基于脲基氢键组装的功能超分子凝胶

　　基于脲基氢键组装的功能超分子凝胶王赛1>2吴斌1段军飞1方江邻谌东中ls12（1.南京大学化学化工学院高分子科学与工程系介观化学教育部重点，即凝胶因子在分子间非共价键力作用下发生一维取向增长，形成分子纤维（初级结构）；分子纤维彼此间进一步缔合成束得到具有高度有序的线形、带状或片层状结构的纳米纤维（次级结构）；纳米纤维间通过缠结或交联的共同作用，组装成三维立体网络结构（三级结构），进而包裹溶剂分子以阻止其流动，使得整个体系凝胶化。

　　超分子凝胶化过程示意图与传统化学凝胶相比，由于非共价键的可逆弱相互作用，使得超分子凝胶具有良好热可逆性以及对外界物理或化学刺激的响应特性。因此，超分子凝胶也被称为智能凝胶，可广泛应用于生物医用材料、生物传感器和液晶材料、电子器件等领域。

　　在动态的智能凝胶体系中，LMWGs的自由分子与聚集体之间存在迅速响应外界刺激的热可逆平衡。在凝胶体系中引入不同的物理刺激或化学刺激，通过凝胶体系的热可逆平衡，可实现“溶胶-凝胶”过程的可逆“开关”控制。其中物理刺激主要包括紫外/可见光、电、磁、超声、机械力等作用；化学刺激作用则主要通过在凝胶因子中引入具有化学响应特性的功能性基团实现，主要包括酸-碱敏感型、离子敏感型和氧化还原敏感型等。*近张德清等结合本课题组的工作对基于LMWGs的刺激响应凝胶体系进行了全面总结和评述。另外，在凝胶体系中可以同时引入响应多种刺激的结构，以制备具有多重刺激响应特性的复合响应体系。

　　作用于超分子凝胶的各类物理与化学刺激迄今报道的LMWGs主要为酰胺化合物、脲基衍生物、氨基酸衍生物、多糖衍生物等氢键型凝胶因子和胆固醇衍生物等非氢键型凝胶因子。唐黎明等对2009年以前基于低分子量凝胶因子的超分子水凝胶进行了系统综述，周义锋和于海涛等则对主要基于酰胺类化合物的环境响应小分子有机凝胶进行了较全面的总结。如所示，脲基具有两个H原子给体和一个氧原子氢键受体，很容易通过脲基单元的羰基和临近脲基的两个氢原子形成双向缔合的氢键，呈现为脲基的a-型排布，使含有脲基的凝胶因子成为超分子组装中特别有效的氢键组装单元。而凝胶的形成取决于聚集与溶解这对矛盾的调和，即聚集-溶解平衡的恰当调控，因此，基于脲基的体系通过连接适当的脂肪链或芳香基团作为取代基，并引入不同的功能基团，得到的功能化脲基有机小分子凝胶因子，在多种不同类型溶剂中可形成具有多级结构的功能超分子凝胶。另外，脲基可作为阴离子很好的受体，脲基和阴离子之间倾向于形成更强的氢键作用，赋予脲基氢键组装的功能超分子凝胶很好的刺激响应特性。本文对脲基氢键组装的功能超分子凝胶近些年来的主要研究进展从单脲基、双脲基以及多脲基体系分别进行扼要总结与评述，*后展望了这类氢键组装驱动的功能超分子凝胶的发展趋势。

　　2基于单脲基的功能超分子凝胶单脲基凝胶因子，通常在其结构中引入的取代构基主要有：双脂肪链或双芳香基团，蒽衍生物、杂环蕃衍生物等多芳环或轮烷等大环，以及利用金属配位作用、酸碱作用等得到的多组分功能复合凝胶体系。

　　Weiss研究组报道了一系列单脲基（或硫脲基）凝胶因子，包括烷基单取代、，-烷基双取代及，-烷基双取代脲基化合物，系统考察了烷基取代基数目、长度、位置对于凝胶性能的影响，发现分子量*小的，二甲基脲（M=88）也可形成凝胶。

