CN115160393A - 一种银-核苷五元环络合物超分子水凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种银‑核苷五元环络合物超分子水凝胶及其制备方法，属于有机化学领域。所述超分子水凝胶包括式I所示的五元超分子大环结构。本发明发现银离子可以与鸟嘌呤核苷，或者与胞嘧啶核苷和鸟嘌呤核苷的混合物络合形成超分子水凝胶，同时研究发现该水凝胶具有五聚体结构。与四聚体结构相比，五聚体结构具有非常好的力学稳定性和热稳定性。特殊的结构、良好的力学稳定性和热稳定性使本发明超分子水凝胶可作为一种新型超分子有机框架材料，有望在人工通道、药物传递系统、多孔材料、包裹材料或催化合成等领域得到广泛的应用。

Description

一种银-核苷五元环络合物超分子水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于有机化学领域，具体涉及一种银-核苷五元环络合物超分子水凝胶及其制备方法。

背景技术

四种碱基核酸作为承载遗传信息的实体，人们对它们在结构及功能方面已经进行了广泛的研究。核苷及其类似物也应用于生物、化学、医学及材料科学等各个领域，成为科学家们研究的热点与重点。在医学和药物化学研究领域，核苷类化合物如碘苷、阿糖腺苷、阿昔洛韦、索立夫定、喷昔洛韦、泛昔洛韦、缬更昔洛韦、阿德福韦酯等广泛应用于治疗肿瘤和病毒性疾病。在超分子结构方面，核苷分子因为其独特的碱基配对识别能力及自适应性已成功构建了各种形态的超分子结构，如栅格、折纸、超分子聚集体及三维结构。除了天然的嘌呤与嘧啶外，其他的杂环体系也已用来构建各种复杂的超分子结构，如GC二聚体、G-四聚体、iso-G五聚体及Janus-Type GC(J-GC)六聚体等。超分子结构因其特殊的结构和组成，有望在人工通道、药物传递系统、多孔材料、包裹材料或催化合成等领域得到广泛应用。

鸟嘌呤核苷(G)与钾离子可以形成四聚体水凝胶，但是G-K⁺四聚体水凝胶稳定性差，无法应用。如果能够改善G-四聚体水凝胶的稳定性，将扩展其应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种银-核苷五元环络合物超分子水凝胶及其制备方法。

本发明提供了一种银-核苷五元环络合物超分子水凝胶，它包括式I所示的五元超分子大环结构：

进一步地，所述超分子水凝胶是由银盐与核苷为原料制备而成，所述银盐与核苷的摩尔比为(1～10)：1。

进一步地，所述银盐与核苷的摩尔比为(2～4)：1；

优选地，所述银盐与核苷的摩尔比为3：1。

进一步地，所述银盐为卤化银、硝酸银或硫酸银；

和/或，所述核苷为鸟嘌呤核苷或胞嘧啶核苷中的一种或多种。

进一步地，所述银盐为氟化银或硝酸银；

和/或，所述核苷为鸟嘌呤核苷或鸟嘌呤核苷和胞嘧啶核苷组成的混合物。

进一步地，所述银盐为硝酸银；

和/或，所述鸟嘌呤核苷和胞嘧啶核苷组成的混合物中鸟嘌呤核苷和胞嘧啶核苷的摩尔比为1:1。

进一步地，当核苷为鸟嘌呤核苷和胞嘧啶核苷组成的混合物时，所述超分子水凝胶还包括式II所示的化合物：

进一步地，所述银-核苷五元环络合物超分子水凝胶的制备方法包括如下步骤：将银盐与核苷溶解于溶剂中，络合后而得；

优选地，

所述溶剂为水；

和/或，所述络合物溶液中银盐的浓度为0.01～0.05M；

和/或，所述溶解时的温度为85～95℃。

本发明还提供了前述的银-核苷五元环络合物超分子水凝胶的制备方法，它包括如下步骤：

将银盐与核苷溶解于溶剂中，络合后冷却，得银-核苷五元环络合物超分子水凝胶；

优选地，

所述溶剂为水；

和/或，所述络合物溶液中银盐的浓度为0.01～0.05M；

和/或，所述溶解时的温度为85～95℃。

本发明还提供了前述的银-核苷五元环络合物超分子水凝胶在制备人工通道、药物传递系统、多孔材料、包裹材料、催化合成材料中的用途。

本发明中，银盐为阳离子为银离子的盐类的总称。例如卤化银、硝酸银、硫酸银等等。

本发明发现银离子可以与鸟嘌呤核苷，或者与胞嘧啶核苷和鸟嘌呤核苷的混合物络合形成超分子水凝胶，同时研究发现该水凝胶具有五聚体结构。与四聚体结构相比，五聚体结构具有非常好的力学稳定性和热稳定性。特殊的结构、良好的力学稳定性和热稳定性使本发明超分子水凝胶可作为一种新型超分子有机框架材料，有望在人工通道、药物传递系统、多孔材料、包裹材料或催化合成等领域得到广泛的应用。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1为不同用量的金属离子对G、C以及G/C的凝胶形成能力测试结果。

图2为G、C以及G/C在AgNO₃以及AgF中的pH值。

图3为G/AgNO₃和G/C/AgNO₃水凝胶的粘弹性随时间(A)、应变(B)及频率(C)变化曲线。

图4为C/AgNO₃(a)、G/AgNO₃(b)以及G/C/AgNO₃(c)在40×光学显微镜下的形貌。

图5为[C-Ag][NO₃]晶体结构分析：a为[C-Ag][NO₃]结构；b为C(N3)-Ag⁺-(O2)C金属碱基对；c为M1→M2→M3→M4结构；d为C-Ag螺旋结构和银纳米线。

图6为CH⁺-NO₃ ^-晶体结构分析：a为CH⁺-NO₃ ^-晶体从凝胶中相分离过程；b为CH⁺-NO₃ ^-晶体的碱基配对及堆积结构；c为不同碱基配对的结构及结合能。

