一种二肽衍生物及制备方法、纳米材料和用途与流程

1.本发明属于多肽生物材料领域，涉及一类纳米材料，具体而言是一类基于多肽衍生物的纳米材料的制备方法、特征和用途。


背景技术：

2.作为介于传统电容器和电池之间，且基于电极/溶液界面电化学过程能够快速实现充放电的储能元件
‑‑‑‑
电化学超级电容(electrochemicalsupercapacitors,es)自1957年被becker等人报道起便引起了人们的广泛关注，超级电容器因具有较长的循环使用寿命、快速充放电、较高的功率密度、安全性高和环境友好等优点，可以广泛应用于通信、交通、航天和先进材料等领域。尤其是，随着可穿戴电子技术的发展，具有简洁高效的柔性储能器件备受学界关注，被认为是在可穿戴电子以及生物医学工程方面的最具有应用前景的设备之一。
3.然而，目前由于能够作为柔性超级电容器的材料的种类有限，成本较高、比容量比较低，这些局限性严重制约了相关领域的发展。因此，近年来随着对电容器器件结构和电极材料的研究逐渐深入，人们认识到研发合适的电极材料是提高超级电容器的综合性能的关键。目前常见的电极材料可分为：金属氧化物、多孔碳纳米材料(包括碳纳米管、碳纤维等)、聚合物(如聚吡咯、聚苯胺等)。金属氧化物和多孔碳材料作为传统的电极材料，尽管此前的研究和应用较多，但目前少有技术突破已近瓶颈；而导电聚合物作为电容器电极的相对起步较晚，但由于该类材料具有比容高、成本低、电化学性质优良、充放电效率较高等诸多优点，因此近年来被认为是超级电容器电极材料领域的重要突破口。


技术实现要素：

4.基于现有技术中的技术问题，本发明提一类新颖的基于天然氨基酸修饰衍生物的二肽结构，和其作为生物纳米材料的制备过程，和其作为电极材料的潜在用途。
5.具体技术方案如下：
6.本发明提出一种二肽衍生物，其式(i)基本结构如下：
[0007][0008]
根据本发明的实施例，所述的r包括如下结构，其中所述的n为1-4的任意整数。
[0009][0010]
根据本发明的实施例，所述的q选自甲氧基；所述的a选自fmoc；其结构如下所示：
[0011][0012]
进一步的,可将甲氧基替换为羟基、胺基或氨基酸。
[0013]
进一步的，可将fmoc替换为，boc、2-chloro-z、acetyl或者h；其结构如下所示：
[0014][0015]
进一步的，所述的二肽衍生物，包括如下结构：
[0016]
[0017][0018]
本发明还提出了一种二肽衍生物的制备方法，包括如下步骤：酪氨酸酚羟基进行烷基化，随后去除酪氨酸的氮端保护基，通过酰胺缩合偶联反应进行二肽的合成，随后进行纯化和表征。
[0019]
本发明还提出了一种纳米材料，其包括二肽衍生物；将二肽衍生物采用冷冻干燥法或溶剂自然挥发法或溶剂中超声自组装法制备而成。
[0020]
本发明还提出了一种纳米材料的用途，该二肽纳米材料分子应用于作为储能器件(如超级电容器等)的电极材料。
[0021]
本发明代表性二肽的合成通式如下：
[0022][0023]
如反应路线所示，本发明首先通过简便的化学反应对酪氨酸酚羟基进行烷基化，随后去除酪氨酸的氮端保护基，通过酰胺缩合偶联反应进行二肽的合成，随后进行纯化和表征。
[0024]
本发明的有益效果：在科学方面，本发明尝试解决此前对自组装机理的研究匮乏，以及解释化学结构如何影响与肽自组装形态有关的因素，在多肽生物纳米材料领域具有一定的科学意义。在材料工程方面，本发明通过提供较为优势的自组装分子结构和较为完善的工艺，以尝试解决现有的多肽生物材料成本较高、比容量低等的技术问题。因此在实际应用方面，本发明所述的二肽自组装材料具有一定的应用潜力和社会意义。
附图说明
[0025]
图1是本发明实施例1二肽衍生物(1-1)高效液相色谱(hplc)结果；
[0026]
图2是本发明实施例1二肽衍生物(1-1)质谱(esi-ms)结果；
[0027]
图3是本发明实施例1二肽衍生物(1-1)高分辨质谱；
[0028]
图4是本发明实施例1二肽衍生物(1-1)核磁共振氢谱；
[0029]
