（高分子化学与物理专业论文）β环糊精改性聚丁二酸丁二醇酯的研究.pdf

t h es t u d yo np o l y ( b u t y l e n es u c c i n a t e ) m o d i f i e db yp - c y c l o d e x t r i n at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a n gm i n m a y ，2 0 10 目录 摘要i a b s t r a c t i i i l 绪论。1 1 1 超分子化学简介1 1 1 1 超分子化学的发展历程1 1 1 2 超分子化学的理论基础_ 2 1 1 3 超分子化学的重要意义。2 1 2 环糊精简介3 1 2 1 环糊精的结构3 1 2 2 环糊精的性质4 1 2 3 环糊精的发展与应用5 1 3 环糊精包合物简介6 1 3 1 环糊精包合物的制备方法6 1 3 2 环糊精包合物形成的影响因素7 1 3 3 环糊精包合物的形成机理及步骤9 1 4 准聚轮烷简介9 1 4 1 环糊精与聚乙二醇的准聚轮烷1 0 1 4 2 环糊精与聚丙二醇的准聚轮烷1 1 1 4 3 环糊精与聚环氧丙烷的准聚轮烷l l 1 4 4 环糊精与聚烯烃的准聚轮烷1 1 1 4 5 环糊精与聚酯的准聚轮烷1 2 1 4 6 环糊精与尼龙的准聚轮烷1 2 1 4 7 理论研究12 1 5 本论文的选题思路与主要研究内容1 2 1 5 1 本论文的研究意义1 2 1 5 2 本论文的研究思路及目的1 3 1 5 3 本论文的主要研究内容1 3 2 聚丁二酸丁二醇酯的合成与表征1 4 2 1 引言1 4 2 2 实验部分1 4 2 2 1 实验试剂及仪器1 4 2 2 2 分析与测试1 5 2 2 3 实验方法16 2 3 结果与讨论一1 6 2 3 1 不同数均相对分子质量p b s 的合成。16 2 3 2 红外光谱分析1 6 2 3 3 核磁共振氢谱分析17 2 3 4 广角x 射线衍射分析。18 2 3 5 差示扫描量热分析：18 2 3 6 热重分析1 9 2 4 小结2 0 3b 环糊精与p b s 包合物的制备与表征2 l 3 1 引言2 1 3 2 实验部分2 l 3 2 1 实验试剂及仪器2 l 3 2 2 分析与测试2 2 3 2 3 实验方法2 2 3 3 结果与讨论2 3 3 3 1p b s i c 的制备与提纯方法2 3 3 3 2 酚酞分光光度法测定环糊精含量2 4 3 3 3 红外光谱分析2 5 3 3 4 核磁共振氢谱分析2 6 3 3 5 差示扫描量热分析2 8 3 3 6 广角x 射线衍射分析2 9 3 4 小结2 9 4d c d 与p b s 包合物对p b s 的结晶改性研究31 4 1 引言3 l 4 2 实验部分31 4 2 1 实验试剂及仪器3l 4 2 2 分析与测试3 2 4 2 3 实验方法3 2 4 3 结果与讨论3 3 4 3 1 偏光显微镜观察3 3 4 3 2 差示扫描量热分析3 5 i i 4 3 3 广角x 射线衍射分析3 7 4 3 4 接触角测试3 8 4 3 5 力学性能测试。：4 0 4 4 j 、结：。4 0 5 成核改性后的p b s 在模拟体液环境中的降解性研究4 l 5 1 引言4 1 5 2 实验部分4 1 5 2 1 实验试剂及仪器4 1 5 2 2 分析与测试4 2 5 2 3 实验方法4 3 5 2 结果与讨论4 3 5 2 1 降解过程中的质量变化4 3 5 2 2 降解过程中的数均相对分子质量以及多分散系数变化4 4 5 2 3 降解过程中薄膜表观形貌变化4 6 5 3 小结4 7 6 结论4 9 参考文献5 0 至l 谢。5 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录5 8 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明5 9 i i i p 环糊精改性聚丁二酸丁二醇酯的研究 摘要 超分子化学是一门新兴学科，主要研究分子之间的相互作用力及其协同 作用。目前超分子化学已经成为一个与近代化学、生命科学、材料学等多门 学科相互交叉的跨学科的研究领域。环糊精( c d s ) 具有“外亲水，内疏水 的独特结构，是超分子化学中一个非常重要的主体。它可以与许多体积、极 性适合的小分子和线型聚合物形成具有( 准) 轮烷、( 准) 聚轮烷结构的内 含复合物。