甲氧基富勒醇的合成及其超分子组装和表征

王先津，李井龙，赛 霆，郝彩霞，张盼盼，张 鑫，贺继东

(青岛科技大学 橡塑材料与工程教育部重点实验室 山东省橡塑材料与工程重点实验室,山东 青岛 266042)



甲氧基富勒醇的合成及其超分子组装和表征

王先津，李井龙，赛 霆，郝彩霞，张盼盼，张 鑫，贺继东*

(青岛科技大学 橡塑材料与工程教育部重点实验室 山东省橡塑材料与工程重点实验室,山东 青岛 266042)

将富勒烯(C60)与液溴反应制备溴代富勒烯，进而在碱性环境中与甲醇通过亲核取代反应制备得到两亲性富勒醇衍生物——甲氧基富勒醇。以环氧氯丙烷为交联剂，在碱性介质中合成水溶性的聚β-环糊精(β-CDP)。将甲氧基富勒醇与β-CDP通过研磨等方法进行超分子组装，得到甲氧基富勒醇与β-CDP的超分子组装体。采用FTIR、1HNMR、TG-DTG对甲氧基富勒醇的结构进行表征，采用FTIR、SEM对β-CDP的结构进行表征，采用FTIR、SEM、DLS对组装体的结构进行表征。

甲氧基富勒醇；两亲性；聚β-环糊精；超分子组装

富勒烯(C60)及其衍生物自被发现以来就备受关注。C60是一种非极性分子，具有较强电负性与疏水性(水中的溶解度小于0.1 ng· L-1)[1]，使其在物理化学、材料科学、医学、光学等[2-3]领域的研究和应用受到极大的限制。大量实验表明，C60及其衍生物在抗艾滋病毒、神经保护、抗菌、DNA切割和光动力学治疗等方面具有良好的应用前景[4]。C60还是一个优良的电子接受体，可根据特殊要求引入多种官能团，因此它是药物设计的理想载体，同时它极易与游离基反应，被誉为 “吸收游离基的海绵”，尤其是对自由基的清除十分重要。因此，合成具有特殊生物活性的C60衍生物是近年来十分活跃的研究领域。

通常提高C60在水中溶解度的方法有包埋法(capsulation)[5]、化学修饰法(chemical modification)[6]等。在C60上引入亲水基(如羟基、羧基等)是常用的方法，其中研究最多的就是富勒醇[Fullerols，C60(OH)n]。富勒醇[7-9]是富勒烯的一种衍生物，也是水溶性富勒烯的佼佼者，其合成方法多种多样：C60与钾反应制备富勒醇法[10]、四丁基氢氧化铵(TBAH)催化合成法[11]、C60的硼氢化反应法[12]等。但这些方法普遍反应复杂，过程繁琐，副产物较多，产率较低。而采用新型富勒醇合成方法[13]制备两亲性甲氧基富勒醇，方法简单，副产物少，产物结构稳定。甲氧基富勒醇分子中含有多个羟基，具有良好的水溶性和生物相容性，并且碳骨架上的羟基位于烯丙位，具有清除自由基、水溶性抗氧化和抑制癌细胞增殖等功能[14]，因此可应用于基因探针、抗癌药物载体等多个领域[15-17]。

研究发现，甲氧基富勒醇结构形状与环糊精(CD)具有一定的匹配性[18]，两者都是两亲性的多羟基化合物，分子间易形成氢键，为超分子组装奠定了基础[19]。Andersson等[5]制备了γ-CD和C60的复合物,Boulas等[20]用研磨法获得类似产物，以增大C60的溶解度。目前常见的环糊精的型号有3种，分别为α-CD、β-CD、γ-CD。β-CD 的价格比α-CD和γ-CD低且原料易得,应用广泛，其毒性和药理学方面的研究开展得比较全面。因此，作者采用新型合成方法制备了甲氧基富勒醇，并将其与聚β-环糊精(β-CDP)进行超分子组装，得到稳定的包合物甲氧基富勒醇与β-CDP超分子组装体(简称组装体)，采用FTIR、SEM、DLS等方法对组装体进行了表征。为拓展富勒烯衍生物的研究提供参考。

1 实验

1.1 试剂与仪器

C60(含量≥99.9%)，濮阳永新富勒烯科技有限公司；液溴(含量≥99．5%)，国药集团化学试剂有限公司;硅胶粉(200～300目)，青岛海洋化工厂；β-环糊精(纯度≥97%)，Sigma公司；环氧氯丙烷，天津博迪化工股份有限公司；氢氧化钠、甲苯、丙酮、甲醇、无水乙醇、无水亚硫酸钠等均为分析纯。

