一种铜（II）配位化合物、水凝胶及其制备方法和应用

摘要

本申请公开了一种铜(II)配位化合物，由L‑PF与D‑PF按摩尔当量比1:1形成配体(L+D)‑PF，与二价铜离子的盐在pH 7‑9条件下形成配位化合物。本申请还提供一种铜(II)水凝胶、铜(II)水凝胶的制备方法，以及铜(II)配位化合物与铜(II)水凝胶在载氧、释放氧负离子方面的应用。本申请提供的铜(II)配位化合物、铜(II)水凝胶能够特异性识别铜离子，并能载氧和释放氧负离子。

权利要求

1.一种铜(II)配位化合物，其特征在于，由L-PF与D-PF按摩尔当量比1:1形成配体(L+D)-PF，与二价铜离子的盐在pH 7-9条件下形成配位化合物，所述L-PF、D-PF分别为：

2.根据权利要求1所述的配位化合物，其特征在于，所述配体与所述二价铜离子的盐以

2:1的摩尔当量比形成配位化合物。

3.根据权利要求2所述的配位化合物，其特征在于，所述二价铜离子的盐具体为硫酸铜、醋酸铜中的任意一种。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的配位化合物，其特征在于，所述配位化合物与氧接触，得到紫色的配位化合物。

5.一种铜(II)水凝胶，其特征在于，由权利要求1-4中任一项所述的配体与硫酸铜经超声处理形成，其中，使用L-PF与D-PF的水溶液，且L-PF与D-PF的水溶液浓度为70-200mmol/L。

6.根据权利要求5所述的水凝胶，其特征在于，所述水凝胶与氧接触，得到紫色的水凝胶。

7.一种制备权利要求5-6中任一项所述的水凝胶的方法，其特征在于，包括以下步骤：a、将L-PF与D-PF的水溶液按摩尔当量比1:1混合，形成(L+D)-PF配体，其中，L-PF与D-PF的水溶液浓度为70-200mmol/L；

b、向配体中加入硫酸铜，调节pH为7-9，超声，即得。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的配位化合物，或权利要求5-6中任一项所述的水凝胶，或权利要求7所述的制备方法制备的水凝胶，在载氧、释放氧负离子方面的应用。

说明书

一种铜（II）配位化合物、水凝胶及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本申请涉及配位化合物技术领域，特别是涉及一种铜(II)配位化合物、水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 超分子凝胶即小分子凝胶，是指小分子(凝胶因子)自组装形成纤维网络结构从而束缚住溶剂形成的胶冻状物质。超分子水凝胶是网络结构中束缚的溶剂是水的小分子凝胶。水凝胶具有良好的生物相容性与生物降解能力，经常用于生物传感器，生物材料，组织工程的支架等。

[0003] 通过向凝胶因子中引入不同官能团，使其具备多重刺激响应性(如温度、 pH、离子强度等)。还可以加入添加剂(如金属离子、纳米粒子等)来改变凝胶相态及性能。例如，引入金属离子，使凝胶具备磁响应性、催化、传感、氧化还原、光电等各种性能。

[0004] 基于苯丙氨酸等氨基酸或短肽的水凝胶具有生物兼容性好、生物易降解、化学可修饰及廉价易制备等诸多优良性质，基于吡啶类的超分子金属凝胶，由于在超分子凝胶中引入了金属离子，使得超分子凝胶具备了各种新的特殊性质，比如磁响应性、催化、传感、氧化还原、光电等。那么将基于氨基酸的水凝胶，与基于吡啶类的超分子金属凝胶设计成水凝胶，使水凝胶既具备了多重响应性又具备生物兼容性，可以扩大其在药物缓释、生物传感、生物催化等方面的应用。

[0005] 苯丙氨酸具有手性，因此，将苯丙氨酸与吡啶基团结合形成的配体也具有手性。而在现有的氨基酸类金属水凝胶中，配体绝大多数是L-构型的氨基酸衍生物，罕见有(L+D)-构型的氨基酸衍生物与金属离子形成金属水凝胶。

发明内容

[0006] 为解决上述技术问题，本发明的第一个目的为提供一种铜(II)配位化合物；本发明的第二个目的为提供一种铜(II)水凝胶；本发明的第三个目的是提供上述铜(II)水凝胶的制备方法；本发明的第四个目的是提供上述铜(II) 配位化合物、铜(II)水凝胶的用途。本申请提供的铜(II)配位化合物、铜 (II)水凝胶能够特异性识别铜离子，并能载氧和释放氧负离子。