再加上其安全无毒，廉价易得的优点，以环糊精为主体分子的超 分子结构在生物医用材料领域的应用正在受到人们越来越多的关注。聚丁二 酸丁二醇酯( p b s ) 是一种生物可降解脂肪族聚酯，具有优良的生物降解性 和相容性，是生物医用可降解高分子材料中的研究热点。因此，通过制备p 环糊精( p - c d ) 与p b s 的包合物，一方面，可以拓宽( 准) 聚轮烷领域的 研究范围，增加其研究深度；另一方面，将包合物作为新型成核剂应用到 p b s 改性中，将使其在医用材料领域的应用具有更加广阔的前景。 本论文的结构分为前后承接的四部分。首先，结合实验室的前期研究基 础，合成了不同数均相对分子质量的p b s 。接着，用1 3 - c d 与数均相对分子 质量较低的p b s 在二甲基亚砜中进行超分子自组装，制备了p c d 与p b s 的包合物( p b s i c ) 。然后，将p b s i c 添加到数均相对分子质量较高的p b s 中，通过与聚酯类通用成核剂滑石粉、苯甲酸钠作比较，考察其成核效果。 最后，将成核改性后的p b s 在模拟体液环境中进行6 个月的体外降解实验， 分析其在具体应用中的降解性。 通过实验我们得到以下结论： ( 1 ) 成功地制备了 3 - c d 与p b s 的包合物，并通过f t - i r 、1 h n m r 、 d s c 和w a x d 对其结构和性能进行了表征和测试。研究发现，1 3 - c d 与p b s 形成了“隧道型”的准聚轮烷结构，1 3 - c d 与p b s 重复单元的数目比为1 ： 1 7 5 。 ( 2 ) 将p b s i c 添加到p b s 中后，球晶细化，排列紧密，亲水性下降， 结晶度、结晶温度和结晶速度都有显著升高，有着不逊于滑石粉和苯甲酸钠 的成核能力。而添加p c d 的p b s 并没有明显变化。文中分析了三种有效成 核剂不同的成核机理，证实了苯甲酸钠的化学成核作用。 ( 3 ) 将成核效果最好的p b s 苯甲酸钠、p b s p b s i c 与纯p b s 共三种 薄膜在模拟体液环境中进行降解。经过为期6 个月的实验发现，三种薄膜的 质量损失均非常不明显，但由于苯甲酸钠的溶出和p b s i c 中环糊精的分解， 略有不同。三种薄膜的数均相对分子质量均呈线性下降趋势，多分散系数变 大。 综上所述，由于滑石粉不可降解，不具有生物相容性，因此不能作为成 核剂应用于生物医用材料中。而苯甲酸钠虽然具有优异的成核能力，但是由 于它会在成型加工过程中造成p b s 数均相对分子质量的明显下降，且在降 解初期大量溶出，因此也不适合应用于医用材料中。p b s i c 有着与滑石粉、 苯甲酸钠接近的成核能力，本身安全、无毒，可以完全降解。因此，是一种 适合应用于生物医用p b s 的新型成核剂。 关键词：( 准) 聚轮烷，包合物，环糊精，聚丁二酸丁二醇酯，成核剂，体 外降解 i l t h es t u d yo n p o l y ( b u t y l e n es u c c i n a t e ) m o d i f i e d b y j - c y c l o d e x t r i n a b s t r a c t s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y i sa n e w l ye m e r g i n gs u b j e c tc o n c e m i n g i n t e r m o l e c u l a ri n t e r a c t i o n s n o w e r d a y s i th a sb e e n d e v e l o p p e d a s a m u l t i k n o w l e d g ec r o s s e dr e s e a r c hr e a l mw h i c hi n v o l v e sm o d e mc h e m i s t r y , l i f e s c i e n c ea n dm a t e r i a ls c i e n c e c y c l o d e x t r i n ( c d ) i so n eo fi t sm o s ti m p o r t a n t h o s t s d u et ot h e i rh y d r o p h o b i cc a v i t i e sa n dh y d r o p h i l i co u t e r s i d e ，c d sc a nf o r m i n c l u s i o nc