　　苯二甲酸衍生物作为水凝胶因子1，所形成的水凝胶具有pH响应特性，原子力显微镜研究表明，水凝胶由组装形成的纳米纤维状结构组成，使其成为具有刺激响应的智能材料。纳米纤维可以选择含有单脲基的间苯二甲酸衍生物水凝胶因子1性的和带有正电荷的亚甲基蓝和甲基紫2B等染料作用，因此利用凝胶因子的凝胶化作用可将染料包裹从溶液中清除，这种特殊染料脱除能力使其在污水处理领域有可观的应用前景，但要实际应用还有待吸附及再生效率的提高以及增强其对使用环境的耐受性和提升抗干扰能力。

　　生物友好型凝胶因子在制药工程领域具有潜在应用前景，如作为药物输送和组织工程的智能材料。

　　以Dey研究组为代表报道了一系列基于氨基酸衍生物的具有可降解性和生物相容性的两亲性凝胶因子。如*近Dey等报道了带有不同长度双长链取代基（C6C16）的半胱氨酸衍生物凝胶因子2，所形成凝胶在透皮药物输送方面具有应用价值。研究表明，随碳链长度的增加，凝胶因子成胶能力增强。其中从2a到2d，碳链长度增加使范德华作用力增强，进而导致热稳定性提高。但从2d到2e，14个碳以上因为过长烷基链的弯曲影响其致密堆积，导致凝胶热稳定性下降。该有机凝胶体系的机械力学强度也呈现同样的变化趋势。

　　基于L-半胱氨酸衍生物的两亲性凝胶因子2复合的凝胶体系。Arai等和Braga等研究了Ag +和含有吡啶或喹啉等氮杂取代基团的单脲基化合物的凝胶体系，利用杂环N原子和Ag+的配位作用进一步丰富了取代脲基化合物的超分子凝胶结构。

　　通过在凝胶体系引入蒽及其衍生物等芳环或各类大环等功能环状取代基，可以制备具有不同响应特性的智能材料。引入的大环包括杯芳烃、葫芦脲、轮烷或准轮烷、大环蕃、a-环糊精、冠醚等。带有芳香杂环的多重作用凝胶因子比起单脲基凝胶因子具有更优的凝胶性能，通过引入酸碱作用、金属离子的配位作用等，以实现多组分Dastidar课题组报道了双吡啶取代的单脲基化合物与一组二元羧酸化合物形成的复合物凝胶体系。研究表明，W，（4-吡啶）双取代脲3a在水-乙二醇体系中可形成凝胶；它的3位异构体3b在水相溶剂中不具备凝胶能力。而二元羧酸化合物的加入可与单脲基化合物形成氢键加成物或酸碱作用成盐，则不同位置的吡啶基取代脲3a和3b都可以形成凝胶。若以羧酸根与脲基形成环氢键，则可形成具有微多孔的三维网络结构，多数情况下形成了此类组装促进凝胶生成。如形成吡啶-羧基双重氢键，则得到一维拓展氢键超分子结构。因此，利用反应物种吡啶取代脲及二元羧酸的拓扑结构差异可得到具有不同组装结构的超分子凝胶，这一点充对位吡啶或间位吡啶双取代脲3a或3b与不同结构的二元羧酸可通过微孔结构或一维线性模式组装形成超分子凝胶分反映了多组分超分子组装结构的可调变性与多样性。

　　3基于双脲基的功能超分子凝胶在含有两个脲基功能团的凝胶因子中，脲基间的部分称为间隔基，连在脲基外端的基团则称为取代基。使用的间隔基主要有：脂肪族化合物（烷基链及其衍生物、环己烷）；芳香族化合物（苯、萘及对二甲苯等）、杂环化合物（吡啶、苯并唑、喹吖啶酮、茈酰亚胺等）。Steed研究组在双脲凝胶研究方面做了大量的研究工作，另外vanEsch和Feringa研究组、Hamilton研究组作为*早研究有机小分子凝胶的课题组，也开展了多方面研究工作。

　　3.1以脂肪族化合物为间隔基的双脲基凝胶因子Feringa研究组报道了连有不同间隔基的双脲基凝胶因子，系统考察了间隔基长度、柔性对凝胶能力及自组装聚集形态的影响。提出了双脲基凝胶因子自组装模型，认为在氢键组装驱动下，双脲基分子形成长带状聚集体，进一步组装成片层状结构并通过片层的堆积得到长纤维结构而构筑三维网络凝胶。

