（物理化学专业论文）环糊精衍生物超分子在纳米与介观粒子上的自组装.pdf

黄亚瑾：环糊精衍生物超分子在纳米与介观粒子上的自望装三 摘要 一、纳米氧化亚铜立方体韵制备 本文以c u ( n 0 3 ) 2 为原料，以n a b h 4 为还原剂，通过液相还原法在室温下制备 了纳米c u 2 0 。采用x 一射线衍射、透射电镜等手段对产物进行了表征。结果表明， 通过改变反应进行的时间可分别得到立方体和球形的纳米c u 2 0 。通过调节反应物 物质的量可以得到立方体纳米c u 2 0 粒子，粒径在7 0 n m 左右，反应所得立方体产 物经x 一射线粉末衍射测试表明为立方相c u 2 0 ，且无任何杂质。另外，通过实验条 件的优化可制得球形的纳米粒子，粒径在3 0 5 0 r i m ，产物经x 一射线粉末衍射测试 表明为除了氧化亚铜还有部分纳米铜单质。 二、 谷氨酸一p 环糊精修饰的超细氧化亚铜八面体的合成 本实验在未加入任何表面活性剂和任何模板的情况下合成了八面体的氧化亚 铜纳米粒。同时，在加入了实验室自制的谷氨酸一d 环糊精后，可以增大氧化亚铜纳 米粒子的尺寸，并且使得粒子的表面形貌更加完善。通过红外、透射电镜、扫描电 镜及x 射线衍射等方法对修饰氧化亚铜纳米粒子进行了表征。实验结果表明，制得 的氧化亚铜纳米粒子具有规则的形状，大小比较均一以及很好的分散性。电镜表明 制备的纳米氧化亚铜粒子为粒径在3 5 0 h m 左右，形状规则的八面体型粒子。谷氨酸 环糊精通过氮一铜化学键吸附在纳米氧化亚铜表面，修饰的纳米氧化亚铜粒子为粒径 在l 雌l 左右，形状规则的八面体型粒子。纳米氧化亚铜具有特殊的光学、光电和催 化性能，已成为当前材料科学研究的热点之一。由于表面的超分子结构，修饰纳米 氧化亚铜还可以用作多部位主体对有机小分子客体进行包合，其特殊的分子识别能 扬州大学硕士毕业论文 力，具有很好的分析应用前景。 三、环糊精衍生物修饰纳米银的合成 溶液中纳米粒子和分子的自组装以形成复杂的纳米结构已经成为现代材料化 学的一个重要研究方向。环糊精分子的结构特点是具有一定尺寸的疏水性空腔和亲 水性的外表面，因此可以有选择的包合多类客体分子如有机物、无机离子、金属配 合物甚至惰性气体而形成超分子化合物。本文通过硼氢化钠还原法制备了银纳米粒 子，同时用谷氨酸p 环糊精在纳米银的表面进行了修饰。产物通过紫外和透射电镜 等手段进行了表征，并通过u v - v i s 和t e m 探讨了谷氨酸一1 3 环糊精在银纳米粒子表 面的吸附对纳米银溶胶光谱行为的影响，并初步得出：谷氨酸b 一环糊精确实与纳米 银之间有相互作用，并且可以通过改变个物质的浓度来改变银纳米粒子的大小与分 散性。 四、 谷氨酸环糊精修饰微米二氧化钛的制备 微米二氧化钛具有不同于宏观材料的物理、化学性质，在光学、光电子学、催 化等诸多领域有广阔的应用前景。本实验采用溶胶凝胶法制备了微米二氧化钛粒 子，并通过红外、荧光、热重一差热和扫描电镜及x 一射线衍射对二氧化钛微米粒 子进行了表征。实验表明，合成的二氧化钛微米粒子在热处理前得到的为无定型粒 子；当在合成二氧化钛微米粒子的过程中加入少量g l u b c d 后，所得到的t i 0 2 在 进行热处理之前的晶型却为锐钛矿晶型。并且加入了g l u - 3 c d 后的粒子在相对于 纯t i 0 2 较低的热处理温度后就得到了纯金红石晶型的粒子。这两点特殊的性质对于 二氧化钛微米粒子的合成与应用方面提供了一个简单经济可行的方法，因此具有很 好的分析应用前景。 黄亚瑾：环糊精衍生物超分子在纳米与介观粒子上的自组装 a b s t r a c t 3 1 t h es y n t h e s i so fc u b i cc u p r o u so x i d en a n o p a r t i c l e s i nt h i sp a p e r ，c u p r o u so x i d en a n o p a r t i c l e sw a sp r e p a r e dw i t hc o p p e rn i t r a t e a s p r e c u r s o ra n d s o d i u mh y d r o x i d eb o r i d ea s r e d u c i n ga g e n t “a s o l u t i o nc h e m i s t r y a p p r o a c hi nr o o mt e m p e r a t u r e p r o d u c tw a sc h a r a c t e r e db yx 。