图7为G/AgNO₃、G/C/AgNO₃、C/AgNO₃、G、C和G/C的紫外吸收光谱。

图8为G/AgNO₃的质谱。

图9为G/C/AgNO₃的质谱。

图10为[G-Ag]₅五聚体的结构。

图11为G-Ag结构及形成机制。

图12为a)三聚体至六聚体的G-Ag结构计算；b)分子动力学模拟；c)推测的五聚体通过糖环之间的相互作用自组装形成的五角星结构。

图13为G/C/AgNO₃(左)以及G/AgNO₃(右)的AFM成像。

图14为G/C/AgNO₃(a)以及G/AgNO₃(b)的cryo-TEM成像。

图15为cryo-SEM下，不同浓度的C/AgNO₃(上)、G/AgNO₃(下)以及G/C/AgNO₃(中)的形貌。

图16为固体状态下C(a)、G/C(b)以及在G(c)AgNO₃溶液中的透射电镜形貌。

图17为固体状态下G、C、G/C以及它们在AgNO₃溶液中的形貌。

图18为G/AgNO₃、G/C/AgNO₃及C/AgNO₃的PXRD信号及从CH+-NO3-、AgNO₃及C/AgNO₃晶体中计算得出的信号。

具体实施方式

本发明具体实施方式中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。

本发明使用的核苷单体的结构：

实施例1、银-核苷五元环络合物超分子水凝胶的制备

银离子介导的鸟嘌呤核苷(G/AgNO₃)络合物超分子水凝胶的制备方法如下所示：

1、G/AgNO₃络合物溶液的制备：在样品瓶或离心管中加入1倍当量的鸟苷(G)，再加入AgNO₃水溶液(AgNO₃用量为三倍当量，浓度为0.05M)，快速摇动，并避光。然后在85℃下水浴加热5min，使G完全溶解，形成G/AgNO₃络合物溶液。

2、G/AgNO₃水凝胶的制备：将在85℃下水浴加热后得到的G/AgNO₃络合物溶液置于室温，待冷却后得到G/AgNO₃水凝胶。

3、G/AgNO₃络合物固体的制备：将G/AgNO₃络合物溶液冷却，并在真空下避光旋干水分，然后在50℃下真空干燥2h，即得G/AgNO₃络合物固体。

实施例2、银-核苷五元环络合物超分子水凝胶的制备

银离子介导的鸟嘌呤核苷和胞嘧啶核苷(G/C/AgNO₃)络合物超分子水凝胶的制备方法如下所示：

1、G/C/AgNO₃络合物溶液的制备：在样品瓶或离心管中加入1倍当量的鸟苷(G)和胞苷(C)混合物(混合物中G和C的摩尔比为1:1)，再加入AgNO₃水溶液(AgNO₃用量为三倍当量，浓度为0.05M)，快速摇动，并避光。然后在85℃水浴下加热5min，并再继续加热至95℃，使G和C混合物完全溶解，形成G/C/AgNO₃络合物溶液。

2、G/C/AgNO₃水凝胶的制备：在85℃水浴加热5min即可得到G/C/AgNO₃水凝胶，然后将该水凝胶冷却至室温。

3、G/C/AgNO₃络合物固体的制备：将G/C/AgNO₃络合物溶液冷却，并在真空下避光旋干水分，然后在50℃下真空干燥2h，即得G/C/AgNO₃络合物固体。

实施例3、银-核苷五元环络合物超分子水凝胶的制备

银离子介导的胞嘧啶核苷(C/AgNO₃)络合物超分子水凝胶的制备方法如下所示：

1、C/AgNO₃络合物溶液的制备：在样品瓶或离心管中加入1倍当量的胞苷(C)，再加入AgNO₃水溶液(AgNO₃用量为三倍当量，浓度为0.05M)，快速摇动，并避光。然后在85℃水浴下加热5min，使C完全溶解，形成C/AgNO₃络合物溶液。

2、C/AgNO₃水凝胶的制备：将在85℃下水浴加热后得到的C/AgNO₃络合物溶液置于室温，并冷却，无水凝胶生成。即无法形成C/AgNO₃水凝胶。

3、C/AgNO₃络合物固体的制备：将C/AgNO₃络合物溶液冷却，并在真空下避光旋干水分，然后在50℃下真空干燥2h，即得C/AgNO₃络合物固体。

以下通过具体试验例证明本发明的有益效果。

试验例1、银-核苷五元环络合物超分子水凝胶稳性测试

1、实验方法

1.1水凝胶稳性及T_gel测试

Tube Inversion测试：将样品瓶倒置，若是溶液，则瓶中液体会流动；若为凝胶，则凝胶可以停留在瓶底，不随玻璃瓶的倒置而流动。通过样品瓶的倒置，来检测是否有水凝胶的形成。

T_gel测定：首先在室温下通过Tube Inversion测试是否有凝胶的形成。若在室温下形成凝胶，则将含有水凝胶样品瓶置于水浴中，从25℃开始，以2℃·min^-1的速率升温，并通过Tube Inversion随时检测水凝胶是否流动，当水凝胶无法停留在样品瓶底，发生流动，则该温度被记录为T_gel。

1.2 KNO₃对G、C以及G/C的凝胶形成能力测试

在样品瓶中加入1倍当量的G，再加入KNO₃水溶液(KNO₃用量为三倍当量，浓度为0.05M)，快速摇动，并避光。然后在85℃水浴下加热5min，并将溶液置于室温冷却，通过TubeInversion实验观察有无凝胶的形成。

在样品瓶中加入1倍当量的G以及C混合物(混合物中G和C的摩尔比为1:1)，再加入KNO₃水溶液(KNO₃用量为三倍当量，浓度为0.05M)，快速摇动，并避光。然后在85℃水浴下加热5min，并将溶液置于室温冷却，通过Tube Inversion实验观察有无凝胶的形成。

在样品瓶中加入1倍当量的C，再加入KNO₃水溶液(KNO₃用量为三倍当量，浓度为0.05M)，快速摇动，并避光。然后在85℃水浴下加热5min，并将溶液置于室温冷却，通过TubeInversion实验观察有无凝胶的形成。

