（有机化学专业论文）阳离子型60富勒烯衍生物的水溶性的性质研究.pdf

摘要 本文通过c 6 0 与哌嗪的“去氢反应”合成了单加成和部分两加成产物异构 体，进一步衍生化得到的富勒烯衍生物。在此基础上，主要通过一些手段和方法 对单加成阳离子型水溶性富勒烯衍生物在溶液中的聚集过程和聚集体形念进行 了研究。本文共分四个章节。 第一章主要对c 砷及其衍生物的聚集性质，生物活性，以及其它的各方面的 相关研究进行了详细的回顾和论述。通过研究该类c 6 0 衍生物在溶液中的自组装 结构特点，目的是希望探索其在材料化学领域可能的重要潜在应用。 第二章重点是合成了一系列c o o 的6 6 键上的碳原子直接和杂原子( n 原子) 相连的单加成和两加成的c 6 0 衍生物。它们实际上相当于去氢的c 6 0 衍生物。我 们再进一步官能化这些c 6 0 衍生物，目的是得到阳离子型的c 6 0 的化合物。 第三章主要研究了阳离子型c 6 0 衍生物1 在四氢呋喃水的两组分混合体系 中的聚集行为和其溶剂化显邑效应。 我们研究发现，通过改变混和溶剂中t h f h 2 0 的比例关系，放置时问，以 及改变体系的温度而观察到化合物1 在溶液中的溶剂化显色现象和紫外- 可见吸 收光谱的变化特征。同时，温度和浓度对化合物1 在h 2 0 - t i - i f 混合溶剂中的单 体念的稳定性有重要的影响，然丽对聚集体稳定性影响很小。通过原子力电子显 微镜( a f m ) 测试证实了聚集体的形成。我们还发现化合物1 在t h f - h 2 0 混合 体系中的两种聚集行为和与之相应的溶剂化显色现象在富勒烯衍生物中是具有 普遍意义的。最后，我们还探讨了一些其它有机溶剂与水所形成的两组分混合溶 液中的聚集行为并对影响聚集行为的因素进行了详细的考察。对两种不同聚集过 程的形成机制进行了进一步探讨。 第四章系统地研究了阳离子型c 6 0 衍生物1 在水溶液中的聚集状态及其光谱 学特性。我们主要通过高分辨透射电镜( h r t e m ) ，原子力显微镜( a f m ) 等方 法和手段进行了研究，观察到化合物l 在固液界面主要是微观结构。通过研究我 们认为化合物1 在水溶液中在云母片表面上形成球状的聚集体；形成聚集体的直 径范围2 0 7 0n i n ，而绝大多数聚集体的直径集中在3 01 1 1 1 1 左右。对这种表面自 组装现象的影响因素进行初步探讨，认为溶液的浓度对界面自组装所形成的聚集 体的形貌有一定的影响。 a bs t r a c t b yd e h y d r a t e dr e a c t i o no fc 6 0a n dp i p e r a z i n e ，w eh a ds y n t h e s i z e dt h em o n o m e r a n ds o m eo fb i s a d d u c t s a n dt h e no b t a i n e dt h ef u n c t i o n a l i z e df u l l e r e n ed e r i v a t i v e si n t h i st h e s i s b a s e do nt h e s ep r o d u c t s ，w e i n v e s t i g a t e d t h e a g g r e g a t i o np r o c e s s i n s o l u t i o na n dt h ea g g r e g a t ef o r m a t i o n so fc a t i o n i cw a t e r - s o l u b l ef u l l e r e n ed e r i v a t i v e s o f m o n o m e r t h e r ea r ef o u r c h a p t e r si nt h i st h e s i s i nt h ef i r s t c h a p t e r , w em a i n l yr e v i e w e dt h ea g g r e g a t i o np r o p e r t i e s ，b i o l o g i c a l a c t i v i t i e s ，a n do t h e rr e l a t e df i n d i n g so fc 6 0a n di t sd e r i v a t i v e s b yi n v e s t i g a t i n gt h e s e l f - a s s e m b l yc h a r a c t e r i s t i co f t h i sk i n do fc 6 0d e r i v a t i v e s ，w eh o p et op r o b ei n t ot h e l i k e l yi m p o r t a n tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nm a t e r i a ls c i e n c e f i l e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , w