超分子化学,环糊精

环糊精分子中，C-2 处的羟基易与相邻的吡喃葡萄糖单元 C-3 位的羟基 形成 氢键。由于分子大小适中，β-CD 分子内形成的是环形的全氢键带， 使分子具有 相当的刚性，导致其在水中的溶解度最低(图 2-1)；α-CD 虽 然在理论上有六组 氢键，但由于其结构中有一个葡萄糖基单元处于扭 曲状态，其圆环结构不完全对称，六个吡喃葡萄糖单元之间只形成四个 氢键，空腔内未形成全氢键带，因此在 水中的溶解度大于β-CD；γ-CD 属于非共平面、具有绕性结构的分子，溶解度 大于α-CD 和β-CD。对环 糊精的水溶液和二甲基亚砜溶液进行研究发现，环糊 精羟基与溶剂问 的氢键相对较弱；同时 C-6 位羟基几乎不参与分子内氢键的形 成。
1. 环糊精在分析化学上的应用 （1） 用于色谱分析 CD 包合物的形成，由于其包合物的稳定性 及对客体结构和大小的依赖 性，导致了 CD 在色谱分离中应用 所产生的高选择性。由于 CD 是手性化合 物，可进行分离异构 体，其手段包括薄层色谱、气相色谱、高效液相色谱、亲和色 谱、超临界流体色谱及毛细管电泳色谱，就使用方法而言，可 做固定 相(包括被交联固定化的固定相)、流动相及电泳电解质 溶液的添加剂。 例如用 2，6-二戊基-3-三氟乙酰化(DPTFA)的 α-，β-和 γ-CD 制备的手性毛细管气相 色谱柱，并用来 拆分了 150 多对映体，在高效液相色谱上，CD 作为流动组 分 或固定相。 （2） 用于光谱分析 β-CD 对显色反应具有一定的作用。研究结果 表明，β-CD 对显色反应的 主要特点[20]有： a. 吸收光谱波长一般 变化不大； b. 增敏作用：增敏作用的主要原因是 β-CD 与显色配合 物形成包合物， 抑制金属离子的水解，增强其反应活性； c. 有增 溶、增稳作用； d. 对某些显色体系， 能提高选择性， 这是因被测 金属离子的显色配合物 和干扰离子的配合物被 CD 包合的难易和包 合程度不同的缘故。
四，化学性质
（1）化学反应 环糊精具有非还原的端基，一般在非还原糖的鉴 别反应中呈阳性反应。因而，它们与蒽酮呈显色反应，该法可用 于环糊精的定量测定。 高碘酸盐氧化α-、β-和γ-CD 时没有甲酸或 甲醛的生成，证明环糊精分子 中不含有游离的端基。一个葡萄糖 单元消耗一摩尔的高碘酸盐。经过起始诱导过 程后，氧化作用速 率周期性的增加，起始速率按α-<β-<γ-CD 顺序增加。研究 发现非 环状糊精则没有该诱导期。环糊精在强碱溶液中的电阻与纤维素 相似。
环糊精
一，定义
环糊精(Cyclodextrin， 简称 CD)是直链淀粉在由芽孢 杆菌产生的环糊精葡萄 糖基转移酶作用下生成的一系 列环状低聚糖的总称， 通常含有 6~12 个 D-吡喃葡 萄糖单元。 环糊精是最普遍的研究最多的，最便宜易得的商 品化主体分子，是全饱和分子，其刚性依赖于分子内 的氢键结合的锐曲率半径。环糊精作为一类很重要的 主体化合物，在食品，化妆，药品等领域也有很重要 的作用。
（2）放射分解 β-和γ-CD 经γ-射线辐射，分子的断裂主要发生 于 l，4-糖 苷键。然而，该机理不同于酸水解，没有葡萄糖生成， 主要产物是麦芽六糖、丙 二醛和葡萄糖酸，还有氢、一氧化碳 和二氧化碳。 在水中环糊精浓度增加时会降低其降解。在稀溶 液中的降解类似于其酸水 解。脱氧β-CD 水溶液经辐射ห้องสมุดไป่ตู้，在放 射分解物中可检测到葡萄糖、麦芽糖等物 质。
其中 β-环糊精的产率最高，应用也最广泛。β环糊精分子的立体结构 呈圆筒形，一端大，一 端小。小端口处是由 C-6 上的 7 个伯羟基组成， 大端 口处是由 C-2、C-3 的 14 个仲羟基组成， 因此环糊精的外壁具有很强的亲水 性。β-环糊 精的内腔是由 C-3 和 C-5 上的氢原子与 C-4 上 的氧原子组成，由 于 C-3 和 C-5 上的氢原子对 C-4 上的氧原子的覆盖作用，使得环糊精的内 腔 具有强烈的疏水性，因此可以利用其疏水空 腔包合客体分子(被包合物质:许多无机和有机 化合物)， 形成包合物。