1.3 AgF对G、C以及G/C的凝胶形成能力测试

在样品瓶中加入1倍当量的G，再加入AgF水溶液(AgF用量为三倍当量，浓度为0.05M)，快速摇动，并避光。然后在85℃水浴下加热5min，并将溶液置于室温冷却，通过TubeInversion实验观察有无凝胶的形成。

在样品瓶中加入1倍当量的G以及C混合物(混合物中G和C的摩尔比为1:1)，再加入AgF水溶液(AgF用量为三倍当量，浓度为0.05M)，快速摇动，并避光。然后在85℃水浴下加热5min，并将溶液置于室温冷却，通过Tube Inversion实验观察有无凝胶的形成。

在样品瓶中加入1倍当量的C，再加入AgF水溶液(AgF用量为三倍当量，浓度为0.05M)，快速摇动，并避光。然后在85℃水浴下加热5min，并将溶液置于室温冷却，通过TubeInversion实验观察有无凝胶的形成。

1.4不同浓度AgF、AgNO₃和KNO₃对G、C以及G/C凝胶的形成能力测试

精确称量18份G(1.4mg，5μmol)化合物于样品瓶中，并分为3组，每组6份。分别在3组中加入300μL不同浓度(0，0.0083M，0.016M，0.033M，0.05M，0.067M)的AgNO₃、KNO₃和AgF水溶液，此时，G/AgNO₃、G/KNO₃和G/AgF体系中，G与无机盐的梯度摩尔比分别为1:0，1:0.5，1:1，1:2，1:3至1:4，将溶液混合均匀后，避光，在85℃水浴下加热5min，并将溶液置于室温冷却，通过Tube Inversion实验观察有无凝胶的形成。

精确称量18份C(1.2mg，5μmol)化合物于样品瓶中，并分为3组，每组6份。分别在3组中加入300μL不同浓度(0，0.0083M，0.016M，0.033M，0.05M，0.067M)的AgNO₃、KNO₃和AgF水溶液，此时，C/AgNO₃、C/KNO₃和C/AgF体系中，C与无机盐的梯度摩尔比分别为1:0，1:0.5，1:1，1:2，1:3至1:4，将溶液混合均匀后，避光，在85℃水浴下加热5min，并将溶液置于室温冷却，通过Tube Inversion实验观察有无凝胶的形成。

精确称量18份G(1.4mg，5μmol)和C(1.2mg，5μmol)的混合物于样品瓶中，并分为3组，每组6份。分别在3组中加入300μL不同浓度(0，0.0083M，0.016M，0.033M，0.05M，0.067M)的AgNO₃、KNO₃和AgF水溶液，此时，G/C/AgNO₃、G/C/KNO₃和G/C/AgF体系中，G/C与无机盐的梯度摩尔比分别为1:0，1:0.5，1:1，1:2，1:3至1:4，将溶液混合均匀后，避光，在85℃水浴下加热5min，并将溶液置于室温冷却，通过Tube Inversion实验观察有无凝胶的形成。

1.5流变测试

分别移取650μL实施例1制备的G/AgNO₃络合物溶液和实施例2制备的G/C/AgNO₃的络合物溶液，于旋转流变仪(Anton Paar MAR302e)的样品台上，采用25mm直径的转子，设置测量位置为1mm，待络合物溶液冷却成凝胶稳定30min后，对样品进行流变性能测试。对于粘弹性随时间变化实验，在25℃下，设置剪切应变为1％，频率为1Hz，采样时间为10s，共10min进行测试。对于粘弹性随频率变化实验，应变设为1％，采样剪切频率范围为0.1-100Hz。对于粘弹性随应变变化实验，剪切频率为1Hz，设置采样应变范围为0.1％-100％进行测试。

2、实验结果

2.1水凝胶稳性及T_gel测试

在G/AgNO₃、C/AgNO₃和G/C/AgNO₃体系中，C/AgNO₃体系无法形成凝胶，维持溶液状态，而G和G/C在3倍银离子的浓度下，均可以形成稳定的透明水凝胶，它们的具体性质如表1所示。从表1中可以看出，G/C/AgNO₃的T_gel>88℃，远远大于G/AgNO₃的T_gel＝67℃，G/C/AgNO₃水凝胶的热稳定性优于G/AgNO₃水凝胶。

表1.G、C以及G/C在AgNO₃水溶液中的凝胶性质

注：Y代表是，N代表否。

2.2 KNO₃对G、C以及G/C的凝胶形成能力测试

为测试阳离子(Ag⁺)对G、C以及G/C的凝胶性质的影响，本发明研究了KNO₃对G、C以及G/C的凝胶形成能力测试。在G/KNO₃、C/KNO₃和G/C/KNO₃体系中，G、C以及G/C均无法形成凝胶，C/KNO₃体系为溶液状态，而G/KNO₃和G/C/KNO₃在85℃时是无色透明溶液，冷却至室温后，很快出现沉淀，如表2所示。该实验表明，Ag⁺是G/C和G形成凝胶的重要因素。

表2.G、C以及G/C在KNO₃水溶液中的凝胶性质

注：Y代表是，N代表否。

2.3 AgF对G、C以及G/C的凝胶形成能力测试

为了测试阴离子(NO₃ ^-)对水凝胶的影响，本发明选择AgF为对照。在G/AgF、C/AgF和G/C/AgF体系中，C无法形成凝胶，维持溶液状态，该现象与在AgNO₃中的现象一致；而G/AgF形成非常稳定的透明水凝胶，其T_gel>88℃大于在G/AgNO₃中的热稳定性。G/C/AgF在相同浓度下，形成粘稠状的液体，其热稳定性远远小于G/C/AgNO₃以及G/AgF。其具体的性质如表3所示。该实验结果表明C以及阴离子对水凝胶的形成有重要的影响。