es y n t h e s i z e das e r i e so fm o n o a d d u c ta n db i s a d d u c t so f c 6 0d e r i v a t i v e s ，o fw h i c ht h ec a r b o na t o m so fc 6 0b i n dd i r e c t l yt h en i t r o g e na t o m s i n f a c t , t h e y a r e d e h y d r a t e d f u l l e r e n ed e r i v a t i v e s w ef u r t h e rf u n c t i o n a l i z e dt h e s e f u l l e r e n ed e r i v a t i v e st oc a t i o n i cf u l l e r e n ec o m p o u n d s w e m a l n l yi n v e s t i g a t e d t h e a g g r e g a t i o n b e h a v i o r sa n do b s e r v e dt h e s o l v a t o c h r o m i s mo ft h ec a n i o n i cf u l l e r e n ed e r i v a t i v eli nt h et h f - h 2 0b i n a r ym i x e d s y s t e mi nt h e t h i r dc h a p t e r w eh a df o u n dt h a t , b yc h a n g i n gt h ea m o u n to fh 2 0i n t h i sb i n a r ys y s t e m ， s t a n d i n gt i m e ，a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h i ss y s t e m ，t h e s o l v a t o c h r o m i s ma n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fu v v i so ft h i sc a n i o n i cf u l l e r e n ed e r i v a t i v e1i nt h et h f - h 2 0 b i n a r ym i x e ds y s t e mw e r eo b s e r v e d a tt h es a m et i m e ，t e m p e r a t u r ea n d c o n c e n t r a t i o n h a da ni m p o r t a n te f f e c to nt h es t a b i l i t yo ft h em o n o m e ro ft h i sc a n i o n i cf u l l e r e n e d e r i v a t i v e1i nt h eb i n a r ys y s t e m w h i l eh a di i t t l ee f f e c to nt h es t a b i l i t yo f i t s a g g r e g a t e s w et e s t i f i e dt h ee x i s t e n c eo f t h ea g g r e g a t e sb y a f m w ja l s of i n dt h a tt h e t w o a g g r e g a t i o nb e h a v i o r s a n dt h es o l v a t o c h r o m i s mo ft h i s c a n i o n i cf u l l e r e n e d e r i v a t i v e1i nt h f h 2 0s y s t e ma r eg e n e r a l l ys i g n i f i c a n ti no t h e l w a t e r - s o l u b l e f u l l e r e n ed e r i v a t i v e s f i n a l l y , w ea l s oe x a m i n e dt h ea g g r e g a t i o nb e h a v i o r so fo t h e r b i n a r ys y s t e mo f d i f f e r e n to r g a n i cs o l v e n t sa n dh 2 0a n dd i s c u s s e dt h ea f f e c t e df a c t o r s f o rt h e a g g r e g a t i o nb e h a v i o r s w e d i s c u s st h em e c h a