o m p l e x e s ( r o t a x a n ea n dp o l y r o t a x a n e ) w i t hs m a l lm o l e c u l e sa n d l i n e a rp o l y m e rm o l e c u l e s t h es t u d yo fc d sh a sd r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nb i o l o g ya n dm e d i c i n a lm a t e r i a l sb e c a u s eo fi t sn o n t o x i c i t ya n dc h e a p n e s s p o l y ( b u t y l e n es u c c i n a t e ) i sl i n e a ra l i p h a t i cp o l y e s t e rw h i c hh a se x c e l l e n t m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd e g r a d a b l ep r o p e r t i e s ，n es t u d yo np bsi sa l w a y st h e h o tf o c u si nb i o m e d i c a l b i o d e g r a d a b l ep o l y m e r m a t e r i a lf i e l d f o r m e d c o m p l e x e s b e t w e e nb c da n dp b sc a nr e i n f o r c et h e s t u d y o n p o l y ( p s e u d o ) r o t a x a n e s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ep b s i ca san e wn u c l e a t i n ga g e n t a p p l i e dt ot h ep b sw i l lm a k ei t sa p p l i c a t i o np r o s p e c te v e nb r o a d e r t h i sp a p e rc o n s i s t so ff o u rp a r t s f i r s t ，p b sw i t hh i g ha n d l o wm o l e c u l a r w e i g h tw a ss y n t h e s i z e d t h e nt h i sp o l y m e rw a sa s s e m b l e dw i t hb c di n d i m e t h y ls u l f o x i d e ( d m s 0 1 ) i no r d e rt of o r m1 3 - c d p b si n c l u s i o nc o m p l e x ( p b s i c ) n e x tt h ep b s i cw a sa d d e dt op b sw i t hh i g h e rm o l e c u l a rw e i g h t t h e n u c l e a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e dc o m p a r i n gw i t ht a l ca n ds o d i u mb e n z o a t e ( s b ) f i n a l l y , t h em o d i f i e dp b s f i l m sw e r ep u ti np h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o nf o r h a l fay e a rt os t u d yt h ed e g r a d a t i o ni np r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a l lb eo b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ( 1 ) t h ep b s i cw a ss t u d