表3.G、C以及G/C在AgF水溶液中的凝胶性质

注：Y代表是，N代表否。

2.4不同浓度AgF、AgNO₃和KNO₃对G、C以及G/C凝胶的形成能力测试

为了系统研究不同浓度AgF、AgNO₃和KNO₃对G、C以及G/C凝胶形成能力的测试，本发明进行了一系列实验，由图1可知，C在AgF、AgNO₃和KNO₃中均为溶液状态，无法形成水凝胶。在不同浓度的KNO₃溶液中，G/KNO₃以及G/C/KNO₃均为沉淀，无法形成凝胶。但是，G以及G/C在AgF和AgNO₃中可以形成凝胶，即Ag⁺可以使G和G/C形成凝胶，与AgF相比，AgNO₃可以在更低用量下使G/C体系形式凝胶。

2.5 G、C以及G/C在AgNO₃以及AgF中的酸碱度测试

由于不同阴离子(NO₃ ^-和F^-)对凝胶的性质产生明显影响，本发明首先考虑是否是由于不同阴离子的共轭酸的酸性不同引起的。因此，本发明研究了G、C以及G/C在AgNO₃以及AgF中的pH值。从图2可以看出，在G/AgF、C/AgF和G/C/AgF体系中，pH均约为5；在AgNO₃体系中，AgNO₃的pH≈5，C/AgNO₃的pH≈5，G/AgNO₃的pH≈2，G/C/AgNO₃的pH≈4。G/C/AgNO₃的酸性弱于G/AgNO₃，表明在G/AgNO₃中，溶液显强酸性，C的加入引起溶液酸性降低。因此，本发明得出结论，在G/AgNO₃以及G/C/AgNO₃中有H⁺的形成，且在G/C/AgNO₃中C会消耗一定的H⁺。该现象表明G会与Ag⁺反应，导致G脱质子。由于在AgNO₃溶液中，含有NO₃ ^-，因此，在溶液中可能生成了HNO₃，导致溶液显酸性。

对于AgF而言，G同样与AgF发生反应，生成H⁺，并与F^-生成HF。相比于HNO₃是强酸，而该体系中HF水溶液是弱酸，因此，猜测可能是溶液的酸碱性改变了凝胶的性质。因为该体系中HF水溶液是弱酸，且在溶液中主要以HF的形式存在，所以溶液的酸碱性变化不大，因此pH≈5。

对于G/C/AgNO₃的热稳定性大于G/AgNO₃，酸性低于G/AgNO₃，可能是由于G/C/AgNO₃中，C消耗了溶液中的H⁺，即C+H⁺→CH⁺，从而导致溶液酸性降低。为了验证这个猜想，以及验证溶液中G脱质子后与Ag⁺的结合形式，本发明继续对该现象进行进一步的研究。

2.6流变测试

图3为G/AgNO₃和G/C/AgNO₃的粘弹性随时间、应变速率及扫描频率变化曲线。当应变速率及扫描频率不变时，G/AgNO₃和G/AgNO₃凝胶的储存模量(G’)均大于损耗模量(G”)，表明此时样品为类固体状态，且G/AgNO₃的G’大于G/C/AgNO₃。随着时间的变化，二者的杨氏模量均无明显变化。

随着扫描频率的提高，G/AgNO₃和G/C/AgNO₃凝胶体系在0.1-10Hz之间呈线性关系，凝胶的粘弹性基本不变。当扫描频率不断升高，凝胶的粘弹性也不断升高，在达到一定范围后，这两种凝胶的G’与G”均出现交点，在此之后，G”大于G’，表明此时样品的凝胶状态被破坏，转为液体状态。在应变扫描实验中，在应变小于10％时，二者变化不大，即呈现线性黏弹性行为。当应变不断增大至100％时，二者产生交点。从上述实验可以看出，G/AgNO₃和G/C/AgNO₃的凝胶性质基本一致，表明二者形成凝胶的主要成分可能一致。

试验例2、银-核苷五元环络合物的结构表征

一、实验方法

1、银-核苷五元环络合物的单晶培养及同步辐射分析

1.1 G/AgNO₃、G/C/AgNO₃以及C/AgNO₃体系的晶体培养的生长

首先根据实施例1～3所述方法制备G/AgNO₃、G/C/AgNO₃以及C/AgNO₃络合物溶液，避光冷却后，用锡箔纸封口，并用针尖戳数个小洞，置于室温。每隔两天观察体系中是否有晶体产生。

1.2同步辐射晶体测试

将培养出来的晶体通过上海光源同步辐射进行测试及分析。实验站包括CATS机械手、温控系统、MD2衍射仪以及MX300探测器等。采集数据后通过Olxe2进行分析。

2、溶液中银-核苷络合物的一级结构表征

2.1高分辨质谱

将G、C、G/C溶液以及实施例1～3制备的G/AgNO₃、C/AgNO₃和G/C/AgNO₃络合物溶液稀释100倍后，通过ThermoScientific Q Exactive质谱移取20μL进行质量分析。

2.2紫外吸收光谱

将实施例1～3制备的600μL的G/AgNO₃、C/AgNO₃和G/C/AgNO₃络合物溶液用超纯水稀释至100ml，并在容量瓶中定容，然后在10mm路径的比色皿中进行紫外吸收光谱分析(190nm-400nm)。

2.3原子力显微镜

将实施例1和2制备的G/AgNO₃以及G/C/AgNO₃的络合物溶液用超纯水稀释100倍后，在85℃下加热5min，冷却至室温，并避光放置过夜。然后将溶液分别滴到云母片上，室温干燥，并在SPM-9700AFM上以动态模式采集AFM图像。使用SPM管理软件获得高度剖面图。

2.4冷冻透射电镜

①将实施例1～3制备的G/AgNO₃、C/AgNO₃以及G/C/AgNO₃的络合物溶液用超纯水稀释100倍，再在85℃水浴下加热5min，避光并室温放置两天。②通过PELCO easiGlow辉光放电铜网处理仪在15mA电流下对400目金网(碳膜)放电40s。③分别取10μL稀释后的G/AgNO₃、C/AgNO₃以及G/C/AgNO₃溶液，滴在铜网上，等待20s后，用滤纸拭去多余液体，立即置于液态乙烷中，待放置好铜网后，转移至液氮中进行保存。④在200KV的条件下，进行冷冻透射电镜成像。