n i s mo ft h et w od i f f e r e n t a g g r e g a t i o n b e h a v i o r s i nt h ef o r t hc h a p t e nw e s y s t e m i c a l l ys t u d i e d t h e a g g r e g a t i o n s t a t e si np u r ew a t e r o ft h i sc a t i o n i cf u l l e r e n ed e r i v a t i v ea n di t ss p e c t r o s e o p yc h a r a c t e r i s t i c s w em a i n l y a d o p t e dh r t e m a f m a n ds oo n , a n do b s e r v e dt h en a n o p a r t i c l e so fc o m p o u n di f u r t h e r m o r e , w ec o n s i d e r t h i s c o m p o u n d li n a q u e o u s s o l u t i o nt e n d st of o r m s p h e r i c a la g g r e g a t e s ；t h ed i a m e t e rr a n g e o ft h e s ea g g r e g a t e si s2 0 7 0n m w h i l em o s t o ft h ed i a m e t e r so ft h e s ea g g r e g a t e sp o p u l a t e d3 0n r no rs o w ea l s os t u d i e dt h e a m ：c t e df a c t o r so ft h i ss e l f - a s s e m b l yp h e n o m e n o na n db e l i e v et h a tt h ec o n c e n t r a t i o n o fs o l u t i o na n dt h es t a n d i n gt i m eo ft h es o l u t i o nh a dad e f i n i t e e f f e c to nt h e a p p e a r a n c e s ，w h i c hf o r m e db ys e l f - a s s e m b l y v 第一章水溶性c 6 0 衍生物的研究进展 1 9 8 5 年，c 6 0 的发现是人类对碳元素认识的新阶段，是科学上的具有划时代意义的 发现。它是有美国科学家r o b e r t fc u d 和r i c h a r d e s m a l l e y 教授及英国科学家h a r o l d w k r o t o 教授在研究激光汽化石墨实验中首次发现含有c 6 0 和c 7 0 的原子簇，他们并且为此 重大发现共同获得1 9 9 6 年诺贝尔化学奖。他们提出用b u c k m i n s t e r f u l l e r e n e 来命名c 6 0 ， 后来又将包括c 6 0 在内的所有含偶数个碳所形成的分子通称为f u l l e r e n e 。c 6 0 的发现使我 们了解了一个全新的碳化学世界。特别是1 9 9 0 年德国的天文物理学家w k r a t s c h m e r ，d r h u f f m a n 等在惰性气氛下电弧蒸发石墨的方法宠观量合成富勒烯成功后，富勒烯的研 究迅速发展并取得了重要成果。c 6 0 被发现的短短1 0 多年来，富勒烯家族已经广泛地影 响到物理学、化学、电子学、材料科学、生命及医药科学各领域，极大丰富和提高了科 学理论，同时也显示出巨大的潜在应用前景。 1 1c 砷的发现 c 6 0 是完全由碳原子组成的种新结构的全碳分子，是继石墨和盒刚石之后被发现的 第三类碳的同素异构体，其中最引入瞩目的是c 6 0 。1 9 8 5 年k _ r o t o 等科学家首次报道了他 们的最新研究成果1 ，此研究结果宣布了富勒烯家族的诞生。他们在用金属等高熔点物质 催化制备碳原子族时，用激光脉冲向石墨旋转圆盘的微小部位照射，瞬间形成局部高温 使得c c 键断裂，石墨表面形成的碳原子族丌始向真空蒸发，用一种与激光脉冲同步的 氮气流将原子族送入一个真空室，最后再用激光照射将它们光离子化，从而便于对其进 行质谱研究。他们从所得质谱图中发现存在一系列由偶数个碳原子所形成的分子，其中 有一个比其它峰强度大2 0 - 2 5 倍，此峰的质量数对应于由6 0 个碳原子所形成的分子。他 们经过优化实验条件，终于得到了以c 6 0 和c 7 0 为主要成分的质谱图。图谱( a ) 的条件是脉 冲氦气流刚通过不久以激光脉冲照射的情况得到的质谱图。如图l ： “靠两晴托科 图谱i ：k r o t o s m a l l e y 研究小组获得的碳原子簇的质谱图。 