基于β⁃环糊精@全氟壬酸主客体作用构筑的斜六面体结构水凝胶

张 娟，胡馨月，王洪勃，廉 英，乐金玉，杨子浩

（中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院,北京102249）

目前，有关环糊精/表面活性剂包合物作为构筑单元直接形成超分子有序聚集体的研究主要集中在碳氢表面活性剂［1~5］.不同种类的碳氢表面活性剂与环糊精以不同的化学计量比形成多种形式的包合物，进而自组装形成各种聚集体.阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）与β-CD以化学计量比为1∶2形成复合物SDS@2β-CD，在不同浓度下，该复合物在水溶液中自组装成高度有序的层状结构、管状结构以及囊泡等分子有序聚集体［6，7］.两性表面活性剂十四烷基二甲基丙烷磺酸铵（TDPS）与β-CD形成的复合物2TDPS@3β-CD可以自组装成具有良好机械性能的水凝胶，其结构是由柔韧的相互缠结在一起的长微管形成的网络状结构，且该水凝胶对温度、pH和尿素等表现出多重响应性质［8］.非离子表面活性剂吐温20（Tween 20）与β-CD形成复合物Tween 20@2β-CD，该复合物在其浓度低于Tween 20的临界胶束浓度时即可自组装形成囊泡结构［9］.离子液体表面活性剂十六烷基三苯基溴化膦（C16TPB）与β-CD形成复合物C16TPB@2β-CD，可以进一步自组装形成囊泡，加入无机盐后得到片状结构形成的水凝胶［10］.在环糊精@表面活性剂的主-客体包合作用的研究中，客体分子种类的选择与设计在整个构建过程中发挥着至关重要的作用.与传统的碳氢表面活性剂相比，碳氟表面活性剂作为一类新型表面活性剂，也是一种特种表面活性剂，具有高表面活性、高化学稳定性以及既疏水又疏油的特性，在水溶液中可以形成更加稳定存在的新颖有序分子聚集体，在药物传输、显像造影剂和血液代用品等生物医学领域展现出巨大的潜在应用价值，是目前备受关注的一类表面活性剂［11~14］.但是截止目前为止，有关碳氟表面活性剂/环糊精体系的研究主要集中在其形成的包合物的结合常数和分子构型，且主要针对短链碳氟脂肪酸及其盐类表面活性剂（碳氟链长度≤8）［15~18］.迄今，尚没有关于碳氟表面活性剂/环糊精体系自组装形成的分子有序聚集体的报道.我们的前期研究［19］发现，α-环糊精（α-CD）与一种全氟脂肪酸表面活性剂全氟壬酸（PFNA），在水溶液中可以形成化学计量比为1∶1的包合物PFNA@α-CD，该包合物作为自组装基元可以进一步自组装形成蠕虫状胶束和囊泡凝胶.

为了进一步研究不同种类环糊精与全氟表面活性剂的自组装行为，本文研究了β-CD与PFNA在水溶液中的聚集行为，并成功构筑了一种由高度规整的斜六面体构成的水凝胶，探究了该水凝胶的形成机理及其对温度的响应性.该类晶型水凝胶的构筑有利于更好地了解水凝胶的形成机理以及促进新型智能材料的设计与合成.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

β-环糊精（β-cyclodextrin，纯度＞98%）和全氟壬酸（C8F17COOH，纯度＞98%）购于英国Fluorochem公司；去离子水（超纯水）和重水（D2O，纯度＞99.9%）购于北京迈瑞达科技有限公司.

JEOL JEM-1400型冷冻蚀刻透射电子显微镜（FFTEM），德国莱卡公司；BX-41型光学显微镜，日本奥林匹斯有限公司；SU8010型冷场发射扫描电子显微镜（SEM），日本日立公司；Bruker Avance型500 M核磁共振波谱仪（NMR），瑞士布鲁克公司，配备脉冲场梯度模块（z轴）和5 mm宽带观测（BBO）探针；MAGNA-IR 560 E.S.P型傅里叶变换红外光谱仪，美国尼高力仪器公司，波束范围为400~4000 cm−1；XRD-6000型X射线衍射仪，日本Shimadzu公司，发射源为CuKα（λ=0.15418 nm），工作电流为40 mA，电压40 kV，扫描速度1.0°/min，测试范围5°~35°；DSC-Q2000型差示扫描量热仪，美国TA仪器公司，氮气流速为20.0 mL/min，升温速率为5.0℃/min，温度范围为10.00~80.00℃；RheoStress 600型流变仪，德国HAAKE公司.