i e db yf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t - i r ) ，p r o t o nn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c es p e c t r a ( 1 h n m r ) ，d i f f e r e n t i a l s c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) a n dw i d ea n g l ex r a yd i f f r a c t i o n ( w a x d ) 1 1 1 e r e s u l t si n d i c a t et h a tp bsc a ni n t e r a c tw i t ht h eh y d r o x y lg r o u p si n s i d et h ec a v i t i e s o fp c dt h r o u g hn o n c o v a l e n ti n t e r a c t i o n s ，a n df o r mac h a r m e lc r y s t a ls t r u c t u r e t h er a t i oo fb c da n dp b sr e p e a t i n gu n i t si s1 ：1 7 5 i i i ( 2 ) w i t ht h ea d d i t i o no fp b s i c ，t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fs p h e r u l i t e sb e c o m e s m a l l e r , h y d r o p h i l i c i t yd e c r e a s e d ，c r y s t a l l i n i t y , c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n d c r y s t a l l i z a t i o nr a t ei ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h e r ei sn o ti n f e r i o rt ot a l ca n d s o d i u mb e n z o a t ei nt h en u c l e a rc a p a b i l i t y t h ea d d i t i o no fd c di np b sh a sn o s i g n i f i c a n tc h a n g e t h i sp a p e ra n a l y z e sd i f f e r e n tn u c l e a t i o nm e c h a n i s mf o rt h r e e k i n d so fe r i e ：c t i v en u c l e a t i n ga g e n t s ，c o n f i r m st h ec h e m i c a ln u c l e a t i o no fs o d i u m b e n z o a t e ( 3 ) t h ep b s ，p b s p b s i ca n dp b s s bf i l m sw e r ed e g r a d e di np h o s p h a t e b u f f e rs o l u t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ea r ea l m o s tn om a s sl o s so ft h r e e f i l m sa f t e rs i xm o n t h s h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ed i s s o l u t i o no fs o d i u mb e n z o a t e a n dc y c l o d e x t r i nd e c o m p o s e d t h e r ea r el i t t l ed i f f e r e n c e sb e t w e e ne a c ho t h e r t h em o l e c u l