（化学工艺专业论文）一氯三嗪β环糊精与几种香精的包结作用研究.pdf

中文摘要 香料在日常生活中占有很重要的地位，然而许多香料具有水溶性差、易挥发、 易氧化、遇光不稳定等缺点，其应用受到了很大的限制。一氯三嗪? 伊环糊精 ( m c 碜c d ) 特有的结构能够选择性包结各种客体分子，形成相对稳定的包结 物，从而达到改善客体分子的水溶性、稳定性等目的。本文以m c t - 声c d 作为主 体分子，以香兰素、香豆素、麝香草酚、安息香等四种不同的香精为客体分子， 研究了固体包结物的制备工艺，用紫外光谱研究了主客体分子在溶液中的包结作 用。 本文制备了m c t i 伊c d 香兰素、m c t - 伊c d 香豆素、m c t - 伊c d 麝香草酚、 m c t - 伊c d 安息香固体包结物并研究了包结物的制备工艺，通过傅立叶变换红外 光谱、差式扫描量热分析、x 射线粉末衍射光谱对所得到的固体包结物进行了表 征。结果表明，包结物是香精分子以无定形状态分散到m c 够c d 中。香兰素、 香豆素、麝香草酚安息香的包结率分别为4 2 7 3 、7 7 6 8 、4 0 0 6 、6 2 5 1 。 包结物的水溶性实验结果表明包结后香兰素、香豆素、麝香草酚、安息香在水中 的溶解度分别提高了2 2 8 3 、1 3 1 6 、9 5 4 8 、3 0 8 5 倍。对一系列具有不同取代度 的m c b 伊c d 与四种香精在溶液中的包结作用、包结比及包结稳定常数进行了研 究。结果表明：m c 够c d 能与香精分子形成了l ：l 可溶性的包结物，包结稳定 常数既与主客体分子的尺寸匹配有关，也与主体分子的取代度和客体分子的空间 结构有关，用d s = 3 2 3 8 的m c f 伊c d 包结时，香兰素、香豆素、麝香草酚、安 息香的包结稳定常数分别为6 9 7 、1 2 9 6 、6 1 8 、9 3 2 。 关键词：m c t - 声- c d 香兰素香豆素安息香麝香草酚 稳定常数固体 包结物， a b s t r a c t s p i c e sa r ei m p o r t a n ti ne v e r y d a yl i f e h o w e v e r , t h ed i s a d v a n t a g e s ，l i t t l es o l u b i l i t y 、 h i g hv o l a t i l i z a t i o n 、o x i d a t i o n 、i n s t a b i l i t yw i t hl i g h t ，l i m i tt h e i ru s e t h ep e c u l i a r m o l e c u l es 仃u c t u r eo fm c t - 伊c dc a l le n c a p s u l ek i n d so fg u e s tm o l e c u l e ss e l e c t i v e l y t h ei n c l u s i o nc o m p l e x e sa r er e l a t i v e l ys t a b l e ，i m p r o v i n gs o l u b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f g u e s tm o l e c u l e s i nt h i sp a p e r , m c t - 伊c dw a su s e d 觞h o s tm o l e c u l e ，a n dv a n i l l i n ， c o u m a r i n , t h y m o l ，b e n z o i na sg u e s tm o l e c u l e s t h ei n c l u s i o np r o c e s so fs o l i d c o m p l e x e sw a si n v e s t i g a t e d t h ei n c l u s i o nb e h a v i o rb e t 、v e e nm c t - 一c da n dg u e s t s p i c em o l e c u l e sw a ss t u d i e db yu l t r a v i o l e ts p e c t r o m e t r y ( u v ) i nt h i s p a p e r , s o l i di n c l u s i o n c o m p l e x e s m c l 6 - c d v a n i l l i n ， m c 醪c d l