1.2 实验过程

1.2.1 样品的制备按一定比例分别称取β-CD与PFNA粉末（nβ-CD/nPFNA=1∶4，1∶2，1∶1）并放于血清瓶中，加入适量去离子水溶解，在25.0℃下，将样品置于艾卡摇床分散约1 h，然后将样品置于60℃恒温烘箱加热约30 min，期间每隔5 min取出轻微翻转摇晃，保证样品分散均匀，然后置于（25.0±0.1）℃恒温烘箱中保存至少28 d以达到平衡.在没有外界能量（如超声波或挤压）输入的情况下，可认为聚集体是自发形成的.

1.2.2 流变性质测试低黏度样品选Z41°Ti同轴转筒测量系统，高黏度样品选用防滑PP20椎板测量系统.测定弹性模量（G'）和黏性模量（G″）随角频率的变化曲线（扫描频率范围为0.01~10 Hz），测定G'和G″随剪切应力（τ）的变化曲线（剪切速率范围为0.001~1000 s−1，扫描范围为0.001~20 Pa），测试工作温度为（25.0±0.1）℃.

1.2.3 SEM样品的制备用针头蘸取少量水凝胶使其平铺在导电胶上，将其置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥，然后对其表面喷金处理150 s并进行SEM观测.

1.2.41H NMR和19F NMR样品的制备将一定质量的β-环糊精和PFNA置于核磁管中，加入适量重水后将样品放置在艾卡摇床分散约1 h.然后将样品置于60℃恒温烘箱加热约30 min，期间每隔5 min取出轻微翻转摇晃，保证样品分散均匀，然后置于（25.0±0.1）℃恒温烘箱中保存至少28 d以达到平衡，将平衡后的样品进行19F NMR和1H NMR表征.

2 结果与讨论

2.1 β⁃CD@PFNA在水溶液中的自组装行为

通过改变β-CD和PFNA的总浓度和复配比例来研究该体系在水溶液中的自组装行为.图1为β-CD和PFNA在水溶液中的相图.单一的PFNA溶液外观澄清透明具有一定黏度，在偏光片下有明显彩色花纹，FFTEM结果显示，其形成了尺寸多分散的单层、单室囊泡结构［图2（A）］.在与环糊精复配后，可以发现β-CD/PFNA/H2O体系的相图分为3个区域.在区域Ⅰ中，β-CD和全氟壬酸的总浓度较小，样品宏观上为透明溶液，有少量晶体附着在瓶壁上.当β-CD和全氟壬酸的总浓度增大到一定量后，在区域Ⅱ形成了水凝胶，且水凝胶的颜色随着β-CD和PFNA摩尔比（nβ-CD∶nPFNA）的增加逐渐由透明转向乳白色.由20.00 mmol/Lβ-CD和80.00 mmol/L PFNA形成的水凝胶（nβ-CD∶nPFNA=1∶4），其外观透明，由厚度约几百纳米，长度约为几百纳米至几微米不等的斜六面体构成［图2（B）］.增加β-环糊精的浓度，由33.00 mmol/Lβ-CD和66.00 mmol/L PFNA形成的水凝胶（nβ-CD∶nPFNA=1∶2），其微观形貌与1∶4样品显著不同，如图2（C）所示，其主要由斜六面体和其它一些不规则形状组成，但其尺寸显著增加，长度约为几微米至十几微米不等，厚度约为几微米.斜六面体密集堆积，这可能导致凝胶相透光性变差，是水凝胶在宏观上由透明转为乳白色的主要原因.在区域Ⅲ中，样品发生宏观相分离，上层为澄清透明的溶液，下层为乳白色凝胶或白色沉淀.含有50.00 mmol/Lβ-CD和50.00 mmol/L PFNA的 样 品（nβ-CD∶nPFNA=1∶1）的中下层沉淀也是由规则的斜六面体组成，长度约为几微米至十几微米［图2（D）］.需要说明的是，SEM照片中出现的细小碎片可能是由于制样过程中溶剂挥发导致的部分结构的断裂.