MD34(3500)型透析袋，北京索莱宝科技有限公司;玛瑙研钵，辽宁凌源博华玛瑙制品厂；BSA125型电子分析天平，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；SHZ-Ⅲ型循环水真空泵、DZF-6020型真空干燥箱、DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，河南予华仪器有限公司；RH basic 1型电磁搅拌器，德国IKA公司；101-1A型电热鼓风干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司；RE52CS型旋转蒸发器、B-220型恒温水浴锅，上海亚荣生化仪器厂；HC-3018型高速离心机,安徽中科中佳科学仪器有限公司；SK1200H型超声波振荡仪，上海科导超声仪器有限公司；TENSOR-27 型傅立叶变换红外光谱仪、AV500型核磁共振仪，德国Bruker公司；Mettlertolledo 1SF 型热失重仪，瑞士Mettlertolledo公司;Malvern Zetasizer Nano ZS90 型纳米粒径电位分析仪，英国马尔文仪器有限公司；JSM-7500F 型扫描电镜仪，日本电子。

1.2 方法

1.2.1 C60Br24的合成

称取0.5 g C60粉末于100 mL圆底烧瓶中，缓慢加入65 mL液溴，将圆底烧瓶放入超声波振荡仪中振荡1 min，使其充分混合均匀，固定在30 ℃恒温油浴锅中反应4 d。待反应结束后，减压抽滤，用亚硫酸钠溶液吸收挥发的溴蒸汽。待产物表面残存的溴单质挥发后，在60 ℃真空干燥箱中干燥至恒重，得到棕褐色固体即溴代富勒烯C60Br24。

1.2.2 甲氧基富勒醇的合成

称取500 mg C60Br24在玛瑙研钵中研磨，倒入100 mL单口烧瓶中，向其中加入25 mL甲醇，在超声波振荡仪中振荡15 min。称取6 g氢氧化钠于烧杯中，加入40 mL去离子水配制成质量分数为13%的氢氧化钠溶液，随后将其与甲醇溶解的C60Br24充分混合，置于23 ℃水浴中恒温反应24 h。反应结束后，滴加浓盐酸调节pH值为7。

1.2.3 甲氧基富勒醇的提纯

实验采用旋蒸-柱层析法对合成的甲氧基富勒醇进行提纯。反应液中含有大量杂质盐，其在水中的溶解度大，而在乙醇中的溶解度小，因此可以通过饱和溶液析出的方法除去杂质盐，初步提纯产物。然后取红褐色上清液加入足量乙醇，在40 ℃负压旋蒸至完全除去水。用适量丙酮溶解产物，析出大量的盐，离心取上清液旋蒸，得到固体甲氧基富勒醇。

采用柱色谱对产物进一步提纯。首先进行薄层色谱(TLC)分离，用甲苯-乙醇( 6∶1，体积比)混合溶剂作为展开剂，TLC分离得到3种组分：一种与溶剂同步移动；一种随溶剂移动得较慢，比移值Rf约为0.6；另一种不随溶剂移动。将前2种组分收集后，用乙醇将不随溶剂移动的组分淋洗下来。收集完3种组分后分别旋蒸，Rf=0.6的点是比较纯的产物，置于40 ℃真空干燥箱内干燥。

1.2.4β-CDP的合成

称取5.3 gβ-CD粉末于100 mL圆底烧瓶中,加入20 mL配制好的20%氢氧化钠溶液，室温搅拌反应12 h。之后缓慢加入2.95 mL环氧氯丙烷，搅拌均匀，滴加浓盐酸调节pH值为12，放入50 ℃恒温油浴锅中反应3 h。待反应结束调节反应液的pH值为7，然后加入一定量丙酮清洗，产生白色沉淀，离心。取白色沉淀干燥至恒重，然后透析。透析后的溶液加入大量甲醇，再加入丙酮自然聚沉，干燥，得到相对分子质量比较均匀的β-CDP。其合成路线[21]如图1所示。

图1 β-CDP的合成路线Fig.1 Synthetic route of β-CDP

1.2.5 组装体的合成

称取0.102 gβ-CDP与0.017 g甲氧基富勒醇，分别用少量水溶解后，在研钵中研磨15 min得到均匀的混合液。将混合液倒入50 mL单口圆底烧瓶中，在超声波振荡仪中振荡1 h，再在室温搅拌12 h，将溶液冷却干燥即得到组装体。