[0007] 本发明提供的技术方案如下：

[0008] 一种铜(II)配位化合物，由L-PF与D-PF按摩尔当量比1:1形成配体 (L+D)-PF，与二价铜离子的盐在pH 7-9条件下形成配位化合物，所述L-PF、 D-PF分别为：

[0009]

[0010] 优选地，所述配体与所述二价铜离子的盐以2:1的摩尔当量比形成配位化合物。

[0011] 优选地，所述二价铜离子的盐具体为硫酸铜、醋酸铜中的任意一种。

[0012] 优选地，所述配位化合物与氧接触，形成紫色的配位化合物。

[0013] 一种铜(II)水凝胶，由上述任一项所述的配体与硫酸铜经超声处理形成，其中，使用L-PF与D-PF的水溶液，且L-PF与D-PF的水溶液浓度均大于 70mmol/L。

[0014] 优选地，所述L-PF与D-PF的水溶液浓度为70-200mmol/L。

[0015] 优选地，所述水凝胶与氧接触，得到紫色的水凝胶。

[0016] 一种制备上述任一项所述的水凝胶的方法，包括以下步骤：

[0017] a、将L-PF与D-PF的水溶液按摩尔当量比1:1混合，形成(L+D)-PF配体，其中，L-PF与D-PF的水溶液浓度均大于70mmol/L；

[0018] b、向配体中加入硫酸铜，调节pH为7-9，超声，即得。

[0019] 上述配位化合物，或上述水凝胶，或上述制备方法制备的水凝胶，在载氧、释放氧负离子方面的应用。

[0020] 本发明使用的L-PF，与D-PF，在苯丙氨酸中引入与金属离子有很好配位能力的吡啶氮原子，苯丙氨酸和吡啶环都具有芳香性，在自组装过程中可提供π-π堆积；而吡啶氮原子和苯丙氨酸的羧基都可以作为金属离子配位点。那么形成的配体既拥有形成超分子金属凝胶必须有的配位点，又让配位分子依然保持小分子的灵巧性，同时不失其各部分功能性。同时，本发明将L-PF 与D-PF按照摩尔当量比1:1混合，得到外消旋的(L+D)-PF配体。外消旋的 (L+D)-PF配体与纯手性配体相比，具有特殊的性质，能够与二价铜离子结合，形成紫色的配位化合物，而不与其他金属离子生成紫色的配合物。因此，

[0021] (L+D)-PF配体可以作为二价铜离子的特异性识别配体。得到的(L+D)-PF-Cu配位化合物，具有载氧能力，能够与氧负离子结合，并且与蓝色的纯手性L-PF-Cu 相比，对细胞色素c具有更好的还原能力。在离子识别、手性催化等领域有很好的应用前景。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0023] 图1为配体(L+D)-PF与各种金属离子的配位情况及对硫酸铜的选择性响应成胶的示意图；

[0024] 图2为(L+D)-PF-Cu金属水凝胶的形成过程的示意图；

[0025] 图3为(L+D)-PF-Cu金属水凝胶的多重刺激(温度、酸度、剪切力等)响应数码图；

[0026] 图4为(L+D)-PF-Cu金属水凝胶冻干品数码图片；

[0027] 图5为(L+D)-PF-Cu金属水凝胶冻干品SEM图；

[0028] 图6为L-PF与D-PF以不同比例混合，然后(L+D)-PF与Cu(Ⅱ)离子溶液以2:1摩尔当量混合后的数码照片；

[0029] 图7为L-PF与D-PF以不同比例混合，然后(L+D)-PF与Cu(Ⅱ)离子溶液以2:1摩尔当量混合后的EPR光谱图；

[0030] 图8为浓度为5mmol/L的(L+D)-PF-Cu在空气中放置的变色情况图；

[0031] 图9为浓度为25mmol/L的(L+D)-PF-Cu在空气中放置的变色情况图；

[0032] 图10为L-PF与D-PF以1:1比例混合，调整溶液pH分别为 2,3,4,6,7,8,9,10,12,13，然后各(L+D)-PF溶液与Cu(Ⅱ)离子溶液以2:1摩尔当量混合后的数码照片；

[0033] 图11为L-PF与D-PF以1:1比例混合，调整溶液pH分别为 2,3,4,6,7,8,9,10,12,13，然后各(L+D)-PF溶液与Cu(Ⅱ)离子溶液以2:1摩尔当量混合后的EPR光谱图；