c o u m a r i n ，m c 华c d t h y m o l ，m c 堆c d b e n z o i nw a sf o r m e d t h e i n c l u s i o nb e h a v i o rw a si n v e s t i g a t e d t h es 仃u c t i l i eo fs o l i di n c l u s i o nc o m p l e x e sw e r e c h a r a c t e r i z e db yi r , d s ca n dx r d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a ts p i c e sm o l e c u l e s d i s p e r s ei nc a v i t yo fm c t - # - c da sa m o r p h o u ss t a t e t h ei n c l u s i o nc o m p l e x e so f m o l a rr a t i ov a n i l l i n 、c o u m a r i n 、t h y m o l 、b e n z o i nw e r e4 2 7 3 ，7 7 6 8 ，4 0 0 6 ，6 2 5 1 r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n to fs o l u b i l i t yo fi n c l u s i o nc o m p l e xi n d i c a t e dt h a tt h e s o l u b i l i t yo fi n c l u s i o nc o m p l e x e si n c r e a s e d2 2 8 3 一f o l df o rv a n i l l i n ，1 31 6 - f o l df o r c o u m a r i n ，9 5 4 8 - f o l df o rt h y m o l ，a n d3 0 8 5 - f o l df o rb e n z o i n t h ei n c l u s i o nb e h a v i o r 、 i n c l u s i o nr a t i o 、s t a b i l i t yc o n s t a n to fm c t 伊c do fd i f f e r e n td e f g r e eo fs u b s t i t u t i o n a n df o u rk i n d so fs p i c e sw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a gf o u n dt h a tm c l - 一c da n ds p i c e s c a nf o r ms o l u b l ei n c l u s i o nc o m p l e x e sw i t hm o l a rr a t i oo f1 ：1 t h es t a b i l i t yc o n s t a n ti s d e p e n do nd i m e n s i o nm a t c h i n go fh o s ta n dg u e s tm o l e c u l e s ，t h ed e g r e eo f s u b s t i t u t i o n o fh o s tm o l e c u l e a n dd i m e n s i o n a ls 仃u c n l r eo fg u e s tm o l e c u l e t h ei n c l u s i o ns t a b i l i t y c o n s t a n to fm c t - 伊c d ( d s = 3 2 3 8 ) a n ds t a b i l i t yc o n s t a n t sw e r e6 9 7 ，1 2 9 6 ，6 1 8 ，9 3 2 r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：m c 伊c d ，v a n i l l i n ，c o u m a r i n ，t h y m o l ，b e n z o i n ，s t a b i l i t y c o n s t a n t s ，i n c l u s i o nc o m p l e