1.3 甲氧基富勒醇、β-CDP和组装体的结构表征

分别用FTIR、1HNMR、TG-DTG对甲氧基富勒醇的结构进行表征。分别用FTIR、SEM对β-CDP的结构进行表征。分别用FTIR、SEM、DLS对组装体的结构进行表征。

2 结果与讨论

2.1 甲氧基富勒醇的结构表征

2.1.1 FTIR分析(图2)

a.纯化的甲氧基富勒醇 b.未纯化的甲氧基富勒醇

由图2可知，3 454 cm-1处为-OH的伸缩振动峰，1 456 cm-1处为-OH 的弯曲振动峰，621 cm-1指纹区的峰为-OH的面外摇摆振动峰，表明产物中存在-OH。2 928 cm-1处为-CH3上C-H的伸缩振动峰，1 091 cm-1处为-C-O-的伸缩振动峰，表明产物中存在-OCH3。1 634 cm-1处为-C=C-的伸缩振动峰，表明产物中存在C=C。对比2条曲线可知，纯化后的甲氧基富勒醇(曲线a)杂质峰明显减少，特征峰更加明显。

2.1.21HNMR分析

图3是以氘代氯仿(CDCl3，δ7.26)为溶剂、四甲基硅烷(TMS)为内标的1HNMR图谱。

图3 纯化的甲氧基富勒醇的1HNMR图谱Fig.3 1HNMR spectrum of purified methoxy fullerol

由图3可知，δ3.62处为-CH3的化学位移值，δ1.26处为-OH 的化学位移值。结合FTIR图谱与1HNMR图谱，表明甲氧基富勒醇制备成功。

2.1.3 TG-DTG分析

测试条件：N2氛围，初始温度30 ℃，升温速率10 ℃·min-1，终点温度900 ℃。甲氧基富勒醇的TG-DTG曲线见图4。

图4 甲氧基富勒醇的TG-DTG 曲线Fig.4 TG-DTG curves of methoxy fullerol

由图4可知，加热过程中共有4个失重阶段：温度低于120 ℃时，主要为样品吸附的水分等易挥发物质的质量损失，占16.32%；120～180 ℃，主要为甲氧基的降解，质量损失占6.75%；180～427 ℃，主要为羟基的降解，质量损失占21.87%；温度超过427 ℃时，主要为碳骨架的降解，质量损失占32.16%；最后残留质量11.45%，故碳原子的质量分数为43.61%。

经计算，合成产物中n(C)∶n(OH)∶n(OCH3) = 60∶21∶3,故初步判断合成的产物分子式为C60(OH)21(OCH3)3。

2.2β-CDP的结构表征

2.2.1 FTIR分析(图5)

图5 β-CD(a)与β-CDP(b)的FTIR图谱Fig.5 FTIR spectra of β-CD(a) and β-CDP(b)

由图5可知，β-CD和β-CDP在3 357 cm-1附近都出现强的-OH伸缩振动吸收峰，2 924 cm-1处都有-CH2的伸缩振动峰，1 411 cm-1、1 300 cm-1处是-CH2的相关峰；在β-CDP曲线中，1 080 cm-1处为-C-O-的伸缩振动峰，1 022 cm-1处为-C-O-C-的伸缩振动峰，这两个特征吸收峰说明在β-CDP中仍保留了β-CD的空腔结构。交联剂环氧氯丙烷在1 270 cm-1附近的环氧环特征峰和1 270 cm-1处的-C-Cl特征峰在β-CDP中没有出现，表明环氧氯丙烷与β-CD发生了交联共聚反应。比较β-CD和β-CDP的FTIR图谱可知，聚合后产物的特征峰较宽，而且较强。由此，初步推测β-CDP制备成功。

2.2.2 SEM分析(图6)

由图6a可知，β-CD单体总体是分散的，但也有团聚的现象。为防止团聚，在使用β-CD之前进行干燥研磨。由图6b可知，反应后的β-CD明显发生了共聚反应，表明成功制备了β-CDP。

2.3 组装体的结构表征

2.3.1 FTIR分析(图7)

由图7可知，组装体(曲线b)具有甲氧基富勒醇(曲线a)和β-CDP(曲线c)两者的特征峰，并且在3 357 cm-1处、1 022 cm-1处组装体比β-CDP出峰明显。1 300～1 000 cm-1处是醚键的特征峰位置，甲氧基富勒醇和组装体相比，后者明显出现了这段特征峰，说明两种物质间进行了分子组装。