a rw e i g h ta n dm o l e c u l a r w e i g h td i s t r i b u t i o nc h a n g e si nl i n e a r i t y i ns u m m a r y , s i n c et a l ci sn o td e g r a d a b l ea n db i o c o m p a t i b l e ，i tc a nn o tb e u s e di nb i o m e d i c a lm a t e r i a l s t h es o d i u mb e n z o a t e w h i l eh a v i n ge x c e l l e n t n u c l e a t i o nc a p a b i l i t i e s ，b u ti tw i l lr e s u l ti nd e g r a d a t i o no fp b s ，a n dd i s s o l u t i o ni n t h ee a r l i e rs t a g eo f d e g r a d a t i o n s oi ti sn o ts u i t a b l ef o rm e d i c a lm a t e r i a l s p b s i c i san e wb i o m e d i c a ln u c l e a t i n ga g e n to fp bsf o ri t ss a f e t y , n o n t o x i c i t ya n d d e g r a d a t i o n k e yw o r d s ：p o l y ( p s e u d o ) r o t a x a n e s ，i n c l u s i o n c o m p l e x ，c y c l o d e x t r i n ， p o l y ( b u t y l e n es u c c i n a t e ) ，n u c l e a t i n ga g e n t ，d e g r a d a t i o ni nv i t r o i v b 环糊精改性聚丁二酸丁二醇酯的研究 1 绪论 1 1 超分子化学简介 1 1 1 超分子化学的发展历程 自从德国化学家f r i e d r i c hw 6 h l e r 于1 8 2 8 年首次合成出尿素以来，化学就充分体现 出了它的创造力。各种各样具有优异性能的新型分子、特种材料被合成出来。分子化学 通过一系列复杂却有效的方法构筑了那些前所未有的分子结构，这些新结构，正是通过 打破和形成原子间共价键得以实现的。直到1 9 8 7 年，n o b e l 化学奖授予了c j p e d e r s e n ， j m l e h n 和d j c r a m ，标志着化学的发展进入了一个新的时代超分子化学时代。 它的研究对象是以非共价键弱相互作用键合起来的复杂、有序并且具有特定功能的分子 聚集体，是共价键分子化学的一次升华和飞跃，被称为是“超越分子概念的化学”。 超分子化学的诞生经历了漫长的过程，早在1 8 9 3 年，a l f r e dw e m e r 就提出了“配 位”的概念【l 】。一年后，e m i lf i s c h e r 提出了“分子的结合是有选择性的 ，如同一把钥 匙对应于一把锁，这就是著名的“锁钥学说”【2 】。此外，p a u le h r l i c h 认识到：分子如不 结合，就不会起作用，由此他引入了“受体的概念【3 】。到2 0 世纪3 0 年代，分子缔合 ( m o l e c u l a ra s s o c i a t i o n s ) 也被人们所认识和研究，并首次提出了超分子( o b e r m o l e k i i l e ) 一词【刖。2 0 世纪中期是超分子化学发展的重要阶段。1 9 6 7 年，美国杜邦化学公司的c j p e d e r s e n 在日本东京第十届国际配位化学会议上首次报道了6 4 种冠醚化合物【5 1 ，同时深 入研究了它们与碱金属和碱土金属离子的络合作用，从此冠醚的合成及性能研究成为热 点。1 9 6 8 年j m l e h n 报道了一种三维大环化合物穴醚f 6 】。这种大环化合物的特点 是由双或三环组成，对金属离子具有比平面冠醚更高的配位能力和配位选择性。d j c r a m 改进了冠醚的合成方法，并于1 9 7 3 年报道了一系列具有光学活性的冠醚，发现这 些化合物可作为主体与伯胺盐( 客体) 形成络合物 7 1 ，由此提出了“主客体化学”的概 念。