[0034] 图12为(L+D)-PF-Cu还原细胞色素c的动力学吸收光谱曲线。

具体实施方式

[0035] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

[0036] 请如图1至图12所示，本发明实施例提供一种铜(II)配位化合物，由 L-PF与D-PF按摩尔当量比1:1形成配体(L+D)-PF，与二价铜离子的盐在pH 7-9条件下形成配位化合物，所述L-PF、D-PF分别为：

[0037]

[0038] 本发明使用的L-PF，与D-PF，在苯丙氨酸中引入与金属离子有很好配位能力的吡啶氮原子，苯丙氨酸和吡啶环都具有芳香性，在自组装过程中可提供π-π堆积；而吡啶氮原子和苯丙氨酸的羧基都可以作为金属离子配位点。那么形成的配体既拥有形成超分子金属凝胶必须有的配位点，又让配位分子依然保持小分子的灵巧性，同时不失其各部分功能性。同时，本发明将L-PF 与D-PF按照摩尔当量比1:1混合，得到外消旋的(L+D)-PF配体。外消旋的 (L+D)-PF配体与纯手性配体相比，具有特殊的性质，能够与二价铜离子结合，形成紫色的配位化合物，而与其它离子形成的配位化合物的颜色与纯手性配体形成的化合物的颜色相同。因此，(L+D)-PF配体可以作为二价铜离子的特异性识别配体。得到的(L+D)-PF-Cu配位化合物，具有载氧能力，能够与氧负离子结合，并且与蓝色的纯手性L-PF-Cu相比，对细胞色素c具有更好的还原能力。在离子识别、手性催化等领域有很好的应用前景。

[0039] 优选地，所述配体与所述二价铜离子的盐以2:1的摩尔当量比形成配位化合物。

[0040] 优选地，所述二价铜离子的盐具体为硫酸铜、醋酸铜中的任意一种。

[0041] 优选地，所述配位化合物与氧接触，得到紫色的配位化合物。

[0042] 本发明提供的(L+D)-PF-Cu配合物，在保护气体或真空环境下呈蓝色，而与氧接触后转变为紫色。

[0043] 一种铜(II)水凝胶，由上述任一项所述的配体与硫酸铜经超声处理形成，其中，使用L-PF与D-PF的水溶液，且L-PF与D-PF的水溶液浓度均大于 70mmol/L。

[0044] 制备铜(II)水凝胶，需要使用的L-PF与D-PF的水溶液，且水溶液浓度均大于70mmol/L。外消旋的(L+D)-PF-Cu配合物，在浓度大于70mmol/L时，与硫酸铜反应，能够得到罕见的紫色的铜金属水凝胶(L+D)-PF-Cu。该金属水凝胶同时具备金属凝胶的特性，也具备氨基酸的生物活性。

[0045] 外消旋体(L+D)-PF作为配体，与硫酸铜生成的的金属水凝胶，是通过多种非共价键相互作用自组装而成。而在相同条件下，(L+D)-PF却不能与其他金属离子形成金属水凝胶(如Ca2+、Fe2+、Bi3+、Ni2+、Pb2+、La3+、Zn2+、Co2+、 Mn2+)。因此，本发明提供的(L+D)-PF是能够对硫酸铜进行特异性识别物质，通过外消旋(L+D)-PF配体与硫酸铜结合，能够形成紫色的金属水凝胶。

[0046] 优选地，所述L-PF与D-PF的水溶液浓度为70-200mmol/L。

[0047] 优选地是，L-PF与D-PF的水溶液浓度分别在70-200mmol/L的范围内，低于70mmol/L无法形成水凝胶(即70mmol/L为最小成胶浓度)；而当L-PF 或D-PF的浓度高于200mmol/L，即便成胶，性能也不好。

[0048] 优选地，所述水凝胶与氧接触，得到紫色的水凝胶。

[0049] 同样的，本发明提供的(L+D)-PF-Cu水凝胶，在保护气体或真空环境下呈蓝色，而与氧接触后转变为紫色。

[0050] 一种制备上述任一项所述的水凝胶的方法，包括以下步骤：

[0051] a、将L-PF与D-PF的水溶液混合，形成(L+D)-PF配体，其中，L-PF与 D-PF的水溶液浓度均大于70mmol/L，且L-PF与D-PF的摩尔当量为1:1；

[0052] b、向配体中加入硫酸铜，调节pH为7-9，超声，即得。

[0053] 上述配位化合物，或上述水凝胶，或上述制备方法制备的水凝胶，在载氧、释放氧负离子方面的应用。

[0054] 实施例1

[0055] 分别称取L-PF和D-PF样品256mg，配制0.1M(0.1mol/L)的L-PF和 D-PF水溶液，溶液无色透明。分别配制0.1M的CaCl2，FeCl2，Bi(NO3)3， NiCl2，Pb(NO3)2，CuSO4，La(NO3)3，ZnCl2，CoCl2，MnSO4水溶液。