图5是本发明实施例1二肽衍生物(1-1)湿法制备扫描电子显微镜实验影像；
[0030]
图6是本发明实施例1二肽衍生物(1-1)红外光谱结果；
[0031]
图7是本发明实施例1二肽衍生物(1-1)紫外光谱结果；
[0032]
图8是本发明实施例1二肽衍生物(1-1)圆二光谱结果；
[0033]
图9是本发明实施例1二肽衍生物(1-1)电化学测试结果；
[0034]
图10是本发明实施例2二肽衍生物(1-2)高效液相色谱(hplc)结果；
[0035]
图11是本发明实施例2二肽衍生物(1-2)质谱(esi-ms)结果；
[0036]
图12是本发明实施例2二肽衍生物(1-2)高分辨质谱；
[0037]
图13是本发明实施例2二肽衍生物(1-2)核磁共振氢谱；
[0038]
图14是本发明实施例2二肽衍生物(1-2)湿法制备扫描电子显微镜实验影像；
[0039]
图15是本发明实施例2二肽衍生物(1-2)红外光谱结果；
[0040]
图16是本发明实施例2二肽衍生物(1-2)紫外光谱结果；
[0041]
图17是本发明实施例2二肽衍生物(1-2)圆二光谱结果；
[0042]
图18本发明实施例2二肽衍生物(1-2)电化学测试结果；
[0043]
图19是本发明实施例3二肽衍生物(1-3)高效液相色谱(hplc)结果；
[0044]
图20是本发明实施例3二肽衍生物(1-3)质谱(esi-ms)结果；
[0045]
图21是本发明实施例3二肽衍生物(1-3)高分辨质谱；
[0046]
图22是本发明实施例3二肽衍生物(1-3)核磁共振氢谱；
[0047]
图23是本发明实施例3二肽衍生物(1-3)湿法制备扫描电子显微镜实验影像；
[0048]
图24是本发明实施例3二肽衍生物(1-3)红外光谱结果；
[0049]
图25是本发明实施例3二肽衍生物(1-3)紫外光谱结果；
[0050]
图26是本发明实施例3二肽衍生物(1-3)圆二光谱结果；
[0051]
图27是本发明实施例3二肽衍生物(1-3)电化学测试结果；
[0052]
图28是本发明实施例4二肽衍生物(1-4)高效液相色谱(hplc)结果；
[0053]
图29是本发明实施例4二肽衍生物(1-4)质谱(esi-ms)结果；
[0054]
图30是本发明实施例4二肽衍生物(1-4)高分辨质谱；
[0055]
图31是本发明实施例4二肽衍生物(1-4)核磁共振氢谱；
[0056]
图32是本发明实施例4二肽衍生物(1-4)湿法制备扫描电子显微镜实验影像；
[0057]
图33是本发明实施例4二肽衍生物(1-4)红外光谱结果；
[0058]
图34是本发明实施例4二肽衍生物(1-4)紫外光谱结果；
[0059]
图35是本发明实施例4二肽衍生物(1-4)圆二光谱结果；
[0060]
图36是本发明实施例4二肽衍生物(1-4)电化学测试结果；
[0061]
图37是本发明实施例5二肽衍生物亲疏水性评价结果。
具体实施方式
[0062]
下面本发明将通过实施例并结合附图对本发明的内容做进一步阐述，但并不限制本发明的保护范围。除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不用于限制本发明。
[0063]
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重
复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。
[0064]
实施例1：二肽衍生物1-1的合成、表征及用途
[0065]
本实施例二肽衍生物1-1的结构式如下：
[0066][0067]
具体制备方法如下：
[0068]
(1)称取底物酪氨酸boc-tyr-ome 2克(合成规模6.78mmol)，加入到干燥圆底烧瓶中，同时称取碳酸钾(k2co3)1.4克(约1.5当量)以及称取四丁基碘化铵(buni)3.76克(1.5当量)，合并加入到上述圆底烧瓶中。用油泵抽气5分钟，迅速置换氮气，重复3次，并插入氮气球以维持气压平衡。注射无水dmf 20ml，冰浴搅拌30分钟，随后滴加溴丙烯0.59ml(1当量)，并在冰浴条件下搅拌8小时。