　　Steed研究组报道了一组脂肪族直链烷基为间隔基、苯乙基为脲基末端取代基的手性双脲基凝胶因子4，发现成胶能力随间隔基碳链长度呈现显著的奇偶效应。，通过不同手性凝胶因子的配对选择，可形成对偶氮苯介晶元发色团显著差异的微观环境，进而表现出不同的性能。

　　3.2以芳香族化合物为间隔基的双脲基凝胶因子以芳香结构为间隔基的双脲基凝胶因子的报道有很多。Hamilton研究组系统研究了叔丁基酯取代的以对二甲苯为间隔基的双脲基凝胶因子在不同有机溶剂中的凝胶化现象。Kato研究组则报道了基于1，3-间苯二胺或2，6-二氨基吡啶反应所得到的双脲基小分子化合物在自组装形成凝胶过程中聚集态的变化。

　　2007年，李富友与易涛等设计合成了萘间隔的双三烷氧基苯取代的双脲基凝胶因子9a、9b和9c，通过分子间氢键和n-n相互作用的协同，在多种有机溶剂中形成具有荧光变化的凝胶，其凝胶态的荧光与溶液态相比发生红移且强度增强。如0所示，通过改变温度或者交替加入氟离子和质子，可以实现凝胶体系的凝胶-溶胶相转变以及荧光强度变化的可逆控制。氟离子通过与脲基键合，破坏脲基之间的氢键，实现凝胶-溶胶转变，加入三氟图式1双脲基类肽化合物凝胶因子7的合成示意图0（1）凝胶因子9a，9b和9c的化学结构式；（2）9b在温度、氟离子、质子作用下的可逆转换与荧光变化照片小角散射研究表明凝胶呈现柱状相液晶性质，为这类体系进一步功能的拓展提供了可能。

　　2012年，张春等设计合成了以二苯甲烷为间隔基的双脲基凝胶因子10a和10b（1）。研究表明：10a在甲苯中可组装得到螺旋纳米带状聚集体，形成热可逆物理凝胶。将10a溶解在富勒烯（C6）的甲苯溶液中，利用加热溶解后冷却成胶的方图式2基于1，2-双脲基环己烷衍生物凝胶因子8a和8b以相同或相反的构型组装成胶示意图乙酸，则可实现反向转变而重新成胶。而且X射线1凝胶因子10a和10b的化学结构；10a和富勒烯C6所得干凝胶的SEM（b）照片法，得到紫色透明的凝胶，且SEM和TEM研究表明，凝胶因子呈现纳米棒的有序堆积结晶态。同时调节凝胶因子和富勒烯的比例，可以调控凝胶的形貌和富勒烯的纳米结构。另外，扩展了酰胺基的凝胶因子10b在甲苯中同样可以得到富勒烯的纳米棒。显示这是一种相当有效且具有一定普适性的超分子凝胶辅助组装方法，即通过有机小分子凝胶因子的有序组装辅助制备低维纳米材料。

　　2以冠醚为取代基的双脲基凝胶因子的化学结构及不同分子识别作用的多重复合刺激响应凝胶转化的直观对比照片则利用以双烷氧基萘为间隔基的凝胶体系比较脲基氢键单元13a（DAN-U）和酰胺基氢键单元13b（DAN-A）组装模式的显著区别。如图式3，DAN-U通过自组装得到较强的-聚集体，具有更强的自组装倾向和热稳定性，以及较小的临界凝胶浓度（CGC）。DAN-A则以较弱的H-聚集体得到更加柔顺的凝胶纤维，因此具有更高的缠结程度，使得凝胶结构有较好的弹性和机械稳定性。上述两类不同氢键单元组装模式与凝胶性质之间的差异，有助于更好地理解氢键组装超分子凝胶中氢键种类与强度以及与其他构成部分的协同作用共同实现聚集-溶解平衡的精细调控，以及体系的微观结构与宏观性质之间的内在联系。

