本发明属于超分子自组装领域，涉及一种豆甾醇基甘氨酸二茂铁酰胺小分子凝胶因子、有机凝胶及其制备方法。
背景技术：
小分子凝胶是指具有明确结构和分子量的有机小分子化合物在某溶剂中、某种特定条件下形成的具有粘弹性的半固态半液态，能够自支撑的软物质。小分子凝胶属于物理凝胶，是在氢键、范德华力、π-π堆积、静电作用、疏水相互作用等弱的非共价键力相互作用下形成的超分子三维网络结构。由于这种弱的相互作用力，使得小分子凝胶很容易在一些条件下完成一些可逆的相转变，形成具有可逆刺激响应的智能相变材料，小分子凝胶也被应用在诸如敏感材料制备、传感器、药物传输与控释、环境保护等很多领域。具有不同刺激响应性的小分子凝胶被赋予不同的特性，拓宽了小分子凝胶的应用范围，因而刺激响应性逐渐成为小分子凝胶设计合成的一个热点。目前为止，小分子凝胶剂的种类很多，其中类固醇类是研究最早也是最多的一类，且多集中于胆固醇和胆酸，对其他潜在的类固醇凝胶研究较少。植物甾醇因其独特的生理活性和生物相容性，被科学家们誉为“生命的钥匙”。近年来，也有以植物甾醇作为小分子凝胶母体的报道，但数量较少。豆甾醇是一类常见的植物甾醇，它具有形成凝胶所需要的刚性骨架和强的范德华驱动力，也是类固醇类小分子凝胶构筑基元的良好选择。二茂铁是一种有机金属化合物，它具有磁性、催化特性、电活性性、氧化还原特性，其应用范围已经扩展到医学、生物、染料、电化学、液晶材料、感光材料等诸多领域，在小分子凝胶及超分子自组装方面也有部分应用。但目前尚未出现具有优良氧化活性的二茂铁-豆甾醇衍生物中的小分子凝胶及其制备方法的研究。
技术实现要素：
为了解决现有技术中利用豆甾醇与二茂铁衍生物作为凝胶因子构筑超分子凝胶体系研究尚缺乏的问题，本发明提供了一种多重刺激响应性豆甾醇衍生物小分子凝胶因子、有机凝胶及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多重刺激响应性豆甾醇衍生物小分子凝胶因子，其为豆甾醇基甘氨酸二茂铁酰胺，结构式如下：
一种上述小分子凝胶因子的制备方法，包括以下步骤：
一、豆甾基boc-甘氨酸酯（sbg）的合成：
（1）在冰浴条件下将500~800mg豆甾醇和150~400mgboc-甘氨酸溶于ch2cl2中，然后将300~600mgdcc和100~400mgdmap加入上述溶液中；
（2）避光条件将反应物在0℃下搅拌4~8h，然后在室温下搅拌6~10h，用tlc监测反应进程；
（3）反应结束后，过滤混合物并将滤液蒸发至干燥，得到粗产物；
（4）使用硅胶柱色谱柱分离纯化粗产物，用丙酮/石油醚（1：6，v/v）作为洗脱液，最终得到米色化合物sbg；
二、豆甾基甘氨酸酯（sg）的合成：
（1）将500~1000mgsbg溶于ch2cl2中，在冰浴条件下向反应液中加入4~10ml三氟乙酸；
（2）在室温下搅拌1~5h，无需避光，通过tlc监测反应进程；
（3）反应结束后，将饱和碳酸氢钠溶液逐滴加入到反应液中直到反应液中没有气泡产生；
（4）将上述混合液用饱和氯化钠溶液/ch2cl2萃取三次后，旋干萃取有机溶剂，得到黄色固体物质sg，sg不经进一步纯化可直接进行下一步反应；
三、豆甾醇基甘氨酸二茂铁酰胺（sgf）的合成：
（1）首先将200~700mgsg和100~600mg二茂铁甲酸溶于ch2cl2中，然后将100~600mgedc和100~300mgnhs加入到上述反应液中；
（2）冰浴条件下避光搅拌3~6h，然后在室温下搅拌7~10h，通过tlc监测反应进程；
（3）反应结束后，过滤粗产物并将滤液蒸发至干燥；
（4）通过使用正相硅胶柱纯化粗产物，以丙酮/石油醚（1：8，v/v）作为洗脱液，采用干法上样，分离得到黄色物质sgf。
一种上述多重刺激响应性豆甾醇衍生物小分子凝胶因子的有机凝胶，其制备方法包括以下步骤：
一、将小分子凝胶因子-豆甾醇基甘氨酸二茂铁酰胺置于带盖的玻璃小瓶（v=1.5ml，d=10mm）中，加入有机溶剂后于75℃水浴加热至凝胶因子尽可能完全溶解；
