甲氧基富勒醇的合成及其超分子組裝和表征

王先津，李井龍，賽 霆，郝彩霞，張盼盼，張 鑫，賀繼東

(青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室 山東省橡塑材料與工程重點實驗室,山東 青島 266042)

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甲氧基富勒醇的合成及其超分子組裝和表征

王先津，李井龍，賽 霆，郝彩霞，張盼盼，張 鑫，賀繼東*

(青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室 山東省橡塑材料與工程重點實驗室,山東 青島 266042)

將富勒烯(C60)與液溴反應制備溴代富勒烯，進而在堿性環境中與甲醇通過親核取代反應制備得到兩親性富勒醇衍生物——甲氧基富勒醇。以環氧氯丙烷為交聯劑，在堿性介質中合成水溶性的聚β-環糊精(β-CDP)。將甲氧基富勒醇與β-CDP通過研磨等方法進行超分子組裝，得到甲氧基富勒醇與β-CDP的超分子組裝體。采用FTIR、1HNMR、TG-DTG對甲氧基富勒醇的結構進行表征，采用FTIR、SEM對β-CDP的結構進行表征，采用FTIR、SEM、DLS對組裝體的結構進行表征。

甲氧基富勒醇；兩親性；聚β-環糊精；超分子組裝

富勒烯(C60)及其衍生物自被發現以來就備受關注。C60是一種非極性分子，具有較強電負性與疏水性(水中的溶解度小于0.1 ng· L-1)[1]，使其在物理化學、材料科學、醫學、光學等[2-3]領域的研究和應用受到極大的限制。大量實驗表明，C60及其衍生物在抗艾滋病毒、神經保護、抗菌、DNA切割和光動力學治療等方面具有良好的應用前景[4]。C60還是一個優良的電子接受體，可根據特殊要求引入多種官能團，因此它是藥物設計的理想載體，同時它極易與游離基反應，被譽為 “吸收游離基的海綿”，尤其是對自由基的清除十分重要。因此，合成具有特殊生物活性的C60衍生物是近年來十分活躍的研究領域。

通常提高C60在水中溶解度的方法有包埋法(capsulation)[5]、化學修飾法(chemical modification)[6]等。在C60上引入親水基(如羥基、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]是富勒烯的一種衍生物，也是水溶性富勒烯的佼佼者，其合成方法多種多樣：C60與鉀反應制備富勒醇法[10]、四丁基氫氧化銨(TBAH)催化合成法[11]、C60的硼氫化反應法[12]等。但這些方法普遍反應復雜，過程繁瑣，副產物較多，產率較低。而采用新型富勒醇合成方法[13]制備兩親性甲氧基富勒醇，方法簡單，副產物少，產物結構穩定。甲氧基富勒醇分子中含有多個羥基，具有良好的水溶性和生物相容性，并且碳骨架上的羥基位于烯丙位，具有清除自由基、水溶性抗氧化和抑制癌細胞增殖等功能[14]，因此可應用于基因探針、抗癌藥物載體等多個領域[15-17]。

研究發現，甲氧基富勒醇結構形狀與環糊精(CD)具有一定的匹配性[18]，兩者都是兩親性的多羥基化合物，分子間易形成氫鍵，為超分子組裝奠定了基礎[19]。Andersson等[5]制備了γ-CD和C60的復合物,Boulas等[20]用研磨法獲得類似產物，以增大C60的溶解度。目前常見的環糊精的型號有3種，分別為α-CD、β-CD、γ-CD。β-CD 的價格比α-CD和γ-CD低且原料易得,應用廣泛，其毒性和藥理學方面的研究開展得比較全面。因此，作者采用新型合成方法制備了甲氧基富勒醇，并將其與聚β-環糊精(β-CDP)進行超分子組裝，得到穩定的包合物甲氧基富勒醇與β-CDP超分子組裝體(簡稱組裝體)，采用FTIR、SEM、DLS等方法對組裝體進行了表征。為拓展富勒烯衍生物的研究提供參考。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