1 2c 6 0 的结构和命名 科学家k r o t o 受f u l l e r 拱形圆顶建筑物的启发，他认为c 6 0 可能具有类似的的球体结 构，因为只有这样c 6 0 的分子爿不存在悬键。经过研究小组的热烈讨论，他们提出了c 6 0 封闭笼形结构的假设，即c 6 0 是由6 0 个碳原子所构成的球形3 2 面体，即由1 2 个五边形 和2 0 个六边形组成；每个碳原子以印2 杂化轨道与相邻的三个碳原子相连，剩余的p 轨 道在c 6 0 球壳的外围和内腔形成球面n 键，从而具有芳香性。为了纪念f u l l e r ，他们提出 用b u c k m i n i s t e r f u l l e r e n e 来命名c o o ，后来又将包括c 6 0 在内的含偶数个碳所形成的分子 通称为f u l l e r e n e 。 1 3 水溶性c 钟及其衍生物的研究进展 以c 6 0 为代表的富勒烯家族的发现是世界科学史上的一个罩程碑。自从c 6 0 首次发现 后的十余年的时问旱，几乎全世界所有著名大学和研究所的科学家都进行了与富勒烯有 关的研究。这些研究几乎涉及物理学，化学，以及材料科学的各个领域，同时对生物学， 医学，天文学，以及地质学也产生巨大冲击，使富勒烯家族成为当前科学界研究的热点。 由此发展起来的富勒烯化学几乎成了一个独自的研究领域。 特别是1 9 9 0 年德国的天文物理学家w k r a t s e h m e r ，d r h u f f i n a n 等2 在惰性气氛下 电弧蒸发石墨的方法宠观量合成富勒烯成功后，富勒烯的研究迅速发展并取得了重要成 果。富勒烯化学一直是全世界科学家关注的焦点，是科学研究的前沿。但是，c 的高度 疏水性，极大的限制了它的广泛应用。它可以作为药物的载体，但是由于它不能达到药 物所需要的最低浓度，因此必需通过官能化或其它的方法使之由疏水性c 6 0 变为亲水性 的富勒烯衍生物，即通过增溶的方法才能使之得到实际应用。同样，其；每度疏水性也阻 碍了该类化合物在生物领域和其它领域的重要应用。 1 3 1 富勒烯族化合物增溶的方法主要有三种 ( 1 ) 包兴法( e n c a p s u l a t i o n ) 它的特点是c 作为客体与主体分子形成超分子结构化合物，而c 6 0 本身结构不变， 以便于考察c 6 0 自身的生物性质。主要方法是用水溶性化合物形成一个外部亲水，内部 亲油的胶囊或微胶囊，作为载体将富勒烯包夹在其中，从而实现增溶的作用。按载体不 同可分为以下几种： 2 a ) 用表面活性剂来增溶这种方法稳定性不好，同时c 6 0 易聚成束。其主要方法是用表 面活性剂形成胶束柬包央c 6 0 实现增溶，如b 嗡3 5 ，t r i t o n x 1 0 0 等。形成这种溶液的 一般方法是，先测出此温度下表面活性剂的临界胶束的浓度( c m c ) ，当浓度大于c m c 时，加入c 甲苯混合物，振荡为均溶液，在6 0 一7 0 下蒸发除去甲苯，冷却，可得 透明的分散相。 b ) 主客体复合物( h o s t g u e s t ) 法通过水溶性聚合物环糊精6 ，人工合成的脂肪膜3 ， p v p 等7 有大小合适的空腔的主体分子来包央c 6 0 从而实现增溶。环糊精分子结构比较特 殊，其上下部是亲水表面，内部是一个具有一定尺寸的疏水空腔，其空腔大小可以包央 c 6 0 形成复合物，是一个好的载体和反应器，如m i t t a l 等人研究了水溶性的环糊精一c 6 0 掺 杂复合物的制备，性质及光物理特性8 。另一 种聚合物p v p 增溶c 6 0 能使其在水中的浓度达到5 6 1 0 4 m o l t l ，方法是将c 6 0 溶于甲苯 中，加入含p v p 的c h c l 3 溶液，真空下蒸发溶剂，再加入适量水溶解之9 。另外，具有 特定结构的复杂化合物，如同杂化腔盏粗砂极其衍生物可以将c 6 0 引入其腔中，从而达 到增溶c 6 0 的目的。这种方法一般溶解度较高，c 6 0 不会聚集1 0 - 1 4 。 ( 2 ) 悬浮液法( s u s p e n s i o n s ) 该类方法主要是通过共溶剂实现增溶。该方法一般是通过将t h f 加入c 6 0 的饱和苯 溶液中，再在其中滴加几滴丙酮，然后缓缓加入水，形成悬浮液，再旋去1 1 邗”。最近， a l a r g o v a 等通过将很少量的c 6 0 良溶剂的溶液( 甲苯等) 注入水或极性有机溶剂中，形成 了稳定的胶体溶液。这种方法简单，迅速而且非常稳定”。 f 3 ) 化学修饰法 即通过亲水性官能团修饰c 6 0 来实现增溶，这是最主要和研究的最深入的方法。当 一个亲水基团以共价键与c 6 0 分子相连时，c 6 0 分子就可获得一定的水溶性。但是由于 c 6 0 球笼的强疏水性，加一个短链亲水性基团不足以使之溶解。为避免富勒烯分子之间发 生聚集，即球笼聚合，我们还可通过加上长的亲水链或加多个亲水链来实现增溶。化学 修饰法大致分为： a 1 加亲水链已经证明加上足够长的亲水性链于c 6 0 上，能使富勒烯获得水溶性8 。 另外，将c 6 0 引入亲水性的聚合物体系中也是制备水溶性c 6 0 衍生物的一个有效的方法 。9 , 2 0 。将含离子基团的化合物加成在c 6 0 上形成的衍生物具有水溶性，实际是形成了类似 离子型表面活性剂的化合物。