二、然后在室温下静置冷却，形成凝胶。
本发明具有如下优点：
1、本发明首次以具有刚性骨架的豆甾醇作为凝胶因子构筑母体，以甘氨酸为连接臂，以含有氧化活性基团的二茂铁作为反应基团，通过酯化、脱boc及酰胺化三步合成反应制备了一种新型豆甾醇衍生物—豆甾醇基甘氨酸二茂铁酰胺（sgf）凝胶因子。
2、本发明通过质谱、核磁碳谱氢谱对sgf进行结构表征；测定sgf在环己烷中的临界胶凝浓度和相转变温度，确定了sgf/环己烷凝胶的凝胶能力和凝胶强度；sem表征发现sgf干凝胶表面形貌随有机溶剂种类和浓度的变化而变化；xrd表征表明sgf/乙酸乙酯凝胶的堆积方式为均匀的层状堆积；强氧化剂加入到凝胶中发现凝胶开始慢慢解体变成黄绿色的悬浊液，加入还原剂后，悬浊液由黄绿色恢复到黄色，但不能完成可逆的凝胶相转变，因此确定了sgf凝胶具有氧化刺激响应；sgf/环己烷凝胶具有一元醇的刺激响应性，并且在正一元醇中(c=1-10)可特异性识别甲醇。凝胶形成的主要驱动力为酰胺间氢键及豆甾醇母体间的范德华作用力。
3、sgf凝胶因子的有机凝胶材料除了具有原本引入二茂铁基团所期望获得的氧化刺激响应外，还具有触变性、超声响应、热响应、醇溶剂刺激响应的性质，该凝胶有望在传感器和溶剂识别等方面有潜在的价值。
附图说明
图1为本发明豆甾醇类衍生物有机凝胶因子的制备路线图；
图2为化合物sgf的质谱图；
图3为化合物sgf的氢谱图；
图4为化合物sgf的碳谱图；
图5为sgf在乙酸乙酯和环己烷中形成凝胶的过程图；
图6为sgf/环己烷凝胶相转变温度；
图7为化合物sgf在不同有机溶剂中的扫描电镜图，(a)环己烷/5mg/ml；(b)环己烷/10mg/ml；(c)环己烷/20mg/ml；(d)环己烷/30mg/ml；(e)乙酸乙酯/加热；(f)乙酸乙酯/超声；
图8为sgf/乙酸乙酯冻干凝胶（25mg/ml）的x射线衍射及其单体的分子模拟图；
图9为sgf/乙酸乙酯凝胶中可能存在的分子模型；
图10为sgf/环己烷凝胶的氧化-还原过程(a)，加水的sgf/环己烷凝胶(b)；
图11为加入(nh4)2ce(no3)6（a）和未加入(nh4)2ce(no3)6（b）的sgf/环己烷溶液的紫外可见光谱；
图12为醇类溶剂的刺激响应：(a)加入甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇及空白的sgf/环己烷凝胶；(b)a实验组加热后静置；(c)加入环己烷的sgf/环己烷凝胶；
图13为醇类溶剂的刺激响应：(a)甲醇在混合溶剂中的检出限；(b)50%的甲醇，乙醇导致凝胶相变图；(c)30%的甲醇，乙醇导致凝胶相变图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种新型豆甾醇衍生物—豆甾醇基甘氨酸二茂铁酰胺（sgf）凝胶因子，其结构式如下：
如图1所示，上述豆甾醇基甘氨酸二茂铁酰胺（sgf）凝胶因子的具体制备步骤如下：
一、豆甾基boc-甘氨酸酯（sbg）的合成：
（1）在冰浴条件下将600mg豆甾醇和300mgboc-甘氨酸溶于ch2cl2中，然后将400mgdcc和300mgdmap加入上述溶液中；
（2）避光条件将反应物在0℃下搅拌6h，然后在室温下搅拌8h，用tlc监测反应进程；
（3）反应结束后，过滤混合物并将滤液蒸发至干燥，得到粗产物；
（4）使用硅胶柱色谱柱分离纯化粗产物，用丙酮/石油醚（1：6，v/v）作为洗脱液，最终得到米色化合物sbg；
二、豆甾基甘氨酸酯（sg）的合成：
（1）将600mgsbg溶于ch2cl2中，在冰浴条件下向反应液中加入5ml三氟乙酸；
（2）在室温下搅拌3h，无需避光，通过tlc监测反应进程；
（3）反应结束后，将饱和碳酸氢钠溶液逐滴加入到反应液中直到反应液中没有气泡产生；