C60(含量≥99.9%)，濮陽永新富勒烯科技有限公司；液溴(含量≥99．5%)，國藥集團化學試劑有限公司;硅膠粉(200～300目)，青島海洋化工廠；β-環糊精(純度≥97%)，Sigma公司；環氧氯丙烷，天津博迪化工股份有限公司；氫氧化鈉、甲苯、丙酮、甲醇、無水乙醇、無水亞硫酸鈉等均為分析純。

MD34(3500)型透析袋，北京索萊寶科技有限公司;瑪瑙研缽，遼寧凌源博華瑪瑙制品廠；BSA125型電子分析天平，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；SHZ-Ⅲ型循環水真空泵、DZF-6020型真空干燥箱、DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，河南予華儀器有限公司；RH basic 1型電磁攪拌器，德國IKA公司；101-1A型電熱鼓風干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；RE52CS型旋轉蒸發器、B-220型恒溫水浴鍋，上海亞榮生化儀器廠；HC-3018型高速離心機,安徽中科中佳科學儀器有限公司；SK1200H型超聲波振蕩儀，上海科導超聲儀器有限公司；TENSOR-27 型傅立葉變換紅外光譜儀、AV500型核磁共振儀，德國Bruker公司；Mettlertolledo 1SF 型熱失重儀，瑞士Mettlertolledo公司;Malvern Zetasizer Nano ZS90 型納米粒徑電位分析儀，英國馬爾文儀器有限公司；JSM-7500F 型掃描電鏡儀，日本電子。

1.2 方法

1.2.1 C60Br24的合成

稱取0.5 g C60粉末于100 mL圓底燒瓶中，緩慢加入65 mL液溴，將圓底燒瓶放入超聲波振蕩儀中振蕩1 min，使其充分混合均勻，固定在30 ℃恒溫油浴鍋中反應4 d。待反應結束后，減壓抽濾，用亞硫酸鈉溶液吸收揮發的溴蒸汽。待產物表面殘存的溴單質揮發后，在60 ℃真空干燥箱中干燥至恒重，得到棕褐色固體即溴代富勒烯C60Br24。

1.2.2 甲氧基富勒醇的合成

稱取500 mg C60Br24在瑪瑙研缽中研磨，倒入100 mL單口燒瓶中，向其中加入25 mL甲醇，在超聲波振蕩儀中振蕩15 min。稱取6 g氫氧化鈉于燒杯中，加入40 mL去離子水配制成質量分數為13%的氫氧化鈉溶液，隨后將其與甲醇溶解的C60Br24充分混合，置于23 ℃水浴中恒溫反應24 h。反應結束后，滴加濃鹽酸調節pH值為7。

1.2.3 甲氧基富勒醇的提純

實驗采用旋蒸-柱層析法對合成的甲氧基富勒醇進行提純。反應液中含有大量雜質鹽，其在水中的溶解度大，而在乙醇中的溶解度小，因此可以通過飽和溶液析出的方法除去雜質鹽，初步提純產物。然后取紅褐色上清液加入足量乙醇，在40 ℃負壓旋蒸至完全除去水。用適量丙酮溶解產物，析出大量的鹽，離心取上清液旋蒸，得到固體甲氧基富勒醇。

采用柱色譜對產物進一步提純。首先進行薄層色譜(TLC)分離，用甲苯-乙醇( 6∶1，體積比)混合溶劑作為展開劑，TLC分離得到3種組分：一種與溶劑同步移動；一種隨溶劑移動得較慢，比移值Rf約為0.6；另一種不隨溶劑移動。將前2種組分收集后，用乙醇將不隨溶劑移動的組分淋洗下來。收集完3種組分后分別旋蒸，Rf=0.6的點是比較純的產物，置于40 ℃真空干燥箱內干燥。