[0069]
(2)用tlc监测反应。确定反应完全后，用乙酸乙酯萃取反应液3遍并收集有机相，过程中用饱和氯化铵洗涤3遍；再用饱和氯化钠和乙酸乙酯萃取并收集将有机相，旋转蒸发仪旋干。用硅胶柱在乙酸乙酯-石油醚体系中纯化，旋干。
[0070]
(3)上述步骤完成后，用三氟乙酸的二氯甲烷溶液脱boc保护基(浓度为 tfa：dcm＝1:1)1.5小时，旋干溶剂，随后置于圆底烧瓶中油泵抽1小时。
[0071]
(4)称取fmoc-lys(boc)-oh 3.17克和hatu 2.8克，用10ml dmf溶解混合后加入diea活化。然后将活化的lys氨基酸混合溶液加入到上步圆底烧瓶中，补加10ml dmf，置换氮气，在氮气保护下反应2小时。
[0072]
(5)用tlc监测反应。确定反应完全后，用乙酸乙酯萃取反应液3遍并收集有机相，过程中用饱和氯化铵洗涤3遍；再用饱和氯化钠和乙酸乙酯萃取并收集将有机相，旋转蒸发仪旋干。用硅胶柱在乙酸乙酯-石油醚体系中纯化，旋干。
[0073]
(6)上述步骤完成后，用三氟乙酸的二氯甲烷溶液脱boc保护基(浓度为 tfa：dcm＝1:1)1.5小时，旋干溶剂，随后置于圆底烧瓶中油泵抽1小时。用硅胶柱在二氯甲烷-甲醇体系中纯化，旋干，得样品3.45克，总收率为87％。
[0074]
(7)用液相色谱-质谱(hplc-ms)对上述化学合成的得到二肽化合物进行表征。色谱过程和条件为：首先将上述含二肽样品用15％浓度(体积分数)的乙腈水溶液溶解，用0.2微米规格的滤膜过滤后采用hplc-ms联用仪系统 (shimazu lc-ms 8030)进行分析，分离纯
化的条件如下：色谱柱为反相c18 柱，以水(含0.1％的三氟乙酸)为a泵流动相(需提前超声)，以乙腈为b泵流动相，按体积比5％-98％梯度淋洗，流速为0.9ml/min。测得纯度为95.5％。相关hplc谱图如图1所示，ms(esi)谱如图2所示。
[0075]
(8)高分辨质谱(品牌thermofisher型号q exactive hf-x)对上述化学合成的得到二肽化合物进行表征。仪器采用：质量分析器采用四极杆与静电场轨道阱串联的组合，质量范围50-6000m/z；仪器分辨率为：240,000fwhm(m/z ≤200)；≥4档可调；线性范围：分辨率设定为不小于60000(fwhm)时，线性范围≥105(1ppt～100ppb的浓度水平)，每个浓度点偏差均小于10％；动态范围：》5000；高分辨质谱采集速率：最高40hz；分辨率≥60000fwhm时，不少于3张/秒；色谱过程和条件为：首先将上述含二肽样品用15％浓度(体积分数) 的乙腈水溶液溶解，用0.2微米规格的滤膜过滤后采用高分辨质谱仪进行分析，高分辨质谱图如图3所示。
[0076]
(9)核磁共振表征是将多肽样品溶于氘代氯仿中，随后置于核磁管中，进行测试。仪器采用400兆核磁共振波谱仪，生产厂家：bruker公司；型号： avance-iii；探头采用：bbfo探头，5mm；全自动调谐附件atm和梯度线圈。扫描8次。结果如图4。
[0077]
(10)扫描电子显微镜实验。将超声得到的自组装多肽纳米管溶液体系(2 μl)滴到干净的石英板上，待自然干燥，用扫描电镜(zeiss supra 55，oxfordx-max 20，20kv)进行观测。结果如图5所示。
[0078]
(11)红外光谱实验。取少量已完成自组装的冻干多肽粉末，与溴化钾研磨压制成圆片，使用avatar360型红外分光光度计(pekkinelmer)检测样品的红外吸收光谱。测量的波数范围为400-4000cm-1
。结果如图6。
[0079]
(12)紫外光谱实验，将适量多肽溶于10mm去离子水中随后紫外数据通过chirascan色谱仪采集，采集温度20℃，波长扫描范围180nm到600nm，扫描分辨率为1nm，比色皿光径为1nm，结果如图7。
[0080]
