動態(tài)共價鍵在表面活性劑中的應(yīng)用研究

陸娉娉 郭 爽 張永民

（江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇無錫，214122）

表面活性劑具有極性的親水頭和非極性的疏水尾，是一種兩親物質(zhì)，被稱為“工業(yè)味精”，是一種功能性的精細化工產(chǎn)品。表面活性劑的發(fā)展歷史從肥皂開始，直到20世紀30年代，以石油化工原料衍生的合成表面活性劑和洗滌劑部分取代了肥皂，才打破了肥皂唯我獨尊的局面。我國的表面活性劑工業(yè)始于20世紀50年代，盡管起步比較晚，但發(fā)展速度很快。目前，表面活性劑已經(jīng)滲透人類生活的方方面面，在洗滌、農(nóng)藥、食品、材料、醫(yī)藥、采油、采礦、紡織、印染、皮革、造紙和建筑等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

表面活性劑在溶液中達到一定的濃度時，會自組裝得到各種聚集體(例如膠束和囊泡等)。其中膠束在食品檢測、醫(yī)療醫(yī)學(xué)等方面有突出的應(yīng)用，而囊泡因為與生物細胞的相似性，受到研究者們的廣泛關(guān)注。表面活性劑的自組裝給智能材料的研究帶來了無限的可能，通過給予一些環(huán)境刺激來調(diào)控表面活性劑的自組裝，觸發(fā)兩親化合物的開/關(guān)，使它們可以自組裝成具有可控特性的囊泡、膠束和凝膠[1]。外部刺激導(dǎo)致化合物的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，分子結(jié)構(gòu)的變化是調(diào)控兩親化合物自組裝的關(guān)鍵。如果分子結(jié)構(gòu)的變化是可逆的，則可以實現(xiàn)宏觀性質(zhì)和微觀聚集行為的可逆轉(zhuǎn)變。動態(tài)共價鍵的可逆性和動態(tài)性是構(gòu)建自適應(yīng)和可逆系統(tǒng)的有力工具[2]，并且可以形成各種超分子聚集體，如凝膠、納米棒和膠束等。動態(tài)共價鍵在超分子科學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，它結(jié)合了經(jīng)典共價鍵的穩(wěn)定性和非共價鍵的可逆性，是一種具有動態(tài)特征、相對穩(wěn)定的共價鍵。由于動態(tài)共價鍵具有可逆性質(zhì)，自組裝聚集體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)可以更容易的進行可逆調(diào)節(jié)[3]。因此，動態(tài)共價鍵是構(gòu)建智能材料的理想工具。目前，研究者們已經(jīng)利用動態(tài)共價鍵研發(fā)出了一系列的智能材料，在化學(xué)、醫(yī)療等方面做出了獨特的貢獻。近年來，也出現(xiàn)了很多基于動態(tài)共價鍵的表面活性劑，它們可以自組裝成各種智能材料，這種材料不僅具有可逆性，還具有穩(wěn)定性。本文將結(jié)合各種不同動態(tài)共價鍵的特點，介紹其應(yīng)用，并展望其發(fā)展前景。

1 動態(tài)共價化學(xué)

動態(tài)共價化學(xué)的出現(xiàn)和超分子化學(xué)有著密切的聯(lián)系，動態(tài)共價化學(xué)的核心部位是動態(tài)共價鍵，近幾年，動態(tài)共價鍵的發(fā)展壯大在超分子科學(xué)領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。由于超分子實體中的分子組分是靠非共價鍵連接的，非共價鍵的不穩(wěn)定性使得超分子化學(xué)在本質(zhì)上是一種動態(tài)化學(xué)，因此，超分子物質(zhì)可以可逆地解離和締合[4]。后來有學(xué)者認識到分子化學(xué)也可以具有相似的動態(tài)特征，只要分子中含有可以可逆地斷裂和形成的共價鍵，就可以通過重組和構(gòu)建單元的交換使結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)的變化。因此，動態(tài)共價化學(xué)由此產(chǎn)生。動態(tài)共價化學(xué)與動態(tài)共價鍵密不可分，使用可逆的共價鍵合成復(fù)雜的化合物促進了動態(tài)共價化學(xué)的進一步發(fā)展。動態(tài)共價鍵 (DCB) 能夠在一定的條件下裂解，又在一定的條件下形成，已廣泛用于刺激響應(yīng)系統(tǒng)、動態(tài)組合化學(xué)和動態(tài)材料[5]。