Fig.1 Phase diagram of β⁃CD and PFNA mixed in water solution

Fig.2 FFTEM image of pure PFNA solution(A)and SEM images of the hydrogel with 20.00 mmol/L β⁃CD and 80.00 mmol/L PFNA(B),the hydrogel with 33.00 mmol/L β⁃CD and 66.00 mmol/LPFNA(C)and the precipitates with 50.00 mmol/L β⁃CD and 50.00 mmol/L PFNA(D)

考虑到SEM制样过程中的溶剂挥发问题，为了证明斜六面体结构的形成并非溶剂挥发导致的结晶，进一步用光学显微镜观测了样品的介观结构.由图3（A）和（B）可见，含有20.00 mmol/Lβ-CD和80.00 mmol/L PFNA的水凝胶以及含有33.00 mmol/Lβ-CD和66.00 mmol/L PFNA的水凝胶均形成了斜六面体，其尺寸大小与SEM表征结果［图2（B）和（C）］高度一致.图3（C）和（D）结果证明，含有50.00 mmol/Lβ-CD和50.00 mmol/L PFNA样品中的沉淀与两种物质的机械混合物显著不同，和SEM结果一致，也观察到了斜六面体.

Fig.3 Optical microscopy images of samples formed by 20.00 mmol/L β⁃CD and 80.00 mmol/L PFNA(A),33.00 mmol/L β⁃CD and 66.00 mmol/LPFNA(B),50.00 mmol/L β⁃CD and 50.00 mmol/L PFNA in the lower phase(C)and the physical mixture of PFNA and β⁃CD powder(D)

2.2 β⁃环糊精/PFNA体系中斜六面体的形成机理

为了探究斜六面体凝胶的形成机理，进一步采用19F NMR和1H NMR、广角X射线衍射（WXRD）以及傅里叶变换红外（FTIR）等对样品进行了表征.

19F NMR谱图是研究环糊精和碳氟表面活性剂包合作用的重要手段［16，18］.图4分别为66.0 mmol/L PFNA，nβ-CD∶nPFNA=1∶1沉淀和nβ-CD∶nPFNA=1∶2水凝胶的19F NMR谱图.从图4谱线a和b中可以观察到，当nβ-CD∶nPFNA=1∶1时，相较于纯PFNA溶液，沉淀中PFNA碳氟链上的各个基团均有显著的化学位移，说明β-CD与PFNA产生了主-客体包合作用［20］.Wilson等［16，18］的研究结果显示，当β-CD与全氟辛酸（PFOA）以摩尔比1∶2混合时，β-CD与PFOA以化学计量比1∶1进行包合形成β-CD@PFOA包合物.因而可推断，β-CD与PFNA也是以化学计量比1∶1进行包合.因此当nβ-CD∶nPFNA=1∶2时（图4谱线c），水凝胶中PFNA碳氟链上的7-CF2和8-CF3基团未产生明显位移，1-6-CF2基团均有显著的化学位移，正是由于该样品中PFNA的量是β-CD的两倍，而β-CD与PFNA是以化学计量比1∶1包合，因此溶液中存在未被包合的自由PFNA，这是β-CD@PFNA包合物中的PFNA以及未被包合的PFNA共同作用的结果［21］.

1H NMR谱图可以进一步揭示表面活性剂与环糊精之间形成稳定包合物的机理.图5为纯β-CD，nβ-CD∶nPFNA=1∶1样品和nβ-CD∶nPFNA=1∶2样品的1H NMR谱图.从图中可以观察到，β-CD@PFNA水凝胶中所有质子在不同程度上产生了相对化学位移，客体分子的H3和H5质子的化学位移变化最为明显，其化学位移向着高场方向移动，表明全氟壬酸疏水长链将极性溶剂从β-CD主体空腔中置换出来，β-CD与PFNA产生了有效包合.相较于环糊精次级面上的H1，H2与H4质子，初级面（开口较小端面）上的H6质子的化学位移最为明显，这是因为初级面上的伯羟基与次级面上的仲羟基相比，受到的空间位阻更小，具有更大的旋转自由度，这可以使β-CD的伯羟基与PFNA之间更好地氢键键合.由此可以判断PFNA的疏水长链是通过β-CD的初级面进入环糊精腔体的［19］.

Fig.4 19F NMR spectra of samples

33.00 mmol/L β⁃CD and 66.00 mmol/L PFNA.