r a y d i f f r a c t i o na n d t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tc u b i ca n dr o u n dc u p r o u s o x i d ec a nb ep r e p a r e dv i ac h a n g i n gr e a c t i o nt i m e w i t ha p p r o p r i a t em o l eo fm a t e r a l s ， c u b i cc u p r o u so x i d en a n o p a r t i c l e sw i t hm e a ns i z eo f7 0 n mw e l - ep r e p a r e d t h ec u b i c c u p r o u s o x i d e n a n o p a r t i c l e sw e 旭p r o v e d v i ax - r a yd i f f r a c t i o n m o r e o v e rr o u n d n a n o p a r t i c l e s w e r ep r e p a r e da n dp r o v e dt ob ec o p p e rb e s i d e sc u p r o u s o x i d e n a n o p a r t i c l e dv i ax - r a y d i f f r a c t i o n 2 t h es y n t h e s i so fo e t a h e d r a ic u p r o u so x i d en a n o p a r t i c l e s i nt h i sp a p e r , an e wp r o c e d u r ef o rt h ec u p r o u so x i d e o c t a h e d r o nn a n o c r y s t a l sw i t h o u t a n ys u r f a c t a u to rt e m p l a t ew a sr e p o s e d w h e na d d i n gg l u t a m i ca c i d ( g l u ) d e d v a t i v e d i - c y c l o d e x t r i n ( g l u 9 c d ) ，t h ea v e r a g es i z eo ft h en a n o p a r t i c l e sb e c o m e sl a r g e ra n dt h e c r y s t a lm o r p h o l o g yb e c o m e sw e l l t h ep r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e d v i af o u r i e rt r a n s f o r m i n f r a r e ds p e c t r u mf f t q r ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) ，e n v i o n m e n t s c a n n i n ge l e c l x o nm i c r o s c o p e ( e s e m ) a n dx r a yd i f f r a c t i o np a r e m ( x r d ) t h e r e s u l t s s h o w e dt h a tt h ea s - p r e p a r e dc u p r o u so x i d ec r y s t a l sh a v er e g u l a rs h a p es n du n i f o r ms i z e d i s t r i b u t i o n t h ea v e r a g es i z eo fc u p r o u so x i d en a n o p a r t i c l ei s3 5 0 n ma n dt h em e a n d i a m e t e ro fg l u - 1 3 c dc a p p e dc u p r o u so x i d en a n o p a r t i c l ei sa b o u tl p m b e c a u s eo fi t s s p e c i a lo p t i c a l ，p h o t o e l e c t r o n i c a l a n dc a t a l y t i cp e r f o r m a n c e s ，n a n o - c u 2 0r e c e i v e s e n o r m o u sa t t e n t i o ni nr e s e a r c ho f m a t e r i a l ss c i e n c e f u r t h e r m o r e ，w i t ht h es u p e r m o l e c u l e s t r u c t u r e , t h ec u p r o u so x i d en a n o p a r t i c l e sc o u l df o r m a tm u l t i - i n c l u s i o nc o m p l e xw i t h o r g a n i c m o l e c u l e w i t ht h ei d i o s y n c r a t i cm o l e c u