隨著動態(tài)共價化學(xué)的發(fā)展，人們對動態(tài)共價鍵的研究也日益增多。例如，Higaki等[6]基于烷氧基胺的單元交換反應(yīng)開發(fā)了一種具有溫度響應(yīng)的動態(tài)共價聚合物；Rong等[7]用烯胺鍵改性了纖維素海綿，實現(xiàn)了纖維素多孔材料的多功能性和再循環(huán)；Ji等[8]發(fā)現(xiàn)在沒有催化作用的條件下，可見光可以誘導(dǎo)動態(tài)二硒鍵發(fā)生交換反應(yīng)。動態(tài)共價鍵優(yōu)點突出，通過可逆共價鍵交聯(lián)的材料具有高抗蠕變性、高模量、高斷裂強度和高耐溶劑性等優(yōu)點[6]；通過引入可逆的共價鍵可以增強表面活性劑自組裝體的形成和解離動力學(xué)，使表面活性劑及其組裝體可以響應(yīng)環(huán)境的變化。另外，動態(tài)共價鍵可以為藥物的發(fā)現(xiàn)提供新方法，簡化靶向分子的篩選，在分子水平和材料水平上都具有重要的意義。動態(tài)共價鍵的種類有很多，如亞胺鍵、二硫鍵、酰腙鍵、硼酸脂鍵和肟鍵等，下面我們主要介紹一些典型且應(yīng)用廣泛的動態(tài)共價鍵。

2 動態(tài)共價鍵的應(yīng)用

2.1 亞胺鍵

亞胺鍵是一種被廣泛應(yīng)用的動態(tài)共價鍵，由醛基和伯胺基團反應(yīng)生成。該動態(tài)共價鍵在堿性環(huán)境中穩(wěn)定存在，在酸性環(huán)境中解離，所以可以通過調(diào)節(jié)pH 來實現(xiàn)亞胺鍵的生成和解離，具有pH 響應(yīng)性。2010年，Minkenberg等[9]使用動態(tài)亞胺型表面活性劑成功開發(fā)了對環(huán)境變化高度響應(yīng)的動態(tài)囊泡。如圖1所示，陽離子雙醛A與庚胺B在水中混合，通過醛基和伯胺基團反應(yīng)形成可逆的亞胺鍵，從而生成了含有動態(tài)共價鍵的雙鏈陽離子表面活性劑。該表面活性劑在水溶液中自組裝，幾分鐘內(nèi)澄清的溶液變成乳白色，形成了聚集體。通過共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)和低溫透射電子顯微鏡(Cryo-TEM)研究聚集體的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)該聚集體為囊泡。用動態(tài)光散射(DLS)和熒光光譜法觀察到，囊泡在pH=7.1±0.2時保持穩(wěn)定狀態(tài)，在pH ＜4時，囊泡完全解離，當(dāng)溶液的pH再次調(diào)回堿性時，囊泡再次形成，這證明亞胺鍵的存在使得囊泡的形成與解離完全可逆，是一個可循環(huán)的過程?；趤啺锋I構(gòu)筑的囊泡具有高度動態(tài)的特性，由于它易于形成、快速解離和可循環(huán)的特征，成為動態(tài)包封和釋放載體的可靠工具。

圖1 囊泡的形成

醛基和伯胺基團反應(yīng)可以生成亞胺鍵，那么醛基的個數(shù)和位置是否對亞胺鍵的形成產(chǎn)生一定的影響呢？實際上，結(jié)構(gòu)對動態(tài)共價鍵的影響十分顯著。Wang等[10]通過研究三種不同結(jié)構(gòu)的苯二甲醛與二肽的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)動態(tài)共價鍵的形成和超分子的組裝明顯受到苯二醛結(jié)構(gòu)的影響。如圖2所示，鄰苯二甲醛和二肽在堿性條件下，以甲醇作為溶劑混合時，兩個醛基都和伯胺基團發(fā)生了反應(yīng)，并且它們自組裝形成了凝膠；而對苯二甲醛和二肽混合時，只有一個醛基和伯胺基團發(fā)生了反應(yīng)，它們自組裝形成了囊泡；當(dāng)間苯二甲醛和二肽混合時，有一部分的間苯二甲醛的兩個醛基都和伯胺基團發(fā)生了反應(yīng)，另一部分的間苯二甲醛卻只有一個醛基和伯胺基團發(fā)生了反應(yīng)，該體系出現(xiàn)了兩種產(chǎn)物，沒有發(fā)現(xiàn)它們的聚集體。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是鄰苯二甲醛的兩個醛基的距離小，極性增加，可以促進反應(yīng)；對苯二甲醛的兩個醛基處于對位、相距較遠，當(dāng)其中一個醛基與二肽分子靠近并反應(yīng)時，相反的醛基幾乎不反應(yīng)。而且鑒于溶劑(甲醇)的極性較強，極性較弱的醛基被包裹在內(nèi)部，阻止了二肽分子中的氨基接近醛基。這一發(fā)現(xiàn)可以幫助我們有選擇性地制備產(chǎn)物，讓我們對亞胺鍵有了更進一步的了解。

