环糊精多轮烷结构在材料领域的应用

环糊精多轮烷结构在材料领域的应用

授课教师：黄进教授

徐运波

武汉理工大学化学工程学院化工研0601班

摘要：

超分子化学的历史渊源，二十世纪七十年代以后，分子识别、自组装、自组织、自复制等概念逐渐被引入，超分子化学开始兴起，获得了飞速发展。

环糊精多轮烷的结构与性能具有很多优良的特点，如分子形成隧道结构，具有疏水内空腔，可沿客体分子进行往复活塞运动，具有外界刺激响应性，主要依靠物理作用，具有良好的生物相容性及可生物降解性等。这决定了其可以用于开发纳米通道，分子识别材料，纳米开关，刺激响应材料以及医学组织修复材料等，在国民经济的各个领域都具有广阔的前景。

关键词：自组装，环糊精多轮烷，纳米通道，刺激相应材料，可生物降解材料

Abstract:

The supramolecular chemistry has long-term history, and since 1970, as many significant conceptions such as molecule recognition, self-assembly, self-organization, self-replication were brought in, it has come to a prosperous stage and all of us witnessed its incredible development.

Cyclodextrin polyrotaxanes possess adequate advantages in the configuration and properties aspect. They cherish the good characteristics as follows: tunnel-like molar configuration, hydrophobic inner cavities, piston back-and forward motion along the guest’s polymer chains, stimulate-sensitivity, biocompatibility, biodegradability, etc. Excellent properties obtained, Cyclodextrin polyrotaxanes is full of potential in the research of nanotunnel, molecular recognizing material, nanoswitch, stimulate-sensible material as well as tissue-recovery material. They are bound to possess promising prospect in almost all fields of our country’s GDP．Keywords: self-assembly, cyclodextrin polyrotaxanes, nanotunnel, stimulate-sensible material, biodegradable material

1 前言

环糊精(CDs)是环糊精转葡萄糖基酶(CGTase)作用于淀粉的大环天然产物。而轮烷或多聚轮烷是由棒状化合物穿过环状化合物而形成的具有重复单元的链或环型自组装结构1，由于这类化合物可发生状态上的量子化效应，如环状化合物在重复单元中相对位置的移动、因外界条件改变而发生重组，使得它们有可能成为纳米发动机，纳米开关2等；若重复单元数不断增大，则能形成关环的分子项链，开环的一维或多维超分子实体；若选用含复键或芳环的重复单元数，则有可能形成以瓜环为绝缘层的分子导线3等。

CD可以其疏水性空腔包含高分子长链形成包结物。其分子结构是一根线形高分子长链“轴”上穿着很多环状分子即CD作“转子”4。如果线状分子两端用大基团封端，则称为多聚轮烷(polyrotaxanes)，而当没有对线性分子封端时，所得到的超分子包结物称为多聚准轮烷(pseudo-polyrotaxanes)。由于该类包结物在形成过程中所表现出的对不同高分子的选择性识别作用，以及形成的包结物表现出的有别于主体CD的特殊性能，使得环糊精多轮烷在分子识别、刺激响应器件、基因传递以及其他生物医学领域得到了及其广泛的应用，环糊精多轮烷正成为超分子化学的热点问题，引起了广泛的关注与兴趣。

环糊精多轮烷的特殊结构使其具有许多优秀的特性，在许多领域具备应用的潜力。环糊精可以包结多种长链分子形成隧道型结构的晶体，可用作纳米管道，实现分子的传递通路；环糊精主要通过疏水作用包结烷基链状分子和芳香类线性分子形成轮烷，而聚轮烷由于具有长的线性结构，具有成为分子线、纳米管及电子传递体的潜在应用价值5；由于环糊精分子之间存在的静电作用，可使其在外来刺激（如电厂）作用下沿客体大分子做活塞运动，因此具有作为分子开关、分子器件的潜力6；以环糊精为主体的多聚轮烷具有良好的生物相容性，无毒，无生物刺激作用，适合于制备医用材料，更好地应用于组织工程和药物控释等方面；而环糊精可以在多种酶的催化下发生降解，可用作可降解生物材料的制备7。

总之，环糊精多轮烷因其具备的结构、性能各方面的特征而备受关注，在医药、生物制剂、农业、食品、化工、器械等领域得到了越来与深入的发展。

本文主要着眼于环糊精多轮烷的结构方面的特点，讨论其具备的各种优良的性质；综合前人的工作，总结国内外文献对于环糊精多轮烷的结构与应用研究和相关进展；并由此探讨其作为超分子化学中的一种主要原料在材料领域的应用。

2 不同类型环糊精多轮烷的合成

2.1 环糊精与轮烷

环糊精(CD)在1891年即由Viliers在培养淀粉杆菌时发现，目前已发展出成熟的生物发酵法，即由环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase）作用于淀粉而制得。环糊精分子的外形是一个锥形的圆筒，结构如图1.1a所示，是由n个D-(＋)葡萄糖以α-1,4糖苷键结合而形成的一类环状低聚糖(其中n＝6时称为α-CD，n ＝7,时称为β-CD，n＝8时称为γ-CD) 8。环糊精空腔的内部只有醚键和碳氢键，因此是疏水性的，外表面的伯羟基位于空腔的小口端，仲羟基位于空腔的大口端使之具有亲水性，所以环糊精能溶于水中9。