题目：双胆固醇型小分子有机胶凝剂的设计合成及其胶凝行为研究

摘要  近年来，人们对以小分子有机化合物为胶凝剂的超分子凝胶的关注日益增加，这不仅是为了理解小分子有机胶凝剂（LMOGs）的有序聚集行为，而且是为了获得性质独特的刺激响应性软物质材料。此类超分子凝胶的三维网络是胶凝剂分子通过氢键、π-π堆积、范德华力、静电、配位、以及偶极等分子间弱相互作用维持的。这种弱相互作用特征决定了小分子凝胶往往具有良好的热可逆性，微观和介观尺度的高分散性，以及对光、电、主客体、氧化/还原、剪切作用等的刺激响应性。因此，小分子凝胶被广泛应用于传感、药物缓释、分子器件、先进材料制备等领域。
胆固醇类衍生物作为小分子有机胶凝剂，由于胆固醇片段的特殊结构和这类化合物良好的胶凝能力一直是人们研究的热点。到目前为止，人们已经创制了众多的胆固醇类胶凝剂，某些以胆固醇衍生物为胶凝剂的超分子凝胶也开始获得应用。但是人们对胶凝剂分子结构与其胶凝行为，以及所形成凝胶的关系理解还远远不够，还有大量工作需要进行。根据文献调研结果和本小组已有的工作，本学位论文以胆固醇、脂肪二酸和氨基酸为基础，设计合成了连接臂长度和手性不同的一系列双胆固醇类化合物。这类化合物表现出了非凡的胶凝能力，得到了大量的未见文献报道的室温成胶体系。此外，还获得了室温选择性胶凝体系和油包水（W/O）型凝胶乳液体系。利用流变学、SEM、TEM、Afm、XRD、CD、FTIR、1H NMR等方法对凝胶性质、微观结构以及凝胶形成机理进行了深入研究，为后续新胶凝剂分子的设计以及凝胶的应用研究奠定了基础。本学位论文主要开展了以下工作：
在第一部分工作中，以二酸为连接臂，通过改变连接臂的长度，同时利用手性氨基酸L(D)-丙氨酸将相反手性引入连接臂中，设计合成了一系列双胆固醇型LMOGs[1]，研究了这些化合物的胶凝行为，凝胶性质和凝胶形成机理。胶凝实验表明，此类化合物是非常有效的有机胶凝剂。连接臂长度的微小变化或氨基酸片段手性的反转都会导致化合物的胶凝行为发生显著变化。连接臂较短时，含D-丙氨酸化合物的胶凝能力要好于连接臂长度相同的L-丙氨酸的化合物，而当连接臂较长时，情况与之相反。所有化合物中，2b的胶凝能力最强，能胶凝所考察的绝大部分溶剂。在这部分工作中，所研究的凝胶体系中至少有11个为室温成胶体系，包括：1b/石油醚、1b/正辛烷、1b/正壬烷、2a/正壬烷、2b/正辛烷、4a/三乙胺、4a/乙酸丁酯、4a/正庚烷、4a/正辛烷、4a/正壬烷和4a/正癸烷。流变学研究表明这些室温成胶体系都具有剪切触变性，连接臂长度与胶凝剂浓度对凝胶的力学性质产生了明显影响。SEM、XRD和CD测试揭示了连接臂的长度和手性显著影响着胶凝剂分子的聚集方式、凝胶的形貌和聚集体的手性。变浓度、变温1H NMR和FTIR测试揭示胶凝剂分子中酰胺键的N-H和羧酸基团之间的氢键是凝胶形成的主要驱动力之一。此外，研究发现4a在某些烷烃与水的混合溶剂中，室温下通过简单的搅拌就可以形成含水量高达90 %（v/v）以上的凝胶乳液。