3、溶液中水凝胶二级与三级结构表征

对于核苷与AgNO₃的络合物溶液，将10μL实施例1～3制备的G/AgNO₃、C/AgNO₃和G/C/AgNO₃络合物溶液滴于-20℃样品台上，待完全冷却后，启动真空泵，使用Zeiss EVO10的背散射电子(BE)探测器在不同放大倍数下记录SEM图像。

对于稀释10倍的核苷与AgNO₃溶液制备：取30μL实施例1～3制备的的G/AgNO₃、C/AgNO₃和G/C/AgNO₃络合物溶液，再加入270μL的纯水，然后将溶液在85℃下水浴加热5min，然后分别移取10μL稀释后的G/AgNO₃、C/AgNO₃和G/C/AgNO₃络合物溶液滴于-20℃样品台上，待完全冷却后，启动真空泵，使用Zeiss EVO10的背散射电子(BE)探测器在不同放大倍数下记录SEM图像。

对于增加10倍的核苷与AgNO₃溶液制备：由于G/AgNO₃的溶解性较低，因此没有进行更高浓度的络合物溶液制备。对于C/AgNO₃，在离心管中加入12.2mg的C，再加入300μL的AgNO₃水溶液(0.5M)，快速摇动，并避光，在85℃水浴下加热5min。然后移取10μL的C/AgNO₃溶液滴于-20℃样品台上，待完全冷却后，启动真空泵，使用Zeiss EVO10的背散射电子(BE)探测器在不同放大倍数下记录SEM图像。对于G/C/AgNO₃，在离心管中加入12.2mg的C和14.2mg的G，再加入300μL的AgNO₃水溶液(0.5M)，快速摇动，并避光，在95℃水浴下加热5min，此时离心管中为水凝胶的固体的混合物，当加热到100℃时，该体系仍然维持水凝胶与固体状态。因此，用移液枪吸取该饱和水凝胶至-20℃样品台上，待完全冷却后，启动真空泵，使用Zeiss EVO10的背散射电子(BE)探测器在不同放大倍数下记录SEM图像。

4、银-核苷络合物在固体状态下的结构表征

4.1透射电镜

将实施例1～3制备的G/AgNO₃、C/AgNO₃和G/C/AgNO₃的络合物溶液用超纯水分别稀释100倍或3000倍后，取10μL于300目铜网上，等5min后，吸去多余溶液后，室温下避光干燥，然后置于透射电镜(Tecnai G2 F20S-TWIN)下进行形貌观察。

4.2扫描电镜

取10μL实施例1～3制备的的G/AgNO₃、C/AgNO₃和G/C/AgNO₃络合物溶液滴于5mm×5mm的玻璃片上。室温避光干燥，并对样品进行喷金，使样品导电，然后通过Zeiss EVO10二次电子来进行SEM成像。

分别称取G(1.4mg)、C(1.2mg)、G/C(1.4mg G和1.2mg C)于1.5mL离心管中，加入300μL纯水后，摇晃离心管，并避光。在85℃下加热5min后，分别取10μL的G、C和G/C溶液滴于5mm×5mm的玻璃片上。室温避光干燥，并对样品进行喷金，使样品导电，最后通过ZeissEVO10二次电子来进行SEM成像。

移取10μL的AgNO₃溶液(0.05M)滴于5mm×5mm的玻璃片上。室温避光干燥，并对样品进行喷金，使样品导电，然后通过Zeiss EVO10二次电子来进行SEM成像。

4.3粉末X射线衍射测试

称取30mg实施例1～3制备的G/AgNO₃、C/AgNO₃和G/C/AgNO₃固体络合物，将这些样品通过Rigaku D/Max 2250V/PC X射线衍射仪在50Kv下进行Cu Kα辐射

并在5°≤2θ≤90°的角度范围内室温进行粉末X射线衍射(PXRD)扫描。

5、量子力学及分子动力学模拟

5.1 G-Ag结构及形成机制的量子力学计算

通过对化合物的结构进行结构优化，寻找相应反应过程中的过渡态，并通过IRC对过渡态进行验证。

对于碱基对之间的结合能，则在计算中采用counterpoise关键词进行计算。

5.2[G-Ag]₅分子动力学模拟

Maestro用于构建多层分子，Desmond软件包(2020版)用于运行常规MD模拟。力场采用OPLS 2005，TIP3P用于水分子模型。构建的多层分子在八面体水盒子(11515个水分子)中进行溶剂化，采用最速下降极小化方法，将系统能量最小化，然后在运行NPT平衡和NVT平衡中限制重原子(全原子力场)的位置。系统温度保持在300K，系统压力保持在1bar。完成两个平衡阶段后，系统在所需的温度和压力下平衡良好。再进行100ns的无约束模拟。每10s，保存轨迹的能量和坐标。最后使用Maestro进行RMSD和相互作用分析，并使用Pymol进行绘图和轨迹动画制作。

二、实验结果

1、银-核苷络合物的单晶培养及同步辐射分析

1.1银-核苷络合物的单晶培养

为了研究Ag⁺与核苷的相互作用，本发明首先通过晶体培养来进行验证。随着这三个体系中水分的挥发，在显微镜下观察了G/C/AgNO₃、G/C/AgNO₃以及C/AgNO₃体系的形貌，发现在G/C/AgNO₃体系中，出现水凝胶与晶体的相分离现象；G/AgNO₃中只有无定型颗粒状固体；C/AgNO₃溶液颜色变为棕色，并有晶体析出(图4)。因此本发明对C/AgNO₃以及G/C/AgNO₃体系中的晶体进行同步辐射分析。

