超越亲脂性：通过后期极性转换设计带有9,10-二苯基蒽荧光探针的氧代三苯基己酸酯水凝胶

《ChemistryOpen》：Transcending Lipophilicity: Design of Oxotriphenylhexanoate (OTHO) Hydrogels Decorated With 9,10-Diphenylanthracene Fluorescent Probes via Late-Stage Polarity Swap

　　

低分子量凝胶因其易于修饰的特性而成为多功能材料，其价值远超单纯的聚合物凝胶。然而，这类修饰很少超出简单的功能化范畴，将优势凝胶剂骨架在亲水与亲脂环境之间转移的策略仍然罕见。在本工作中，研究人员提出了一种通用方法，用于对高度模块化的亲脂性氧代三苯基己酸酯（OTHO）骨架进行后期极性转换（LSPS），该骨架预先与荧光探针9,10-二苯基蒽（DPA）进行了功能化。所得化合物在不同条件下测试了凝胶化能力，并通过振荡流变学对形成的水凝胶进行了表征。干凝胶的扫描电子显微镜图像揭示了纤维状组装体，表明无论介质如何，OTHO的自组装能力均未受影响。

论文解读：超越亲脂性——基于后期极性转换策略的荧光OTHO水凝胶设计与表征

一、研究背景与科学问题

低分子量凝胶剂（LMWGs）是一类能够通过超分子相互作用自组装形成物理凝胶的小分子（分子量200–1000 Da），相较于聚合物凝胶，其合成可操作性强、功能化精确，因而在催化、储能及生物医学（如药物递送）等领域展现出广阔的应用前景。然而，现有研究多集中于对凝胶剂进行简单功能修饰，而针对其核心骨架极性的改造，尤其是实现从有机凝胶到水凝胶的极性转换，却鲜有报道。这主要是因为改变极性往往会对凝胶性能产生不利影响。

传统水凝胶剂的合成与纯化通常受限于其富含羟基、胺基等活性官能团带来的反应兼容性问题。相比之下，亲脂性分子的合成与色谱纯化更为简便。因此，开发一种能够在合成后期将亲脂性凝胶剂骨架转化为水溶性凝胶剂的策略，即后期极性转换（LSPS），不仅能简化功能性水凝胶的制备流程，更能拓宽可获取的凝胶剂结构范围。

本研究旨在解决以下关键问题：如何在保持氧代三苯基己酸酯（OTHO）这一经典亲脂性凝胶剂优异自组装能力的前提下，引入强疏水性荧光探针9,10-二苯基蒽（DPA），并通过LSPS策略成功实现其在水中凝胶化，从而获得兼具荧光特性和水相适用性的新型功能水凝胶。

二、研究方法概述

为实现上述目标，研究人员采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   多组分反应合成：利用经典的OTHO多组分反应，高效制备含溴取代的OTHO衍生物（Br-OTHO）。
2. 2.
   Suzuki偶联反应：通过钯催化的Suzuki偶联反应，将9,10-二苯基蒽（DPA）荧光单元引入OTHO骨架的特定位置。
3. 3.
   硫酸酯化与离子交换：借鉴表面活性剂化学，利用温和的选择性硫酸酯化反应，将羟基转化为强亲水性的硫酸酯基团，随后通过离子交换得到钾盐形式的最终产物。
4. 4.
   流变学表征：采用振荡流变学（振幅扫描和频率扫描）评估水凝胶的力学性能，包括线性粘弹性区（LVE）、屈服点、流动点及储能模量（G'）与损耗模量（G"）。
5. 5.
   扫描电子显微镜（SEM）：观察冻干凝胶（干凝胶）的微观形貌，分析纤维结构的尺寸、形态及网络互穿情况。

三、研究结果与分析

2.1 亲水性PA-OTHO凝胶的制备

研究人员首先尝试通过季铵盐策略使DPA修饰的OTHO（PA-OTHO）获得水溶性，但发现即使交换抗衡离子后，该化合物仍完全水不溶，表明单个阳离子基团不足以克服DPA带来的过度亲脂性。随后，研究人员转向硫酸酯策略，成功制备了一系列不同链长的硫酸酯化PA-OTHO（化合物9bb–9be）。其中，化合物9bb、9bc和9be能在加热下溶于水，而氨基衍生物9bd则不溶。