x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤垄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：锊一一苔 签字日期： 枷7 年刀月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解岙盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：豁- - z 多- 导师签名： 签字日期：少哆年扩f 月歹日 签字日期： 秽 呐每l 乒l 飞日 天津大学硕士学位论文 m c t - - c d 与几种香精的包结作用研究 第一章文献综述 1 1 一氯三嗪节一环糊精的概述 1 1 1 环糊精概述 环糊精( c y c l o d e x t r i n ，c d ) 是由六( 口一环糊精) ，七( 伊环糊精) ，八个( 产 环糊精) 或更多的吡喃葡萄糖单体以n ( 1 ，4 ) 糖苷键连接而成的低聚糖化合物。它 也被称作为环状多糖，环麦芽糖或沙丁格糊精。环糊精的生产过程是在环糊精葡 萄糖基转移酶( c g t a s e ) 作用下，降解淀粉的产物1 1 。1 8 9 1 年v i l l i e r 发现它并 将其命名为“木精”( c e l l u l o s i n e ) ，当时还不能确证它的结构和许多特殊性质。 表1 - 1 开，伊和膈糊精的一些基本性质 t a b l e l - 1s o m eb a s i cp r o p e r t i e so fa - ，p - a n d 】, - c y c i o d e x t r i n s 伊环糊精分子的外形呈截锥状，分子中的每个葡萄糖单元采取未扭曲的椅式 第一章文献综述 构象，作为吡喃葡萄糖单元4 c l 构象的结果，伊环糊精分子中所有伯羟基均座落 于环的一侧，即葡萄糖单元的6 位羟基构成了环糊精截锥状结构的主面( 较窄 端) ，而所有仲羟基座落于环的另一侧，即2 位和3 位羟基构成了环糊精截锥状 结构的次面( 较阔面) 。环糊精的内壁由指向空腔的c 3 和c 5 上的氢原子以及糖 苷键氧原子构成，使其空腔内部有较高电子云密度，表现出一定的疏水性。环糊 精次面的仲羟基则使其大口端和外壁表现为亲水性。另外，由于6 位亚甲基的存 在，使其主面也表现出一定的疏水性。图1 1 为伊环糊精结构的模型。 h 。h ：三一c h z 。h = = h 。 ：鲥c h z 。h 次面亲水性区域 图1 - 1 肛环糊精的结构图 f i g1 - 1t h es t r u c t u r eo f p - c y c i o d e x t r i n 水性区域 伊环糊精的这种疏水空腔结构为大量底物和客体分子提供了结合空间，而且 客体分子与环糊精主体包结配位后，其水溶性、热稳定等化学性质以及光、电、 磁等物理性质在特定情况下有可能发生改变，从而在分子识别、模拟酶、超分子 自组装等方面有重要的研究价值【2 j 。 伊环糊精分子具有以下性质：( 1 ) 伊环糊精分子没有还原性末端，分子没有还 原性；( 2 ) 伊环糊精在碱性介质中很稳定；( 3 ) 伊环糊精能被强酸降解，但是对于 一般的酸和淀粉酶的耐受性比直链淀粉高；( 4 够环糊精在醇水溶液中能很好的结 晶；( 5 ) a - 环糊精能与多数有机化合物、卤素及某些无机化合物形成稳定的包结 复合物。它像分子袋一样可以使许多化合物或化合物的某些基团包结起来，改善 被包结物质的水溶性，稳定性以及其他理化性质；( 6 ) 伊环糊精对于被包结的物 质可以起到缓释剂的作用；( 7 ) 环糊精对人没有明显的毒副作用；它在人体内 可以被胃酸和胃酶分解，其消化代谢速度( 指生成c 0 2 的时间) 一般比淀粉慢3 倍；( 8 ) 伊环糊精在水中的溶解度为1 8 5 l o o m l ( 2 5 c ) ，3 5 2 9 l o o m l ( 4 0 ) ， 9 0 2 9 1 0 0 m l ( 6 0 c ) ，2 5 3 9 l o o m l ( 8 0 ) ，3 9 7 r d l o o m l ( 9 0 ) o 2 天津大学硕士学位论文m c t - ，- c d 与几种香精的包结作用研究 1 1 2 一氯三嗪节环糊精的结构与性质 一氯三嗪移环糊精( m o n o c h l o r o t r i a z i n y l - f l - c y c l o d e x t r i n ；简称m c t - 伊c d ) 是一种f l - c d 的醚化衍生物，也是一种有活性的, b - c d 衍生物【3 1 。它是一个由七 个吡喃葡萄糖构成的f l - c d 环，在葡萄糖的c 2 、c 3 或c 6 位羟基上的氢可以用 二氯三吖嗪钠盐取代生产m c t - 伊c d ( 钠盐) ，如图1 2 所示。 