易于合成、结构简单，能够在碱性环境中与二醇形成稳定的共价键而在识别糖类方面受到极大关注。如图4所示，用葡萄糖刺激囊泡时，两个硼酸基团可以结合两个葡萄糖分子，OPAB-C8与葡萄糖形成1:2的复合物，囊泡转化为较大的聚集体；用果糖刺激囊泡时，两个硼酸基团只结合一个果糖分子，OPAB-C8与果糖形成1:1的复合物，囊泡在果糖的存在下解离。由此可知，在水溶液中自组装的二硼酸可以基于动态共价键的作用，通过形态的变化选择性识别糖类。类似地，Yao等[17]发现含有苯基硼酸酯的两亲性嵌段聚合物(MPEG5000-block-PBDEMA)在葡萄糖的刺激下，可进行硼酸酯的动态交换，在胰岛素的自我调控方面具有显著效果。

图3 由pH和葡萄糖诱导的CCPN的结构转变

图4 OPAB-C8的结构及其自组装，以及在糖类刺激下结构的变化

学者们对硼酸酯键的研究从未止步，2015年，Cromwell等[18]利用动态硼酸酯键构筑了可锻造和可自我修复的共价聚合物网络；2017年，Guo等[19]将硼酸酯键和二硫键结合起来，获得了具有多重响应性和自愈合功能的水凝胶；2018年，Dufort等[20]使用动态共价硼酸酯键设计了一种可以用于生物医学的水凝胶。

2.3 二硫键

二硫键是一种十分受欢迎的动态共价键，具有光响应性和氧化还原响应性。它是一种生物相容性良好的动态共价键，在蛋白质分子中，具有稳定肽链空间结构的作用。早在2008年，Fan等[21]就已经合成了两种含有二硫键的双子表面活性剂。如图5所示，通过酰基化反应合成了SDLC和SDDC。SDLC和SDDC是基于氨基酸的一类双子型表面活性剂，具有优异的生物相容性和生物降解性，而且表现出优异的表面吸附能力和胶束化能力。这种含有二硫键的表面活性剂由于二硫键和硫醇基之间的还原/氧化反应，可以可逆地控制其表面张力和聚集体的形态。以SDLC为例，该表面活性剂在水溶液中可以自组装为一个囊泡、胶束共存的体系，由于二硫键的氧化还原响应性(图5)，在SDLC系统中加入二硫苏糖醇(DTT)可以把表面活性剂中的二硫键还原成硫醇，此时该双子型表面活性剂的二硫键断裂，双子型表面活性剂变为普通的单头单尾的表面活性剂。由于该单头单尾的表面活性剂在溶液中的浓度达不到临界胶束浓度(CMC)，所以在溶液中无法形成胶束，以单体的形式存在。当加入双氧水后，体系中的硫醇再次被氧化为二硫键，又生成了双子型表面活性剂，再次形成囊泡和胶束。研究发现，二硫键的这种可逆的还原/氧化能力可以在体系中循环发生。

二硫键在紫外光的照射下会发生断裂产生自由基，在控制波长的条件下，可发生自由基的交换。Fan等[22]发现在光的驱动下二硫键和二硒键之间可以发生交换反应(图6)。在254 nm波长的紫外光照射下，二硫键和二硒键断裂，反应向正方向进行，在大于410 nm波长的可见光照射下，反应逆向进行，生成二硫键和二硒键。将该化学物质引入聚合物材料中，可以通过远距离照射实现聚合物的裂解。由此可见，具有光响应性的二硫键在化学领域中十分重要。

图5 SDDC和SDLC的合成及SDLC/ SLC的还原/氧化反应

图6 二硫化物和二硒化物之间的交换反应

与其他动态共价键类似，二硫键在刺激响应性材料方面发挥着它独特的作用。Zhang等[23]将二硫键置于聚氨酯的硬质相中，发现二硫键的动态性质在硬质相的熔化温度以下可以有效地“关闭”，通过调整硬质相的性质达到了控制材料动态性质的目的。此外，Zhang等[24]把二硫键引入了聚己内酯(PCL)网络。基于二硫键的动态共价作用，改良后的PCL网络具有自我修复、形状记忆、可再加工性和可降解性等优良性质。

2.4 酰腙键

酰腙键也是动态共价键的一种，它由酰肼和醛经过缩合反应生成[25](图7)，同亚胺键相似，对pH非常敏感，在中性和弱碱性条件下十分稳定，在酸性条件下可以快速实现组成的交换。2010年，Deng等[26]研究发现通过调节pH，含有酰腙键的凝胶可实现多次溶胶-凝胶的可逆转换，并且通过酰腙键的交换反应可以实现凝胶的自愈合；2014年，Zhang等[27]将酰腙键与二硫键结合在一起，开发了一种既具有自我修复特性又具有氧化还原和pH响应性的聚合物凝胶；2016年，Ozdemir等[28]在荧光染料的基础上，通过酰腙键的形成，发现了一种能够自愈合的荧光凝胶；2019年，Xiao等[29]把二醛纤维素纳米晶体与酰肼封端的聚乙二醇进行交联，构建了含有酰腙键的纤维素纳米复合水凝胶，该凝胶在没有外界刺激下即可以很容易地实现自我修复并且具有良好的生物相容性。

图7 酰腙键的形成

酰腙键不仅有显著的pH响应性，还具有温度响应性。Sun等[30]基于酰腙键所呈现的动态性质，制备了一种同时具有pH响应性和温度响应性的水凝胶(图8)。在水凝胶中加入少量盐酸将pH调至酸性后，凝胶在1 h内完全溶解。随后，使用三甲胺(TEA)完全中和掉其中的盐酸，5 min内溶液再次变为水凝胶，且循环3次后，水凝胶的形态没有差异。此外，在室温下，水凝胶呈透明状态，当温度升至36℃时，透明的水凝胶变为白色。当温度再下降至室温时，凝胶又恢复透明，并且它可以重复至少10次而没有任何变化。酰腙键的存在还使得该水凝胶具有良好的自愈合能力，这种具有自愈合功能和双重刺激响应特性的水凝胶在药物递送、生物传感器和软组织填充剂等方面发挥着重要作用。

图8 自愈合水凝胶的溶胶-凝胶转变过程

3 结语

基于动态共价键的表面活性剂可以自组装形成各种类型的囊泡、胶束、纤维、凝胶等。这些聚集体在一定条件下稳定存在，同时又可以可控可逆地解离，且可多次循环而不衰减，为催化、生物化学、材料合成和制药等领域提供了广阔的发展空间。动态共价键的存在，丰富了表面活性剂的功能，也扩宽了表面活性剂的用途。与普通表面活性剂相比，含有动态共价键的表面活性剂表现出来的响应性对构筑智能材料更有吸引力。虽然动态共价键在近几年发展迅速，但是仍然有许多问题有待进一步探究。比如两种或两种以上的动态共价键能否在同一体系中应用，它们之间是否会相互干扰，多种动态共价键的相容问题仍然困扰着我们。