1.2 C/AgNO₃体系中晶体结构分析

通过对C/AgNO₃体系中的晶体进行同步辐射分析，本发明发现C/AgNO₃体系中晶体的化学结构式为[C-Ag⁺][NO₃](AgNO₃/C＝1:1，图5a)，其具体的参数信息为：C₉H₁₃AgN₄O₈₃；M_r＝413.10g·mol^-1；crystal size＝0.08×0.02×0.01mm；orthorhombic,space group P2₁ 2₁ 2₁；

α＝90°,β＝90°,γ＝90°；

Z＝4；calc density＝2.231g·cm^-3；F(000)＝824.0；T＝100K；R_int＝0.0526；μ＝1.800mm^-1；miller index ranges,-5≤h≤5,-18≤k≤18,-21≤l≤21；2θrange for data collection/°5.56to 53.522；T_min＝0.007,T_max＝0.023；16250reflections collected；2401independent reflections；data/restraints/parameters:2401/0/202；goodness-of-fit on F²＝1.104；R1＝0.0358,wR2＝0.1139；largest diff.peak and hole:

and

该晶体结构的CCDC号：2150374。该晶体中相关的氢键如表4所示。

表4.C/AgNO₃晶体的氢键参数

通过对[C-Ag⁺][NO₃]进行分析表明，在该晶体中还形成了Ag⁺介导的C(N3)-Ag⁺-(O2)C金属碱基对(图5b)。C(N3)-Ag⁺和Ag⁺-(O2)C的键长均为

且两个碱基之间的扭转角接近90°(88°)。并且每个分子的N3和O2都参与形成分子间的C(N3)-Ag⁺-(O2)C配位键(M1→M2→M3→M4)，因此，最终形成了螺旋结构(图5c和5d)。另外，Ag⁺与Ag⁺之间的距离为

几乎接近于银与银之间的金属键键长，表明Ag⁺与Ag⁺之间有非常强的相互作用。这种相互作用不断叠加，在Ag⁺与Ag⁺之间形成了银线。在Ag⁺周围，存在8个与其相互作用的相邻原子，除了Ag…N3、Ag…O2以及两个Ag…Ag外，还有3个NO₃ ^-的O1参与配位，1个Ag…H相互作用。这些Ag⁺周围相邻原子的相互作用共同构成了十二面体。

除了与Ag⁺相关的相互作用力外，还存在着3个分子内氢键，以及5个分子间氢键(表4)。分子内的相互作用将C的构象固定在一定范围内。而剩余的分子间氢键则参与了螺旋与螺旋之间(或核苷-银纳米线与核苷-纳米线之间)的相互作用。

1.3 G/C/AgNO₃体系中晶体结构分析

通过对G/C/AgNO₃体系中的晶体进行同步辐射分析，本发明发现该体系中C的N3位发生了质子化，与NO₃ ^-形成了离子晶体，这验证了G/C/AgNO₃体系酸性的降低及凝胶的热稳定性升高与体系中H⁺被C消耗相关。G/C/AgNO₃体系中的晶体为离子晶体，其化学结构式为CH⁺-NO₃ ^-(图6a)。

CH⁺-NO₃ ^-晶体的具体的参数为：C₉H₁₄N₃O₅,NO₃；M_r＝306.24g·mol^-1；crystal size＝0.02×0.03×0.1mm；monoclinic,space group P 21；

α＝90°,β＝108.44(3)°,γ＝90°；

Z＝2；calc density＝1.680g·cm^-3；F(000)＝320.0；T＝100K；R_int＝0.0000；μ＝0.107mm^-1；miller index ranges,-10≤h≤10,-9≤k≤9,-14≤l≤14；θ_max＝27.840°,θ_min＝1.94°；T_min＝0.995,T_max＝0.997；2869reflections collected；1544independent reflections；data/restraints/parameters:1531/0/202；goodness-of-fiton F²＝1.075；R₁＝0.0311,wR₂＝0.0843；largest diff.peak and hole:

and

该晶体的CCDC号：2150373。该晶体的具体氢键参数如表5所示。

表5.CH⁺-NO₃ ^-晶体的氢键参数

从CH⁺-NO₃ ^-晶体结构可以看出，C与H⁺反应，其N3位被质子化，生成CH⁺，NO₃ ^-介导了两个CH⁺，形成了NO₃ ^-介导的CH⁺-C碱基对(图6)。而且NO₃ ^-与两个CH⁺的不同面进行碱基配对，且这个碱基对在同一方向上持续延伸，形成平面。相邻两层平面之间的距离为

通过比较C/AgNO₃的结构，本发明发现C/AgNO₃与CH⁺-NO₃ ^-中C的构象几乎一致，且CH⁺-NO₃ ^-含有更多的分子内氢键。通过DFT/def2tzvp计算，发现CH⁺-NO₃ ^--CH的碱基对稳定性要大于C(N3)-Ag⁺-(O2)C金属碱基对，因此，本发明发现了一种新型的非常稳定的NO₃ ^-介导的CH⁺-C碱基配对模式。

2、溶液中银-核苷络合物的一级结构表征

2.1紫外吸收光谱

本发明对G/AgNO₃和G/C/AgNO₃水凝胶以及C/AgNO₃络合物以及G、C和G/C进行紫外吸收光谱测试，从图7可以看出，G的最大吸收波长为251nm，C的最大吸收波长为272nm，G/C的吸收光谱等于G以及C的吸收光谱之和，含有两个最大吸收波长，分别在251nm以及272nm。当加入AgNO₃后，与G、C以及G/C的吸收光谱相比，G/AgNO₃、C/AgNO₃以及G/C/NO₃在220-250nm之间，峰形发生变化，表明G、C以及G/C与AgNO₃发生相互作用。

2.2高分辨质谱

本发明通过高分辨质谱来研究Ag⁺与G的相互作用。在G/AgNO₃溶液的质谱中，本发明看到了G-Ag的分子离子峰(G-Ag+H⁺，图8)，表明在溶液中，G确实脱去了质子，形成了G-Ag化合物(388.9889)。同时，也观察到了G-Ag的二聚体(777.9779)、三聚体(1166.9668)、四聚体(1555.9557)以及五聚体(1944.9447)的分子离子峰以及银离子的同位素峰。由于五聚体的分子量较大，因此只看到主要的同位素峰。