在水中的凝胶化测试显示，所有化合物在无外加离子时均无法形成凝胶，9bb和9bc会沉淀，9be则始终保持溶解状态。研究人员由此假设，初级分子间组装可能发生，但形成的寡聚体无法进一步交联成网络，而是超过溶解度极限后聚集沉淀。

基于此，研究人员考察了不同离子对凝胶化的影响。结果表明，K⁺和Ca²⁺能有效触发甘油衍生化合物9bc的凝胶化，形成稳定的浑浊凝胶；而Mg²⁺导致大量沉淀，Li⁺和Na⁺则倾向于促进溶解。阴离子种类对凝胶化过程无明显影响。相比之下，不含DPA的对照化合物9ac仅在Ca²⁺存在下形成凝胶，而在K⁺溶液中迅速沉淀。这说明DPA单元的引入显著改变了凝胶化行为和对离子的响应性。

2.2 流变学

通过振荡流变学分析，研究人员比较了9ac和9bc凝胶的力学性能。对于9ac，不同浓度Ca²⁺（0.05 M vs 0.1 M）形成的凝胶表现出相似的响应趋势，具有较长的线性粘弹区和较低的屈服点（约1%应变），但流动点较高。值得注意的是，高浓度Ca²⁺凝胶的G'值更低，可能与纤维尺寸增大有关。

对于9bc，KCl诱导的凝胶远强于CaCl₂凝胶，其G'/G"值高出一个数量级，线性粘弹区也更宽，但两者流动点相近。CaCl₂凝胶在取样后即塌缩分离，被排除后续测试。频率扫描结果显示，所有凝胶均表现出频率无关性，表明其结构稳定，LSPS策略并未明显改变OTHO凝胶的本征流变响应。

凝胶-溶胶转变温度（T_gel-sol）的测定结果与振幅扫描一致：KCl诱导的9bc凝胶热稳定性最高，而高浓度Ca²⁺的9ac凝胶热稳定性最差。

2.3 扫描电子显微镜

SEM图像揭示了不同凝胶的微观形貌差异。9ac凝胶呈现清晰的纤维结构：0.05 M CaCl₂凝胶的纤维较短（~1 μm）、较细（平均33 nm），而0.1 M CaCl₂凝胶的纤维更长（~10 μm）、更粗（平均48 nm）。这与高浓度离子促进更大尺寸结构形成的假设相符，也解释了前者因更致密的纤维网络而具有更高G'值的现象。

9bc凝胶同样呈现纤维结构，但形貌因所用阳离子而异。CaCl₂凝胶的纤维较长（数微米）、平均厚度30 nm，且区域高度互锁；KCl凝胶的纤维更细（~22 nm），互锁程度相似。两者强度上的巨大差异可能源于Ca²⁺驱动组装过于强烈，导致纤维聚集体松散地包裹在薄凝胶基质中，这与样品易塌缩的现象一致。FTIR分析表明，盐与OTHO之间的相互作用仅在凝胶化过程中发生，溶剂去除后两者分离。

四、结论与意义

本研究成功展示了一种通过后期极性转换（LSPS）策略，将含有强亲脂性9,10-二苯基蒽（DPA）荧光探针的氧代三苯基己酸酯（OTHO）骨架转化为功能性水凝胶的通用方法。通过硫酸酯化引入强亲水基团，并结合K⁺或Ca²⁺等离子的介导作用，实现了水相中的凝胶化，获得了荧光水凝胶。流变学与热稳定性分析表明，所得水凝胶具有良好的力学性能和可控的热响应性。扫描电子显微镜观察到的纤维状组装体证实了OTHO骨架的自组装能力在水相中得以保留。

研究结论：研究人员通过OTHO骨架的后期极性转换，成功制备了功能性水凝胶。在插入高度亲脂性的PA（苯基蒽）官能团后，研究人员成功实现了水中的凝胶化，获得了荧光水凝胶。研究人员还研究了离子在凝胶化过程中的影响，旨在开发可触发的系统，使得离子可以注入OTHO溶液（反之亦然）以按需诱导凝胶化。通过流变学测量了材料的力学行为及其热稳定性，并将两者与构成凝胶结构的纤维的SEM成像相关联。此处获得的结果为新型任务特异性OTHO水凝胶铺平了道路，将这些低分子量凝胶剂有利的模块化合成与水相基质相结合，拓宽了其在多个领域的应用潜力，例如在生物医学中的应用。