目前己合成出的该类化合物主要是含氮盐的衍生物和些 单取代和多取代的羧酸特。其主要方法是将易形成离子基团的化合物直接加成剑c 【：， 从而形成类似离子型表面活性剂1 7 , 2 2 2 。 b ) 多重官能团修饰多重官能作用是指在c 6 0 周围加上多个亲水极性基团，通过控制反 应条件，这种方法是可行的1 7 a 8 。一般说来，当c 6 0 笼上有超过1 5 个羟基时，其水溶性 就会有较大程度的提高。在合适的稀溶液中，多重官能团作用的水溶性c e o 衍生物能有 效避免富勒烯笼的形成( 这种聚集降低了激发态寿命，影响了富勒烯在光动力学疗法上 的潜在应用) ，即聚集态的形成。研究表明，多重修饰反应速率随着取代基数目的增加 而减小。另外，单线态氧的产生是不受附加基团性质影响的，但是随着 6 0 富勒烯上饱 和双键的增加而减小。 上述各种方法是到目前为止的合成水溶性 6 0 富勒烯衍生物的一些常用和主要的方 法。采用上述方法合成出的许多衍生物有着多种良好的生物学活性，在生物科学方面有 着广泛的应用前景。 1 3 2 水溶性的c 砷及其衍生物的研究进展简单回颐 关于水溶性富勒烯衍生物的性质方面的研究现状，总体上来说还是以c 6 0 的水溶性 衍生物为主，且在这类c 6 0 衍生物中以单加成产物方面的报道为主。在水溶性富勒烯衍 生物的研究方面工作做的比较好的有d i r km g u l d i 课题组，m a u r i z i op r a t o 课题组，j a m e s m t o u r 课题组，e i i c h i n a k a m u r a 课题组和n a o t o s h i n a k a s h i m a 课题组。在国内方面这方 面工作做的比较出色的是朱道本研究组。另外，从这方面的报道的情况来看，对水溶性 c 6 0 衍生物的研究，在1 9 9 5 年左右刚刚起步，但是到1 9 9 9 年至今，这方面的研究已经有 了很大的进步，不但所设计合成的分子r 益复杂，研究手段也r 益完善。国内方面，水 溶性富勒烯衍生物的性质方面的研究起步较晚，大约在2 0 0 1 年左右才有所改观。目前， 该领域仍备受关注。 6 0 富勒烯在生物环境即水溶液环境中的溶解性问题如果得到根本 解决，它们在生物，药学领域的广泛应用前景得以实现。 我们分两个大的方面简单的回顾一下。 a 1 生物学领域 1 9 9 3 年，w u l d 课题组首次报道了富勒烯衍生物对艾滋病病毒蛋白酶( h t v p ) 有抑制 作用这一鼓舞人心的结果2 3 , 2 4 即水溶性二氨基二酸二苯基c 6 0 衍生物具有抑制人体免疫 缺损病毒酶h i v p 的功效后，水溶性c 6 0 衍生物作为抑制h i v p 的抑制剂，从而治疗艾滋 病的潜在化合物，立即成为当时生命研究领域的热点。随后，k e n y o n 等研究发现”，c 6 0 4 单取代甲撑甜生物比双取代基的衍生物作为酶抑制剂的效率更高。对于已报道的多经基 c 6 0 t 生物来漫，其作为酶抑制剂，主要是通过吞噬黄嘌呤氧化酶产生的超氧阴离子自由 基来实现的，另外对破坏力很强的羟基自出基具有良好的清除作用。 同样，在d n a 裂解方面早在1 9 9 3 年，t o k u y a m a 等”报道c 6 0 的水溶性羧酸衍生 物的合成时，他们也就该衍生物解离d n a 的性质进行了报道。在报道中，他们给出了 该类化合物当水溶液浓度约为1 0 0u m o l l 时，在可见光照射下，能裂解双螺旋d n a ，裂 解主要发生部位在鸟嘌呤碱基对上，当溶液中存在单线念氧捕获剂时，解离将会受到阻 碍。他们给出了反应基理，认为单线念氧催化了d n a 裂解，同时，不能排除连有激发念 富勒烯的d n a 被直接氧化的可能性。该类化合物所具有的解离d n a 的性质。使之在光 动力学疗法上被应用成为可能。基于此，在t o k u y a m a 等报道后，又有一系列具有类似性 质的c 6 0 衍生物被合成和报导出来 。另一方面，未修饰的c 6 0 也具有解离d n a 的性质 ”，一些c 的包夹化合物具有在光照下解离d n a 的特性，而包兴c 6 0 的化合物本身不 具有解离d n a 的特性。据此也可以证明c 6 0 在光解离d n a 时是必不可少的。另一方面， 根据现有的报道，部分水溶性衍生物不具有解离d n a 的性能，可见侧链的影响也是极大 的1 7t o u r 等2 7 在1 9 9 6 年报道了c 6 0 - n ，n 二甲基吡咯碘盐化合物( 化合物1 ) 的合成和 一些生物学性质进行了报道。随后在1 9 9 8 年该课题组报道了”该化合物解离d n a 的生 物性质上的研究。在1 9 9 9 年，他们又报道了2 9 化合物l 自组装成纳米尺度上的超分子 结构的形态纳米棒和囊泡结构。在他们的报道中，提出了样品配制过程中溶剂的加入顺 序会对自组装的超分子结构的形态具有很大的影响。由于化合物l 是一种非延展性的c o 衍生物分子，因此t o u r 等人的研究对于搭建起自组装，延展性结构和修饰的富勒烯化合 物材料间的连接桥梁起到了重要的作用。在研究中，他们所采用的主要研究手段是透射 电镜( t e m ) 。 ，c h 3 铲叱 化合物1 一 b ) 医学领域 部分水溶性富勒烯衍生物具有很强的杀菌性2 5 。通过将细菌分散在琼脂中，加入水溶 性富勒烯衍生物，然后进行跟踪，研究有效浓度及时问效果来进行研究。如果在此基 础上再测出其7 l 物毒性，则有可能掘此研发出一些新型抗菌药。另外，人们还对c 衍 生物的抗氧化性，毒性和神经药物等方面的性质进行了不少富有成效的研究”。 研究发现，c 6 0 的一些衍生物在弱可见光的照射下对一种细胞( h e l a s 3 ) 有毒性( 即 抑制性) ，而在完全黑暗的情况下，则没有观察到这种毒性3 1 。这类作用光敏感性太强， 以至于所有的控制操作的实验都必须在避光的条件下进行。进步研究表明，这种毒性 主要与c 6 0 有关，而不是取决于其附加基团。同时研究也表明c 6 0 衍生物水溶性越高，则 其毒性越低，可能是水溶性太强会影响疏水基团与细胞的结合，从而对细胞抑制范围减 小。 由于水溶性c 6 0 衍生物能杀死细胞的这种特性，人们就有可能合成这类特定的衍生 物去杀死那些可以被杀死的对人体有害的细胞，诸如癌细胞，恶性肿瘤细胞等等，因此 合成具有杀死某种特定细胞的水溶性c 衍生物就可以解决一些目前难以治愈的一些疾 病的治疗问题。另外具有较高水溶性和良好生物学活性的富勒烯衍生物，可以作为药物 载体将一些特殊药物运送到特定部位，诸如由于c 6 0 分子具有抗辐射性，因此将放射性 元素置于c 6 0 腔中，注射到癌变的部位，可以提高放射治疗的疗效，同时也可减少副作 用。李文铸，黄文栋等采用逆相蒸发技术得到了水溶性c 6 0 的脂质包结物，当该包结物 与体外培养的人子宫颈癌细胞融合后，用卤素灯照射后，发现对癌细胞具有很强的杀伤 能力”。随后，他们的课题组又研究了这一现象的杀伤机理，认为同时存在单线态氧和 氧自出基两种机制。近来又研究了c 6 0 光激发对红细胞膜流动性的影响。这种采用脂 质体来包结c 6 0 的最大特点是形成的包结物能够直接应用到生物体内与细胞相互作用 这大大方便和加速了对富勒烯及其衍生物的生物效应的研究进程。 研究表明，c 6 0 及其衍生物在生物和医学领域旱广泛应用的关键是解决水溶性和毒 性两大问题。目前虽然已经合成出不少性能优越的c 6 0 衍生物。但是具有更好的生物活 性和应用潜力的衍生物，以及更好的合成手段之类的问题仍然急待解决。毒性研究是c 6 0 衍生物真f 走向应用的个关键问题，只有对其毒性有了准确的测试，c 6 0 衍生物才能在 药物，医疗中得以广泛的应用，这也是研究的最终目的。另一方面，如果富勒烯及其衍 生物在水溶性和毒性方面的问题被彻底解决，c o 则可能在生物学方面有更广泛的应用。 实际上，由于c 衍生物在解离d n a ，抑制病毒酶等生物，医学方面的优越性，它 们在临床诊断学，光动力学疗法，电疗，特殊药物载体等方法有着极大的应用前景：作 为自由基阻断剂，c 柏衍生物在神经保护，防止癌变，抗衰老等医学领域的研究同样令人 6 瞩目。 1 4 富勒烯及其衍生物的性质研究 当前，富勒烯化学和分子组装化学是一个科学研究的热点。现在许多的研究集中在 这两个领域的结合方面。 1 4 1 富勒烯及其衍生物的聚集性质的研究进展 c 6 0 ，c ，o 由于其出色的物理化学性质及其所特有的生物学特性，引起了科学家们的 广泛关注。c 6 0 ，c 7 0 的聚集体由于同时含有c 6 0 ，c 7 0 的性质，在材料科学和生物科学上 也有一些潜在的应用。早期的研究主要集中在c 6 0 及c 7 0 聚集体的研究。目前，关于c 6 0 的水溶性衍生物的聚集性质的研究己慢慢开展起来。 由于c 6 0 的高度疏水性，其本身在水中和其它极性有机溶剂中几乎不溶。与此同时， 人们也发现，它有着出色的生物学活性。出于生物体本身是富水环境，因此，人们在如 何制备稳定的c 。o 水溶液以及其它极性有机溶液方面作了很多的探索和研究。目i u 比较 常用的方法是将c 6 0 先溶解在苯或甲苯中，然后移取少量的浓溶液注入到水中， 从而形 成稳定的胶体溶液。激光光散射数据表明这些胶体的颗粒大小一般为几十个纳米，而且 电化学研究表明，聚集体的表面一般都是富电子的呈现出负电荷，电荷膪j 的斥力使得这 种胶体很稳定。一般认为在胶体中，聚集体周围被包了一层甲苯与有机良性溶剂，从而 分散在水溶液中以小的液滴的形态存在。聚集体的尺寸一般可以由c 6 0 在良性溶剂中所 形成的稳定溶液浓度来控制，根据已有报道来c 兑，浚过程是可逆的3 j , 3 2 。 另一方面，人们研究也发现在c 6 0 ，c 7 0 的有机良性溶剂中加入c 6 0 的不良溶剂( 如水， 乙氰等) ，在一定的比例下，c 6 0 c 7 0 的溶解会有一个奇怪的颜色的变化”。同时，这种变 化在u v v i s ，荧光光谱和p l ( 发光光谱) 上也会得到反映3 4 。这种随混合溶剂的极性变化 而发生的颜色变化及其相应的光谱学性质的变化已经被认为是富勒烯本身发生了聚集形 态变化的原因。后束，s u n 等还用这种聚集体的胶体溶液用光照的方法制备了聚合的c 6 0 和c ，o 并进行了表征，有趣的是类似的实验在未发生聚集的混合体系中并不能发生”。最 近，有人用含聚集体的胶体溶液在i t o 电极表面合成了各种薄膜”。 