　　用作分子识别单元的不对称冠醚作为取代基团的双脲基凝胶因子11（2）。以苯并21-冠-7-醚基团取代的凝胶因子11，在乙腈中通过层间自组装得到螺旋状纤维与纤维管束，*终得到具有三维网络结构的稳定凝胶。，含吡啶的脲基化合物由于分子结构中吡啶N原子与脲基H原子之间的键合作用（图式5b），使得脲基氢键不能以a-型平行排布组装成凝胶纤维（图式5a），因此成胶能力较差。但若在体系中引入可与吡啶N原子产生键合作用的金属离子，金属-吡啶间较强的配位作用使得脲基氢被释放出来（图式5c），则又可以很好地使一些有机溶剂凝胶化。另外，在双脲基氢键组装的凝胶体系中，引入阴离子组分，则由于阴离子与脲基之间较强的配位作用（图式5d），使得凝胶强度降低，进而导图式5吡啶基脲类化合物凝胶分子之间可能存在的相互作用：（a）脲基间作用，（b）脲基与吡啶间作用，（c）金属键合作用，（d）离子键合作用，以及（e）离子对作用致凝胶溶解。但若在含吡啶环的脲基化合物与金属离子构成的双组分凝胶体系中，引入阴离子，则通过金属离子-阴离子构成离子对与脲基H原子、吡啶N原子之间的多重作用（图式5e），又为凝胶因子的分子有效堆积提供一种新的模式而再次成胶，表明了多种次价相互作用之间的竞争与协同。这对理解自然环境或一些复杂体系中的凝胶生成具有重要意义，因为这种情况在许多实际体系中或多或少存在。

　　Steed研究组系统考察了双（吡啶基脲）衍生物在阴离子调控下得到的超分子凝胶，以及在作为控制晶体生长介质和金属纳米材料制备模板等领域的应用。并制备了不同金属离子如Cu2+与Ag+存在下得到的金属凝胶。研究表明，体系中引入的金属离子可与两个吡啶N原子作用，形成金属离子桥接的双凝胶因子的多重氢键a-型平行排布，因此凝胶能力大大增强。另外，卤原子与吡啶N原子之间存在类似作用，可利用体系中分子间卤键的引入，使双（吡啶基脲）衍生物凝胶能力大大增强。

　　*近Steed研究组制备了脲基间连有不同间隔基的双（吡啶基脲）衍生物16和17.在甲醇/水（体积比4：1）混合溶剂中，化合物16与对二碘代四氟苯18等摩尔混合，采用加热溶解后冷却方法成胶，在快速冷却下得到稳定的水凝胶。若采用缓慢的冷却速率，则析出纤维状的晶体（3a）。SEM分析表明，化合物16晶体为盘状结构（3b），但化合物16和18的复合体系则呈现针状形貌（3c）。化合物16中脲基氢键以a-型反向平行排布，而对二碘代四氟苯18中的卤原子则与吡啶N原子形成分子间卤键以实现两个凝胶因子的桥接（3d）。另外在对二碘代四氟苯存在下，化合物16和17可以得到双组分的共凝胶体系。该研究表明，分子间卤键作用可以作为调控超分子凝胶组成及结构的有效工具。

　　多脲基凝胶因子，相比于双脲基凝胶因子，其增加的氢键组装单元使其具有更强的氢键形成能力，16/18复合体系在快速冷却下形成稳定凝胶而在缓慢冷却下则以晶体析出；（b）化合物16的SEM照片，呈现盘状形貌；（c）16/18复合体系的SEM照片，呈现针状形貌；（d）16/18复合体系的X射线衍射晶体结构为凝胶因子的多样化设计以及功能基团的引入提供了便利。但因为多脲基凝胶因子中氢键单元的增加，也增加了其溶解的难度，因此从合成和成胶方面，都带来了不小困难，相关报道也相对较少。*近，Yamanaka主要基于自己研究组的工作对基于脲基尤其多脲基氢键组装的凝胶体系进行了总结和评述。已报道的可作为多脲基凝胶因子的化合物有：①具有三脚架结构的三（2-氨基乙基）胺手性衍生物；②具有对称结构的以均苯三胺或环己三胺为内核的三臂支化化合物；③连有卟啉或酞菁等含大共轭体系的四脲基化合物。

　　2000年，Esch和Feringa研究组首先报道了基于三（2-氨基乙基）胺手性骨架的三脲基凝胶因子19，研究发现在脲基末端引入单纯的苯基或硝基苯的化合物很难形成凝胶，但若在脲基和苯基之间插入亚甲基，则会因为凝胶因子溶解度的增加，而在芳烃或氯代溶剂中获得不透明凝胶。另外，若以线形脂肪烃链替代芳香取代基，则可在多种溶剂中形成凝胶。