渊或电。 图1 - 2m c 郦二c d 的结构图 f i g1 - 2t h es t r u c t u r eo fm c 聊d 由于p - c d 分子中c 2 、c 3 、c 6 上羟基可以被随机取代，所以在该反应过 程中，随着条件的变化可以生成2 - m c 堆c d 、3 - m c 堆c d 、6 - m c 堆c d 、 2 , 3 m c t i 伊c d 、2 , 6 一m c t - 伊c d 、2 ，3 ，6 m c 够c d 等具有不同取代位置及取代基 数目的m c c d 同系物。一般情况下取代反应产物是混合物。p i t h a 等曾提出 制备c d 衍生物时，不需要把同系物分离就可以使用。这样在包结物制备中c d 衍生物的混合物能稳定其无定形状态，使客体能够更好地吸收利用【4 】。刘育也曾 提出由于技术应用的目的，例如色谱柱填料和药物包络剂等，所使用的化学修饰 环糊精通常为全取代和统计学取代产物【5 j 。 m c b 伊c d 通过缩合反应能以共价键或离子键的方式固定到亲核的纤维基 质上。也就是说m c t - 卢c d 靠带有活性氯的三嗪化合物把f l - c d 固着到纤维上。 由于是共价键结合，p - c d 可被永久地固定在纤维织物上。m c 彬c d 中的f l - c d 依然保留着对客体物质的包结作用。它对于开发留香、除臭、吸收紫外线、药物 治疗、杀菌、驱蚊虫等功能性织物提供了一个新方法。德国w a c h e r 公司于1 9 9 6 年已实现了该产品的工业化生产，产品的商业名称为c a v a s o l w 7m c t l o j 。 取代度是表征m c f 伊c d 产品的一项重要指标。不同的平均取代度产物，其 性能指标如溶血性、吸湿性、增溶效果和包结能力也不相同。m c 肇c d 是许多 异构体构成的混合物，呈无定形状态。然而，关于c d s 的取代度( d e g r e eo f s u b s t i t u t i o n ，d s ) 的表征存在混乱现象，起因是分析化学家用他们的结果以取代 第一章文献综述 基吡喃葡萄糖单元来代替取代基环糊精环。既是葡萄糖单元被取代羟基的平均 数为取代度，数值在之间。此外，还有其它表征方法如：m s ( m o l e c u l a r s u b s t i t u t i o n ) 表示每个葡萄糖单元羟烷基化的平均数，由于侧链可能再与烷基化 剂作用，使其数值可能超过3 。m s d s 比值，反应侧链聚合度( d e g r e eo f p o l y m e r i z a t i o n ，d p ) 。不同的表征方法将引起混乱且没有多少实用价值。本文采 用了d s ( d e g r e e so fs u b s t i t u t i o n ) 来表示m c 堆c d 产品中每个伊c d 分子被取代 的羟基平均数。既是每个伊c d 分子中有7 个葡萄糖残基，每个葡萄糖残基上有 3 个可以被取代的位置，也就是说全取代的最大取代度为2 1 ，最小为1 。 关于m c b 伊c d 的平均取代度的测定方法，目前尚没有可靠和统一的规范。 例如p i t h a t 7 】对同一个样品，用核磁共振测得的d s = 7 ，而质谱法测得d s = 8 0 2 。 所以m c t - 伊c d 的平均取代度只能表示一个相对的大小，或者在特定方法下测得 的值。我们采用质谱法通过分子离子峰的峰高和质量来计算m c b 伊c d 的平均取 代度d s ，具体公式见( 1 1 ) 【8 j ： 掣- 1 1 3 5 d s ： 圣望!： 式中h i 和m i 分别为每个分子离子峰的峰高和质量，l1 3 5 为f l - c d 分子量。 m c t - c d 中二氯三吖嗪钠盐的取代位置是随机的，平均取代度为0 3 - - 0 6 每个葡萄糖单元上。平均分子量约为1 5 6 2 1 7 7 6 。试验证明m c 碜c d 水溶液很 好( 5 0 w v ) 。按照o e c d 毒理学研究表明m c c d 对人体皮肤没有刺激性 和过敏反应。整理的织物可以和皮肤直接接触，不会对人造成伤害。所以用它整 理服饰是完全无害的。另外m c 形c d 本身可以被生物降解，不会产生污染环境 的废水。 在酸性条件下能加快m c c d 的分解及降低取代度，使其失去固着能力。 所以m c t - 归c d 在p h 8 5 溶液中或干燥条件下相对比较稳定。m c t - 声c d 是p - c d 的活性衍生物，在储存过程中，特别是在溶液中易于分解而失活。