上述c 6 0 ，c 7 0 在混合溶剂中的聚集研究的结果比较单一， 但是关于c 6 0 在纯溶剂中 的聚集则显得比较复杂而且无规率。最早c h u 等3 7 , 3 8 人报导用动念和静态光散射方法发 现，c 6 0 在苯中当浓度大于1m m o l l 时能在长时间的放置后发生聚集，颗粒大小在1 6 r i m 左右。然而这种聚集体是不稳定的，手摇即可将其破坏。其后s a p r e 等 人报道在高浓 度，当浓度大于1 0 0 u m o l l 的情况下，c 6 0 的苯氰溶液能形成聚集体，d l s s e m 显示平 均尺寸为2 5 0r u t i 。当浓度小于1 0 0 u m o l l 时，为单体状态，在该种体系中也可以发现颜 色变化：浓度从高到低，颜色由紫色逐渐变化为红棕色最后变为不透明的液体。研究发 现该过程是可逆的。有人报道c 6 0 在一些溶剂中存在随时削变化而产生的不可逆的聚集 ”，但是当加入一些抗氧化剂时，这种随时问变化的聚集过程可以被阻止。最近，有报道 表明c 6 0 在- 甲基毗咯中随时间逐渐聚集“，但是令人奇怪的是浓度越低，聚集过程越 快。浚文的作者对此给出的解释是c e o 与溶剂问产生了电荷转移的复合体。 最近，关于c 6 0 的水溶性衍生物的聚集体性质的研究受到了众多的关注。相比c 6 0 的强烈的聚集而产生的无序聚集体，经过化学修饰的c 6 0 衍生物，其分子结构类似于表 面活性剂的结构c 6 0 球体作为一个刚性的疏水球，离子型基团为亲水基团。因此它们在 水溶液中的自组装的聚集往往能得到更有序的聚集体。迄今为止，已有许多关于亲水性 c e o 衍生物的合成及表征的报道，但是关于亲水性c 6 0 衍生物在水溶液中自组装的研究才 刚刚开始，关于其聚集过程的研究目前还是相对更少。 最早研究c 6 0 衍生物的聚集行为和研究的比较深入和比较透彻的，包括阳离子和阴 离子类型的，是g u l d i 课题组4 2 埘和p r a t o 课题组4 5 1 9 9 5 年，g u l d i 课题组4 2 首次报道 了种羧酸赫类的水溶性c 6 0 衍生物，化合物2 。随后他们组在1 9 9 7 年连续报道了一系 列水溶性c 6 0 衍生物，以及化合物2 类似的多加成产物的合成和它们在水溶液中以及 t h f h 2 0 两组分混合体系中的自组装行为进行了研究。在此基础上，他们提出了在c e o 上连接水溶性基团可以实现c 6 0 球的增溶作用，这种增溶过程是通过在溶液中自组装成 聚集体的形式来完成的，这种聚集过程具有不可逆性。聚集体的出现对该类化合物在单 线态激发态的生成和寿命方面的物理化学性质影响不大，但是对于激发态的三线念荧光 的淬灭进程有很大的关系。同时聚集现象的出现在l v i s 中表现出来。表面活性剂的 加入可以有效地阻止水溶液中的聚集过程，也就是可以增加溶液中单体的稳定性。在这 篇报道中他们所用的主要研究手段有u v - v i s 吸收谱，瞬态吸收谱等光谱手段。 化合物2 他们课题组又对一些水溶性c 6 0 衍生物，如化合物2 等的自由基方面的性质进行了研究 “。后来，他们组在1 9 9 9 年报道了”对化合物2 所对应的三加成产物中的e , e ，e 构型异构 体的基态荧光光谱与时问分辨的荧光光谱等波谱方面的研究，发现上述此化合物在水溶 液中是单体形态。在c 6 0 上连接水溶性基团对其进行修饰会对c 6 0 中所存在的大兀键造成 扰动，且这种影响会随修饰基团数目的增加而增强。他们同时提出通过在c 6 0 上连接官 能团可以，减慢c 6 0 的单线态基态和三线态激发念的衰减进程。 1 9 9 9 年，p r a t o 组在的一篇综述文章中”提到了一系列的水溶性c 6 0 衍生物，同时提 出溶剂极性对官能化c 6 0 的聚集行为有很大的影响：在强极性溶剂中聚集更容易发生。 他们认为一旦c 6 0 的衍生物在水溶液中能够形成均一溶液将会使c 6 0 所具有的一些生物活 性得到实际应用。他们课题组在2 0 0 0 年报道了4 8 两种水溶性富勒烯衍生物的设计和成 功合成，对其可能具有的a n t i h i v 方面的生物学特性进行了研究。在2 0 0 1 年，他们组4 9 对c 6 0 的吡咯碘盐的部分两加成产物的光谱和光物理学性质进行了研究。他们在这方面 的主要研究手段是电子吸收谱和稳态以及时间分辨荧光光谱。他们提出与c 6 0 的电子吸 收谱和荧光光谱相比，这些两加成产物的电子吸收谱和荧光光谱都出现了红移现象。同 时他们还提出了这类化合物的光物理性质取决于加成所进行的位置。在这篇报道的最后， 他们指出通过增加加成链的数目和增加电荷的方法都可以最终实现避免水溶性衍生物发 生聚集的，而这一点对于有效实现这些富勒烯衍生物的生物学特性具有重要意义。 除了这两个比较大的课题组对富勒烯的水溶性衍生物研究外，n a k a s h i m a 课题组”o 。 研究了c 。o 毗咯烷衍生物侧链含有季铵盐结构的表面活性剂结构的分子在水溶液中的聚 集形念，研究表明形成了纳米丝状的结构：在2 0 0 1 年，该课题组又研究了一个富勒烯携 带铵的两亲性的衍生物的双分子层的超分子结构5 1 ，表明该化合物在水溶液中自组装为 纳米丝状的结构和像圆盘状的结构；通过研究形成的圆盘状聚集体的厚度，此厚度大约 是单个分子长度的4 5 倍，他们提出了此聚集体的形成模型。