(13)圆二色谱实验，圆二色谱数据通过带有控温装置的chirascan pluscircular dichroism spectrometer采集，采集温度20℃。将适量多肽溶于10 mm去离子水中测定。圆二色谱仪器参数为：波长扫描范围180nm到600nm，扫描分辨率为1nm，响应1s，比色皿光径为1nm，扫描速度为每分钟20nm。每次采集圆二色谱图均为扫描三次及以上的平均。结果如图8。
[0081]
(14)循环伏安曲线实验，首先使用氧化铝颗粒(直径为0.05μm)，对玻碳电极(直径为3mm)进行抛光。然后在玻碳电极上覆盖一层活性物质作为工作电极。活性材料的制备过程如下：首先将2mg经纯化后的多肽，分散在1 ml的去离子水中，随后加入nafion溶液(5％，80μl)。将混合体系超声半小时后，形成均匀地多肽油墨体系。将多肽油墨体系(5μl)涂抹在玻碳电极上(多肽质量密度为3mg/cm2)，随后在空气中风干。使用chi 660e电化学工作站(chenhua，shanghai)测试，测试方法为三电极法。电解液为3m naoh。 pt丝以及hg/hgo用作对电极和参比电极，对于玻碳/多肽电极，真实的电容量通过公式cs＝s/(2mkδv)计算得到。s代表cv曲线的积分面积，m是玻碳电极的表面积，k是扫描速率，δv是电压窗口。电化学测试结果如下图9。
[0082]
实施例2：二肽衍生物(1-2)的合成、表征及其用途
[0083]
本实施例二肽衍生物(1-2)的结构式如下：
[0084][0085]
具体制备方法如下：
[0086]
(1)称取底物酪氨酸boc-tyr-ome 2克(合成规模6.78mmol)，加入到干燥圆底烧瓶中，同时称取碳酸钾(k2co3)1.4克(约1.5当量)以及称取四丁基碘化铵(buni)3.76克(1.5当量)，合并加入到上述圆底烧瓶中。用油泵抽气5分钟，迅速置换氮气，重复3次，并插入氮气球以维持气压平衡。注射无水dmf 20ml，冰浴搅拌30分钟，随后滴加4-溴-1-丁烯0.68ml(1当量)，并在冰浴条件下搅拌8小时。以下步骤同实施例1。
[0087]
(6)上述步骤完成后，用三氟乙酸的二氯甲烷溶液脱boc保护基(浓度为 tfa：dcm＝1:1)1.5小时，旋干溶剂，随后置于圆底烧瓶中油泵抽1小时。用硅胶柱在二氯甲烷-甲醇体系中纯化，旋干，得样品3.3克，总收率为82％。
[0088]
(7)用液相色谱-质谱(hplc-ms)对上述化学合成的得到二肽化合物进行表征。同实施例1。测得纯度为93％。相关hplc谱图如图10所示，ms(esi) 谱如图11所示。
[0089]
(8)高分辨质谱(品牌thermofisher型号q exactive hf-x)对上述化学合成的得到二肽化合物进行表征。同实施例1。高分辨质谱图如图12。
[0090]
(9)核磁共振表征，同实施例1。结果如图13。
[0091]
(10)扫描电子显微镜实验。同实施例1。结果如图14所示。
[0092]
(11)红外光谱实验，同实施例1。结果如图15。
[0093]
(12)紫外光谱实验，同实施例1，结果如图16。
[0094]
(13)圆二色谱实验，同实施例1。结果如图17。
[0095]
(14)循环伏安曲线实验，同实施例1。电化学测试结果如下图18。
[0096]
实施例3：二肽衍生物(1-3)的合成、表征及其用途
[0097]
本实施例二肽衍生物(1-3)的结构式如下：
[0098][0099]
具体制备方法如下：
[0100]
(1)称取底物酪氨酸boc-tyr-ome 2克(合成规模6.78mmol)，加入到干燥圆底烧瓶中，同时称取碳酸钾(k2co3)1.4克(约1.5当量)以及称取四丁基碘化铵(buni)3.76克(1.5当量)，合并加入到上述圆底烧瓶中。用油泵抽气5分钟，迅速置换氮气，重复3次，并插入氮气球以维持气压平衡。注射无水dmf 20ml，冰浴搅拌30分钟，随后滴加5-溴-1-戊烯0.8ml(1当量)，并在冰浴条件下搅拌8小时。以下步骤同实施例1。
[0101]
