CN104826562A - 一种超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发公开了一种具有延展性和拉伸性的超分子共聚柱5芳烃凝胶的合成，是以共聚柱5芳烃为凝胶因子，以C-H·π为驱动力，将长烷基链引入到柱芳烃结构上，并穿入到柱芳烃的空腔中自组装形成超分子柱芳烃凝胶，这种凝胶通过加热和冷却可在凝胶-溶液两相间可逆转化。另外，这种凝胶具有较好的延展性，拉伸性和透明性，而且最对无机酸碱具有较好的抗性，在抗酸碱材料方面具有较好的潜在应用。

Description

一种超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备方法

技术领域

本发明涉及一种超分子凝胶，尤其涉及一种具有凝聚态荧光的超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备，属有机凝胶领域。

背景技术

有机凝胶是一种低分子量的有机化合物（凝胶分子）在有机溶剂中通过氢键、范德华力、π-π堆积作用等分子间弱相互作用自组装形成的超分子（软）材料。这种材料同时具有固体材料和液体材料特有的优点：凝胶分子保持自己的化学性质，可以进行其在溶液中的一些反应，同时该凝胶材料又具有类似于固体的稳定，如易于保存等优点，因此，在超分子软材料领域具有广泛的应用。

柱芳烃作为一类新的大环分子主体在最近几年里在超分子化学方面已经引起了很大的关注程度。尽管柱芳烃在结构上类似传统的大环分子，但它有着独特的优势。第一，它相比于冠醚，环糊精，杯芳烃具有更好的对称性和规则性，这一特殊的结构使得它们对客体具有独特的选择性；第二，柱芳烃比瓜环更容易被取代基在苯环两端进行功能化。第三，柱芳烃是对传统的主体的较好的必要的补充。在对称性柱芳烃方面已经研究了许多主客体络合方面的性质。尽管如此，基于共聚柱5芳烃超分子有机凝胶方面的研究仍是必要的并具有很大的挑战性。另外，C-H·π键作用是最弱的氢键(1.5~2.5 k calmol^-1)且产生于软酸软碱之间，但它在化学和生物系统方面扮演着相当重要的角色。例如，决定分子结构，晶体包装，主客体化学，选择性反应，超分子自组装。到目前为止以C-H·π为驱动力的超分子柱芳烃凝胶文献报道的还相对较少，并且传统的凝胶缺乏延展性和拉伸性，这就很大程度上限制了凝胶的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种具有延展性和拉伸性的超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备方法。

一、超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备

本发明超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）中间体的合成：以丙酮为溶剂，碳酸钾和碘化钾为催化剂，氮气保护下，对苯二酚与溴代十二烷以1:1~1:1.2的摩尔比回流反应60~72h，冷却，抽滤掉无机盐，减压旋蒸干溶剂,用乙腈重结晶，得到白色固体，得到中间体；

碳酸钾的用量为对苯二酚摩尔量的6~8倍；

碘化钾的用量为对溴代十二烷的0.5~1倍；

（2）共聚柱5芳烃的合成：以1,2-二氯乙烷为溶剂，三氟化硼乙醚为催化剂，中间体、多聚甲醛、对苯二甲醚为反应底物，于室温反应6~8h；然后用甲醇沉淀，氯仿溶解，蒸馏水萃取，有机相用柱色谱分离，得共聚柱5芳烃；

多聚甲醛与对苯二甲醚的摩尔量比为的1:0.8~1:1；

中间体与对苯二甲醚的摩尔比为1:4~1:6；

多聚甲醛与三氟化硼乙醚的摩尔比为1:0.5~1:1；

（3）凝胶的制备：将共聚柱5芳烃加热溶解于乙腈中（共聚柱5芳烃的浓度为65~70mg/mL），冷却，形成一种有序组装结构的凝胶。

二、超分子柱芳烃凝胶的结构

超分子共聚柱5芳烃凝胶是以C-H·π为驱动力在乙腈中自我络合形成的。共聚柱5芳烃凝胶的自组装机理过程见图1。在浓度很低的时候，该主体组装形成一维线状结构，最终经过乱序组装形成疏水球体基团（状态A）。随着浓度的增加，组装形成有序的二维网状结构，随后堆积成二维层状结构；随着时间的推移，线状结构穿插到二维网状结构的空隙中形成三维网状的超分子框架结构（状态B）及有机超分子凝胶。

组装机理由一维核磁，二维核磁，粉末衍射和扫描电镜证明。一维核磁是将0.5mg，5mg，25mg的共聚柱5芳烃溶解于0.5mL的乙腈中作浓度核磁滴定(件图2)来表现出明显的组装过程。由图2可以看出，随着浓度的增加，在7.58ppm处出现新峰，并且随着浓度的增加继续向低场移动，而亚甲基CH₂上的氢原子则向高场移动。这种现象证明，在高浓度下由于C-H·π的驱动力作用，使得共聚柱5芳烃长烷基链上的亚甲基部分穿入到共聚柱5芳烃的空腔中形成自组装过程。

