β- 环糊精在分子组装中的应用

β- 环糊精在分子组装中的应用
摘要：本文综述了β-环糊精及其衍生物在分子组装中的应用。

关键词：β-环糊精；分子组装
自20纪初环糊精（CDS）被分离得到以来，人们对其研究不断取得新的进展。

不仅提高了CDs的产量，而且对天然CDs进行了结构改造，合成了一系列具有独特性能的CDs衍生物。

目前，CDS除了在医药工业方面有广泛的用途外，还在食品、化装品、环境保护、色谱分析等方面也得到了应用。

继续深人研究CDs及其包合物，对今后更好的利用CDs有极其重要的意义。

环糊精(cyclodextrins，简称CDs)是由
环糊精葡萄糖转移酶(cGT)作用于淀粉或麦
芽糖溶液制得的一系列聚合程度不等的环
状低聚糖。

常见的环糊精有3种，被命名为
分别含有6个、7个和8个葡
萄糖单元。

环糊精分子呈空心圆台结构
(见图1)。

分布于圆台边缘的羟基(葡萄糖单元2位、3位仲羟基位于广口端，6位伯羟基处于窄口端)使CD易溶于水，而其内空腔由于C—H键和醚键的覆盖而呈疏水性，这正是疏水性客体分子能自发进入环糊精内部疏水性空腔，从而形成主．客体包合物的基础。

作为主体的CD 与客体分子形成包合物的基本条件除尺寸的匹配外，一般还与主客体分子间的相互作用有关，如疏水作用、范德华力、氢键、偶极．偶极相互作用、电荷转移作用等。

王杰等[5]综合论述了环糊精包合作用为驱动力组装大分子网络的两种主要方法。

将带有环糊精支化基团的高分子长链与带有客体基团的高分子长链的在溶液中混合，由于环糊精与客体基团间的包合作用，可以组装成具有交联结构的超分子网络[6-7]。

由于环糊精具有疏水的空腔，某些高分子长链可以穿过其空腔，通过非共价键连接在一起，形成多聚准轮烷(polypseudorotaxane)[8]，长链两端用大基团封闭后可形成多聚轮烷(polyrotaxane)，形状类似于一串“项链”。

环糊精多聚轮烷分子管道表面具有大量的醇羟基，多个分子管道之
间通过一定的取向和结晶，“项链”之问就能产生一定的作用力结合，从而成为交联结构。

用环糊精的包合作用可以组装构筑大分子网络体系。

这种独特的组装方法交联模式简单、交联度易于调控，得到的网络体系既能为聚合物的缔合理论提供理想的实验模型，又能广泛用于黏度调节和药物控释。

宁涛[9]等以β - 环糊精改性自组装的化合物为模板剂合成了介孔分子筛。

利用纯天然化合物β- 环糊精的特殊结构,通过优化苯基修饰改性过程制备了单(6 - 氧- 6 - 苯基) - β- 环糊精,单(6 -氧- 6 - 苯基) -β- 环糊精具有自组装能力形成超分子聚合物,以该超分子聚合物为模板剂合成的介孔分子筛，产物具有高度有序的六方介孔分子筛的结构特征,孔径约为2. 13 nm,比表面积达到260 m2 / g以上,完全符合螺旋柱状超分子聚合物的外径尺寸，螺旋柱状超分子聚合物的紧密堆积程度没有有机胺类模板剂大,相邻β- 环糊精母体之间存在一定的空隙,产品在整体结构上还存在一定程度的缺陷。

孙艳等[10] 将β-环糊精黄原酸酯引发的RAFT聚合用于β-环糊精改性，并研究了其自组装行为。

碱性条件下β-环糊精(β-CyD)与二硫化碳反应生成黄原酸盐,随后与α-溴丁酸甲酯反应制得β-环糊精黄原酸酯,并以此为可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)的链转移剂,制备了3种不同接枝链长的共聚物β-环糊精-聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)(β-CyD-PDMA)。

β-环糊精上3个6位羟基参与了黄原酸化反应,生成的共聚物为不对称的皇冠状构；β-CyD-PDMA 分子量分布较窄,表现出很好的可控活性聚合特征;接枝共聚物可以进行类胶束聚集,而含有较长PDMA链的共聚物在低浓度下自组装形成直径为280 nm的胶束结构,在高浓度下形成6 nm 的新聚集结构。

赵彦利等[11] 制备了β-环糊精和α-氨基吡啶的包合物，形成两种不同鳞状超分子聚集体。

在溶液中α-氨基吡啶分子能够深包结进入β-环糊精空腔形成主客体包结配合物,并且在β-环糊精的手性空腔中产生诱导的圆二色光谱信号。

这些研究结果对于理解主客体间分子识别与组装机理具有一定的意义。

利用X射线衍射分析和核磁方法研究了单(6-氧-6-苯基)-β-环糊精(1)在固态和液态中的分子自组装行为。

结果显示在固态中连接于环糊精主面的芳香基团从次面插入到另一个环糊精的空腔形成了二重对称轴的螺旋结构;在溶液中该修饰环糊精自组装形成聚集体的键合常数为240mol?1·L.这些研究结果与报道的单(6-脱氧-6-苯胺基)-β-环糊精(2)、单(6-脱氧-6-苯硒基)-β-环糊精(3)和单(6-脱氧-6-苯巯基)-β-环糊精(4)一起,进一步揭示了分子自组装形成超分子的一些控制因素[12]
樊志等[13]合成了β- 环糊精与水杨酸的包合物。

