基于单肽的相选择胶凝剂的制备及凝胶性能研究

邓邵文，曾 悦，刘若灵，李中燕，袁 霖

(湖南科技学院 化学与生物工程学院，湖南 永州 425199)

随着全球海洋石油大规模开发和石油海运的迅速发展，在开采、炼制、贮运等过程中进入海洋环境的石油及其制品，每年达到1000万～1500万t，约占世界石油年产量的5%，给海洋生态系统带来了灾难性的后果，也导致了巨大的经济损失[1-3]。另外，随着城市化进程的加快，工业含油废水及有机溶剂(如苯、甲苯等)的排放日益增加，严重威胁着公众健康和陆地生态系统。突发性溢油事故的发生往往令人措手不及，防范困难，已经成为海洋及陆地生态系统保护的一项重大课题。当前，溢油处理的方式主要有原位燃烧、使用围油栏和撇油器、生物降解、分散剂等[4-6]。但是以上技术都存在一定的缺陷，在处理大规模溢油事件时作用十分有限。2001年，Bhattacharya 和 Krishnan-Ghosh首次提出了用相选择胶凝剂(PSG)处理海上溢油的概念[7]。这种PSG能够在油水两相体系中通过非共价键的弱相互作用自组装形成3D网络结构，选择性地将油相固化。由于固化的溢油易于用网具等机械设备打捞出水面并加以回收，PSG作为溢油清除材料引起了诸多化学家的兴趣[8-14]。目前，PSG主要分为助溶剂型与粉末型[15]，其中粉末型PSG是指能够以粉末的形式在室温下将油品固化的凝胶剂。与助溶剂型PSG相比，粉末型PSG在进行溢油处理时，不需要进行加热或助溶剂的辅助，直接将其播撒在油水表面，即可使得溢油固化；该方法避免了助溶剂的使用，具有操作简便，安全环保等优点。但是，目前具有室温凝胶性能的粉末型PSG多为偶然发现，室温下形成凝胶的机理尚不明确。为此，本文设计合成了一系列单肽凝胶剂(图1)，并测试了其室温粉末相选择凝胶性能。

图1 单肽目标化合物(a)及其合成路线(b)

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

1H NMR 和13C NMR采用Bruker公司的AV 400型核磁共振仪， 以CDCl3为溶剂，TMS为内标测定，质谱由SHIMADZU LCMS-8030测定；Fmoc-保护氨基酸 (Fmoc-R-OH)、正癸胺、卡特缩合剂(BOP)、N,N-二异丙基乙胺(DIEA)、哌啶 (上海泰坦科技股份有限公司)，其余试剂均为市售分析纯或化学纯。

1.2 目标化合物的合成

1.2.1 化合物1的制备

称取Fmoc-R-OH (1.0 mmol)，正癸胺(1.0 mmol)和BOP (486 mg，1.1 mmol) 溶解在CH2Cl2/DMF (20 mL/10 mL)的混合溶剂中，随后加入DIEA (0.39 mL，2.2 mmol)。反应液在室温下搅拌20 h。反应完全后，除去溶剂并把残余物溶解至CH2Cl2(50 mL) 中，用水萃取洗涤两次，每次50 mL，然后用无水Na2SO4干燥过夜，除去溶剂得粗产品。通过快速制备色谱提纯(MeOH∶CH2Cl2= 1∶25,v∶v)，可得到白色固体，即化合物1。

1.2.2 化合物2的制备

称取化合物1 (4 mmol) 溶解至CHCl3(20 mL)中，随后加入哌啶(2.0 mL)，反应液在室温下搅拌12 h。反应完全后，除去溶剂，残余物通过快速制备色谱提纯(MeOH∶CH2Cl2=1∶20，v∶v)，得到淡黄色液体，即化合物2。

1.2.3 化合物3的制备

称取3,4-二甲氧基苯甲酸(1.0 mmol)，化合物2(1.0 mmol)和BOP(486 mg，1.1 mmol) 溶解在CH2Cl2/DMF (20 mL/10 mL)的混合溶剂中，随后加入DIEA(0.39 mL,2.2 mmol)。反应液在室温下搅拌20 h。反应完全后，除去溶剂并把残余物溶解至CH2Cl2(50 mL)中，用水萃取洗涤两次，每次50 mL，然后用无水Na2SO4干燥过夜，除去溶剂得粗产品。通过快速制备色谱提纯(MeOH∶CH2Cl2=1∶25，v∶v)，可得到白色固体，即化合物3。

3a：白色固体，产率86%。1H NMR(400 MHz，CDCl3) δ 7.36 (s,1H)，7.28 (d,J= 8.0，1H)，6.83 (s，1H)，6.80～6.76 (m，1H)，6.40 (s，1H)，4.38～4.24 (m，1H)，3.85 (s，6H)，3.34～3.07 (m，2H)，1.51～1.41 (m，2H)，1.27～1.13 (m，14H)，0.99～0.91 (m，3H)，0.83～0.76 (m，3H)。13C NMR (100 MHz，CDCl3) δ 172.32，167.00，152.00，148.96，126.38，119.95，110.55，110.25，56.02，52.34，41.35，39.68，31.91，29.71，29.46，29.30，26.91，24.98，22.70，22.41，14.13。MS～ESI: calculated for [M+Na]+(C22H36O4N2Na)：m/z 415.26，found: m/z 415.18.