在G/C/AgNO₃的高分辨质谱中，最主要的峰为[C-Ag⁺-C]二聚体(593.0761)的分子离子峰，但是也观察到了G-Ag从单体到五聚体的分子离子峰(图9)。同样由于[G-Ag]₅(五聚体)的分子量较大，未观察到完整的分子离子峰([G-Ag]₅+H⁺)。表明在G/AgNO₃以及G/C/AgNO₃体系中，均有[G-Ag]₅(五聚体)的形成。[G-Ag]₅(五聚体)的结构如图10所示。

3、量子力学及分子动力学模拟

由于在UV、CD以及高分辨质谱中，只能得到含有G-Ag单体到五聚体的分子，但是未能得到具体的G-Ag结构和形成机制以及Ag⁺与G^-之间的碱基配对模式，因此，通过量子力学的方法对：①G与Ag⁺脱质子的机理；②G-Ag的结构及形成机制进行计算；③Ag⁺与G^-之间的碱基配对模式。

3.1G-Ag结构及形成机制的量子力学计算

众所周知，在没有银离子的情况下，G与C的混合液中，不会发生质子转移的情况，这是因为G的pK_a＝9.42(N1位脱质子)，而C的pK_a＝4.17(N3位质子化)。在KNO₃溶液中，G形成G-四聚体，也未发生质子化。因此，在排除C以及NO₃ ^-离子的原因后，得出G的脱质子的原因来自于Ag⁺。

由于G与Ag⁺的直接反应在理论计算上无法实现，因此，猜测G脱质子可能是由于溶液中Ag⁺水解产生的AgOH引起的，并设计及计算了不同的反应历程及相关机制(图11)。首先，由于Ag⁺在水溶液中会发生水解，产生AgOH和少量的H⁺(公式1)，G与AgOH脱去一分子水，形成G-Ag(公式2)，将公式1与2合并，则得到公式3，当G与AgOH持续发生反应时，AgOH被消耗，引起Ag⁺的水解向产生AgOH和H⁺的方向移动，因此，溶液中的H⁺不断增加，酸性增强。在G/C/AgNO₃体系中，过量的H⁺会引起C的质子化(pK_a＝4.17)，因此会发生反应式4，产生CH⁺，在溶液中有过量的NO₃ ^-，当溶剂挥发后，CH⁺正离子会与NO₃ ^-负离子通过电荷相互吸引，形成离子晶体(公式5)。因此，在G/C/AgNO₃体系中，总的反应方程式为6。

G+AgOH→[G^--Ag⁺]+H₂O (2)

G+Ag⁺→G^--Ag⁺+H⁺ (3)

C+H⁺→CH⁺ (4)

CH⁺+NO₃ ^-→[CH⁺-NO₃ ^-] (5)

G+C+Ag⁺+NO₃ ^-→[CH⁺-NO₃ ^-]+G-Ag (6)

表6.P1和P2的性质比较

由于反应2是整个反应的核心步骤，因此，通过DFT对该反应步骤进行机制研究。本发明设计了两条反应路径，path A和path B(图11)。在path B中，G与AgOH作为起始化合物，然后AgOH的Ag⁺与G的N7位络合，形成中间体(Im1，“Im”表示中间体)，然后N1-H通过Ts2(“Ts”表示过渡态)过渡态得到Im2，O6-H通过过渡态Ts3得到Im3，最后，AgOH的羟基与Im3的O6-H形成产物P2(“P”表示产物)。虽然整个反应过程的ΔG<0，但是由于P2的水是分子内水合物，与化合物本身相互作用强，不易离去(表6)。

因此，本发明又重新设计了新的反应步骤Path A，G首先通过一个比较高的能垒(40.01kcal/mol)得到Im1，然后AgOH与G在N1上发生配位，得到Im2。此时，AgOH的羟基与Im2的O6-H通过Ts3失去一分子水，得到G-Ag。整个反应路径的ΔG<0，且反应的ΔG小于Path B，最终的水分子为自由水，容易离去。因此，本发明认为Path A为最佳反应路径(图11)。

3.2[G-Ag]₅超分子结构及动力学模拟

在了解了G-Ag结构以及形成机制后，本发明研究了G-Ag分子间的组合方式及相互作用，如图12所示。

G-Ag形成的单体、三聚体、四聚体、五聚体以及六聚体，其中总能量为E，在多聚体中每个G-Ag结构的能量E’＝E/X(X为多聚体的数量)。通过比较G-Ag形成的各种结构中单个G-Ag的能量，发现五聚体中单个G-Ag具有最低的能量，表明此时的结构最为稳定，因此，G-Ag更趋向于形成G-Ag五聚体的结构，其碱基配对模式如图12a所示。当五聚体为两层时，层与层之间相互错开，其E’降低-20.15Kcal/mol，表明当层数增加时，结构更稳定。此外本发明还通过分子动力学模拟了多层的[G-Ag]₅结构，此时，该结构也可以稳定存在(图12b)。

4、银-鸟苷络合物的[G-Ag]₅五聚体实验验证及溶液中的形貌观察

4.1原子力显微镜

为了得到G/AgNO₃以及G/C/AgNO₃的五聚体[G-Ag]₅结构的实验证据，本发明试图从形貌上进行观察来得到相关信息。从AFM图像中可以发现，G/C/AgNO₃的结构类似于雪花状，每个结构均是从中心向五个方向延伸。在G/AgNO₃中，未观察明显的五聚体结构(图13)。

4.2冷冻透射电镜

由于AFM是固体状态下观察到的五聚体结构，本发明试图观察溶液中是否也存在相关的G-Ag五聚体结构。因此，进行了cryo-TEM实验，从G/C/AgNO₃冷冻透射电镜图像中可以明显观察到大量的五角星结构，以及由小的五角星向大的五角星聚集的过程，如图14所示。而在G/AgNO₃中，未观察明显的五聚体结构。考虑是由于G/AgNO₃的酸性过强，因此在稀溶液下G-Ag之间的聚集比较困难。由此，本发明推测该五聚体可能是通过图12c进行自组装形成的五角星结构。该推测与雪花的六聚体结构形成类似。