[0056] 分别移取0.1M的L-PF和D-PF水溶液各100μL混合，再与上述各离子溶液按照2:1摩尔当量比，在玻璃瓶中混合，调节溶液pH为7-9，超声，观察是否有金属水凝胶形成。结果发现上述混合物中，除CuSO4形成水凝胶外，其他化合物与(L+D)-PF形成沉淀或者形成粘稠液体或者是澄清液，都不能形成金属水凝胶，具体如附图1所示。

[0057] (L+D)-PF水溶液与CuSO4按照上述条件，超声几秒钟后可形成不同于原来铜离子溶液颜色的紫色(L+D)-PF-Cu金属水凝胶，如附图2所示。 (L+D)-PF-Cu金属水凝胶具有良好的多重刺激响应性，如附图3所示。 (L+D)-PF-Cu金属水凝胶真空冷冻干燥后粉末依然呈紫色，扫描电镜显示其微观结构为纤维网络状，如附图4与附图5所示。

[0058] 实施例2

[0059] 分别配制0.025M的L-PF和D-PF水溶液，溶液无色透明。配制0.025M 的CuSO4水溶液。

[0060] 分别移取上述的L-PF和D-PF水溶液以不同比例(10:0,9:1,8:2,7:3,6:4, 5:5,4:6,3:7,2:8,1:9,0:10)混合形成(L+D)-PF溶液，然后各(L+D)-PF与等浓度的CuSO4溶液按照
2:1摩尔当量，在玻璃瓶中混合，调溶液pH为7-9，超声。结果发现上述混合物L-PF和D-PF当量比不同时会显现不同的颜色，虽然不能形成金属水凝胶(L-PF、D-PF的浓度低于成胶浓度)，但是L-PF和 D-PF当量比为1:1时，依然会呈现紫色，如附图6所示。

[0061] 实施例3

[0062] 分别配制0.005M的L-PF和D-PF水溶液，溶液无色透明。配制0.005M 的CuSO4水溶液。

[0063] 分别移取0.005M的L-PF和D-PF水溶液以不同比例(10:0，9:1，8:2， 7:3，6:4，5:5，4:6，3:7，2:8，1:9，0:10)混合形成(L+D)-PF溶液，然后各(L+D)-PF 与等浓度的Cu(Ⅱ)溶液按照2:1摩尔当量混合，调溶液pH为7-9，超声，各体系颜色变化规律实施例2相同，只是颜色稍浅。

[0064] 分别测上述的(L+D)-PF-Cu的EPR光谱，如附图7所示。结果发现L-PF 和D-PF的混合比例从10:0至5:5，Cu(Ⅱ)信号逐渐减弱，氧负离子信号逐渐增强；L-PF和D-PF的混合比例从5:5至0:10，Cu(Ⅱ)信号逐渐增强，氧负离子信号逐渐减弱。由此可以说明，L-PF与D-PF的比例不同时，(L+D)-PF-Cu 体系的载氧能力不同，当L-PF与D-PF的摩尔当量比为1:1时，载氧能力最强。而只有L-PF存在，或只有D-PF存在时，只有铜信号，不具备载氧能力。

[0065] 实施例4

[0066] 分别配制浓度为0.005M的L-PF和D-PF水溶液，和0.025M的L-PF和 D-PF水溶液，以及0.005M、0.025M的CuSO4水溶液。分别移取等浓度等体积的L-PF和D-PF水溶液进行混合得到(L+D)-PF溶液，然后和对应浓度的 CuSO4进行混合，调整溶液pH为7-9，不做超声处理而是放置在空气中，分别在5分钟和3分钟内体系由蓝色变成紫色，如附图8与附图9所示。说明当L-PF与D-PF的比例为1:1时(等浓度等体积混合)，即使在成胶浓度之外，形成的外消旋(L+D)-PF-Cu体系不做超声处理，只是放在空气中也会变紫色，说明外消旋(L+D)-PF-Cu体系即便在成胶浓度以下也具有载氧能力，变为紫色。

[0067] 实施例5

[0068] 配制0.025M的L-PF和D-PF水溶液，溶液无色透明。配制0.025M的 CuSO4水溶液。分别移取等体积的L-PF和D-PF水溶液进行混合得到外消旋的(L+D)-PF溶液，调整溶液pH分别为2，3，4，6，7，8，9，10，12，13。然后各(L+D)-PF与等浓度的CuSO4溶液按照2:1摩尔当量，在玻璃瓶中混合，超声。结果发现上述混合物不能形成金属水凝胶(低于最小成胶浓度)，当溶液pH为7-9时，体系会呈现紫色，如附图10所示。说明要形成(L+D)-PF-Cu 的配位化合物要呈现紫色，需要在pH为7-9的条件下进行反应。