l e d i s c r i m i n a t i n gc a p a b i l i t y , i th a s t r e m e n d o u sa n a l y t i ca n da p p l i e df o r e g r o u n d 4 扬州人学硕士毕业论文 3 t h es y n t h e s i so fs i l v e rn a n o p a r t i c l e sm o d i f i e dw i t hg l u t a m i ca c i d d e r i v a t i v e dl b - e y c l o d e x t r i n s e l f - a s s e m b l yo fn a n o p a r t i c l e sa n dm o l e c u l e st of o r mc o m p l e xn a n o s t r u c t u r e si n s o l u t i o ni sa ni m p o r t a n to b j e c to fm o d e mm a t e r i a l sc h e m i s t r y t h es u r f a c eo ft h ec d m o l e c u l ei sh y d r o p h i l i c ，w h i l et h ec a v i t yi sr e l a t i v e l yh y d r o p h o b i e o w i n gt ot h e i r s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，c d sa r ec a p a b l eo f f o r m i n gi n c l u s i o nc o m p l e x e sw i t hav a r i e t y o fg u e s tm o l e c u l e sb yi n c o r p a r a t i n gt h e mw i t h i nt h e i rh y d r o p h o b i cc a v i t i e s i nc h a p t e r4 ， w ea d o p t e das o d i u mh y d r o x i d eb o r i d ed e o x i d i z a t i o na p p r o a c ht os y n t h e s i z es i l v e r n a n o p a r t i c l e s m o d i f i e dw i t h g l u t a m i ca c i dd e r i v a t i v e d 1 3 - c y c l o d e x t r i n a n d c h a r a c t e r i z e dt h e mb yu vs p e c t r aa n dt e m t h e nt h ea d s o r p t i o no fg l u - p - c dh a sb e e n s t u d i e df o rs i l v e rn a n o p a r t i c l e si nd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nu s i n gu v - v i ss p e c t r o s c o p ya n d t e m a n dt h ei n f l u e n c eo fg l u - i = ；一c do nt h em o n o d i s p e r s ea n ds p e c t r a lb e h a v i o ro f c o l l o i d a ls i l v e rh a sb e e nd i s c u s s e d b yu s i n gt e m ，w eh a v ep r o v e dt h i sn e wt y p eo f d e r i v a t i v e d1 3 - c y c l o d e x t r i na c tw i ms i l v e rn a n o p a r t i c l e si na q u e o u ss o l u t i o nf o rs u r e 4 t h es y n t h e s i so fg l u - b - c dc a p p e dt i t a n i u md i o x i d em i c r o - p a r t i c l e s t i t a n i u md i o x i d em i c r o - p a r t i c l e sh a v es p e c i a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e a i e s w h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mb u l kt i t a