为了进一步的研究了超分子共聚柱5芳烃凝胶的形态学，我们测试了粉末衍射实验。图3 为超分子共聚柱5芳烃凝胶的粉末衍射图。通过干凝胶粉末测出层与层之间的距离为3.94                                                ，这进一步证明了二维网状结构的层层堆积效果（状态A）。图4为 不同浓度的共聚柱5溶解在乙腈中形成超分子凝胶的扫描电镜图，其中a、b、 c、 d 的浓度分别为0. 5mg/ml、5mg/ml、15mg/ml、25mg/ml。由图4可以看出，当浓度很低时形成一种球状的球体基团及胶束（状态A），而随着浓度的增加形成二维网状结构，慢慢形成二维堆积结构，最终形成三维网状有机框架结构（状态B），这进步一步证实了共聚柱5芳烃凝胶的自组装机理。

三、超分子柱芳烃凝胶的结构和性质

1、凝胶化性质

凝胶化性质测试：称取0.5mg共聚柱5芳烃，在80℃下溶解于1ml乙腈中，得到无色透明的溶液，在紫外灯下溶液有较弱的荧光；然后在室温条件下冷却15s，溶液变成白色透明凝胶，在紫外灯下凝胶的荧光强度增强，表现出很强的凝聚态荧光。将该凝胶放置16h荧光并不减弱，说明这种凝胶是一种能够长期保持良好的荧光性的软材料。将该凝胶加热到83℃，凝胶变成溶液，相应的在紫外灯下溶液荧光减弱。因此，该凝胶在加热和冷却时可在溶液和凝胶状态可逆转化，而聚集态凝胶状态下荧光强度达到最大值，因此是一种很好的荧光软材料。

2、荧光性质

为了进一步测试共聚柱5芳烃浓度对凝胶荧光强度的影响，将不同质量的共聚柱5芳烃(a：5 mg，b：10 mg， c：20 mg，d：30 mg，e：50 mg，f：60 mg)溶解到2ml的乙腈中，测定溶液的荧光强度。图5为不同浓度共聚柱5芳烃溶液及凝胶的荧光发射强度。从图中可以看出，在低浓度下，共聚柱5芳烃溶液的荧光强度较弱，随着浓度的增加溶液的荧光强度明显增强。当溶液冷却形成凝胶时荧光强度达到最大强度值，表现出很强的凝聚态荧光（现蓝色荧光）。并且将该凝胶放置16h荧光并不减弱，说明这种凝胶是一种能够长期保持良好的荧光性的软材料。共聚柱5芳烃溶解在乙腈中的荧光发射光谱从侧面证明了它的组装机理。

3、延展性和拉伸性

为了进一步测试共聚柱5芳烃高浓度凝胶的性能，我们做了拉丝和铺膜实验：称取一定量的共聚柱5芳烃凝胶，用毛细管拉丝然后负载到硅片，用两块载玻片铺膜然后分别在扫描电镜上扫描得到较好的了拉丝和铺膜照片。如图6所示，说明共聚柱5芳烃形成的凝胶具有很好的拉伸性、延展性。

4、酸碱响应性

为了检测共聚柱5芳烃凝胶的应用性能，我们作了以下酸碱响应性实验。称取8份一定量的共聚柱5芳烃凝胶，分别装入瓶中，并向各瓶加入1mol/L的硫酸、盐酸、硝酸、醋酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙及氨水溶液，观察凝胶的变化。结果发现。加入酸碱后，瓶底的透明凝胶放置48h并未破坏。说明该凝胶具有较好的抗酸碱性能，故由该凝胶形成的膜在抗酸碱材料方面具有潜在的应用。

综上所述，本发明设计合成了以共聚柱5芳烃为凝胶因子，C-H·π为驱动力，将长烷基链引入到柱芳烃结构上，并穿入到柱芳烃的空腔中自组装形成超分子柱芳烃凝胶，这种凝胶通过加热和冷却可在凝胶-溶液两相间可逆转化。另外，这种凝胶具有较好的延展性，拉伸性和透明性，而且最对无机酸碱具有较好的抗性，在抗酸碱材料方面具有较好的潜在应用。

附图说明

图1 共聚柱5芳烃凝胶的自组装机理过程；

图2 共聚柱5芳烃凝胶的核磁滴定图谱；

图3 为超分子共聚柱5芳烃凝胶的粉末衍射图；

图4为不同浓度的共聚柱5芳烃凝胶溶解在乙腈中形成超分子凝胶的扫描电镜图；

图5为不同浓度共聚柱5芳烃溶液及凝胶的荧光发射强度；

图6为共聚柱5芳烃凝胶的拉伸性和延展性电镜图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明共聚柱5芳烃及其凝胶的制备及性能作进一步说明。