Fig.5 1F NMR spectra of samples

Fig.6 XRD patterns of samples

XRD被广泛用来研究β-CD分子的堆积排列方式［22］.图6为β-CD粉末、PFNA粉末、β-CD/PFNA机械混合物、含有33.00 mmol/Lβ-CD和66.00 mmol/L PFNA水凝胶以及含有50.00 mmol/Lβ-CD和50.00 mmol/L PFNA下层样品的XRD谱图.如图6谱线a所示，β-CD尖锐的衍射峰表明其具有很高的结晶度，其衍射峰分别为2θ=9.413°，12.54°，18.21°，这是β-CD典型的笼状晶体结构特征峰［23］.当加入PFNA粉末以后，由图6谱线c可以发现，β-CD和PFNA机械混合物的衍射峰即为β-CD与PFNA衍射峰的叠加，且依然保留有β-CD粉末和PFNA粉末（图6谱线b）的特征衍射峰，这表明在机械混合物中各种分子仍以原有的晶型结构存在.相较于机械混合物，图6谱线d显示，含有33.0 mmol/Lβ-CD和66.0 mmol/LPFNA水凝胶在2θ=5.880°，11.71°和17.76°处观察到了新的衍射峰，证明β-CD分子在水凝胶中由笼型结构转变为管道排列.3个衍射峰相对应的衍射因子q值依次为0.04180，0.08314，0.1258 nm，满足q1∶q2∶q3=1∶2∶3，进一步说明该水凝胶结晶度较高，其晶型为层状结构，且由布拉格方程计算得到其层间距d为1.503 nm.此外，β-CD的空腔深度为0.7900 nm，该层间距1.503 nm接近于β-CD空腔深度的两倍，由此证明β-CD分子的通道排列为“头对头（尾对尾）”形式［24］.可见，该类体系水凝胶中环糊精分子的排布方式是造成β-CD@PFNA包合物与α-CD@PFNA包合物自组装形成的超分子有序聚集体结构不同的根本原因［19］.图6谱线e和f分别为含有50.00 mmol/Lβ-CD和50.00 mmol/L PFNA下层沉淀以及含有20.00 mmol/Lβ-CD和80.00 mmol/L PFNA水凝胶的XRD谱图，2个样品的衍射峰基本重合（2θ=5.799°，11.52°，17.31°），可见2个样品的晶型是相同的.3个衍射峰对应的q值依次为0.04124，0.08181，0.1227（q1∶q2∶q3=1∶2∶3），说明两个区域的样品晶型结构均为层状结构且层间距d=1.524 nm.

众所周知，当发生超分子自组装时，可能产生的聚集方式有结晶、凝胶和非晶沉淀3种［25］.结晶是一种高度有序聚集，而凝胶既可是高度有序的，也可以是无序的、随机的聚集.在过去几十年里，科学家通过超分子聚集获得凝胶时，凝胶化和结晶化往往竞争存在［26~29］.特别是构建具有类晶体结构的超分子水凝胶更是非常困难［30，31］.目前晶体状凝胶已被成功用作合成分子晶体的介质［32~34］.

为了更好地理解凝胶的形成，进一步对凝胶进行了傅里叶变换红外光谱的测定.图7为33.00 mmol/Lβ-CD溶液，33.00 mmol/LPFNA溶液以及含有33.00 mmol/Lβ-CD和66.00 mmol/L PFNA水凝胶的红外谱图.从图7中可见，水凝胶的谱图与环糊精的谱图相似，说明水凝胶的骨架结构主要由环糊精构成.此外，可以明显看到—OH振动峰由β-CD水溶液的3443 cm−1处位移至β-CD/PFNA水凝胶的3417 cm−1处，说明β-CD分子间形成了氢键，其为水凝胶形成的主要驱动力［35］.

基于以上结果，对β-环糊精/PFNA体系所形成的斜六面体提出了如下可能的机理解释：PFNA碳链通过β-环糊精的初级面（大环开口方向）进入环糊精空腔内形成1∶1包合物.由于β-CD的空腔深度为0.7900 nm，CF3CF2CF2CF2CF2CF2CF2CF2—长为1.150 nm，因此推测PFNA分子有4~5个—CF2基团被包裹于环糊精腔体内，而远离亲水头基端的—CF2链段则伸出腔体外，其与环糊精次级面上的仲羟基形成氢键缔合［36］，此外，PFNA较大的CF2直径确保其可以有效封装于环糊精空腔内［37］，两者有效阻止了环糊精沿着碳氟链移动.如Scheme 1所示，这些包合物以“头对头、尾对尾”的方式依次连接，形成超长的管道型结构.这些相邻的管道型结构再通过氢键和外腔的亲水缔合在三维空间上进一步有序堆积成层状菱形方片.未被包合的PFNA可以进入相对松散的层状方片间隙与周围β-环糊精分子间以氢键键合，进一步增强了层状的稳定性，层状结构再通过氢键和外腔的亲水缔合在三维空间上有序密堆积，结晶成为斜六面体超分子聚集体.六面体交叉连接，形成三维网状结构，包裹住溶剂水分子从而形成水凝胶.