近年來，學(xué)者們對亞胺鍵的研究越來越深入，基于亞胺鍵構(gòu)筑的智能材料也迅速發(fā)展。2014年，Wang等[11]利用動態(tài)亞胺鍵制備了一系列具有不同對稱性的bola型超分子兩親物；2015年，Dai等[12]通過簡單的芳族三胺與二醛的反應(yīng)合成了二維共價有機單層膜；2018年，Han等[13]開發(fā)了基于亞胺鍵的自我修復(fù)性熱敏水凝膠，并將鹽酸多柔比星(DOX)包封在凝膠中用于抗腫瘤治療；2019年，Wang等[14]基于動態(tài)亞胺鍵開發(fā)了一種pH響應(yīng)形態(tài)轉(zhuǎn)換體系，該體系可以完成聚集體從膠束到囊泡的響應(yīng)性形態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖2 具有不同結(jié)構(gòu)的苯二甲醛與二肽的反應(yīng)及其自組裝行為

2.2 硼酸酯鍵

硼酸與含有二醇結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在堿性環(huán)境中可以形成硼酸酯鍵，硼酸酯鍵在堿性條件下穩(wěn)定，酸性條件下解離，是一種典型的動態(tài)共價鍵。Guo等[15]利用硼酸酯鍵構(gòu)筑了一種核心交聯(lián)聚合物納米粒子(CCPN)。如圖3所示，將聚乙烯醇(PVA)加入到聚N，N-二甲基丙烯酰胺-b-3-丙烯酰胺基苯基硼酸(PDMA -b-PAPBA)的水溶液(pH≈9.30)中，PDMA-b-PAPBA中的苯基硼酸(PBA)單元與PVA絡(luò)合生成硼酸酯鍵，形成了核心交聯(lián)聚合物納米粒子，CCPN具有核-殼結(jié)構(gòu)，由于核心中可逆的B-O化學(xué)鍵，CCPN具有pH響應(yīng)性和葡萄糖響應(yīng)性。當(dāng)pH下降時，硼酸酯鍵的解離會導(dǎo)致填充在CCPN核心的水排出，PDMA-b-PAPBA中的PAPBA是疏水的而PDMA是親水的，該兩親物質(zhì)自組裝形成聚合物膠束，而且膠束的核心中存在PVA鏈。當(dāng)pH再次增加時，可逆的硼酸酯鍵也會再次形成，這時膠束消失，CCPN形成。由于葡萄糖具有順式二醇的結(jié)構(gòu)，所以CCPN具有葡萄糖響應(yīng)性，在pH≈10.3時，葡萄糖可與PBA形成相對較強的絡(luò)合物，PBA/ PVA絡(luò)合物會慢慢被PBA/葡萄糖絡(luò)合物所取代。

另外，Wu等[16]設(shè)計了一種分子結(jié)構(gòu)類似音叉的二硼酸(OPAB-C8)，該硼酸分子同時具有親水部分和疏水部分，是一種潛在的功能性表面活性劑。OPAB-C8在水溶液中自組裝形成囊泡。在糖類的刺激下，硼酸分子與具有二醇結(jié)構(gòu)的糖形成硼酸酯鍵，影響了囊泡的表面環(huán)境，造成了囊泡形態(tài)的改變。由于硼酸易于合成、結(jié)構(gòu)簡單，能夠在堿性環(huán)境中與二醇形成穩(wěn)定的共價鍵而在識別糖類方面受到極大關(guān)注。如圖4所示，用葡萄糖刺激囊泡時，兩個硼酸基團可以結(jié)合兩個葡萄糖分子，OPAB-C8與葡萄糖形成1:2的復(fù)合物，囊泡轉(zhuǎn)化為較大的聚集體；用果糖刺激囊泡時，兩個硼酸基團只結(jié)合一個果糖分子，OPAB-C8與果糖形成1:1的復(fù)合物，囊泡在果糖的存在下解離。由此可知，在水溶液中自組裝的二硼酸可以基于動態(tài)共價鍵的作用，通過形態(tài)的變化選擇性識別糖類。類似地，Yao等[17]發(fā)現(xiàn)含有苯基硼酸酯的兩親性嵌段聚合物(MPEG5000-block-PBDEMA)在葡萄糖的刺激下，可進行硼酸酯的動態(tài)交換，在胰島素的自我調(diào)控方面具有顯著效果。