（4）将上述混合液用饱和氯化钠溶液/ch2cl2萃取三次后，旋干萃取有机溶剂，得到黄色固体物质sg，sg不经进一步纯化可直接进行下一步反应；
三、豆甾醇基甘氨酸二茂铁酰胺（sgf）的合成：
（1）首先将400mgsg和300mg二茂铁甲酸溶于ch2cl2中，然后将300mgedc和200mgnhs加入到上述反应液中；
（2）冰浴条件下避光搅拌5h，然后在室温下搅拌8h，通过tlc监测反应进程；
（3）反应结束后，过滤粗产物并将滤液蒸发至干燥；
（4）通过使用正相硅胶柱纯化粗产物，以丙酮/石油醚（1：8，v/v）作为洗脱液，采用干法上样，分离得到黄色物质sgf。
含豆甾醇及二茂铁的小分子凝胶剂的表征（如图2-4所示）
化合物sgf：1hnmr,δh(cdcl3;400mhz):6.12(1h,s,nh),5.40(1h,s,h-6),5.13-5.18(1h,dd,j=8.4hz;15.2hzh-23),4.99-5.05(1h,dd,j=8.4hz;15.2hzh-22),4.74(3h,m,2hforferrocenyland1hforoxycyclo-hexyl),4.40(2h,s,ferrocenyl),4.29(5h,s,ferrocenyl),4.13(2h,s,ch2),2.36-2.38(2h,d,j=7.6hzch2),0.70-2.01(41h,m,stigmasterylprotons).13c-nmr(cdcl3,100mhz):170.70(c-30),169.88(c-32),139.43(c-5),138.43(c-22),129.39(c-23),123.12(c-6),75.52(c-3),75.34(c-33),70.73(c-35,c-36),70.00(c-34,c-37),68.37(c-38,c39,c40,c41,c42),56.90(c-17),56.04(c-14),51.36(c-24),50.14(c-9),42.33(c-13),41.65(c-31),40.65(c-20),39.73(c-4),38.19(c-12),37.05(c-1),36.71(c-10),32.02(c-2,c-25),31.95(c-7),29.06(c-8),27.87(c-16),25.55(c-28),24.48(c-15),21.37(c-11),21.25(c-26),21.14(c-21),19.45(c-27),19.12(c-19),12.41(c-18),12.18(c-29).hresi-ms：m/z681.3850[m]+,704.3761[m+na]+(c42h59feno3).
小分子凝胶性能研究
凝胶实验
取25mgsgf和1ml的溶剂置于带盖的玻璃小瓶（v=1.5ml,d=10mm）中，然后75℃水浴加热至凝胶因子尽可能完全溶解。最后在室温下静置冷却形成凝胶。
测试sgf在33种有机溶剂中的凝胶行为，以25mg/ml为最高浓度，sgf可胶凝乙酸乙酯和环己烷，如图5a在环己烷中可通过简单的加热-冷却循环形成均匀透明的黄色凝胶。如图5b所示，sgf在乙酸乙酯中可通过加热-冷却循环过程形成均匀的不透明黄色凝胶，且sgf可在超声刺激过程中逐渐形成不均匀不透明的黄色凝胶。晃动会导致在乙酸乙酯中形成凝胶的不可逆坍塌，而在环己烷中形成的凝胶在剧烈外力下会导致凝胶坍塌，在一定时间内坍塌的凝胶可恢复到原来的状态，这表明sgf/环己烷凝胶具有一定的触变性。
临界胶凝浓度测定
临界胶凝浓度是小分子凝胶剂凝胶能力的一个测定指标。本发明测试了sgf/环己烷凝胶、sgf/乙酸乙酯凝胶的临界胶凝度，发现sgf/环己烷凝胶的临界胶凝浓度为5mg/ml，sgf/乙酸乙酯凝胶的临界胶凝度为25mg/ml。这表明sgf更容易胶凝环己烷形成稳定凝胶且sgf对环己烷来说是一种超级凝胶剂。
相转变温度的测定