甲基化环糊精的特性为环糊精甲基化后增加了其在水中的溶解度天然环糊精的 溶解度是随温度升高而增加，但甲基 化环糊精溶解度是随温度升高却急剧下降。 甲基化环糊精还具有吸湿性和高 表面活性特性。环糊精甲基化后仍具有大的包 结特性，包结物在水中的溶解 度也显著增大环糊精分子空腔外表面引入功能团 后，不但改变了其原来具 有的物理性质，而且还改变了它的结构。X-射线结果 表明，三甲基-β-环糊精 与 β-环糊精在结构上有很大差别，甲基化后，环糊精 分子空腔原来窄的开口 变得更窄，而宽的开口部则变得更宽。甲基化环糊精还 具有立体选择性，即同一客体分子进入甲基化环糊精分子空腔的基团及几何位 置不同于进入母 体环糊精分子洞的，这是由于甲基化的结果使环糊精结构扭曲 更厉害，空阻 增大所致。 。
五，修饰环糊精
1. 环糊精修饰的目的及途径 因为环糊精具有一定的化学稳定性， 可以进行立体修饰。近年来 对环糊精进行修饰的科研工作在国外得到重视， 并取得了突破性进 展，而此方面研究工作在我国也开始起步。对环糊精进行 修饰的目 的主要是使其具有更优良的性质，提高应用效果，并开辟新用途， 归纳起来主要有以下几方面： ——引入基团增加水溶性，特别是包结物或超分子复合体的水中溶 解 度； ——在结合位附近构筑立体几何关系，形成特殊的手性位点； ——进行三维空间修饰，扩大结合空腔或者提供有特定几何形状的 空 间，以与底物或客体分子有适宜的匹配； ——引入特殊基团，构筑有特殊功能的超分子和自集成超分子聚集 体； ——融入高分子结构，获得有特殊性质的新材料。
（3）酸水解 部分环糊精酸水解会产生葡萄糖和一系列非环状麦 芽糖类。包 括和原环糊精具有相同数目葡萄糖单元的寡聚糖。 具 有完整环的环糊精对酸水解 的稳定性要高于非环状糊精的 2 到 5 倍，这要取决于温度和酸性。
（4） 酶降解 环糊精有一个值得注意的性质是它们对淀粉水解酶 有很好的抵 抗力。三由于环糊精不包含对β-淀粉酶敏感的端基， 因此它们对β-淀粉酶有很 好的抵抗力。而α-淀粉酶是结合分子内 部，不需要自由端基，故它可以水解环 糊精，但是水解速率很低。 除了个别环糊精，大部分环糊精不会被发酵，不会被酵母利用。 关于环糊精 降解酶糊已有文献报道.。糊精能阻碍谷类α-淀粉酶吸 附于淀粉粒上，因此它能 阻碍淀粉孺分解作用。它们能有力的抑 制甜马铃薯β-淀粉酶、菠菜叶脱支酶、 克雷伯氏菌和马铃薯述磷 酸化酶。多粘菌素杆菌淀粉酶、米曲霉淀粉酶和猪胰淀粉酶能水 解环糊精，但水解速度缓慢。
（3） 用于荧光和磷光分析 β-CD 环糊精与被检测分子 形成包合物，可增加被检测分子的荧光或磷 光强度， 这对提高荧光或磷光分析的灵敏度具有十分重要的意 义。但 β-CD 环糊精的荧光增强作用受到其溶解度的 限制，若改用水溶性 β-CD 环糊精， 将大大提高荧光 分析灵敏度。 （4） 用于电化学分析 一是用电化学方法来研究 CD 包合物电化学性质，另外，在电化学分析中，应用 CD 主要致力改善体系的选择性。电化学分析诸方法 中 CD 的应用相对集中于极谱和伏安法。
2，环糊精在药物改性中的应用
CD无毒、无味、对人体无害，是最为合适的一种药物载体， 因此在药物改性 上应用较广。药物通过与CD形成包络物来 提高药物的溶解度和稳定性，以增强其,生物利用度，缓减药 物对胃肠的刺激，消除某些药物的异味。 （1）增加药物溶解度，提高药物的生物利用度。 某些药物如灰黄霉素 ， 安体舒通， 苯巴比妥， 4一联苯醋 酸等， 单独用药时， 由于其在水中溶解度小， 生物利用 度低， 但当它们和β—CD形成水溶性包络物时， 溶解度大 大提高。如4一联苯醋酸形成CD包络物后，其溶解度提高 4．2倍，溶解 速度提高18倍,物利用度也因之太为提高。
2. 修饰环糊精的种类 α-，β-和 γ-三种环糊精中，β-环糊精的改性 研究最为广泛。改性环糊精 按取代基的性质大体可分为水溶性， 疏水性及离子性三种。水溶性环糊精衍 生物产品有支链环糊精， 甲基化环糊精，羟乙基环糊精，羟丙基环糊精，低 分子量 β-环糊 精聚合物(分子量为 3000～6000)等。疏水性环糊精衍生物产品 有 乙基环糊精，乙酰基环糊精等。离子性环糊精衍生物产品有含氮阳 离子性 产品及阴离子性产品，阴离子性产品如羧甲基环糊精，硫 酸酯环糊精和磷酸 酯环糊精等。