[0069] 实施例6

[0070] 配制0.005M的L-PF和D-PF水溶液，溶液无色透明。配制0.005M的 CuSO4水溶液。分别移取等体积的L-PF和D-PF水溶液进行混合得到外消旋的(L+D)-PF溶液，调整溶液pH分别为2，3，4，6，7，8，9，10，12，13。然后各(L+D)-PF与等浓度的CuSO4溶液按照2:1摩尔当量，在玻璃瓶中混合，超声。分别测不同pH的(L+D)-PF-Cu的EPR光谱，如附图11所示。结果发现当混合体系pH为7-9时，Cu(Ⅱ)信号几乎消失，只有氧负离子信号；其它 pH时，Cu(Ⅱ)信号明显。

[0071] 实施例7

[0072] 在水中加入5μL浓度为24.2mM的cyt c(细胞色素c)，再加入50μL 成胶浓度为0.1M的(L+D)-PF-Cu金属水凝胶，接着加入5μL浓度为100mM 的Vc，最终体积为2mL。用Uv-vis(紫外-可见分光光度法)对该体系测10min 内其动力学光谱(如附图12所示)，通过光谱曲线发现在410nm的峰逐渐增强并偏移至414nm，并且在550nm处出现了新的吸收峰，并且溶液的颜色由黄色变为淡红色，这表明在Vc的作用下，(L+D)-PF-Cu体系能够释放出其中的氧负离子。

[0073] 实施例8

[0074] a、配制70mM-200mM的L-PF水溶液，无色透明。配制70mM-200mM 的D-PF水溶液，无色透明。配制70mM-200mM的CuSO4水溶液，淡蓝色。将上述L-PF水溶液与D-PF水溶液按照1:1摩尔当量在玻璃瓶中混合，调溶液的pH 7-9，溶液依然无色。

[0075] b、将上述(L+D)-PF水溶液，与CuSO4水溶液按照2:1摩尔当量在玻璃瓶中混合、超声。观察到有紫色的(L+D)-PF-Cu金属水凝胶形成。

[0076] 实施例9

[0077] a、配制2mM-70mM的L-PF水溶液，无色透明。配制2mM-70mM的D-PF 水溶液，无色透明。配制2mM-70mM的CuCl2水溶液。将上述L-PF水溶液与D-PF水溶液按照1:1摩尔当量在玻璃瓶中混合，调溶液的pH 7-9，溶液依然无色。

[0078] b、将上述(L+D)-PF-Cu水溶液，与CuCl2水溶液按照2:1摩尔当量在玻璃瓶中混合、超声或放置在空气中，观察到最终体系的颜色呈现紫色，但未形成水凝胶。

[0079] 实施例10

[0080] 将实施例8中，成胶浓度范围内(70mM-200mM)的L-PF和D-PF以等浓度等物质的量混合，然后和等浓度的CuSO4水溶液以物质的量2:1在氮气保护下进行混合，体系显现蓝色，在手套箱中进行超声形成蓝色凝胶；蓝色混合体系或蓝色凝胶暴露在空气中，会呈现紫色，这说明(L+D)-PF-Cu配合物和(L+D)-PF-Cu金属水凝胶具有载氧功能。

[0081] 将实施例9中，成胶浓度范围外的(2mM-70mM)的L-PF和D-PF在氮气保护下以等浓度等物质的量混合，然后和氮气保护下的CuSO4(CuCl2或 CuAc2)水溶液以物质的量2:1进行混合，体系显现蓝色；在蓝色体系中通入氧气或暴露在空气中，都会呈现紫色，这说明成胶浓度以下的(L+D)-PF-Cu配合物虽不能形成水凝胶，但也有载氧功能。

[0082] 本发明中，铜金属水凝胶的颜色与配体的旋光性有关，纯手性配体与硫酸铜形成的金属水凝胶显示传统的蓝色；外消旋体配体与铜离子溶液形成的 (L+D)-PF-Cu凝胶具有特殊的紫色；且本发明提供的配位化合物及水凝胶制备方法简单、制备成本低。(L+D)-PF-Cu不管是凝胶状态、溶液状态还是冻干粉末都呈现紫色，对细胞色素c具有很好的还原功能。

[0083] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。