3b：白色固体，产率90%。1H NMR (400 MHz，CDCl3) δ 7.37 (s，1H)，7.30 (d，J= 8.2，1H)，6.81 (s，1H)，6.80～6.76 (m，1H)，6.45 (s，1H)，4.39～4.25 (m，1H)，3.86 (s，6H)，3.34～3.07 (m，2H)，2.24～2.08 (m，1H)，1.50～1.40 (m，2H)，1.26～1.13 (m，14H)，0.99～0.91 (m，6H)，0.83～0.76 (m，3H)。13C NMR (100 MHz，CDCl3) δ 172.32，167.01，152.01，148.96，126.37，119.94，110.56，110.27，56.02，52.34，41.36，39.68，31.92，29.72，29.56，29.46，29.30，26.91，24.97，22.70，22.41，14.13。MS-ESI: calculated for [M+Na]+(C24H40O4N2Na)：m/z 443.29，found: m/z 443.18。

3c：白色固体，产率85%。1H NMR (400 MHz，CDCl3) δ 7.34 (s，1H)，7.28 (d，J= 8.2，1H)，6.85 (s，1H)，6.80～6.73 (m，1H)，6.49 (s，1H)，4.66～4.54 (m，1H)，3.84 (s，6H)，3.26～3.04 (m，2H)，1.75～1.59 (m，3H)，1.49～1.35 (m，2H)，1.25～1.11 (m，14H)，0.96～0.87 (m，6H)，0.83～0.76 (m，3H)。13C NMR (100 MHz，CDCl3) δ 172.32，167.01，152.00，148.96，126.38，119.94，110.55，110.26，56.02，52.34，41.35，39.68，31.91，29.71，29.56，29.46，29.33，29.30，26.91，24.98，22.93，22.70，22.41，14.13。MS-ESI: calculated for [M+Na]+(C25H42O4N2Na)：m/z 457.30，found: m/z 457.20。

3d：白色固体，产率87%。1H NMR (400 MHz，CDCl3) δ 7.34 (s，1H)，7.27 (d，J= 8.2，1H)，6.85 (s，1H)，6.80～6.73 (m，1H)，6.49 (s，1H)，4.66～4.54 (m，1H)，3.84 (s，6H)，3.27～3.04 (m，2H)，1.97～1.83 (m，1H)，1.48 (d，J = 5.1 Hz，2H)，1.32～1.09 (m，16H)，0.97～0.82 (m，9H)。13C NMR (100 MHz，CDCl3) δ172.31，167.00，152.00，148.95，126.37，119.95，110.55，110.25，56.01，52.33，41.34，39.68，31.90，29.71，29.55，29.46，29.33，29.30，26.91，24.97，22.92，22.70，22.40，14.12。MS-ESI: calculated for [M+Na]+(C25H42O4N2Na)：m/z 457.30，found: m/z 457.18。

3e：白色固体，产率88%。1H NMR (400 MHz，CDCl3) δ 7.31～7.15 (m，7H)，6.91 (s，1H)，6.77 (d，J= 8.3Hz，1H)，5.76 (s，1H)，4.71 (q，J = 7.4Hz，1H)，3.84 (s，6H)，3.28～2.89 (m，4H)，1.34～0.99 (m，16H)，0.88～0.71 (m，3H)。13C NMR (100 MHz，CDCl3) δ 170.81，167.05，152.07，148.97，136.92，129.40，128.75，127.08，119.88，110.43，110.32，56.03，55.30，39.66，38.83，31.90，29.72，29.55，29.51，29.32，29.27，29.24，26.80，22.69，14.13。MS-ESI: calculated for [M+Na]+(C28H40O4N2Na)：m/z 491.29，found: m/z 491.15。

1.3 凝胶性能测试

采取倒置试管法：在此测定的是浓度为5% w/v时的凝胶性能。称取10 mg凝胶剂于直径4 mm的4 mL的密封玻璃瓶中，加入0.2 mL溶剂。加热至固体完全溶解，然后冷却至室温，倒转小瓶观察现象。若加热全溶，冷却后仍为透明溶液状态，则记为溶解(S)；若加热全溶，冷却后有白色沉淀析出，则记为沉淀(P)；若加热全溶，冷却后倒置玻璃瓶无液体流动，则判断形成凝胶，记为凝胶(G)；若加热全溶，冷却后仍有部分液体流动，则记为部分凝胶(PG)。