m c t - 伊c d 上 的活性c l j 脱落后，它就失去了在纤维上的固着能力。m c t 伊c d 随着取代度的 降低，在纤维上的固着率也相应降低【9 1 。 实验证明： 1 m c b 伊c d 在水中极不稳定。例如：在p h 7 的水中，三天p h 降至3 6 ，五天 降至p h 0 2 4 ，取代度五天后也会由0 4 降至0 ；在p i l l 4 的水溶液中，数日 后虽然p h 变化不大，但是取代度仍然很快降低。 2 m c 碜c d 在碱性缓冲液中相对比较稳定。例如：在p n 5 的缓冲溶液中，三 天后m c 陟c d p h 为4 6 ，取代度仍然是0 4 ，而五天后p h 为4 3 ，而取代 4 天津大学硕士学位论文m c t - , 8 - c d 与几种香精的包结作用研究 度仅为0 0 5 。在p h 7 的缓冲溶液中，二十六天后p h 为7 ，取代度由0 4 降 至0 3 3 。在p h 8 5 的缓冲溶液中，四十六天后p h 为7 ，取代度由0 4 降至 0 3 5 。 以上说明m c 够c d 在p h 8 5 的缓冲溶液中相对比较稳定。 综上所述m c t - 出c d 干粉应保存于室温阴凉处，最好在1 0 。c 以下保存。该 产品的货架寿命期定为6 个月。当然过了货架期并不意味着该产品不能使用。但 是应强调，货到之后应尽快使用，减少放置时间。如果放置过久在使用前应该对 产品的取代度及固着率进行测定，然后增量使用。使用时最好在碱性条件下处理 织物。如若需要在酸性条件下处理织物，就应尽量快速处理，避免m c 碜c d 分解失效。 1 1 3 一氯三嗪侈环糊精的应用 环糊精的研究经历了两个重要发展时期：1 9 7 0 年以前，研究者主要从事结构 和化学性质的研究：1 9 7 0 年以后，进入应用开发阶段。近3 0 年来，各种环糊精 及其衍生物已广泛应用于医药、化工、农业、日用消费品及生物技术等领域d 尸 5 , 1 0 】。 一氯三嗪伊环糊精( m ct - j 伊c d ) 是环糊精与三吖嗪的共价结合物。它的分 子中至少带有三个亲电中心，它能同任何带有亲核基团( 如羟基、氨基或巯基) 的化合物以共价键的形式结合。这样就可以以环糊精为核心与带有不同亲核基团 的化合物或聚合物进行交联，形成各种新颖的环糊精聚合物、环糊精低聚物以及 新的环糊精衍生物。而且这种新的聚合物不但保留了原化合物的性能及环糊精的 包结功能，而且还赋有了一些新的性质和功能。另外m c 降c d 也可以键合到合 成的聚合物或天然的聚合物上，用于表面修饰【1 1 j 。 m c c d 是由f l - c d 与氰尿酰氯缩合而成的第一个具有活性功能基的f l - c d 衍生物。国外仅德国于1 9 9 6 年开始工业化生产，目前国内尚属空白【】引。m c t - f l - c d 可以永久的固着到纤维织物上，也可以固着在食品包装材料中进行防腐保鲜 1 3 1 7 。利用固着有m c 伊c d 的织物做成窗帘、桌布、汽车座套，可以吸除异 味，缓慢释香。做内衣可以除汗臭。日本市售的衬衫售价约为1 0 0 0 - 3 0 0 0 日元 件，而用m c 砂c d 处理的衬衫售价为9 0 0 0 日元件，销售形式很好。日本一个 染整厂，每年从德国进1 2 1m c t - 伊c d 2 0 0 吨用于服饰的开发。m c t - ；c d 可以与 可溶性或水不溶性聚合物反应制备水溶性改性聚合物，广泛用于造纸、印刷品、 纺织品、玻璃、木材、金属、皮革、纸板、塑料、涂料、油漆、涂饰颜料、混凝 土、石膏以及砂浆填料和调合材料的水基粘接剂。这种粘接剂不含任何溶剂，无 环境污染，粘接性能好，牢度强，比现有粘接剂有许多优点。另外m c t 伊c d 又是合成其他c d 衍生物的新材料。例如在微碱性介质中m c c d 与c 1 c 6 第一章文献综述 醇类反应，可以合成醚的c d 衍生物，与硫醇反应可以制备含硫醚的c d 衍生物， 与一级胺或二级胺反应可以制各碱性c d 衍生物，与叔胺反应可以制备带正电荷 的c d 衍生物等。这就能进一步扩大c d 的应用，开发更多，性能更好，用途更 广或更专一的独特的c d 新产品。 下面为m c t - p c d 开发功能性服饰的应用： 1 1 3 1 固着有m c t - 伊c d 的服饰直接使用 固着有m c t - 伊c d 的纺织品可以直接制成贴身穿的衣物，不需要再做任何处 理，它具有一定的吸湿作用，使人穿着舒适，同时并能吸除人体异味，洗涤时把 异味洗掉，这样可以反复洗涤使用，这种功能是永久性的。例如生产t 恤衫、短 袖衫、内衣、内裤、袜子、床单、被罩、卫生巾、浴巾、毛巾等。 1 1 3 2 制成留香织物 这种纺织物可以通过固定在纤维上的m c t - 伊c d 包络香味物质，使其缓慢释 放，如果在干燥的环境下放置，留香时间可以长达数年之久。