4.3冷冻扫描电镜

除了在cryo-TEM下观察络合物的形貌外，本发明对G/C/AgNO₃、G/AgNO₃以及C/AgNO₃进行了cryo-SEM形貌观察。

G/AgNO₃的形貌为较粗的条带状，C/AgNO₃则为球状，G/C/AgNO₃中即可以观察到条状，也可以看到球状。随着浓度的升高，这三个体系化合物的形貌都变得更宽厚，更致密。且C/AgNO₃浓度升高后，整个体系由球状变为带状，变得更为有序。相对于G/AgNO₃，G/C/AgNO₃的形貌随着浓度的升高也变得更为有序(图15)。

4.4透射电镜

为了对凝胶的形貌以及形成机制进行研究，本发明进行了透射电镜观察：当稀释3000倍时，C/AgNO₃成聚集的颗粒状，G/AgNO₃和G/C/AgNO₃成纤维状。当浓度升到100倍时，C/AgNO₃出现更多颗粒的聚集，而G/AgNO₃和G/C/AgNO₃呈现出更加密集的纤维网络，这种网络类似于凝胶中的纤维网络的形成。且G/C/AgNO₃的纤维节点比G/AgNO₃更大(图16)。

4.5扫描电镜

另外，本发明还在SEM下观察了固体化合物的结构，发现C为团聚，无定型状态，G呈现片状结构，而G/C也是片状结构。当加入AgNO₃后，C/AgNO₃是针状晶体，G/AgNO₃为无定型，块状结构，G/C/AgNO₃含有针状晶体以及无定型结构(图17)。

相对于G、C以及G/C而言，加入AgNO₃后，这三者的固体形貌都发生了明显改变。C/AgNO₃以及G/C/AgNO₃中都观察到了晶体，也完全符合本发明之前得到的结构(晶体)与观察到的现象。

5、银-核苷络合物在固体状态下的结构表征

5.1粉末X射线衍射分析

接着本发明对C/AgNO₃、G/AgNO₃以及G/C/AgNO₃进行了固体样品的PXRD结构分析，通过观察固体中是否含有相同晶型来判断化合物的结构。通过对AgNO₃、C/AgNO₃以及CH⁺-NO₃ ^-的晶体结构进行计算，得到这三个化合物的XRD衍射图。从图18中，可以看出G/AgNO₃中只有AgNO₃的晶型，表明G/AgNO₃是没有晶型的无定型状态；C/AgNO₃中AgNO₃过量，但是，还是可以看到相应的C/AgNO₃的晶型，与理论计算一致；对于G/C/AgNO₃而言，由于混有G-Ag的无定型状态，因此无法看出明显的晶型状态。这与在溶液状态下观察到的化合物的结构一致。

综上，本发明发现银离子可以与鸟嘌呤核苷，或者与胞嘧啶核苷和鸟嘌呤核苷的混合物络合形成超分子水凝胶，同时研究发现该水凝胶具有五聚体结构。与四聚体结构相比，五聚体结构具有非常好的力学稳定性和热稳定性。特殊的结构、良好的力学稳定性和热稳定性使本发明超分子水凝胶可作为一种新型超分子有机框架材料，有望在人工通道、药物传递系统、多孔材料、包裹材料或催化合成等领域得到广泛的应用。

Claims (10)

1.一种银-核苷五元环络合物超分子水凝胶，其特征在于：它包括式I所示的五元超分子大环结构：

2.根据权利要求1所述的超分子水凝胶，其特征在于：所述超分子水凝胶是由银盐与核苷为原料制备而成，所述银盐与核苷的摩尔比为(1～10)：1。

3.根据权利要求2所述的超分子水凝胶，其特征在于：所述银盐与核苷的摩尔比为(2～4)：1；

优选地，所述银盐与核苷的摩尔比为3：1。

4.根据权利要求1～3任一项所述的超分子水凝胶，其特征在于：所述银盐为卤化银、硝酸银或硫酸银；

和/或，所述核苷为鸟嘌呤核苷或胞嘧啶核苷中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的超分子水凝胶，其特征在于：所述银盐为氟化银或硝酸银；

和/或，所述核苷为鸟嘌呤核苷或鸟嘌呤核苷和胞嘧啶核苷组成的混合物。

6.根据权利要求5所述的超分子水凝胶，其特征在于：所述银盐为硝酸银；

和/或，所述鸟嘌呤核苷和胞嘧啶核苷组成的混合物中鸟嘌呤核苷和胞嘧啶核苷的摩尔比为1:1。

7.根据权利要求6所述的超分子水凝胶，其特征在于：当核苷为鸟嘌呤核苷和胞嘧啶核苷组成的混合物时，所述超分子水凝胶还包括式II所示的化合物：

8.根据权利要求1～3任一项所述的超分子水凝胶，其特征在于：所述银-核苷五元环络合物超分子水凝胶的制备方法包括如下步骤：将银盐与核苷溶解于溶剂中，络合后而得；

优选地，

所述溶剂为水；

和/或，所述络合物溶液中银盐的浓度为0.01～0.05M；

和/或，所述溶解时的温度为85～95℃。

9.权利要求1～8任一项所述的银-核苷五元环络合物超分子水凝胶的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：

将银盐与核苷溶解于溶剂中，络合后冷却，得银-核苷五元环络合物超分子水凝胶；

优选地，

所述溶剂为水；

和/或，所述络合物溶液中银盐的浓度为0.01～0.05M；

和/或，所述溶解时的温度为85～95℃。

10.权利要求1～8任一项所述的银-核苷五元环络合物超分子水凝胶在制备人工通道、药物传递系统、多孔材料、包裹材料、催化合成材料中的用途。

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