n i u md i o x i d e ，a n dh a v ee x p a n s i v ea p p l i c a t i o n si n p h o t i c s ，o p t o e l e c t r o n i c s ，c a t a l y s i s a n ds o o n g l u - i b - c dc a p p e dt i t a n i u m d i o x i d e m i c r o p a r t i c l e sw a ss y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e db yf t - i r ，r fs p e c t r a ，t g d s c ，s e m a n dx r d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a ta d d i n gg l u b - c di n f l u e n c e st h ep h a s eo ft i t a n i u m d i o x i d e m i c r o p a r t i c l e s b e f o r ec a l c i n a t i o n s ，t h ep h a s e o ft i t a n i u md i o x i d e m i c r o p a r t i c l e si sa m o r p h o u s ；w h i l et h ep h a s eo fg l u - p - c dc a p p e dt i t a n i u md i o x i d e m i c r o p a r t i c l e si sa n a t a s e f u r t h e rm o r e ，c a p p e d 、 ，i 廿lg l u - 1 3 一c d ，r u t i l et i 0 2b e c o m e st h e d o m i n a n tp h a s ea t9 7 3 k ，i ti sl o w e rt h a nt h a to fm i c r o - t i 0 2w i t ht h ei d i o s y n c r a d c c a p a b i l i t y , i th a st r e m e n d o u sa n a l y t i ca n da p p l i e df o r e g r o u n d 黄亚瑾：环糊精衍生物超分子在纳米与介观粒子上的自组装 第一章绪论 1 1 超分子化学 1 1 1 什么是超分子化学 超分子化学是一门新兴的学科，它是基于冠醚与穴状等大环配体的发展以及分 子自组装的研究和有机半导体、导体的研究进展而迅速发展起来的。超分子作用是 一种具有分子识别能力的分子间相互作用，是空间效应影响下的范德华力、 对于研究原子与原子用化学键连接起来而形成的分子化学，超分子化学则是研究 分子与分子之间作用力连接而形成的分子聚集体的化学，被定义为“超越分子范畴” 的化学，是关于特殊分子间相互作用的化学。l e h n 给超分子这样一个定义：“超分 子化学是超出单个分子以外的化学，它是有关超分子体系结构与功能的科学”。超 分子体系是由两个或者两个以上的分子通过分子间超分子作用连接起来的实体，超 分子作用是空间效益影响下的范德华力、静电引力、氢键力、j j 相互作用和疏水作 用等，通过叠加和协同，分子间的弱的相互作用在一定条件下可以转化为强的结合 能。而分子识别是在类似于“锁和钥匙”的分子间专一性结合i t - 2 。在分子识别的 基础上形成主一客体是超分子体系的基本特征。实际上超分子体系的研究己不限于 化学范畴，而是与生物、物理、生命科学、材料、信息以及环境等学科交接在一起。 形成“超分子科学”。近年来，发展很快，是研究的“热点”。由于在这一领域的先 驱研究，美国的c j p e d e r s o n ，d j c r a m 和法国的j m l e h n 获得了1 9 8 7 年的诺贝尔 化学奖。 1 1 2 环糊精一第二代超分子化合物 超分子化学是- i - j 新兴的处于分析化学、有机化学和生物化学交会点的前沿学 科。它的发展与大环化学( 冠醚、环糊精等) 的发展密切相联，而且与分子自组装( 双 分子膜、胶柬、d n a 双螺旋等) 、分子识别和分子器件的研究息息相关。 6 扬州大学硕士毕业论文 1 1 2 1 环糊精及其发展 环糊精( c y c l o d e x t r i n s ) 简称c d s ，是由淀粉通过环糊精葡萄糖苷转移酶作用而生 成的含有6 、7 、8 个甚至更多葡萄糖单元，彼此间通过a 1 ，4 葡萄糖苷键连接而成 的环状低聚糖。近3 0 年来，各种环糊精及其衍生物在国内外已广泛应用于医药、化 工、农业、日用消费品及生物技术领域中。常见的环糊精有3 种：a 一环糊精( a c d ) 、 p 一环糊精( 1 3 一c d ) 和1 ，- 环糊精“一c d ) ，它们分别是e h 6 ，7 ，8 个葡萄糖单体在c l 和c 4 上 连接而成的环状低聚糖。