这样就大大提高了 香味物质的稳定性，被m c 碓c d 包络的香味物质可以借助于少量的潮气释放， 只要轻轻的哈一口气就可以使香味缓缓释放。如果服饰经多次洗涤，洗涤剂中的 表面活性剂可以把包在m c 碜c d 的物质替换出来，这时可以在这种织物上再次 施加香味物质，或改换其他的香型。人体汗液也可以把香味物质置换出来，这种 服饰不仅可以释放香味，同时也可以把人体异味吸收掉。 1 1 3 3 开发芳香医疗保健纺织品 在固着有m c 碓c d 的织物上施用香桃木、熏衣草、小茴香、松木、玫瑰、 白干层、丁香、肉桂、百里香等香精油能对多种病源菌都有较好的杀菌或抑菌效 果。把这种织物做成内衣、袜子、褥垫、绷带等卫生用品即可以护肤、杀菌、除 臭，而且还有芳香味。另外，也可以把治疗不同皮肤病的药物或维生素e 、角鲨 烷等护肤品施于这种纺织品，皮肤从织物中吸收营养滋润皮肤起到美肤的作用。 1 1 3 4 开发驱蚊虫纺织品 固着有m c t - 伊c d 的织物施用昆虫驱避剂，驱蚊剂处理后可以做成窗帘、门 帘、蚊帐以及野外服装保护人体不受蚊虫危害之苦。 1 1 3 5 用m c 伊c d 做交联剂合成新的聚合物 用m c b 伊c d 与可溶性或不溶性聚合物，生物聚合物进行反应，可以制备改 性的聚合物。这种改性聚合物可以使难溶的物质溶解在水中。该物质在层析中可 6 天津大学硕士学位论文 m c t - p - c d 与几种香精的包结作用研究 用作选择分离介质。用m c f 伊c d 改性的聚合物有以下特性：改进物质表面的粘 接性；改进聚合物低聚物在相应基质中的可溶性；使聚合物亲水化或疏水化； 改进聚合物的可湿性，以及增加同周围介质的相溶性；增加乳状液的凝聚稳定性； 改进聚合物的流变性；改进聚合物的成膜性。 例如在苯乙烯丙烯酸丁酯同水溶性辅助单体共聚时，会形成水溶性低聚物。 这些低聚物与m c t - 伊c d 改性的聚合物可以再键合起来，从而使原来的低聚物的 粘度、分散液的固体含量以及最低成膜温度得到提高。 m c t - 伊c d 改性的聚合物明显对水不敏感。这种改性聚合物中的环糊精可以 把农药、杀虫剂、杀菌剂、除锈剂、信息素、芳香剂、香料、调味剂、药物、抗 静电及火焰抑制修饰剂、紫外光稳定剂、染料等活性化合物包络起来，缓慢释放。 也可以使这些活性物质对光、温、氧的破坏作用降低而稳定。这些活性物质包结 在含有改性的聚合物中十分容易。它不须要借助任何其他物质，也就省去了消除 那些辅助物质的麻烦。这种改性聚合物还可以吸收除去它周围环境的不良异味。 1 2 包结物的制备及其研究方法 1 2 1 包结机理 c d s 的空腔无论是在固相还是在水溶液中实质上并非空着的，而是结合有水 分子，对l 克a c d 而言，其空腔体积相当于0 1 m l ，要想保持这样的空问，要 求2 7 0 k j m o l j 的能量。空腔体积更大的伊、y - c d 对能量的要求更高，因此完全 空着是不可能的。当c d s 包结客体时，从本质上来说是小分子客体取代空腔内 的水分子的过程，也就是说，客体分子和一个没有完全溶剂化的疏水空腔的相互 作用，这是一个在能量上适宜，熵和焓都起作用的过程。早期关于结合机理和步 骤的概念至今仍被沿用【1 0 1 ： 1 要求客体分子的几何形状、尺寸、极性以及c d s 空腔的尺寸和性质相匹配。 2 c d s 空腔结合水分子具有的张力，在客体进入时释放。 3 客体分子或其结合位脱去水壳，水结构沿客体分子的暴露部分重新形成并与 c d s 的水壳一体化。 4 客体分子进入空腔，借范德华力、氢键、偶极相互作用稳定。但其自身仍保 留移动和旋转自由度，其速度与分子大小有关。进入客体的分子，其体积与 几何形状在空腔内填充的紧密程度将影响c d s 环的旋转。 5 被客体取代释放出的水分子由“气态 凝结为液态，引起熵、焓的变化，释 放的水分子部分补偿了由于c d s 与客体分子结合而引起的熵失。 第一章文献综述 1 2 2 影响包结的因素 由于c d s “内疏水，外亲水”的特殊结构，可以与大量的客体分子发生包结， 但包结过程中包结物的稳定性受以下几个因素影响u 8 , 1 9 ： 1 水：在包结物的形成中，水有着非常重要的作用。除了作为c d s 空腔和客体 分子反应的驱动力外，水还起着溶解c d s 和客体的作用。在某些例子中，水 是用来维持化合物的完整性所必须的。水还可以促使c d s 分子中相近的葡萄 糖单元的羟基间形成桥键以帮助俘获客体分子。 2 主客体分子尺寸的匹配性：c d s 可以与其空腔内径相匹配的化合物形成包结 物，不完全是化学因素而是分子大小决定着渗入c d s 腔内的客体分子的种 类。