　　Steed研究组于2006年报道了a-手性碳位连接的苯乙基修饰的三脲基有机凝胶因子20，研究发现该凝胶因子可以在混合溶剂DMSO/H2O或CH3OH/H2O中形成螺旋状纤维凝胶，且若在其中加入Cl-则得到针状晶体，表明在凝胶纤维组装与4三苄胺三脚架结构的三脲基衍生物22的化学结构式及其在极性溶剂中得到二聚体（a）；在适当溶剂中经超声则可形成超分子凝胶（b）针状单晶结构中具有某种一致性。

　　2006年，黄春辉与易涛研究组设计合成了引入偶氮苯光响应基团和三个长烷基尾链的三脲基三脚架结构凝胶因子21，通过分子间氢键作用、n-n相互作用和疏水作用，在多种有机溶剂中形成稳定凝胶。该凝胶因子在不同溶剂中形成的凝胶结构有很大区别，随着溶剂极性的降低，由片层状逐渐转化为具有多级结构的球状凝胶；当将该类有机凝胶用于表面的修饰，不同溶剂的凝胶表面亲疏水性质表现出很大的差异，从而可一定程度地实现凝胶修饰表面亲疏水性质的可调性。

　　*近王乐勇研究组设计合成了三苄胺三脚架结构的三脲基衍生物22，发现其在溶液中或本体状态下，通过6个头尾相接的脲基氢键组装形成二聚体；而在超声作用下，氢键重组织驱动形成具有纳米纤维结构的超分子凝胶（4）。研究表明，通过改变末端苯环上取代基位置，可以实现对三苄胺骨架的灵活性的调控，以改变其自组装的形态。在宏观上则表现为不同条件下组装二聚体与凝胶之间的转变，这个精巧设计的例子首次打通了基于三脚架的分子胶囊与小分子凝胶两者之间的联系。

　　Yamanaka研究组报道了一种新型具有对称性的三臂支化三脲基凝胶因子23，其在极性溶剂如丙酮中形成超分子物理凝胶，并且在加入的卤离子或金属盐等的化学刺激作用下，发生可逆溶胶-凝胶转变。如图所示，向凝胶因子的丙酮凝胶（5a）中加入一定量的四丁铵盐TBA-F、TBA-C1、TBA-BF4，发现在F-、C1-作用下凝胶变为均相的溶液（5b）；在超声波作用下，向溶液中加入三氟化硼乙醚可以选择性地与F-作用重新形成凝胶（5c）。在同样的条件下加入ZnB，则可以使含有氯、溴、碘和醋酸根离子的溶液全部重新凝胶（5d）。作者认为凝胶因子在分子间氢键驱动力作用下形成超分子凝胶，因为阴离子与脲基之间存在显著作用，因此向凝胶中加TBA-F或TBA-Cl会破坏凝胶，但若加入含有与阴离子有更强作用的金属离子的ZnBh等金属盐，则通过竞争破坏脲基和阴离子之间的作用，从而释放脲基得以重新自组装成胶。

　　Yamanaka研究组进一步通过在三臂支化三脲基凝胶因子的外围引入a-D-糖苷基团修饰，得到可用作蛋白质分离的十二烷基磺酸钠-超分子凝胶电表面活性剂的诱导下形成超分子水凝胶。可能的作用机理如6所示，基于三脲基的两亲性分子，在氢键和疏水作用下形成彼此并行排列的一维纤维状聚集体，在溶液中形成不溶的悬浮体系；在离子表面活性剂存在下，纤维状聚集体间存在静电排斥作用，使得聚集体之间产生一定的距离，通过调节离子表面活性剂的浓度，即可得到上述两亲性分子的超分子水凝胶。

　　卟啉和酞菁分子内存在大的共轭体系，从而使5基于三脲基的超分子凝胶在不同化学刺激下的响应行为：（a）凝胶因子23的丙酮凝胶；（b）加入TBAF，TBAC1和TBABF4之后的丙酮凝胶；超声作用下向含有TBAF，TBAC1的体系中分别加入（c）BF3/OEt2或（d）6离子表面活性剂诱导超分子水凝胶化的可能机理分子间存在较强的分子间相互作用和范德华力，在分子中引入卟啉和酞菁基团，可以使分子间倾向于排列成一维的纳米线、盘状液晶和螺旋的带状结构。