1.2.4β-CDP的合成

稱取5.3 gβ-CD粉末于100 mL圓底燒瓶中,加入20 mL配制好的20%氫氧化鈉溶液，室溫攪拌反應12 h。之后緩慢加入2.95 mL環氧氯丙烷，攪拌均勻，滴加濃鹽酸調節pH值為12，放入50 ℃恒溫油浴鍋中反應3 h。待反應結束調節反應液的pH值為7，然后加入一定量丙酮清洗，產生白色沉淀，離心。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，得到相對分子質量比較均勻的β-CDP。其合成路線[21]如圖1所示。

圖1 β-CDP的合成路線Fig.1 Synthetic route of β-CDP

1.2.5 組裝體的合成

稱取0.102 gβ-CDP與0.017 g甲氧基富勒醇，分別用少量水溶解后，在研缽中研磨15 min得到均勻的混合液。將混合液倒入50 mL單口圓底燒瓶中，在超聲波振蕩儀中振蕩1 h，再在室溫攪拌12 h，將溶液冷卻干燥即得到組裝體。

1.3 甲氧基富勒醇、β-CDP和組裝體的結構表征

分別用FTIR、1HNMR、TG-DTG對甲氧基富勒醇的結構進行表征。分別用FTIR、SEM對β-CDP的結構進行表征。分別用FTIR、SEM、DLS對組裝體的結構進行表征。

2 結果與討論

2.1 甲氧基富勒醇的結構表征

2.1.1 FTIR分析(圖2)

a.純化的甲氧基富勒醇 b.未純化的甲氧基富勒醇

由圖2可知，3 454 cm-1處為-OH的伸縮振動峰，1 456 cm-1處為-OH 的彎曲振動峰，621 cm-1指紋區的峰為-OH的面外搖擺振動峰，表明產物中存在-OH。2 928 cm-1處為-CH3上C-H的伸縮振動峰，1 091 cm-1處為-C-O-的伸縮振動峰，表明產物中存在-OCH3。1 634 cm-1處為-C=C-的伸縮振動峰，表明產物中存在C=C。對比2條曲線可知，純化后的甲氧基富勒醇(曲線a)雜質峰明顯減少，特征峰更加明顯。

2.1.21HNMR分析

圖3是以氘代氯仿(CDCl3，δ7.26)為溶劑、四甲基硅烷(TMS)為內標的1HNMR圖譜。

圖3 純化的甲氧基富勒醇的1HNMR圖譜Fig.3 1HNMR spectrum of purified methoxy fullerol

由圖3可知，δ3.62處為-CH3的化學位移值，δ1.26處為-OH 的化學位移值。結合FTIR圖譜與1HNMR圖譜，表明甲氧基富勒醇制備成功。

2.1.3 TG-DTG分析

測試條件：N2氛圍，初始溫度30 ℃，升溫速率10 ℃·min-1，終點溫度900 ℃。甲氧基富勒醇的TG-DTG曲線見圖4。

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

由圖4可知，加熱過程中共有4個失重階段：溫度低于120 ℃時，主要為樣品吸附的水分等易揮發物質的質量損失，占16.32%；120～180 ℃，主要為甲氧基的降解，質量損失占6.75%；180～427 ℃，主要為羥基的降解，質量損失占21.87%；溫度超過427 ℃時，主要為碳骨架的降解，質量損失占32.16%；最后殘留質量11.45%，故碳原子的質量分數為43.61%。

經計算，合成產物中n(C)∶n(OH)∶n(OCH3) = 60∶21∶3,故初步判斷合成的產物分子式為C60(OH)21(OCH3)3。

2.2β-CDP的結構表征

2.2.1 FTIR分析(圖5)

圖5 β-CD(a)與β-CDP(b)的FTIR圖譜Fig.5 FTIR spectra of β-CD(a) and β-CDP(b)