他们三人也因此共同获得了1 9 8 7 年的诺贝尔化学奖【8 】。l e | l i l 在颁奖仪式中发表了题 为“超分子化学范围与展望、分子、超分子和分子器件 的著名演说，明确提出了 超分子化学的概念：超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子间力相互作用缔结 而成为具有特定结构和功能的超分子体系的科学。他还通过图1 1 阐释了分子化学与超 分子化学以及分子器件之间的关系：由共价键所形成的分子化合物通过化学反应合成主 体或客体，二者选择性的结合形成超分子，超分子进一步通过识别、交换、易位又可形 成超分子器件 9 1 。自此，超分子化学作为化学的一个独立的分支正式得到了世人的公认。 2 0 世纪8 0 年代以后，各种有关超分子化学的期刊、书籍、会议如雨后春笋不断涌现， 作为一门新兴交叉学科，超分子化学进入了一个高速发展的崭新阶段。 陕西科技大学硕士学位论文 a d 合成圈 共价键圈 自组装 自组织 多分子有序体 眄司 1 分子器件l 功能组分 图1 - 1 分子化学与超分子化学f 9 l f i gl - 1m o l e c u l a rc h e m i s t r ya n ds u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y 1 1 2 超分子化学的理论基础 超分子化学中主体( 受体) 与客体( 底物) 的关系类似于生物体系中的酶与底物d o 。 在超分子体系中，主体是经人工设计或天然的大分子，如环糊精、冠醚、穴醚、杯芳烃 以及它们的各种衍生物t 】。客体是可与主体通过非共价键作用的较小组分，如有机分子 或无机离子。分子的相互作用形成了高度专一的识别、反应、输送、调节等过程的基础。 这种作用普遍存在于生物体系中，如细胞识别、酶蛋白与辅基、多蛋白质复合物的组装、 免疫抗原抗体的缔合作用、分子信息的解读、基因密码的翻译与转录、神经信号的感应 与诱导等等【1 2 】。 客体结合到它的主体上，产生超分子，其间包含了一个分子识别和组装的过程。分 子识别的过程既包括了结合过程又包括了主体对客体的选择过程【n 】。分子识别的方式包 括线形识别，球体识别和四面体积识别等。对于环状的主体分子，通常有两种识别方式： 一种是所谓的“内识别”。即通过环收敛作用形成包合物；另一种是所谓的“外识别”， 即主体和客体之间表面的作用，一般这种作用要有选择性和足够的强度，不仅需要主体 和客体的几何形状和作用点匹配，而且需要足够大的接触面积和作用力。 分子组装是指在分子识别的基础上，系统的要素按彼此的相干性、协同性或某种默 契形成特定结构与功能的过程【1 4 】。自组装不是按系统内部或外部的指令完成的，而是根 据事物运动变化的规律和特定条件完成的。超分子化学的重要目标是研究组装过程以及 组装体，并通过分子组装形成具有崭新特性的功能性超分子，如智能器件、分子机器、 d n a 芯片、药物释放载体、高选择性催化剂等等”1 。它们在诸多学科领域已经展示了良 好的应用前景。 1 1 3 超分子化学的重要意义 现代化学与十八、十九世纪的经典化学比较起来，它的显著特点是从宏观进入微观， 从静态研究进入动态研究，从分子内的原子排列向分子间的相互作用发展。从某种意义 2 删 微 胞 一 圆 p - 环糊精改性聚t - - 酸丁二醇酯的研究 上讲，超分子化学淡化了化学、物理学、生命科学和材料科学相互之间的界限，着重强 调了具有特定结构和功能的超分子体系，将无机化学、有机化学、分析化学、物理化学 和高分子化学有机地结合为一个整体，融会贯通。从而为分子器件、材料科学和生命科 学的发展开辟了一条崭新的道路，并且提供了二十一世纪化学发展的一个重要方向。 1 2 环糊精简介 大环化合物作为构建超分子结构的主体是超分子化学的一个重要组成部分，包括冠 醚、穴醚、环糊精、杯芳烃和c 6 0 等。其中环糊精在很多方面具有独特的优越性【1 6 】。首 先，环糊精来源于廉价易得的淀粉。在2 0 世纪8 0 年代，随着环糊精葡萄糖基转移酶的 发现旧，b 环糊精已经可以大规模产业化生产。近年来，随着生产工艺的进步、新型生 产酶的出现，价格居高不下的a 、y 环糊精的产率也大大提高，并且也进入产业化生产 阶段。其次，环糊精分子中含有许多具有化学反应活性的羟基，可以通过化学修饰控制 环糊精的空腔大小、极性以及溶解性【1 8 】。这些环糊精衍生物的出现大大增强了它的应用 范围。