图6 β-CD(a)和β-CDP(b)的SEM照片Fig.6 SEM images of β-CD(a) and β-CDP(b)

图7 甲氧基富勒醇(a)、组装体(b)和β-CDP(c)的FTIR图谱Fig.7 FTIR spectra of methoxy fullerol(a)，assembly(b) and β-CDP(c)

2.3.2 SEM分析(图8)

由图8可知，甲氧基富勒醇与β-CDP的超分子组装体基本得到。图8a、c是在较大视野下拍摄的图像，可以看到在β-CDP表面有分子的富集;图8b、d是细节上的图像，可以看出组装体的表面甲氧基富勒醇附着在β-CDP的表面。在组装体中有少量的棍状颗粒，这是由于，β-CDP是一个三维立体的碗状空腔，跟甲氧基富勒醇超分子组装时，不只是在某一平面上的组装，而是三维的空间发展，导致了其在某种程度上的增长，形成了直径较粗的长棍状颗粒，还需要进一步的研究。

2.3.3 DLS分析(图9)

图8 组装体的SEM照片Fig.8 SEM images of assembly

图9 β-CDP(a)和组装体(b)的粒径分布图Fig.9 Particle size distribution maps of β-CDP(a) and assembly(b)

由图9可知，β-CDP在10 nm左右存在粒径分布，且粒径分布相比于组装体的较宽，这是由于β-CDP中存在少量的小分子β-CD预聚物以及未聚合的β-CD。组装体的粒径分布在100～700 nm之间，同时粒径分布为10 nm左右的粒子消失，粒径分布变窄，丰富度变大。这说明超分子组装得到的产品粒径分布均匀，主要集中在200～400 nm左右，达到预期目标。

3 结论

根据富勒烯的特殊结构，通过亲核取代反应制备了两亲性富勒醇衍生物甲氧基富勒醇。甲氧基富勒醇在富勒醇的基础上引入了一定数量的甲氧基官能团，不仅可溶于水、醇等极性溶剂还可以溶解在苯、甲苯等非极性溶剂中，具有典型的两亲性。将甲氧基富勒醇进一步和β-CDP进行超分子组装，通过FTIR、SEM以及DLS分析可知成功制备出粒径分布均匀的新型两亲性富勒烯衍生物材料。组装体更大程度地提高了甲氧基富勒醇的溶解性与生物相容性，在物理化学、材料科学、医药材料等领域具有重要的潜在研究价值和应用前景，为后期富勒烯衍生物进一步研究提供参考。

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Synthesis of Methoxy Fullerol and Its Supramolecular Assembly and Characterization

WANG Xian-jin，LI Jing-long，SAI Ting，HAO Cai-xia，ZHANG Pan-pan,ZHANG Xin，HE Ji-dong*

(KeyLaboratoryofRubber-PlasticsofMinistryofEducation，ShandongProvincialKeyLaboratoryofRubber-Plastics，QingdaoUniversityofScience&Technology，Qingdao266042，China)

Brominated fullerene was prepared by reaction of fullerene with liquid bromine，and amphiphilic fullerol derivative (methoxy fullerol) was obtained by an electrophilic substitution reaction of brominated fullerene with methanol in an alkaline environment.The water solubleβ-cyclodextrin cross-linked polymer(β-CDP) was synthesized using epichlorohydrin(ECH) as a cross-linking agent in alkaline medium.Then supramolecular assembly was formed by mixing methoxy fullerol withβ-CDP.The structure of methoxy fullerol was characterized by FTIR，1HNMR and TG-DTG，the structure ofβ-CDP was characterized by FTIR and SEM，and the structure of supramolecular assembly was characterized by FTIR,SEM and DLS.

methoxy fullerol；amphiphilic;β-cyclodextrin cross-linked polymer；supramolecular assembly

2016-12-13

王先津(1990-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：功能与特种高分子材料，E-mail:1145129656@qq.com；通讯作者：贺继东，教授，E-mail:hejidong@chemist.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.05.009

O621.3

A

1672-5425(2017)05-0040-06

王先津，李井龙，赛霆，等.甲氧基富勒醇的合成及其超分子组装和表征[J].化学与生物工程，2017，34(5)：40-45.