在第二部分工作中，通过改变连接臂的长度，制备了4个含L-苯丙氨酸的双胆固醇LMOGs[2]。该部分工作研究了4个化合物在29种有机溶剂中的胶凝行为，发现此类化合物能胶凝的溶剂数目相当，但是溶剂种类不同。通过胶凝实验结果的对比和SEM与XRD测试，表明化合物在凝胶体系中的聚集方式、微观形貌及其胶凝能力都极度依赖于两个胆固醇片段之间的连接臂的长度。所获得的77个凝胶中，至少有7个室温成胶体系，包括：2/航空煤油、2/甲苯、2/二甲苯、3/航空煤油、3/正戊醇、3/正己醇和3/正庚醇。此外，研究发现，在有机溶剂与水的混合体系中，2可以选择性胶凝二甲苯，3可以选择性胶凝航空煤油。重要的是，此选择性胶凝过程中不需要加热或加入助溶剂。2甚至在温度低至0 °C仍然可完成对二甲苯的选择性胶凝。流变学研究表明，这些凝胶的力学强度足以使它们与水分离。显然，这类体系在有机溶剂与水的分离、海上溢油处理方面有很好的应用前景。FTIR和变温1H NMR测试揭示了氢键对凝胶网络结构的形成与保持发挥着重要的作用。
从前两部分工作中可以发现，两个胆固醇片段之间的连接臂的长度对双胆固醇型化合物的胶凝行为的影响非常显著。因此在第三部分工作中，制备了含D-苯丙氨酸的6个不同连接臂长度的双胆固醇LMOGs[3]，并研究了它们在25种有机溶剂中的胶凝行为。结果表明，连接臂的长度对化合物的凝胶能力有显著的影响，化合物1的凝胶能力最差，只能胶凝4种溶剂，而连接臂只差一个CH2的化合物2的胶凝能力最好，它可以胶凝除甲醇与正己烷以外的所有溶剂。此外，连接臂的碳原子个数为偶数的化合物的胶凝能力总是好于其为奇数的化合物。在这部分工作中，发现了11个室温成胶体系，但是只涉及四种溶剂即苯、甲苯、二甲苯和CCl4，2，4，5和6可室温胶凝苯；2，5和6可室温胶凝甲苯；5和6可室温胶凝二甲苯；2和4可室温胶凝CCl4。SEM、TEM和XRD测试揭示了连接臂的长度显著影响着凝胶剂分子的簇集方式，形成了不同的凝胶微观形貌。变浓度1H NMR测试揭示了胶凝剂分子之间的氢键是凝胶形成的主要驱动力之一。
凝胶乳液由于其特殊的泡沫结构和流变学性质而备受关注，被广泛应用于化妆品、医药和材料的模板法制备等领域，从而得到了良好的药物扩散体系和结构特殊的大孔有机和无机材料（固体泡沫）。在第一部分工作，发现L-丙氨酸胆固醇酯己二酰胺在室温下可直接胶凝某些烷烃和商品油，然后把水引入凝胶体系，可以获得混合溶剂的凝胶和凝胶乳液。在第四部分工作中，以1/正壬烷/水体系为例详细研究了含水量对体系的影响以及所得凝胶乳液的微观结构。该体系最大含水量（分散相）的体积分数是92%（v/v）。光学显微镜测试表明所得体系是典型的凝胶乳液泡沫结构。SEM和XRD测试表明，化合物1在纯凝胶和凝胶乳液中的聚集方式是相似的。流变学研究表明，1/水/正壬烷凝胶乳液有好的力学稳定性以及典型的粘弹性。然而，凝胶乳液的储能模量G′和屈服应力值随着分散相体积分数增加而降低，这个结果与文献所报道的其他凝胶乳液体系不同，其原因可能是双胆固醇化合物极其微弱的双亲性和它极强的胶凝能力致使连续相是凝胶，而不是乳液体系。这是首次发现胆固醇衍生物做稳定剂形成的凝胶乳液体系。在应用方面，本研究中所获得的凝胶乳液具有明显的优势：（1）只需要在室温下轻微的搅拌就可以获得；（2）化合物1是一个稳定非离子型的化合物，故而据有抗盐性。
 




[1]连接臂中心单元为丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸，当用L-丙氨酸引入手性时，这些化合物分别被记为：1a，2a，3a和4a；当用D-丙氨酸引入手性时，分别记为：1b，2b，3b和4b.


[2] 当连接臂中心单元为丙二酸、丁二酸、戊二酸和己二酸时，化合物分别记为：1，2，3和4.


[3] 当连接臂中心单元为丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸和辛二酸时，化合物分别记为：1，2，3，4，5，和6.