　　Shinkai课题组将卟啉和酞菁基团引入到有机凝胶体系中，通过调节和卟啉基团相连接的外围脲基氢键体系，并利用脂肪链烷基、三乙氧基硅等修饰脲基末端，在n-n作用、氢键及范德华力等共同作用下得到基于卟啉及其衍生物的四脲基有机功能超分子凝胶体系。如2005年报道的4个烷基尾链脲基修饰的卟啉化合物24，可使有机溶剂凝胶化，其在脲基氢键作用下形成二维片层状超分子结构。化合物24与Cu（n）的复合物（24-Cu）也表现出很好的凝胶性能，可形成一维纤维状超分子结构（7）。同样地，末端引入三乙氧基硅修饰的化合物25和25-Cu与24及24-Cu具有相似结构，都可使有机溶剂凝胶化，得到基于卟啉的超分子凝胶，呈现独特的亚稳态热力学结构；而且引入三乙氧基硅的超分子凝胶具有较好的热稳定性与机械稳定性，因此可望作为一种新型的功能性有机/无机杂化材料。

　　7基于卟啉衍生物，并利用脂肪尾链及三乙氧基硅端基修饰的四脲基卟啉有机凝胶因子24和25的化学结构式，以及可能的超分子凝胶组装结构Lu课题组报道了一个新型基于双联三芳胺衍生物的四脲基凝胶因子26（TOUPPD），可在不同有机溶剂中得到热可逆超分子凝胶。荧光分析结果表明，凝胶具有蓝色荧光；若在凝胶因子的十氢萘溶液中加入一定量的三氟乙酸TFA，则可以使其形成凝胶。含有TOUPPD的有机超分子凝胶电解液，比起NaC104/THF电解液，具有更优异的导电性，其导电性随电解液盐浓度的增加而增加。由于一定量TFA的加入，使得TOUPPD薄膜在固态下也具有较好导电性。这类基于TOUPPD的热可逆导电超分子凝胶在光电子领域具有潜在应用价值。

　　5总结与展望本文综述了基于脲基氢键组装的超分子功能凝胶的研究进展，特别是近几年来的一些代表性工作。

　　引入脲基从合成角度比较容易实现，尤其是脲基间的强氢键缔合能力及其氢键构筑的多样性与可调变性，使得从单脲基、双脲基到多脲基的各类凝胶因子，在经适当分子设计、实现聚集-溶解这对主要矛盾的精细调谐的情况下都可呈现优异的成胶性。在多种不同化学或物理刺激下可实现“溶胶-凝胶”转变过程的可逆“开关”控制，尤其随着各类功能基团的引入，可制备具备光、离子及电化学等不同刺激响应性的智能响应功能凝胶。加上酸碱作用、金属离子配位作用以及阴离子与脲基配位作用，基于脲基氢键组装的多组分复合超分子凝胶，可以作为控制晶体生长的介质和制备金属纳米材料的模板，也可广泛用于生物传感、组织工程和仿生材料等领域。

　　目前对凝胶因子通过非共价键缔合在一维方向上的取向组装形成凝胶纤维已经有了较为清楚的理解，而对凝胶纤维彼此间如何作用，构筑高级的形貌结构或凝胶网络的作用机理还有待进一步的深入研究。

　　超分子凝胶研究经过多年的快速发展，显然远不能仅满足于初级阶段的溶胶-凝胶化现象变化的观察与简单描述，正如高分子水凝胶研究所经历的发展过程，对其蕴含机制乃至动力学过程的加深认识与调控以实现可控组装的凝胶材料加工制备是发展的方向与必然要求。通过合理设计与合成，在凝胶体系中引入多个功能互补的作用成分，以实现氢键缔合、配位络合、酸碱作用以及主客体相互作用等多种非共价键合的互不干扰的正交协同作用，以制备具有如可逆转变、热稳定性、环境响应等多种特性的多组分复合功能超分子凝胶，可望作为多重响应传感、分子逻辑门和分子开关等分子器件等。具有多重响应、多重信号输出的多组分复合功能凝胶体系的制备与有效调控目前仍然是该领域面临的一项重要挑战。