二，结构分类
常见 的环糊精有 α-环糊精、β-环 糊精以及 γ-环糊精 3 种，分别由 6 个、7 个或 8 个葡萄糖单元以 1，4 糖苷键结合而成。环糊精分子形状 为“内疏水，外亲水” 的略呈锥 筒状的空腔结构，如图（一） 。 正是这种特殊结构，使得环糊精能 作为“宿主”包合不同“客 体”化合物，形成特殊结构 的 包 合 物 (Inclusion Complex)， 由此而形成主客体化学，也是当前 热门课题——超分子化学的一 部 分。
1. 环糊精与有机客体的包合作用 与客体分子形成包合物是环糊精最重要的性质之一，所谓“包合” 就是主 体与客体通过分子间相互作用，完成彼此间的识别过程，最 终使得客体分子 部分或全部嵌入主体内部的现象。 2. 环糊精与过渡金属配合物的包合作用
最早发现环糊精作为主体可以对过渡金属配合物产生识别作用形成第 二配 位层化合物的是 Breslow．1975 年 Breslow 报道二茂铁及其衍生物与 β-CD 作用形成了 1﹕1 型主-客体包合物， 并声称二茂铁分子插入了环糊精分 子 内腔。进一步的研究结果证实环糊精的确对二茂铁有很强的识别能力， Harada 和 Takakashi 根据园二色谱探讨了二茂铁在 α-、 和 γ-CD 内腔中的 β-、 取向，通过制备二茂铁及其衍生物的环糊精包合物，他们发现 α-CD 与客体 形成 2﹕1 型包合物，茂基平面几近与 α-CD 的 C-6 轴垂直；β-和 γCD 与客 体形成 1﹕1 型包合物，前者茂基平面差不多与 β-CD 的 C-7 垂直， 而后者的 茂基平面则几乎与 γ-CD 的 C-7 轴平行。这表明三种环糊精的二茂 铁包合物 有着不同的空间构型
七，环糊精的应用
环糊精是由环糊精葡糖基转移酶作用于淀粉所产 生的一组环状低聚糖， 薛定谔（Schardinger)完成 了确定 CD 结构的研究，由于 CD 具有“内疏水， 外亲水”的分子结构，又因 CD 是手性化合物，这 种特殊分子结构赋予 CD 与 多种客体化合物形成包 合物的能力，由此而形成主客体分子化学，从而 使 CD 在食品工业，药品工业，分析化学，日用化 学品，农业，环保等领域有着非常广泛的应用。
六，环糊精的包和特性
环糊精包合物的制备、结构、性质和应用研究是环糊精化学的一 个重要 内容。作为一种简单的有机大分子，环糊精具有与范围极 其广泛的各类客体，比如有机分子、无机离子、配合物甚至惰性 气体，通过 分子间相互作用形成主—客体包合物。 环糊精在药物、 香料和调味剂的增溶、 改性以及分子包装方面，已向世人展示了 广阔的应用前景。
三，物理性质
环糊精的物理性质见表 2。三种环糊精 为白色结晶粉末，β-环糊精的水 溶解 度最低，易于由水溶液中结晶提纯。由 于所含葡萄糖单元的多少不同， 各种 环糊精在物理性质上有很大的区别。β环糊精的溶解度与其它两种环糊 精差 别如此之大，主要是因为环糊精聚集体 与周围水分子的相互作用力不同 以及 在固态下晶格能的差别造成的。从表 2 中也可以看出，环糊精在水中的 溶解 度随温度上升而增高，在有机溶剂中， 如甲醇、乙醇、丙酮等，环糊精 不溶 解。能够溶解环糊精的有机溶剂很少， 因此可以利用此性能来提纯环糊 精。 环糊精对热和机械作用都相当稳定，没 有固定的熔点，200℃开始分解。 不同 环糊精的热稳定顺序为：γ-环糊精＞α环糊精＞β-环糊精。经大量实验 证明， 环糊精本身无毒性，可以被人体所吸收。
例如 β-环糊精进行甲基化后成二甲基-β-环糊 精，二甲基-β-环糊精具有 高水溶性，在 100ml 水中溶解度达 55g。比原 β-环糊精在 水中溶解度提高近 30 倍。药物黄体酮在水中 的溶解度为 13.2g／ml，比在水中提高 3.1 倍， 而 在二甲基-β-环糊精水溶液中的溶解度为 2020g／ml，比在水中提高 150 倍