(6)上述步骤完成后，用三氟乙酸的二氯甲烷溶液脱boc保护基(浓度为 tfa：dcm＝1:1)1.5小时，旋干溶剂，随后置于圆底烧瓶中油泵抽1小时。用硅胶柱在二氯甲烷-甲醇体系中纯化，旋干，得样品3.32克，总收率约为80％。
[0102]
(7)用液相色谱-质谱(hplc-ms)对上述化学合成的得到二肽化合物进行表征。同实施例1。测得纯度为96％。相关hplc谱图如图19所示，ms(esi) 谱如图20所示。
[0103]
(8)高分辨质谱(品牌thermofisher型号q exactive hf-x)对上述化学合成的得到二肽化合物进行表征。同实施例1，高分辨质谱图如图21所示。
[0104]
(9)核磁共振表征是同实施例1。结果如图22所示。
[0105]
(10)扫描电子显微镜实验。同实施例1。结果如图23所示。
[0106]
(11)红外光谱实验。同实施例1。结果如图24。
[0107]
(12)紫外光谱实验，同实施例1，结果如图25。
[0108]
(13)圆二色谱实验，同实施例1。结果如图26。
[0109]
(14)循环伏安曲线实验，同实施例1。电化学测试结果如下图27所示。
[0110]
实施例4：二肽衍生物(1-4)的合成、表征及其用途
[0111]
本实施例二肽衍生物(1-4)的结构式如下：
[0112][0113]
具体制备方法如下：
[0114]
(1)称取底物酪氨酸boc-tyr-ome 2克(合成规模6.78mmol)，加入到干燥圆底烧瓶中，同时称取碳酸钾(k2co3)1.4克(约1.5当量)以及称取四丁基碘化铵(buni)3.76克(1.5当量)，合并加入到上述圆底烧瓶中。用油泵抽气5分钟，迅速置换氮气，重复3次，并插入氮气球以维持气压平衡。注射无水dmf 20ml，冰浴搅拌30分钟，随后滴加6-溴-1-己烯0.9ml(1当量)，并在冰浴条件下搅拌8小时。以下步骤同实施例1。
[0115]
(6)上述步骤完成后，用三氟乙酸的二氯甲烷溶液脱boc保护基(浓度为 tfa：dcm＝1:1)1.5小时，旋干溶剂，随后置于圆底烧瓶中油泵抽1小时。用硅胶柱在二氯甲烷-甲醇体系中纯化，旋干，得样品3.52克，总收率为83％。
[0116]
(7)用液相色谱-质谱(hplc-ms)对上述化学合成的得到二肽化合物进行表征。同实施例1。测得纯度为95％。相关hplc谱图如图28所示，ms(esi) 谱如图29所示。
[0117]
(8)高分辨质谱(品牌thermofisher型号q exactive hf-x)对上述化学合成的得到二肽化合物进行表征。同实施例1，高分辨质谱图如图30所示。
[0118]
(9)核磁共振表征同实施例1，结果如图31所示。
[0119]
(10)扫描电子显微镜实验。同实施例1。结果如图32所示。
[0120]
(11)红外光谱实验。同实施例1。结果如图33。
[0121]
(12)紫外光谱实验，同实施例1，结果如图34。
[0122]
(13)圆二色谱实验，同实施例1。结果如图35。
[0123]
(14)循环伏安曲线实验同实施例1，电化学测试结果如图36所示。
[0124]
实施例5该类别二肽的亲疏水性评价与总结
[0125]
(1)用液相色谱-质谱(hplc-ms)对上述实例1-实例4中化学合成的得到二肽化合物进行亲疏水评价。色谱过程和条件为：首先将上述含二肽样品用 15％浓度(体积分数)的乙腈水溶液溶解，用0.2微米规格的滤膜过滤后采用 rp-hplc联用仪系统(shimazu 20ad)进行分析，分离纯化的条件如下：色谱柱为反相c18柱，以水(含0.1％的三氟乙酸)为a泵流动相(需提前超声)，以乙腈为b泵流动相，按体积比5％-98％梯度淋洗，流速为0.9ml/min。
[0126]
(2)亲疏水性和分子化学结构具有一定的相关性，不同长度的末端侧链修饰的二肽具有不同的亲水性。侧链长度越长，保留时间越长，这表明取代基的长度与修饰的二肽的
疏水性呈正相关。具体结果如图37所示。
[0127]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。