圖3 由pH和葡萄糖誘導(dǎo)的CCPN的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變

圖4 OPAB-C8的結(jié)構(gòu)及其自組裝，以及在糖類刺激下結(jié)構(gòu)的變化

學(xué)者們對硼酸酯鍵的研究從未止步，2015年，Cromwell等[18]利用動態(tài)硼酸酯鍵構(gòu)筑了可鍛造和可自我修復(fù)的共價聚合物網(wǎng)絡(luò)；2017年，Guo等[19]將硼酸酯鍵和二硫鍵結(jié)合起來，獲得了具有多重響應(yīng)性和自愈合功能的水凝膠；2018年，Dufort等[20]使用動態(tài)共價硼酸酯鍵設(shè)計了一種可以用于生物醫(yī)學(xué)的水凝膠。

2.3 二硫鍵

二硫鍵是一種十分受歡迎的動態(tài)共價鍵，具有光響應(yīng)性和氧化還原響應(yīng)性。它是一種生物相容性良好的動態(tài)共價鍵，在蛋白質(zhì)分子中，具有穩(wěn)定肽鏈空間結(jié)構(gòu)的作用。早在2008年，F(xiàn)an等[21]就已經(jīng)合成了兩種含有二硫鍵的雙子表面活性劑。如圖5所示，通過?；磻?yīng)合成了SDLC和SDDC。SDLC和SDDC是基于氨基酸的一類雙子型表面活性劑，具有優(yōu)異的生物相容性和生物降解性，而且表現(xiàn)出優(yōu)異的表面吸附能力和膠束化能力。這種含有二硫鍵的表面活性劑由于二硫鍵和硫醇基之間的還原/氧化反應(yīng)，可以可逆地控制其表面張力和聚集體的形態(tài)。以SDLC為例，該表面活性劑在水溶液中可以自組裝為一個囊泡、膠束共存的體系，由于二硫鍵的氧化還原響應(yīng)性(圖5)，在SDLC系統(tǒng)中加入二硫蘇糖醇(DTT)可以把表面活性劑中的二硫鍵還原成硫醇，此時該雙子型表面活性劑的二硫鍵斷裂，雙子型表面活性劑變?yōu)槠胀ǖ膯晤^單尾的表面活性劑。由于該單頭單尾的表面活性劑在溶液中的濃度達不到臨界膠束濃度(CMC)，所以在溶液中無法形成膠束，以單體的形式存在。當(dāng)加入雙氧水后，體系中的硫醇再次被氧化為二硫鍵，又生成了雙子型表面活性劑，再次形成囊泡和膠束。研究發(fā)現(xiàn)，二硫鍵的這種可逆的還原/氧化能力可以在體系中循環(huán)發(fā)生。

二硫鍵在紫外光的照射下會發(fā)生斷裂產(chǎn)生自由基，在控制波長的條件下，可發(fā)生自由基的交換。Fan等[22]發(fā)現(xiàn)在光的驅(qū)動下二硫鍵和二硒鍵之間可以發(fā)生交換反應(yīng)(圖6)。在254 nm波長的紫外光照射下，二硫鍵和二硒鍵斷裂，反應(yīng)向正方向進行，在大于410 nm波長的可見光照射下，反應(yīng)逆向進行，生成二硫鍵和二硒鍵。將該化學(xué)物質(zhì)引入聚合物材料中，可以通過遠距離照射實現(xiàn)聚合物的裂解。由此可見，具有光響應(yīng)性的二硫鍵在化學(xué)領(lǐng)域中十分重要。

圖5 SDDC和SDLC的合成及SDLC/ SLC的還原/氧化反應(yīng)

圖6 二硫化物和二硒化物之間的交換反應(yīng)