相转变温度是小分子凝胶强度的一个测定指标。如图6所示，sgf/环己烷凝胶的相转变温度随浓度的增加而增大，sgf浓度越高形成的凝胶强度越大。
小分子凝胶形貌研究
sem测试
sgf凝胶的形貌受凝胶溶剂种类及浓度的双重影响。如图7所示，通过扫描电子显微镜表征了sgf/环己烷凝胶和sgf/乙酸乙酯凝胶的表面形貌。从图7e，7f中可以看出，sgf在乙酸乙酯中可以形成纳米宽、微米长的带状结构，不同的凝胶形成方法，如室温冷却致凝胶和超声致凝胶，仅仅会影响带状结构的长度和宽度，但对其形貌没有太大影响。造成这种现象的原因可能是超声波阻止带状结构过长生长，使得带状结构在适当长度断裂，宏观上表现为形成均匀质地的凝胶。而加热冷却形成的凝胶肉眼可见的不均一状态。sgf在环己烷形成的凝胶会因浓度不同而呈现不同的形貌。从图7中我们可以看到，7mg/ml的sgf/环己烷凝胶由宽度为30nm的无规则纤维组成（图7a）。随着浓度的增加，纳米纤维逐渐形成片状结构（图7b），进而片状结构堆积成多孔片状结构（图7c）。当sgf/环己烷凝胶浓度大于25mg/ml时，其干凝胶形态从纤维片状结构变为直径约3微米的规则球状结构（图7d）。
xrd研究
图8显示了sgf在乙酸乙酯（25mg/ml）中自组装成长条状结构的xrd衍射图谱。图中出现了四个明显的衍射峰。通过布拉格公式2dsinθ=nλ计算，得到这四个衍射峰响应的d值为4.18nm、2.13nm、1.42nm和1.06nm，且这些d值的比率为1:1/2:1/3:1/4，符合层状堆叠方式中xrd中的d值比例关系，表明sgf/乙酸乙酯凝胶分子具有层状结构，且层间距为4.18nm，与通过materialstudio软件模拟计算得到两个二茂铁与甘氨酸平行排布的sgf分子长度（4.19nm）相似。
如图9所示，通过红外光谱及xrd衍射图谱分析，我们提出了一个可能存在的的结构模型用于表示sgf在乙酸乙酯中形成凝胶的分子堆积方式即sgf在乙酸乙酯中的自组装结构。
小分子凝胶刺激响应性研究
氧化刺激响应研究
硝酸铈铵（(nh4)2ce(no3)6）是一种强氧化剂。如图10所示，将(nh4)2ce(no3)6溶于最少量水配置成硝酸铈铵溶液，向sgf/环己烷新制凝胶中加入等摩尔的硝酸铈铵溶液后静置，发现凝胶逐渐由黄色的固体状态变声黄绿色的液体状态。如图11所示，通过氧化前后的紫外光谱分析，发现二茂铁基团由439nm的还原态红移到639nm的氧化态，因此判定氧化剂的加入使得二茂铁被氧化，导致其形成凝胶的驱动力遭到破坏最终表现为宏观上凝胶的坍塌。水合肼（n2h4.h2o）是一种强还原剂，sgf/环己烷凝胶发生氧化反应后，加入等摩尔的水合肼，尽管悬浊液的颜色由黄绿色恢复到黄色，但加热-冷却循环不能完成溶液到凝胶的相转变，证明了sgf/环己烷凝胶不具有可逆的氧化还原刺激响应。
醇类刺激响应研究
在5mg/ml的新制sgf/环己烷凝胶中加入微量甲醇，发现凝胶在2min内逐渐解体成澄清透明黄色溶液。
如图12所示，发现微量的甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、正庚醇、正辛醇、正壬醇及正癸醇溶剂都会导致凝胶解体为澄清透明液体。对上述透明液体进行加热-冷却发现不能完成溶液-凝胶的相转变，除甲醇组形成浑浊液体外，其他组仍保持澄清溶液状态。以此判定sgf能识别低碳正一元醇类溶剂（c=1~10），并且在上述一元醇中可特异性识别甲醇。
微量脂肪醇加入到sgf/环己烷凝胶后，导致凝胶坍塌并发生不可逆转变，凝胶坍塌后加热，只有甲醇组溶液会变浑浊，其他醇类溶剂仍旧保持原始状态。由于甲醇不是sgf的良好溶剂，凝胶坍塌后，会导致部分sgf从溶液中析出。利用sgf/环己烷凝胶对脂肪醇有机溶剂的刺激响应性及对甲醇的特异性识别作用，期望将sgf/环己烷凝胶应用于醇类溶剂识别方面。如图13所示，甲醇乙醇混合溶剂中，甲醇含量超过45%可以被检测到。甲醇、乙醇二者的水溶液在含量为30%时可被检测出，但速度较慢。