比如，口、b - 、y - c d 具有大小不同的内径，可以包结大小不同的分子。 通常认为控制包结反应的最重要因素是空间匹配性。 3 客体分子的几何形状：客体分子的立体效应对包结作用也有很大的影响，取 代及空间位置不同的构型异构体，包结行为有很大的差别。 4 极性和电荷：c d s 包结物形成的程度也依赖于客体分子的极性，一般来说， 强亲水性、强水合性使得离子化客体化合物与c d s 形成包结物的能力很弱， 只有极性比水小的客体分子才能与c d s 分子包结。 5 介质：原则上，包结物的形成不需要溶剂，但是对于不易升华的物质，由于 包结过程十分缓慢，就需要水或其它的溶剂。溶剂的选择是有限制的，除了 有些小分子的，强亲水的溶剂，如甲醇、乙醇外，大多数的溶剂不能用，因 为它们也能与c d s 形成稳定的包结物。 6 氢键与释放高能水：一些客体分子与c d s 羟基形成氢键，增加了包结物的稳 定性。因为c d s 空腔的疏水性，使得主客体间非极性一极性结合在热力学上 有较大的稳定性，这种相互作用，使得客体疏水性部分进入c d s 空腔，取代 c d s 空腔的高能水，以降低c d s 空腔与水分子的非极性一极性相互作用的能 量。 1 2 3 溶液中包结物的形成及其稳定常数的测定 c d s 是主一客体化学的重要研究对象，它是研究的最早并且也是最重要的具 有包结作用和应用价值的大环化合物之一。它由于其自身的特殊结构，具有疏水 的内腔和亲水的外壁，可以与范围极其广泛的各类分子通过分子间的相互作用形 成主客体包结物。在水溶液中包结物的形成是一个平衡的过程，它符合质量作 用定律。当形成1 ：1 的包结物时，可以用式( 1 2 ) 表征这一过程： g + 日卜竺一g h ( 1 2 ) 8 天津大学硕士学位论文 m c r - 声- c d 与几种香精的包结作用研究 在以c d s 作主体的l ：1 包结反应中，由于c d s 是非电解质，在低浓度下活 度系数接近一个单位，因此，稳定常数缸由式1 3 定义： k ，= 雨i t - h i g 】o = 【g 】+ g 一日】= g 】+ k ， m i g 】 瞳】o = 阻】+ 【g h 】= 阻】+ k ， h i g 】 ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) 式中，h 、g 、g h 分别代表主体，客体分子及它们所形成的包结物，勋是 包结稳定常数。 g 】o ， h o 分别为客体，主体分子的总浓度， h 】与 g 】则分别表 示平衡时主体和客体的浓度，一般以摩尔浓度表示。在特殊的情况下，可能形成 1 ：2 或2 ：l 的包结物，这时应当用相应的数学表达式。c d s 包结物的稳定性可用 其形成的稳定常数胎来表示，测缸的方法很多，如溶解度法、n m r 法、吸光 光度法、电导法、荧光光度法和电流法等，但各种方法都有其适用范围，对于难 溶性体系较通用和精确的方法是相溶解度法。 。 相溶解度法测定缸：因难溶性客体包结后溶解度增大，通过测定客体在不 同浓度的c d s 溶液中的溶解度，绘制溶解度曲线，可从曲线判断包结物是否形 成，并得到包结物的溶解度，计算其稳定常数的方法称为相溶解度法。通过相溶 解度法能得到难溶物的溶解度、包结稳定常数缸以及主客体包结物包结比。 在溶液中主体物质、客体物质以及主客体包结物存在着以下平衡： g h 溶解的 跏 g h ( 固体) 客 体 浓 度 主体浓度 图l - 3 溶液中物质的基本平衡关系式和典型的相溶解度图 f i g 1 - 3t h eb a s i cb a l a n c ee q u a t i o ni nt h es o l u t i o na n dt h e 锣p i c a lp h a s es o l u b i l i 锣d i a g r a m 图中岛为无c d s 时客体的溶解度，& 为被溶解客体的浓度( 包括游离与被结 合的客体) ；& 为溶解性差的包结物的溶解度极限。从图中可以看出，相溶解度 图分为a 型和b 型：a 型表明形成了可溶性的包结物，而b 型表明形成了溶解 性差的包结物。对于b s 类型，客体的溶解度先随主体浓度的增大先增大，随后 孝g 的 茹跏g 第一章文献综述 在某一主体浓度范围内出现平台，然后逐渐沉淀出包结物的结晶。当所有客体全 部转化成包结物时，包结物的溶解度随主体浓度的增加逐渐减小，最后接近包结 物的固有溶解度极限& 。而b i 则表示生成的包结物在实验溶剂中不溶，客体分 子的溶解度不变，直到全部形成包结物后，溶解度开始下降。a 型的被分成a l 、 a p 和a n 型。如果在一定浓度范围内，而且未达到包结物溶解度极限情况下研究 包结平衡，则按a 型等温线处理。