由圖5可知，β-CD和β-CDP在3 357 cm-1附近都出現強的-OH伸縮振動吸收峰，2 924 cm-1處都有-CH2的伸縮振動峰，1 411 cm-1、1 300 cm-1處是-CH2的相關峰；在β-CDP曲線中，1 080 cm-1處為-C-O-的伸縮振動峰，1 022 cm-1處為-C-O-C-的伸縮振動峰，這兩個特征吸收峰說明在β-CDP中仍保留了β-CD的空腔結構。交聯劑環氧氯丙烷在1 270 cm-1附近的環氧環特征峰和1 270 cm-1處的-C-Cl特征峰在β-CDP中沒有出現，表明環氧氯丙烷與β-CD發生了交聯共聚反應。比較β-CD和β-CDP的FTIR圖譜可知，聚合后產物的特征峰較寬，而且較強。由此，初步推測β-CDP制備成功。

2.2.2 SEM分析(圖6)

由圖6a可知，β-CD單體總體是分散的，但也有團聚的現象。為防止團聚，在使用β-CD之前進行干燥研磨。由圖6b可知，反應后的β-CD明顯發生了共聚反應，表明成功制備了β-CDP。

2.3 組裝體的結構表征

2.3.1 FTIR分析(圖7)

由圖7可知，組裝體(曲線b)具有甲氧基富勒醇(曲線a)和β-CDP(曲線c)兩者的特征峰，并且在3 357 cm-1處、1 022 cm-1處組裝體比β-CDP出峰明顯。1 300～1 000 cm-1處是醚鍵的特征峰位置，甲氧基富勒醇和組裝體相比，后者明顯出現了這段特征峰，說明兩種物質間進行了分子組裝。

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

圖7 甲氧基富勒醇(a)、組裝體(b)和β-CDP(c)的FTIR圖譜Fig.7 FTIR spectra of methoxy fullerol(a)，assembly(b) and β-CDP(c)

2.3.2 SEM分析(圖8)

由圖8可知，甲氧基富勒醇與β-CDP的超分子組裝體基本得到。圖8a、c是在較大視野下拍攝的圖像，可以看到在β-CDP表面有分子的富集;圖8b、d是細節上的圖像，可以看出組裝體的表面甲氧基富勒醇附著在β-CDP的表面。在組裝體中有少量的棍狀顆粒，這是由于，β-CDP是一個三維立體的碗狀空腔，跟甲氧基富勒醇超分子組裝時，不只是在某一平面上的組裝，而是三維的空間發展，導致了其在某種程度上的增長，形成了直徑較粗的長棍狀顆粒，還需要進一步的研究。

2.3.3 DLS分析(圖9)

圖8 組裝體的SEM照片Fig.8 SEM images of assembly

圖9 β-CDP(a)和組裝體(b)的粒徑分布圖Fig.9 Particle size distribution maps of β-CDP(a) and assembly(b)

由圖9可知，β-CDP在10 nm左右存在粒徑分布，且粒徑分布相比于組裝體的較寬，這是由于β-CDP中存在少量的小分子β-CD預聚物以及未聚合的β-CD。組裝體的粒徑分布在100～700 nm之間，同時粒徑分布為10 nm左右的粒子消失，粒徑分布變窄，豐富度變大。這說明超分子組裝得到的產品粒徑分布均勻，主要集中在200～400 nm左右，達到預期目標。

3 結論

根據富勒烯的特殊結構，通過親核取代反應制備了兩親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礎上引入了一定數量的甲氧基官能團，不僅可溶于水、醇等極性溶劑還可以溶解在苯、甲苯等非極性溶劑中，具有典型的兩親性。將甲氧基富勒醇進一步和β-CDP進行超分子組裝，通過FTIR、SEM以及DLS分析可知成功制備出粒徑分布均勻的新型兩親性富勒烯衍生物材料。組裝體更大程度地提高了甲氧基富勒醇的溶解性與生物相容性，在物理化學、材料科學、醫藥材料等領域具有重要的潛在研究價值和應用前景，為后期富勒烯衍生物進一步研究提供參考。

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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，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：功能與特種高分子材料，E-mail:1145129656@qq.com；通訊作者：賀繼東，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，李井龍，賽霆，等.甲氧基富勒醇的合成及其超分子組裝和表征[J].化學與生物工程，2017，34(5)：40-45.