其中b 一环糊精的产率最高，应用也最广泛。环糊精对热和机 械作用都相当稳定，没有固定的熔点，2 0 0 。c 开始分解。经大量的试验证明，环糊精 本身无毒性，可以被人体所吸收。 1 1 2 2 环糊精及其衍生物的应用 环糊精的独特结构使它们能够与多种物质形成主一客结构或形成包接复合物。 环糊精复合物改变了被包接分子的理化和生物特性，例如：增加溶解性、稳定性和 减少挥发、降低刺激性、毒性和副作用、掩盖药物的辛辣苦味，改善生物吸收利用 度，均衡药物缓慢释放和延长药物的半衰期、增强了被包接分子( 活性成分) 的稳 定性和靶向释放。 1 2p 一环糊精及其衍生物 1 2 1p 环糊精的结构 p 一环糊精( p c y c l o d e x t r i n ，简称1 3 - c d ) 是由淀粉经酶发酵生成的，由七个d ( + ) 吡喃葡萄糖组成，其每个葡萄糖都取椅式构象，通过c t - 1 。4 一苷键首尾相接形成一个 环状分子，具有一个略呈截锥形的圆筒结构。每个单糖c 2 、c 3 上含有的两个仲羟 基，处于锥形圆筒开口较大的桶日上，并且都朝一个方向按顺时针排布，其c 6 伯 羟基则处于锥形圆筒开口较小的一侧。如图所示： 墼垂坠咂塑搏衍生塑! 盼于趔米与介翌担子上的自组篓二 这样i b - c d 分子外侧因布满了羟基而显亲水性，其锥形圆筒内侧有两圈c 3 、c 5 上的氢原子，碳氢键中间夹着一圈缩醛氧原子( 醚环) 结构，具有较强的疏水性，能 包结多种客体分子，因此1 3 - c d 具有分子囊的美称a 由于它的这种独特结构，为此 在许多领域有着广泛的用途。 1 2 2p 环糊精衍生物 近年来，有关环糊精( c y c l o d e x t r i n ，c d ) 的研究已取得了显著的发展，著且已经 实际应用到了许多不同领域( 3 捌，由于环糊精的安全性已得以证实 1 0 - 1 1 】，所以目前 有关其在医药学方面应用的研究尤为活跃。其中，由于b c d 最易获得并且最易和 许多药物形成包结络合物，所以对其研究和应用也最多。然而，由于b c d 自身存 在某些缺点，如溶解较低等，从而又在一定程度上限制了它更为广泛的应用于是 人们对母体p - c d 进行化学修饰，形成p c d 衍生物。与母体环糊精相比，p c d 衍 生物在改善溶解性，生物利用度、稳定性、降低毒副作用等方面具有更良好的性能。 1 2 2 。1b - c a 衍生物的制备 b c d 是由叶l ，4 糖苷键连结的7 个葡萄糖基所构成的环状低聚糖( 如图1 1 ) ， 每个p c d 分子都含有7 个伯羟基( c 0 位和1 4 个仲羟基( c 2 ，c 3 ) 共2 1 个活泼羟基故 可用功能化合物在一定条件下分别在伯羟基和( 或) 仲羟基处通过化学取代而获得b 扬州大学硕j 泮业论文 c d 衍生物，如在碱性催化剂存在下，用烷基化试剂和p - c d 反应可制得部分烷基 化的p c d s ”】。b c d 和3 - m e t h y l 2 o x a z o l i d i n o n e 在k 2 c 0 3 存在下反应可得2 m e t h y l a m i n o e t h y l p c d 【l3 1 。图1 2 表示分别用配体x ，y ，z 在2 ，3 ，6 位取代后所得到 的1 3 c d 衍生物需要指出的是，化学修饰可以发生在任何葡萄糖残基上，即既可 以发生在同一葡萄糖残基上，也可以分别发生在不同的葡萄糖残基上。 化学修饰后所得到的环糊精衍生物的包合能力和物理化学特性除了和取代基 种类及被包合的客体分子有关外，发生取代的程度也会对其有很大的影响f 1 4 j ，经过 修饰后的环糊精具有许多更优良的特性，从而使环糊精的应用进一步扩大。 图卜1b - c d图1 - 2b c d 衍生物( 分别在2 ，3 ，6 位发生取代) 1 2 2 2b c d 衍生物的溶解度 由于p c d 在水中的溶解度太低( 每1 0 0 m l 水仅能溶解1 8 5 9 1 3 一c d ) 口】，于是人们 通过在其上引入支链而对其进行化学修饰，试图提高其溶解度。k y o k ok o i z u m i 等 ”副制备并研究了6 氧a - d 葡萄糖基b c d ( g p c d ) 并i 6 a ，6 d 二氧a d 葡萄糖基 - t s - c d ( 2 g p c d ) 等p c d 衍生物，并与母体p - c d 进行了比较。结果表明，g p c d 和2 g p c d 的溶解度分别是母体p c d 的5 0 倍和7 0 倍。s z e j t l i l l 6 通过对h e p t a l ( i s ( 2 ， 6 - - - 一氧一甲基) - p c d 和h e pt a k i s ( 2 ，3 ，6 一三一氧甲基) p - c d 等一系列p c d 衍生物的 黄亚瑾：环糊精衍生物超分子在纳米与介观粒子上的自组装 研究表明，经过化学修饰后的环糊精都较母体环糊精更易溶于水，a t s u y ay o s h i d a 等【l n x 寸3 羟丙基p c d 和2 ，3 - 二羟丙基p c d 的研究也得出t n n n n n 。迄今为 止，大多数被研究的p - c d 衍生物都有比母体b c d 更大的溶解度。 