s a n o 等”研究了哑铃型双 臂季铵盐的亲水性c 6 0 衍生物在水中的自组装行为，认为它在水中是以球形囊泡的形式 存在的；t o u r 课题组2 9 研究发现c 6 0 吡咯烷的季铵盐能形成纳米棒或囊泡，依赖于加入 的溶剂的顺序。最近，c h u 课题组和n a k a m u r a 课题组共同5 3 运用激光光散射方法( l l s ， l a s e r l i g h ts c a t t e r i n g ) 发现双亲性五苯基取代c 6 0 的钾盐在水中可以自组装成为有序的 囊泡结构；并且首次提出双层球形囊泡结构和给出了结构模型；同时该研究还给出了双 亲性五苯基取代c 6 0 的钾盐在水中的水合半径以及在临界胶束聚集浓度( c a c ) 的回转半 径，还有聚集体的平均聚集数等重要参数。中科院化学所朱道本院士领导的课题组托” 研究了一种含氮氧自由基c 6 0 衍生物，发现它们在甲苯或甲苯甲醇混合溶剂中形成反胶 9 束的聚集体：他们还通过e t 组形成了一定尺寸的纳米离子。他们的研究手段和方法是紫 外可见光谱，荧光光者，以及透射电子显微镜( t e m ) 。o i s h i 等首次研究了哑铃型双臂 季铵盐的两亲性c 6 0 衍生物在甲醇溶液中放置几天后，该化合物的甲醇溶液完全转化为 有机凝胶，并且采用透射电镜和x r a y 衍射的方法深入研究了这一转变过程”。与类脂膜 或类脂囊泡相比较，这类具有很好结构的在c 6 0 基础上的表面活性剂具有独特的性质： 它的憎水链不是普通的链状结构，而是具有一定空间位阻的刚性c 6 0 球体，并且该球体 本身具有起主导作用内部几何张力。作为传统酯质体材料的替代物，以富勒烯为基础的 新型表面活性剂由于能够形成各种合成囊泡和膜体系，因而在生物和材料科学领域有着 广泛的应用，同时这类有序聚集体在超分子组装乃至纳米科技和材料领域有着重大的研 究和实际应用的价值。 2 0 0 0 年，c a r a n om 等人6 7 报道了一系列水溶性的n 甲基富勒烯吡咯碘赫衍生物的循 环伏安法的研究结果。其结果表明这些富勒烯衍生物都是很好的电子接受体和功能材料， 与没有经过化学修饰的c 6 0 相比；并且他们还研究了这些化合物l b 膜的吸收光谱和电 子衍射研究了它们的结构。2 0 0 1 年，p a o l od em a r i a 课题组在l a n g m u i r 上”对c 6 0 的水 溶性衍生物a f e ( 化合物3 ) 的手性合成和其在溶液中的自组装行为进行了详细研究。他 们提出化合物a f e 在水溶液中有聚集现象存在，含有聚集体的水溶液为一种稳定的胶体 溶液，并且化合物a f e 无论在t h f h 2 0 所组成的两组分混合溶液还是在t h f ，m e o h ，h 2 0 所组成的三组分混合溶液中都存在自组装成聚集体的行为。另外，他们还指出，虽然对 化合物a f e 的水溶液来说存在盐析现象，但是并不存在化合物a f e 由水中向有机溶剂 的自发转移韵现象。在l l s 和反相液相色谱( r p l c ，r e v e r s e d - p h a s el i q u i d c h r o m a t o g r a p h y ) 实验结果的基础上，他们给出了a f e 在水溶液中自组装成的聚集体 的大小情况。主要研究手段是u v - v i s 吸收谱，l l s 和r p l c 。 化合物3 2 0 0 2 年，m vg e o r g e 和p r a s h a n tv k a m a t 课题组共同报道了6 5 富勒烯两加成和三 0 加成衍生物在两组分混合溶剂( 乙氰和甲苯) 中形成富勒烯簇。他们通过透射电子显微镜 ( t e m ) 观察到这些富勒烯衍生物形成了不同形状的伸长的纳米丝和伸长的发生缠绕的 纳米球。 水溶性c 6 0 及其衍生物发生聚集主要驱动力是c 6 0 分子之i 剐的强烈的n n 相互作 用和溶剂的疏水亲水作用等弱相互作用力。控制c 6 0 及其衍生物在溶液中的聚集结构在 材料科学领域有着重大的意义。研究这些聚集现象需要许多相应的研究手段和研究方法。 基于以上关于水溶性富勒烯衍生物的研究进展，我们总结了主要有下列的研究方法 和测试手段： ( 1 ) u v - v i s ，荧光和光致发光谱 用这种方法进行研究的优点是，基于有关c 6 0 的光学性质的研究已经研究的比较透 彻。由于发生聚集后，其光谱学性质存在很大的变化，这是我们利用上述光谱学手段进 行研究的理论基础。因此这也为我们提供了一种简便的和主要的方法来确定c s o 及其衍 生物是否发生聚集。 ( 2 ) l l s ( 激光光散射，l a s e rl i g h ts c a t t e r i n g ，其包括动力学光散射，d l s ，d y n a m i cl i g h t s c a t t e r i n g 和静态光散射，s t a t i cl i g h ts c a t t e r i n g 两种光散射仪器) 。 这是一类最直接对c 6 0 及其衍生物进行研究的方法，它可以提供溶液中颗粒大小和 形状的直接信息，也同时提供大小分布，临界聚集浓度以及聚集离子的平均聚集数目等