1、共聚柱5芳烃（化合物DCP5-12）的合成

中间体的合成：将对苯二酚（4.4g，40mmol）、碳酸钾(40g， 280mmol)、碘化钾(4g，24mmol)、 溴代十二烷 (10.96g，44mmol)和丙酮(300.0mL)加入到500mL圆底烧瓶中，搅拌反应3天（72h），固体析出，得到中间体。 ¹H NMR (400MHz, CDCl₃, 275 K) δ (ppm): 6.81 (d, 4H), 3.91-3.87 (t, 4H), 1.74 (t, 4H), 1.43 (t, 4H), 1.26 (t, 32H), 0.88-0.86 (t, 6H)。产率为80%。

DCP5-12的合成：将中间体(2.23g，5mmol)、对苯二甲醚(2.76g，20mmol)加入到80mL 1,2–二氯乙烷中溶解；再将多聚甲醛(0.75g，25mmol)、三氟化硼乙醚(3.2mL，25mmol)加入到溶液中，在室温下搅拌反应8h。反应结束后将溶液倒入甲醇中析出沉淀，过滤，沉淀用氯仿溶解，蒸馏水30ml×3次萃取，干燥，有机相用柱色谱分离（石油醚/乙酸乙酯=50:1 v/v），得白色固体DCP5-12 (0.86 g)，产率 18%。

产物DCP5-12：m.p. 128℃。¹H NMR (600 MHz, chloroform–d ₃, 293K) δ (ppm): 6.81–6.79 (d, 10H), 3.83 (t, 4H), 3.77 (s, 10H), 3.67 (s, 24H), 1.78 (t, 4H), 1.48(t, 4H), 1.31(t, 4H), 1.22 (t, 6H), 1.13 (t, 6H), 1.04 (s, 16H) 0.83-0.81 (t, 6H). The ¹³C NMR (150 MHz, chloroform–d, 293K) δ (ppm): 150.67, 149.96, 128.37, 128.23, 128.19, 128.08, 114.82, 113.81, 77.31, 76.99, 68.43, 55.64, 31.83, 29.78, 29.60, 29.49, 29.35, 26.20, 22.60, 14.09. ESI-MS m/z: [M+NH₄]⁺ Calcd for 1076; Found 1076.7, [M+Na]⁺ 1081.6, [M+K]⁺ 1097.6。

DCP5-12的合成式如下：

2、共聚柱5芳烃凝胶的制备

称取DCP5-12 0.13g加入到2 mL乙腈中，在加热下使其充分溶解，得透明溶液；冷却至室温时，溶液形成凝聚态透明凝胶。该透明凝胶在紫外线下呈蓝色荧光。

将该凝聚态透明凝胶加热到83℃，凝胶变成透明溶液，该溶液在在紫外线下的荧光强度明显减弱。

将凝聚态透明凝胶分别加入1mol/L的硫酸、盐酸、硝酸、醋酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙及氨水溶液中放置48h，凝胶并未破坏。

将凝聚态透明凝胶用毛细管拉丝然后负载到硅片，用两块载玻片铺膜然后分别在扫描电镜上扫描得到较好的了拉丝和铺膜照片。

Claims (6)

1.一种超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）中间体的合成：以丙酮为溶剂，碳酸钾和碘化钾为催化剂，氮气保护下，对苯二酚与溴代十二烷以1:1~1:1.2的摩尔比回流反应68~72h，冷却，抽滤掉无机盐，减压旋蒸干溶剂，用乙腈重结晶，得到白色固体即为中间体；

（2）共聚柱5芳烃的合成：以1,2-二氯乙烷为溶剂，三氟化硼乙醚为催化剂，对苯二甲醚、多聚甲醛、中间体为反应底物，于室温反应6~8h；然后用甲醇沉淀，氯仿溶解，蒸馏水萃取，有机相用柱色谱分离，得共聚柱5芳烃；

（3）凝胶的制备：将共聚柱5芳烃在加热下溶解于乙腈中，冷却，形成一种有序组装结构的凝胶。

2.如权利要求1所述超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，碳酸钾的用量为对苯二酚摩尔量的6~8倍。

3.如权利要求1所述超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，碘化钾的用量为溴代十二烷摩尔量的0.5~1倍。

4.如权利要求1所述超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，多聚甲醛与对苯二甲醚的摩尔量比为的1:0.8~1:1；中间体与对苯二甲醚的摩尔比为1:4~1:6。

5.如权利要求1所述超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（2）多聚甲醛与三氟化硼乙醚的摩尔比为1:0.5~1:1。

6.如权利要求1所述超分子共聚柱5芳烃凝胶的制备方法，其特征在于：步骤（3）中的乙腈溶液中，共聚柱5芳烃的浓度65~70mg/mL。