1 2 2 3p - c d 衍生物在医药上的应用 i b - c d 衍生物和母体8 - c d 一样能够和许多药物分子形成包结络合物，并且所形成 的包合物具有许多较母体环糊精更为优良的物理化学特性。 1 2 2 3 1 增加包合物的溶解度 因为 3 - c d 衍生物更易溶于水，所以微溶性药物与其形成包结物后，药物的溶解 度增大。p a r r o t - l o p e z 等【1 8 】发现在伯羟基处用b - n 葡萄糖基取代后所得到的p c d 是衍生物能够提高n i c a r d i p i n e 的溶解度。b e t t i n e t t i 等9 1 对甲氧基甲基萘乙酸的研究 表明，在有甲基化6 c d 存在的情况下，甲氧基甲基萘乙酸的溶解度增大3 7 7 倍。 a t s u y ay o s h i d a 等口o l 报道过2 羟乙基b c d ( 2 i i e p c d ) 和2 羟丙基p c d ( 2 h p p c d ) 对微溶性药物有着比母体b c d 更强的增溶能力，非甾类抗炎药苯氟布洛芬分 别用p c d ，h p p c d ，d m p c d 包合后溶解度增大的倍数分别为2 4 ，2 8 ，4 4 倍e 2 1 1 。p c d 衍生物在增大甾类药物溶解度方面也强于母体b c d ，a l b e r s 等2 2 j 对2 h p p c d 与甾类脂的研究和l i u 等 2 3 1 对6 酰基氧p c d 与甾类药物的研究证明了这一点。 k r e n n 等 2 4 1 研究发现h p p c d f l g 使酞胺哌啶酮的溶解度从未包合前的0 0 5 9 l 增大 到包合后的1 7 9 l 。 1 2 2 3 2 提高包合物的生物利用度 g p u g l i s i 等口5 1 用老鼠做实验研究了非甾类抗炎药4 联苯乙酸p a a ) 与一系列 b - c d 及其衍生物所形成的包合物，结果表明b p a a 被包合后，生物利用度提高，并 i 正n d m p c d 对提高b p a a 的生物利用最为有效。m u l l e r 雨t l a l b e r s l 2 6 1 研究了2 h p b 1 0 扬州大学硕士毕业论文 c d 和n i t r e n d i p i n e 的两种类构物的包结物，其中发现当猴子为实验体时，药物的生 物利用度提高了7 倍。 1 2 2 3 3 增强包合物的稳定性 3 - c d 衍生物一般能够和药物分子形成稳定的包合物，可以使药物分子免受光、 氧及水解等的影响，延长药效和保存期，也可以作为药物的输送体系。 b a c k e n s f e l d 等2 7 1 研究t c d 对双氯灭痛、炎痛喜康和消炎痛的溶解度和稳定性 影响，发现h p b c d 在2 1 和4 1 时均抑制了消炎痛的水解，对双氯灭痛在7 0 * ( 2 有 氧和无氧条件下对其降解有最强的抑制作用，而在室温时效果不明显；对炎痛喜康 却加速其降解速率，使其不稳定。氧羧甲基氧乙基1 3 c d 能使前列腺素e 1 ( p g e l l 被包合后稳定性增加2 卜2 9 1 ，甲基化b c d 与甲氧基甲基萘乙酸形成的包合物的稳定 性要比母体p c d 包合物高出4 倍1 1 9 1 ，3 - h p p c d 对药物的稳定作用也强于母体p c d ”1 。c h o u d h u r y 矛1 m i t r a 3 0 】对2 h p p c d 与阿斯匹林的研究表明，2 - h p p c d 不 仅能增加阿斯匹林的溶解度，而且能增加其稳定性，从而指出了2 h p 6 c d 可作为 高度不稳定物质的稳定剂的可行性。 1 2 2 3 4 作为药物缓释剂 有些p c d 衍生物，如乙基化了的6 。c d 衍生物，和易溶性药物形成的包结络合 物的溶解度降低，从而可以作为药物缓释剂3 1 1 ，u e k a m a 等【3 2 1 曾报道单烷基化b c d s 对水溶性药物m o l s i d o m i n e 的释放速率的降低正比于烷基链的长度，狗口服单 烷基化b c d 包合物后，药物的血浆水平峰值被压缩，并且发现在所有的单烷基化1 3 c d s 中，p e r b ut a n o y l p c d 由于有着较好的胶粘特性和疏水性而显示出最为显著的缓 释效果。f u m i t o s h ih i r a y a m a 等t 3 3 】对一系列新的不同烷基链( 乙酰基十二烷酰基) 的 单烷基化b c d s 进一步研究得出：药物被单烷基化1 3 c d s 包合后的释出速率显著减 缓，而且主体分子疏水作用越强，缓释效果越明显。 重亚堕型精衍生燧分楚纳米与坌巡坦自塑茎旦 1 2 2 3 5降低药物的溶血活性等副作用 y o s h i d a 等1 1 可的研究表明，2 ，3 - 二羟丙基p c d 的溶血活性( 人类红血球) 和局部 刺激性( 兔子的肌肉) 要比母体、甲基体或其他羟烷基化的1 3 c d s 明显降低，而且随 取代程度的增大而减小，葡萄糖基环糊精的溶血活性也比相应的母体环糊精低，由 于雌三醇葡萄糖基b c d 包合物具有较高的水溶性和较低的溶血活性，故可适于作 为注射制剌”】。 