1.4 最小凝胶浓度(MGC)的测定

向上述能够成凝胶的玻璃瓶中加入定量溶胶剂(如0.1 mL)，重复上述加热冷却步骤，直至凝胶不能形成，上次的凝胶浓度即为最小凝胶浓度。每个实验重复检测3次。

1.5 室温粉末凝胶性能测试

采取倒置试管法：在此测定的是浓度为5%(w/v)时的室温粉末凝胶性能。在室温下，称取0.2 mL纯溶剂于直径4 mm的4 mL的密封玻璃瓶中，随后直接加入10 mg凝胶剂粉末，摇晃30 s，然后静置，并观察是否能够成凝胶，倒置玻璃瓶无液体流动，则视为形成凝胶，记为凝胶(G)。

1.6 室温粉末相选择凝胶性能测试

在此测定的是浓度为5%(w/v)时的室温粉末相选择凝胶性能。在室温下，向有机溶剂(0.5 mL)和水(2.0 mL)的混合体系中直接加入凝胶剂粉末(25 mg)。摇晃混合体系30 s，然后静置，并观察是否能够成凝胶。

2 结果与讨论

2.1 热凝胶性能

在此，我们采取倒置试管法，通过加热-冷却的方式对单肽目标化合物的热凝胶性能进行了测试，对于负载量为5%(w/v)时能够成凝胶的凝胶剂，我们进一步测定了最小凝胶浓度(图2(a))，相应的实验结果列在了表1中，最小凝胶浓度范围在0.27%～4.32%(w/v)之间，而且最小凝胶浓度下形成的凝胶在室温下放置1个月仍然稳定。

图2 (a)最小凝胶浓度下的3e-二甲苯热凝胶，(b)负载量为5%(w/v)的3e-二甲苯室温凝胶，(c)二甲苯/水两相体系(0.5 mL/2.0 mL)中的3e-二甲苯凝胶 (负载量为5%(w/v))Fig.2 (a) Reversible sol-to-gel transitions of 3e-xylenes gel stimulated by heating at its MGC,(b) 3e-xylenes gel at gelator loading of 5% w/v at room temperature and (c) Inverted vials of 3e-xylenes gel (5% w/v of 3e in 0.5 mL of xylenes) formed phase-selectively in a two-phase mixture of xylenes and water (0.5mL/2.0 mL)

表1 单肽目标化合物的最小凝胶浓度(MGC)

2.2 室温粉末凝胶能测试

在室温下，凝胶剂直接以粉末的形式固化纯溶剂的实验结果列于表2中。结果显示，部分凝胶剂对所测溶剂具有良好的凝胶效果，其中凝胶剂3d能够在4 min中内快速固化汽油和柴油，凝胶剂3e能够在15 min中内固化苯、甲苯和二甲苯(图2(b))，这为室温粉末相选择凝胶性能的测定提供了良好的基础。

表2 单肽目标化合物在负载量为5%(w/v)时的室温粉末凝胶凝胶能力及凝胶(观察时间为1 h)

2.3 室温粉末相选择凝胶性能

相选择凝胶剂有望为溢油事件处理提供新的突破，其中粉末型相选择凝胶剂是最为理想的选择，但是很难获得。很幸运，本文报道的一系列相选择凝胶剂，特别是凝胶剂3d和3e能够以粉末的形式快速从油水两相中选择性地固化油相。这里我们以凝胶剂3e为例进行室温粉末相选择凝胶性能的测定。凝胶剂3e以粉末的形式直接撒在二甲苯/水(0.5 mL/2.0 mL)的混合体系中，通过轻轻摇晃然后静置，3e即可以在2 min之内将二甲苯固化形成凝胶，漂浮在水面上；如果剧烈摇晃然后静置，二甲苯可以形成更加坚固的凝胶，如图2(c)所示，形成的凝胶能够承受自身以及水的重量。固化之后的油相具有一定的机械强度，可以通过网具打捞或过滤等方式进行油和水的分离，然后通过蒸馏和重结晶等操作可以实现溢油和凝胶剂的回收(图3)。

(a)水(10 mL)和二甲苯(5 mL)的混合物，(b)在二甲苯/水混合物中添加3e粉末(250 mg)，并通过简单摇动形成白色凝胶，(c)通过过滤分离得到的凝胶，(d)通过蒸馏分离出的二甲苯

3 结论

综上所述，本文通过简单的化学方法合成了一系列单肽胶凝剂，通过1H NMR，13C NMR和质谱对其结构进行了表征。并且对目标化合物进行了凝胶性能的测试，结果表明，这些单肽胶凝剂在室温下能够以粉末的形式直接胶凝多种有机溶剂，其中凝胶剂3d对汽油、柴油和凝胶剂3e对苯、甲苯和二甲苯具有良好的室温凝胶性能。在油水两相的室温相选择凝胶实验中，凝胶剂3d和3e在油水两相混合体系表现出出色的相选择凝胶性能，而且固化的油品具有一定的机械强度，可以通过简单地过滤实现油水分离。并且利用凝胶剂3e的室温粉末凝胶性能，进行了溢油回收模拟实验，结果说明其在溢油处理中具有一定的应用价值。