此外，相对于冠醚、杯芳烃来说，环糊精的毒性无疑是最小甚至可以忽略的，可 以在药物控制释放、食品添加剂、调味品、化妆品等与人们生活密切相关的领域得以应一 用，这一点也是其他超分子主体所无法比拟的。 1 2 1 环糊精的结构 环糊精( c y c l o d e x t r i n s ，c d s ) 是由环糊精葡萄糖基转移酶( c y c l o d e x t r i ng l u c o s y l t r a n s f e r a s e ，c g t ) 作用于淀粉所产生的一类环状低聚糖。最常见的有a 环糊精 ( 0 【- c y c l o d e x t r i n ，a - c d ) 、p - 环糊精( 1 3 - c y c l o d e x t r i n ，1 3 - c d ) 、丫- 环糊精( 丫- c y c l o d e x t r i n ， 钕 7 - c d ) ，它们分别由6 、7 和8 个d ( + ) 吡喃葡萄糖基单元以a 1 ，4 糖苷键连接而成【s 】， 如图1 2 所示。 a - c d i b - c dy - c d 图1 - 2 三种常见环糊精的结构 f i g l 2s t r u c t u r eo f t h r e ec o m m o nc y c l o d e x t r i n s 根据x 射线衍射及核磁共振研究证明，构成环糊精分子的每个d ( + ) 吡喃葡萄糖 基单元都是椅式构象，如图1 3 所示。环糊精上存在大量羟基，其中，c 2 、c 3 上的仲 陕西科技大学硕士学位论文 羟基分布于空腔的大口端，且c 2 处的羟基易与相邻吡喃葡萄糖单元的c 3 羟基形成分 子内氢键，因而具有一定的刚性。c 6 上的伯羟基分布于空腔的另一端，并且能够自由 旋转，遮蔽了开口处一部分空间，因而形成了较小的开口。这就使得环糊精分子的外形 呈一端口大一端口小的“锥桶状”，如图1 4 所示。环糊精空腔内部排列着配糖氧桥原 子，氧原子的非键合电子对指向中心，使空腔内具有很高的电子云密度。吡哺葡萄糖环 c 3 、c 5 氢原子位于空腔内并覆盖了配糖氧原子，使空腔内部成为疏水性空间。环糊精 这种“内疏水，外亲水”的特殊结构使它能够通过非共价键作用与多种客体分子结合形 成超分子。 h h o 图1 3 环糊精的结构单元 f i g l - 3s t r u c t u r a lu n i to f c y c l o d e x t r i n s 非极性空腔 厂伯羟基环带 a ) b ) 图1 - 4p 环糊精结构模型的俯视图a ) 和侧视图b ) 匆 f i 9 1 - 4t o pa ) a n ds i d eb ) v i e w so fs t r u c t u r em o d e lo fp c y c l o d e x t r i n 1 2 2 环糊精的性质 环糊精性质稳定，可以像淀粉一样储存多年不变质【1 9 】。环糊精在碱性溶液乃至强碱 性溶液中都是稳定的，但酸可以使环糊精缓慢水解生成葡萄糖和系列非环状麦芽糖。三 种环糊精在水中的溶解度有较大差异，特别是j b - c d 反常的低( 1 8 8 9 1 0 0 m l ，2 5 c ) ，这 主要是因为1 3 - c d 中c 2 、c 3 的仲羟基形成了完全的环形氢键带，具有最大的刚性。只 4 b - 环糊精改性聚7 - - - - 酸7 - - - 醇酯的研究 有在强极性的非质子溶剂，如二甲基亚砜( d m s o ) 、n n 二甲基甲酰胺( d m f ) 、吡啶 ( p y ) 中才有较高的溶解性。环糊精没有一定的熔点，当温度升至2 0 0 。c 时开始分解， 引入修饰基团后能提高其热稳定性。环糊精水溶液有旋光性，黏度稍高于水的黏度。具 体的结构特征及物理参数详见表1 1 t 1 9 】。 表1 - 1 环糊精的结构特征与物理参数 t a bl 一1s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp h y s i c a lp a r a m e t e r so fc y c l o d e x t r i n s 1 2 3 环糊精的发展与应用 自从1 8 9 1 年v i l l i e r s 发现了环糊精 1 6 , 2 0 1 ，1 9 0 3 年s c h a r d i n g e r 分离出0 【c d 和1 3 - c d 以 来 1 9 , 2 1 1 ，环糊精诞生的历史己逾百年，但由于早期环糊精生成酶稳定性差、产量低、分离 提纯时加入的有机沉淀剂产生毒性等原因，从而使环糊精的研究与应用受到限制。