由上可见，b c d 及其衍生物在医药上有着巨大的实用价值和潜在价值，而衍生 物则具有许多更为优良的特性。目前，除医药外，环糊精及其衍生物还被广泛地用 于食品、日用化工、印染、农业、环保等其他众多方面。随着人们对环糊精研究的 不断深入，环糊精在各方面会得到更为广泛的应用。而我国在这方面的研究和国 外相比还有一定的距离，因此希望有更多的人投入到这方面的研究中来。 1 3 纳米材料 1 3 1 什么是纳米材料 所谓纳米材料，指的是具有纳米量级( 1 1 0 0r i m ) 的晶态或非晶态超微粒构成 的固体物质。纳米材料真正纳入材料科学殿堂应是德国科学家g l e i t e r 等3 4 1 于1 9 8 4 年首用惰性气体凝聚法成功地制备了铁纳米微粒，并以它作为结构单元制成纳米块 体材料。由于纳米材料具有显然不同于体材料和单个分子的独特性能一表面效应、 体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应等及它在电子、光学、化工、陶瓷、生物 和医药等诸多方面的重要应用而引起人们的高度重视【3 5 1 。 1 9 8 8 年美国科学家c r a m1 3 6 1 和法国科学家l e h n1 3 7 1 在诺贝尔领奖会上发表了演 说，他们分别以分子的主体客体和它们复合物的设计和超分子化学范围和展 望一一分子、超分子和分子器件为题，论述了他们在超分子化学研究领域所取 得成就和展望。1 9 9 0 年l e h n 【3 町又发表了超分子化学展望一一从分子识别走向 分子信息处理和自组织作用。他们指出生物体内反应、输运和调节的第一步就是 扬州大学硕士毕业论文 分子识别。它定义为底物被给定受体选择并结合而形成超分子结构的过程。这是主 客体分子之间有选择、有目标的结合；是结构明确的分子间相互作用模式。这种结 合还要求受体分子与所要键合的底物分子在立体空间结构和电荷特征上的互补性 以及为了适合其功能上要求所必须遵循的刚性和柔性平衡原则。因为受体结构稳定 性需要刚性分子结构，但识别过程中的变换、调控、协同及变构则需要一定的柔性。 这对生物体系尤为重要。从分子识别引导到分子自组装，对生物体系建立和生物特 性产生的过程起着非常重要作用。所谓分子自组装，是指在平衡条件下通过非共价 相互作用自发缔合形成稳定的、结构完整的超分子的过程。分子自组装普遍存在于 生物体系之中，是复杂的生物结构形成基础；是结构生物化学研究中心课题。这种 自组装的概念、原理和方法已成为纳米化学和分子器件的最活跃课题。 1 3 2 纳米材料与分子自组装 纳米材料是指由极细晶粒组成、特征维度尺寸在纳米量级( 1 1 0 0 啪) 的固体材 料例。由于这种材料的尺度处于原予簇和宏观物体的交接区域，故而具有表面效应、 小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 4 0 1 ，并产生奇异的力学、电学、磁 学、光学、热学和化学等特性】，从而使其在国防、电子、化工、冶金、航空、轻 工、医药、生物、核技术等领域中具有重要的应用价值。 纳米材料可划分为两个层次：一是纳米微粒；二是纳米固体( 包括膜和线) 。随 着纳米科学的发展，纳米材料定义的内涵和外延在不断扩大，比如纳米管、纳米孔、 纳米丝等均属其研究之列。无论是纳米固体、纳米微粒还是纳米多孔材料，都是由 分子、原子通过一定的反应、作用或处理制备面成的。在众多的制备方法中，分子 自组装( m o l e c u l a rs e l f - a s s e m b l y ) 技术4 2 】以其独特的方式和效能而倍受纳米科学工作 者的青睐，为纳米科技注入了新的活力。分子自组装是分子在均衡条件下通过非共 价健作用，分子自发地缔结成稳定的、结构上确定的聚集体。在一定条件下通过分 子的自组装，自发产生复杂有序且具有特定功能的聚集体( 超分子s u p r a m o l e c u l e ) 组 织的过程称为分子自组织( m o l e c u l a rs e l f - o r g a n i z a t i o n ) 。分子自组装和分子自组织在 堕垩壅：堑塑舅衍生塑望坌! 垄楚米与坌婴垫王圭笪鱼塑薹旦 生物体系中是普遍存在的，并且是形成千姿百态、结构复杂的生命体的基础。但真 正自觉地用于纳米材料的合成还只是近几年的事。其主要原理是分子问力的协同作 用和空间互补。分子自组装技术不仅可用于有机纳米材料的合成，而且可用于复杂 形态无机纳米材料的制备；不仅可合成出纳米多孔材料，而且可制备出纳米微粒、 纳米棒、纳米丝甚至纳米管、纳米网。 1 3 3 超分子技术和纳米技术在医学中的应用 利用超分子技术，改造传统药物，以降低或消除某些药物的毒、副作用，或赋 予药物某些新的性能，已有长足的进展，比如常用药物消炎痛，采用超分子技术处 理后，其毒副作用可大大降低，或者完全消除。利用超分子技术，开发新的药物， 已经提到议事日程，最近也有不少有关专利和文献的报道。特别是利用超分子技术、 纳米技术和生物技术设计制造的医疗器械，与现有的医疗器械相比，将会有革命性的 变化。 