在形成的2：2包合物中，β- 环糊精
通过羟基间的氢键形成头对头的二聚体，两个水杨酸分子以不同的形式与环糊精形成包合物，其中一个水杨酸分子寄居于环糊精的空腔中。

而另一个水杨酸则位于由两个环糊精形成二聚体的空隙中。

水杨酸分子相对于环糊精空腔的不同取向主要归因于主一客体分子间的相互作用及结构特征，即水杨酸分子与环糊精的氢键作用，二聚体间的氢键作用，以及水杨酸分子中基团间的相互排斥。

这些研究结果有助于我们进一步理解环糊精的分子包结机理。

通过单-[6-氧-(对甲苯磺酰基)]-β-环糊精和4-羟基-苯甲酸甲酯反应合成了一种新的修饰环糊精,单[6-氧-6-(4-羧基苯)]-β-环糊精，并研究了[6-氧-6(4-羧基苯)]-β-环糊精在溶液和固态中的分子自组装行为。

在固态中连接于环糊精主面的苯甲酸基顺次从次面插入到另一个环糊精的空腔,形成了螺旋柱状超分子,并且在溶液中也显示了相似的自组装行为。

热力学上,修饰环糊精形成聚合起分子主要是由熵驱动的。

[14]
李红霞等[15] 对β-环糊精的化学改性及其在药剂学领域中的应用进展进行了论述。

对天然β-环糊精进行改性的目的主要是使其具有更优良的性质，提高其应用效果。

例如，β-环糊精分子中C2和C3 羟基之间形成分子内氢键而导致其水溶性差，在100ml水中β-环糊精的溶解度仅为1.85g，使之在许多应用上受到限制[16]。

而β-环糊精甲基化后形成的二甲基β-环糊精具有高水溶性，在100ml水中溶解度达55g，比天然β-环糊精在水中溶解度提高了近30倍。

改性环糊精水溶液对某些药物的溶解性能增强，如药物黄体酮在β-环糊精水溶液中的溶解度为13.21ug，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2020 ug比在水中提高150 倍。

β-环糊精改性的方法有化学法和酶工程法两种，其中化学法是主要的，改性之后的环糊精又称为环糊精衍生物。

化学改性是利用环糊精分子腔外表面的醇羟基进行醚化、酯化、氧化、交联等化学反应，能使环糊精的分子腔外表面有新的功能团。

环糊精分子结构是葡萄糖单位以α-1，4糖苷键连接的，互为椅式异构体的环状化合物，β-环糊精由7个葡萄糖单位组成，每个葡萄糖单位上有C2，C3仲羟基和C6伯羟基可进行化学反应。

反应程度用平均每个葡萄糖单位中羟基被取代的数量表示，称为取代度。

酶工程法是制备支链环糊精（歧化环糊精）的方法，支链环糊精是单糖或寡聚糖如葡萄糖和麦芽糖等通过转移酶的作用以α-1，6糖苷键结合于环糊精上形成的。

目前已有大量环糊精的衍生物，如HP-β-CD，G2-β-CD ，SBE-β-CDs 等，这些环糊精衍生物具有高亲水性，更有利于药物在胃肠道的快速溶解，常用于改善难溶性药物的生物利用度。

而疏水性环糊精及其衍生物可用于缓释水溶性药物，这对于多肽和蛋白类药物尤其重要。

国内外的研究表明，β-环糊精衍生物具有比母体环糊精更优良的特性，能解决许多技
术难题，是改进药剂处方的有效辅料。

谷福根等[17]对环糊精包合物研究进展进行了综合论述。

对近年来包合物研究的新成果，环糊精包合物制备的影响因素，新的制备方法，包合比、热力学参数、稳定常数的测定，包合物空间构型的研究以及目前已上市的包合物产品等都进行了相关阐述。

表明环糊精作为一种重要辅料，已广泛用于医药、食品、化装品、色谱分析等多个领域。

相信随着人们对环糊精及其包合物研究的进一步深入，未来环糊精包合物的产品将会更多。

结束语：β-环糊精化学的不断发展，促使β-环糊精的研究深度和广度进一步拓展。

β
-环糊精分子具有独特的性质，可以根据不同的目的来设计不同的β-环糊精衍生物超分子催化反应体系，在有机物合成领域发挥了重要作用。

而该研究领域极富挑战性和创造性并始终贯穿着“应用”这一理念，无疑使β-环糊精衍生物的研究成为一个非常具有潜力的课题，展示了光明的应用前景，对β-环糊精化学的发展具有重要的意义。

Application of β-Cyclodextrin in molecular assembly
Abstract ： In this paper，the Application of β-Cyclodextrin in molecular assembly is reviewed
Keywords：β-cyclodextrin; molecular assembly
参考文献：
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4.Balan B.Sivadas D L.Gopidas K R Interaction of pyromellitic diimide derivatives with β
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10．孙艳刘和文β-环糊精黄原酸酯引发的RAFT聚合用于β-环糊精改性功能高分子学报 2009(3)
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12. 赵彦利; 刘育苯基修饰β-环糊精的自组装行为中国科学院上海冶金研究所; 材料物理与化学(专业) 博士论文 2000年度
13.樊志；刁春华；宋海斌；景作亮；郁铭；陈鑫；郭敏杰β- 环糊精与水杨酸包合物的合成与结构化学学报 2007年第65卷第15期，1449～1453
14. 樊志; 赵彦利; 刘育中国科学院上海冶金研究所; 材料物理与化学(专业) 博士论文2000年度
15.李红霞，辛淮生β- 环糊精的化学改性及其在药剂学领域中的应用进展江苏大学学报（医学版）第15卷第3期2005年6月
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