Scheme 1 Schematic representation of the aggregates formed from the self⁃assembly of the PFNA@β⁃CD complexes in aqueous solution

Fig.7 FTIR spectra of 33.00 mmol/L β⁃CD,66.00 mmol/L PFNA solution and the hydrogel with 33.00 mmol/L β⁃CD and 66.00 mmol/L PFNA

2.3 β⁃环糊精/PFNA水凝胶的流变性质

Fig.8 Oscillatory rheological results of the samples

图8 （A）和（B）分别为含有20.00 mmol/Lβ-CD和80.00 mmol/L PFNA以及33.00 mmol/Lβ-CD和66.00 mmol/L PFNA 2个凝胶样品的振荡频率扫描实验结果.由图8可以发现，2个凝胶样品的弹性模量G'和黏性模量G''值均很高，且弹性模量在整个频率（f）范围内高黏性模量，复合黏度（||

η*）随频率呈线性下降趋势，其斜率为−1，表明该样品具有很大的黏弹性.此外，还可以看到弹性模量和黏性模量均随频率的增大而显著增大，且增大的幅度保持一致，这是典型的凝胶相的流变性质［38］.此外，含有33.00 mmol/Lβ-CD和66.00 mmol/LPFNA凝胶样品的G′和G′′值显著高于含有20.00 mmol/Lβ-CD和80.00 mmol/L PFNA凝胶样品，推测是由于含有33.00 mmol/Lβ-CD和66.00 mmol/L PFNA凝胶样品中斜六面体更加紧密堆积所致，与SEM表征结果［图2（B）和（C）］保持一致.类似的现象在稳态剪切实验中也可以观察到，如图9中2个凝胶样品表现出很强的剪切稀释现象，即其黏度对剪切速率曲线具有较大的斜率，这是凝胶的典型特点.

2.4 水凝胶对温度的响应

非共价键构筑的聚集体体系常对外界刺激反应表现出凝胶-溶胶相的转变，进一步研究了温度对水凝胶的影响.当水凝胶被加热到46.0℃时，乳白色水凝胶开始转变成乳白色溶液，该温度与差示扫描量热（DSC）得到的相转变温度47.2℃非常接近（图10）.将加热后的样品重新置于25℃的恒温烘箱中，发现该样品在极短的时间内（1 min）即可以重新转变成水凝胶.随着温度继续升高至70℃，乳白色溶液变成澄清透明的溶液，将其放置于25℃的恒温烘箱中，在15 min后重新转变成水凝胶.此现象也说明了β-CD/PFNA水凝胶体系对温度的响应是可逆的.

Fig.9 Shearing results of the samples

Fig.10 DSC curve of the sample with 70.00 mmol/L PFNA and 35.00 mmol/L β⁃CD

利用光学显微镜对不同温度下的样品进行表征.当温度从25℃升高至40℃时，样品的介观结构基本没有变化，均由表面光滑平整的斜六面体构成，其尺寸约为几个微米［图11（A）和（B）］，因此将其重新放置在25℃环境中可快速恢复成水凝胶.当温度升高至50℃时［图11（C）］，斜六面体尺寸有一定程度的增大，宏观相则表现为乳白色凝胶开始发生流动，这是因为温度增加，环糊精分子内氢键打开，形成分子间氢键网络.同时，加热使环糊精呈现最低共溶温度（LCST）效应，去溶剂化导致环糊精分子间聚集作用增强，导致聚集体尺寸增大［39］.随着温度继续升高至60℃［图11（D）］，斜六面体结构规整度变差，且周围出现大量细碎的不定型结构聚集体.但当温度达到70℃时［图11（E）］，已经基本观察不到斜六面体，说明高温破坏了β-环糊精之间的氢键，阻碍了包合物进一步有序自组装.将温度降至25℃时，结构的恢复需要一定时间，因此需要较长时间（15 min）才可恢复成水凝胶.

Fig.11 Optical microscope pictures of sample formed by 35.00 mmol/L β⁃CD and 70.00 mmol/L PFNA at different temperatures

3 结 论

利用β-CD和PFNA分子的超分子主客体作用，在水溶液中构筑了一种具有较高结晶度的水凝胶，其介观结构为高度规整的斜六面体.该水凝胶黏弹性较高，且弹性模量大于黏性模量.该水凝胶对温度具有可逆响应性，在其相转变温度附近，凝胶与溶胶之间可实现快速转变.通过环糊精和碳氟表面活性剂构筑的这一类新型的水凝胶体系可能为晶体工程设计、构建有孔的有机框架材料及主客体作用智能相变材料提供新的研究思路.