纳米技术指在1 1 0 0n n l 尺寸上研究和应用原子、分子的结构特征及其相互作 用的技术，在8 0 年代开始研究，9 0 年代获得了突破性进展，它对生物医学工程的渗 透与影响是显而易见的。使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材 料的尺度上直接利用原予、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将 使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主 动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量 血液，就能通过其中的蛋白质和d n a 诊断出各种疾病。研究纳米技术在生命医学上 的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生 命信息。利用分子自组装技术，把纳米粒子组合成超分子结构，使设计出的分子结 构单元能以预先设定的方式，自动结合形成更大的分子结构，用这种技术就可以制 备各种新药和新型医疗器械。 1 4 扬州大学硕士毕业论文 1 4 以环糊精为基本构筑单元的超分子组装 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超分 子功能体系。正是基于环糊精分子的独特构造，化学家们将其作为基本构筑单元引 入到不同的超分子体系中，构筑出各种各样奇妙、复杂而有序的分子聚集体。应用 于超分子化学的分子组装技术在纳米科学技术发展中逐渐成为最重要的方法之一， 而分子组装的基本方法就是将简单的人工合成分子受体通过金属软连接和分子间 相互作用力构筑成为纳米尺度的分子组装体。利用纳米超分子组装体进行客体离子 或分子的吸附或交换成为可能。由于纳米超分子组装体的结构特点，使其在吸附、 催化、磁性、非线性光学、发光及纳米材料等诸多领域具有潜在的应用价值。 1 4 1 修饰环糊精分子穿插的自组装 圆落 a 分子内自包合b 二聚体c 多聚体 图1 - 3 修饰环糊精的三种自组织形式示意 前面已经提到，环糊精的空腔具有包合疏水性分子的能力。许多化学修饰环糊 精的取代基都是一些疏水性基团。在水溶液中，这些取代基能够包合进入到自身或 其他的环糊精空腔形成分子内或分子间的自组织形式，图1 3 显示了这种自组装的 三种可能的方式。其中图1 3 a 是大多数环糊精衍生物在水溶液中的存在形式，它是 由单一的环糊精构成，属于简单的分子自组装体的范畴；而图1 3 b 和1 3 c 中的分 黄亚瑾：环糊精衍生物超分子在纳米与介观粒子上的自组装 子间二聚和多聚现象可以说是环糊精衍生物形成高级结构的自组装能力的体现。 m i r z o i a n 和k a i f e r 在研究联毗啶修饰b - 环糊精在水溶液中电化学控制的自组 装行为时发现1 4 3 】，当联吡啶取代基以带有正电荷的氧化态存在时，该修饰环糊精只 是以单体形存在。而拥有还原态取代基的环糊精衍生物则能够形成对插的分子间二 聚体。f u j i m o t o 等也曾通过核磁共振研究证实，在高浓度下拥有亲脂性取代基的 全甲基化哥环糊精能够形成面对面的二聚体配合物。 近来k r a u s 等 4 5 1 报道的一种全取代伽环糊精衍生物的晶体结构显示，这种在2 位、3 位和6 位拥有不同取代基的环糊精也是依靠分子间的广泛的氢键作用对称排 列，每个环糊精单元都被其具有的特殊取代基与周围邻近的环糊精组成的3 0 个氢 键所固定，形成一种稳定的螺旋管道结构。这种基于疏水取代基穿插而构建的形状、 螺旋状及管道状的修饰环糊精自组装晶体结构，位人们提供了支配环糊精自组装行 为的一些驱动因素( 范德华力、疏水相互作用和氢键等) 影响自组装空间结构的直 接证据。从而对迸一步设计更为复杂的纳米超分子结构具有重要的指导意义。 1 4 2 环糊精与小分子的软连接 通过引入其他分子而共同构筑复杂有序的超分子聚集体，由于客体分子的特异 性以及形状和尺寸才不同，它们与环糊精形成包合物的晶体往往表现出不同的形 态，主要的类型有笼状、堆砌状和管道状结构【4 6 】。 m u r a i o k a 等【4 7 】比较了a 环糊精与对氯苯酚形成的层状堆砌结构及与对甲基苯酚 形成的管道状晶体堆积结构，指出客体分子中对位取代基的大小、电负性以及其形 成氢键的能力对晶体结构堆积模式的形成均有重要影响。m a k e d o n o p o u l o u 等h 8 1 报 道，长链脂肪一元酸能够同时穿过两个p 环糊精形成准轮烷，而这种超分子单元可 以进一步沿轴向组装成为管道状晶体结构。k a m i t o r i 等1 4 9 利用4 ，4 ，联苯二甲酸与0 【 环糊精、h a r a t a 等【5 0 j 通过二硝酸异山梨醇脂与环糊精组装得到了类似的管道状分 子聚集体。 研究显示，作为荧光探针的芘分子能够与环糊精形成1 ：2 的蚌状包合物，其 1 6 扬州大学硕士毕业论文 中芘分子被纵向包结在两个头对头的环糊精分子之间。u d a c h i n 等人向该体系中引 入了第三组分辛醇分子，得到了具有三种组分的共包结产物5 “，然而在考察其晶体 结构时发现，芘分子只是横向包结在环糊精分子之间，而将这种二聚体连接起来形 成管道的则是同时