直至 七十年代中期，在解决了产量和毒性两大问题以后，才实现了一定规模的工业化生产。 从此以后，环糊精化学的研究进入了鼎盛时期，所发表的论文、专利、专利应用、会议 文摘及专著数目逐年成倍上升。由于环糊精具有分子识别和选择结合的能力，在色谱和 电泳方面，已成功地分离了位置异构体和对映体【船捌；在生物技术中，应用环糊精，能保 护酶不受体系中有毒物质的侵害，达到提高收率的目的；环糊精还可应用于食品添加剂、 调味品、香精、化妆品和药物中，以达到长效、增溶、除臭、保护、防腐等作用；在环 境方面，环糊精可用于挥发性物质的监测，也可用于分离和消除有毒物质；在农业方面， 使用环糊精可解除除草剂对作物的毒害作用，其对农药也有调节、增溶和长效作用。随 着人们的认识水平不断提高，环糊精将会在更多领域得到应用。在基础研究方面，人们 应用环糊精( 尤其是p 环糊精) 及其衍生物进行了多类客体的分子识) 另l j 2 6 - 鸽】及分子组装 研究 2 9 - 3 3 ，合成并表征了各类形态各异的超分子体系，为超分子化学的理论发展奠定了坚 陕两科技大学硕士学位论文 实的基础。 1 3 环糊精包合物简介 由于环糊精“外亲水、内疏水 的独特的结构，可与很多有机小分子以及线型高分 子形成包合物。不同的客体分子与环糊精的结合形式、反应条件都有所不同，下面从一 般意义上，通过制备方法，包合物形成因素，包合机理等方面对环糊精包合物进行综述。 1 3 1 环糊精包合物的制备方法 a 液相法制备包合物 1 ) 在水或水为主要成分的溶液中制备包合物 液相法制备环糊精与客体分子的包合物是最常用的方法，其中，水或水与甲醇、乙 醇、丙酮、乙醚的混合溶剂使用得最多。多数情况下生成的包合物溶解度急剧下降，以 沉淀的形式析出，这为产物的分离提纯提供了条件。 2 ) 共增溶剂存在下制备包合物 在实际处理某些客体时常需要使用增溶剂。增溶剂可以是乙醇，氨水等。将一定比 例的客体与环糊精溶于尽可能少的7 5 9 0 乙醇溶液中，通过过滤膜的滤液，在室温下 或真空下蒸干。 3 ) 在悬浮液中生成包合物 客体分子如果没有合适的溶剂，可以配成5 0 环糊精的悬浊液，将客体直接加入到 此悬浊液中，搅拌数小时( 密度小的油状物) 或数日( 密度大的油状物) ，可以得到包合 物。 b 固相法制备包合物 1 ) 共研磨法 将环糊精与液态客体或结晶状客体分子机械混合，在一定湿度( 相对湿度：6 0 7 5 ) 条件下强力研磨，即可形成包合物。采用这种固相包合技术，初始环糊精的含湿量起重 要作用，固相法对那些水溶性大的包合物的制备更为有利。 2 ) 封闭加热法 在微量水存在下，将环糊精与客体置于封闭容器内加热的方法成功地应用于制备环 糊精与某些芳香酸如苯甲酸和水杨酸的包合物。此法重要的条件是要有一定量的水，当 环糊精是干燥时，无法得到包合物。 3 ) 室温摇动法 等摩尔物质量的环糊精与客体的粉状晶体，在密封玻璃瓶内摇动数小时，就可以得 到包合物。 由于环糊精包合物的制备主要是在水溶液中制备的，因此，下面就主要讨论在水溶 液中的环糊精包合物的制备方法。 6 p 环糊精改性聚丁二酸丁二醇酯的研究 用环糊精水溶液制备包合物的过程是在环糊精水溶液中搅拌混合客体化合物或其溶 液，此环糊精水溶液可能是中性，酸性或碱性，因客体化合物性质而不同。p 环糊精在 水中的溶解度低温时小，在较高温度时大，所以一般是加客体化合物于环糊精热溶液中， 激烈搅拌，约数小时后，缓慢冷却。在达到包合平衡之后，再加热、冷却，重复此类操 作并不能提高客体分子的被包合量，即包合物中客体化合物含量不能增加。对于水溶解 度低的p 环糊精，其与客体分子的包合物在水中溶解度也很低，易由溶液中结晶析出， 过滤除去母液，回收包合物晶体，此种包合方法也称为共同沉淀法，客体化合物和环糊 精都是从溶解状态生成不溶的包合物共同结晶沉淀出来。对于溶解度高的y 环糊精及高 水溶性的环糊精衍生物，包合物仍以溶解状态存留于溶液中，应先过滤除去存在的过量 水不溶性客体化合物，收集滤液后，对滤液进行冷冻干燥或喷雾干燥除去水分。 1 3 2 环糊精包合物形成的影响因素 二 。 环糊精与客体的作用主要受内在因素和外部条件的影响，内在因素取决于环糊精与 客体分子的基本性质，而外在因素主要是一些具体的反应条件。概括来说，主要有以下 几个方面。 a 主客体分子尺寸的匹配 矛3 环糊精与客体分子形成包合物的一个基本要求是尺寸的匹配，即对体积的选择性。 1 3 1 , c d 、1 3 - c d 、y - c d 的空腔直径依次增大，如图l 一5 所示。大尺寸的客体分子将无法进 入相对较小的环糊精内腔，而尺寸过小的客体分