超分子作用诱导的响应性有序分子聚集体的构筑及表征

摘要

基于超分子作用的有序分子聚集体具有能够对周围环境的细微变化做出响应，产生微观聚集结构变化，同时伴随物理和化学性质改变的特点，在生命、信息、能源、材料科学及诸多高新技术领域具有广泛的应用前景，成为近年来的研究热点。但是，在目前的研究中还有许多亟待解决的问题，如新颖聚集体的构筑、基础理论的完善和应用范围的拓展等。本论文以环糊精主客体识别和动态亚胺键为主要构建策略，设计和组装多种新型刺激响应性有序分子聚集体;研究构筑单元结构变化对聚集体形貌及响应性的影响，并对其形成机理进行研究，不仅拓宽了响应性有序分子聚集体的构筑思路、完善了其基础理论，而且对拓展其应用范围具有指导意义。本论文的研究内容主要分为以下四个部分:
　　一、合成了由疏水烷基链连接吡啶头基和金刚烷基的阳离子表面活性剂AP。利用β-CD对不同疏水基团包结常数的不同，系统研究了其作为添加剂诱导AP分子在水溶液中分级自组装行为。二维核磁共振氢谱(1H NMR ROESY)结果表明，改变二者的混合比例可形成两种结构不同的构筑基元(AP@1β-CD和AP@2β-CD)，进而得到不同形貌的聚集体。动态光散射和透射电子显微镜分析表明，在AP∶β-CD摩尔比为1∶1的体系中，形成了平均直径为200nm的“单层”囊泡。Zeta电势和原子力显微镜测试证明是环糊精头基在外壁，吡啶头基在内壁，且以伸展方式单层排列形成的内外壁不对称囊泡。而对于AP∶β-CD摩尔比为1∶2的体系，在稀溶液中形成了少见的管壁为单分子层厚的多层纳米管。这一工作不仅得到了新颖的有序分子聚集体，而且为分级调控有序分子聚集体的形貌提供了新途径。
　　二、研究了α-环糊精(α-CD)和含有二甲胺基末端取代基的偶氮苯阴离子表面活性剂(DAH)在水溶液中的聚集行为。并通过1H NMR、流变学、原子力显微镜、扫描电子显微镜和小角X射线散射等表征手段，对包结物在水溶液中形成的聚集体形貌及内部结构进行了表征。研究发现，DAH可与2倍的α-CD通过主客体相互作用自发形成1∶2包结物，进一步通过α-CD之间的氢键相互作用形成了层状水凝胶。并且，所形成的水凝胶对温度和可见光都具有响应性。更值得一提的是，二甲胺基取代基红移了偶氮苯异构化所需光照波长。导致凝胶对可见光具有响应性而非传统的紫外光。本文不仅为设计多重响应性水凝胶提供了一种简便的方法，而且其可见光响应性扩展了水凝胶在生物领域的应用范围。
　　三、通过α-CD和植物甾醇类两亲分子(BPS-n，n=10，20，30)之间的主客体包结作用，成功制备了毒性低、生物相容性好的温度响应性层状水凝胶;并考察了凝胶的形成机理。研究发现BPS-n的PEO链可穿过α-CD的内腔，形成包结物。此包结物以甾核之间的疏水相互作用和α-CD之间的氢键作用为主要驱动力，形成了具有层状结构的水凝胶。在此自组装过程中，α-CD之间形成的氢键起到了关键的作用，一方面拉近了PEO链之间的距离，减小了分子的头基面积，另一方面驱动包结物倾向于以肩并肩平行的方式聚集。凝胶的机械强度、形貌和相转变温度可以通过改变PEO链长度和α-CD浓度进行调节。另外，其凝胶-溶胶相转变温度(30～45℃)和人体体温非常接近。这些特性使其可应用于药物控制释放领域。
　　四、利用动态亚胺键，成功构建了两种头基不同的超两亲分子(i-FDP和i-FDI)，它们在水溶液中自组装形成了pH响应性囊泡。当溶液pH值为碱性时，两种囊泡均可稳定存在。当pH值调至酸性时，亚胺键被破坏，囊泡也均随之解离。不同的是，对于i-FDP体系，囊泡解离后没有形成新的聚集体。而对于i-FDI体系，囊泡解离后重新形成了胶束。另外，还考察了头基结构的不同对囊泡pH响应性及对客体可控释放的影响。在两个体系中，对尼罗红的释放程度均和pH值有很大关系，pH值越低，释放的速度越快。这一工作不仅丰富了pH响应性囊泡体系，而且为更有效地设计和组装特定结构和响应性的有序分子聚集体提供了有价值的参考。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 有序分子聚集体

1．2．1 胶束

1．2．2 囊泡

1．2．3 凝胶

1．3 刺激响应性有序分子聚集体

1．3．1 pH响应性有序分子聚集体

1．3．2 金属离子响应性有序分子聚集体

1．3．3 氧化还原响应性有序分子聚集体

1．3．4 光响应性有序分子聚集体

1．3．5 温度响应性有序分子聚集体

1．4 有序分子聚集体构建中的超分子作用力

1．4．1 主客体识别

1．4．2 氢键

1．4．3 静电相互作用

1．4．4 电荷转移

1．4．5 动态共价键

1．5 本论文的立题思想、研究内容及意义

参考文献

第二章 β-环糊精诱导含金刚烷基阳离子表面活性剂分级自组装

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 AP分子的合成及表征‘

2．2．4 样品的配席U

2．2．5 样品的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 AP形成的胶束

2．3．2 AP／β-CD混合体系自组装行为

2．3．3 AP@nβ-CD自组装驱动力

2．4 结论

参考文献

第三章 基于α-环糊精和偶氮苯主客体包结的可见光／温度双响应性水凝胶

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 DAH的合成及表征

3．2．4 凝胶样品的配制

3．2．5 样品的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 DAH／α-CD包结物的核磁表征

3．3．2 凝胶相区域的确定

3．3．3 凝胶流变学性质

3．3．4 凝胶结构表征

3．3．5 凝胶的形成机理

3．3．6 凝胶的可见光响应性

3．3．7 凝胶的温度响应性

3．4 结论

参考文献

第四章 α-环糊精和甾醇两亲分子形成的温度响应性水凝胶

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 凝胶样品的配制

4．2．4 样品的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 水凝胶的形成

4．3．2 BPS-n／α-CD包结物的表征

4．3．3 PEO链长对凝胶形成、流变性质及形貌的影响

4．3．4 α-CD浓度对凝胶形成、流变性质及形貌的影响

4．3．5 水凝胶形成驱动力--氢键相互作用

4．3．6 水凝胶的温度响应性

4．4 结论

参考文献

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂

5．2．2 实验仪器

5．2．3 FDP和FDI分子的合成及表征

5．2．4 样品的配制

5．2．5 样品的表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 超两亲分子的形成

5．3．2 临界胶束浓度

5．3．3 囊泡的形成及表征

5．3．4 囊泡的pH响应性及其组装／解组装可逆性

5．3．5 NR分子的可控释放

5．4 结论

参考文献

论文的创新点与不足之处

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文