與其他動態(tài)共價鍵類似，二硫鍵在刺激響應(yīng)性材料方面發(fā)揮著它獨特的作用。Zhang等[23]將二硫鍵置于聚氨酯的硬質(zhì)相中，發(fā)現(xiàn)二硫鍵的動態(tài)性質(zhì)在硬質(zhì)相的熔化溫度以下可以有效地“關(guān)閉”，通過調(diào)整硬質(zhì)相的性質(zhì)達到了控制材料動態(tài)性質(zhì)的目的。此外，Zhang等[24]把二硫鍵引入了聚己內(nèi)酯(PCL)網(wǎng)絡(luò)?；诙蜴I的動態(tài)共價作用，改良后的PCL網(wǎng)絡(luò)具有自我修復(fù)、形狀記憶、可再加工性和可降解性等優(yōu)良性質(zhì)。

2.4 酰腙鍵

酰腙鍵也是動態(tài)共價鍵的一種，它由酰肼和醛經(jīng)過縮合反應(yīng)生成[25](圖7)，同亞胺鍵相似，對pH非常敏感，在中性和弱堿性條件下十分穩(wěn)定，在酸性條件下可以快速實現(xiàn)組成的交換。2010年，Deng等[26]研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)pH，含有酰腙鍵的凝膠可實現(xiàn)多次溶膠-凝膠的可逆轉(zhuǎn)換，并且通過酰腙鍵的交換反應(yīng)可以實現(xiàn)凝膠的自愈合；2014年，Zhang等[27]將酰腙鍵與二硫鍵結(jié)合在一起，開發(fā)了一種既具有自我修復(fù)特性又具有氧化還原和pH響應(yīng)性的聚合物凝膠；2016年，Ozdemir等[28]在熒光染料的基礎(chǔ)上，通過酰腙鍵的形成，發(fā)現(xiàn)了一種能夠自愈合的熒光凝膠；2019年，Xiao等[29]把二醛纖維素納米晶體與酰肼封端的聚乙二醇進行交聯(lián)，構(gòu)建了含有酰腙鍵的纖維素納米復(fù)合水凝膠，該凝膠在沒有外界刺激下即可以很容易地實現(xiàn)自我修復(fù)并且具有良好的生物相容性。

圖7 酰腙鍵的形成

酰腙鍵不僅有顯著的pH響應(yīng)性，還具有溫度響應(yīng)性。Sun等[30]基于酰腙鍵所呈現(xiàn)的動態(tài)性質(zhì)，制備了一種同時具有pH響應(yīng)性和溫度響應(yīng)性的水凝膠(圖8)。在水凝膠中加入少量鹽酸將pH調(diào)至酸性后，凝膠在1 h內(nèi)完全溶解。隨后，使用三甲胺(TEA)完全中和掉其中的鹽酸，5 min內(nèi)溶液再次變?yōu)樗z，且循環(huán)3次后，水凝膠的形態(tài)沒有差異。此外，在室溫下，水凝膠呈透明狀態(tài)，當(dāng)溫度升至36℃時，透明的水凝膠變?yōu)榘咨?。?dāng)溫度再下降至室溫時，凝膠又恢復(fù)透明，并且它可以重復(fù)至少10次而沒有任何變化。酰腙鍵的存在還使得該水凝膠具有良好的自愈合能力，這種具有自愈合功能和雙重刺激響應(yīng)特性的水凝膠在藥物遞送、生物傳感器和軟組織填充劑等方面發(fā)揮著重要作用。

圖8 自愈合水凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程

3 結(jié)語

基于動態(tài)共價鍵的表面活性劑可以自組裝形成各種類型的囊泡、膠束、纖維、凝膠等。這些聚集體在一定條件下穩(wěn)定存在，同時又可以可控可逆地解離，且可多次循環(huán)而不衰減，為催化、生物化學(xué)、材料合成和制藥等領(lǐng)域提供了廣闊的發(fā)展空間。動態(tài)共價鍵的存在，豐富了表面活性劑的功能，也擴寬了表面活性劑的用途。與普通表面活性劑相比，含有動態(tài)共價鍵的表面活性劑表現(xiàn)出來的響應(yīng)性對構(gòu)筑智能材料更有吸引力。雖然動態(tài)共價鍵在近幾年發(fā)展迅速，但是仍然有許多問題有待進一步探究。比如兩種或兩種以上的動態(tài)共價鍵能否在同一體系中應(yīng)用，它們之間是否會相互干擾，多種動態(tài)共價鍵的相容問題仍然困擾著我們。