a l 表示化学量不变，溶解度呈线性增加，表 明形成l ：1 的包结物。正偏离的a p 等温线表明包结物的化学量随c d s 浓度的增 加而改变，即在初始物质的量1 ：1 基础上继续生成2 ：3 包结物等，而a n 型的体 系则很复杂。 利用溶解度等温线的最初直线段，可以计算包结物组成为1 ：1 的稳定常数。 直线斜率表示溶解度的增加和形成包结物的稳定性，它正比于稳定常数必。体 系中主体和客体总浓度 h o ， g o 的组成符合基本关系式( 1 - 4 ) 和( 1 - 5 ) 。 跏a 线段上任意点t ，溶液中包结物浓度 g h 可以用品& 代表，在这一点 阻】= h 】。- - g - 1 4 ，由于溶液中有固体，所以 g 】_ 岛，这时根据基本式( 1 - 3 ) 可以得 到式( 1 - 6 ) ： k s = 硒岛= 蒜褊 m 6 ， ( s ，一s 。 n l 为s o - a 线段的斜率，用s l o p e 表示，则 k ，= 丽闻s l o p e ( 1 - 7 ) 1 2 4 固体包结物的制备及其表征 1 2 4 1 固体包结物的制备 根据c d s 及客体类型的差别，二者之间相互作用的不同，制备方法也不一 样。因此，包结物的制备必须选择合适的条件和方法，没有一个通用的方法适用 于所有的包结客体。目前固体包结物的制备方法很多，主要是在溶液和固相两种 状态下制备【2 0 】。 1 在溶液中制备固体包结物 1 ) 共沉淀法制备包结物 共沉淀法即搅拌或振荡c d s 的溶液与客体分子或其溶液的混合物。c d s 的 溶液可以是凉的、热的、中性的、碱性的、酸性的，根据客体分子的性质而定。 将计算好配比的主客体加到一起，剧烈搅拌，以达到对主客体均成饱和溶液，在 室温下继续搅拌数小时，处理后放入冰箱( 4 ) 存放一夜。多数情况下生成包结 1 0 天津大学硕士学位论文m c t - 即d 与几种香精的包结作用研究 物后c d s 的溶解度急剧下降，简单过滤即可将生成的包结物从溶液中收回。 2 ) 逐步滴加法制备包结物 此法与共沉淀法类似，不同处在于将计算好配比的客体分子单独溶解在合适 的溶剂中，然后在搅拌的情况下逐步滴加到不断搅拌的均匀的c d s 溶液中，由 于在滴加客体物质的过程中，可能会引起客体物质的细小沉淀，需要更长时问和 更剧烈的搅拌，至少搅拌1 6 2 4 h 。为了能通过过滤或离心收集到包结物，必须 选择合适的条件，例如温度，水量等。这个方法基本上是一个实验室的制备方法， 它的优点在于能从客体分子消失的现象上容易地看出包结物的生成。然而，这个 方法所用的水量大，从而导致废水处理量也相当大，在环保上是不适宜的，因而 不常用于工业生产。然而，这个方法可以用来证明一个特定的客体的包结是否可 行，用以获得少量的包结物来检测包结功能，表征包结物的特性。 3 ) 在悬浮液中制备包结物 客体如果没有合适的溶剂，可以配成5 0 c d s 的细悬溶液，将客体直接加到 此悬浮液中，通常，对挥发油，反应混合物搅拌4 8 h ：对亲脂性的分子量大的 物质，则要搅拌几天( 2 4 7 2 h ) 。客体对浆液的黏度有影响，浓度也适宜把c d s 和客体掺合在一起。随着溶解在溶液中的c d s 形成包结物并沉淀下来，更多的 c d s 溶解到水中以形成包结物。 4 1 冷冻干燥法 制得的包结物溶于水，不易结晶沉淀，而且在干燥时容易分解或变色者，可 用冷冻干燥法，所得成品较为疏松，溶解好。冷冻干燥法使包结物外形疏松，溶 解性能好，可制成粉针剂。 5 ) 喷雾干燥法 如制得的包结物易溶于水，遇热性质稳定，可用喷雾干燥法制备，干燥温度 高，受热时间短，产率较高。 6 ) 超声波法 c d s 饱和水溶液加入客体分子，混合后立即用超声波清洗机，选择合适强度， 超声震荡处理适当时间，代替搅拌力，将析出的沉淀按照共沉淀法得到的包结物 处理。此法简便、快捷。 2 固相法制备包结物 1 ) 揉捏法制备包结物 c d s 先与少量水揉捏，然后将计算好配比的客体分子化合物直接加入，不需 要任何溶剂。因为从能量上来讲，原始的c d s h 2 0 包结物，不如c d s 客体包结 物有利，c d s 的空腔水分子被客体取代。充分揉捏至成糊状物，低温干燥后，再 用有机溶剂洗净后，干燥而得。 第一章文献综述 2 ) 在封闭容器内加热法制备包结物 在微量水存在下，将c d s 与客体置于封闭容器内加热的方法成功的应用于 制备c d s 与某些芳香酸如苯甲酸和水杨酸的包结物。此法重要的条件是要有一 定量的水存在以及温度升高时固态客体的蒸气压达到平衡，这种方法才能应用。 3 ) 微波法制备包结物 自从g e d y e 2 l 】报道可以将微波技术引入到化学反应以来，微波辐射促进有机化学 反应的研究己经成为有机化学领域中的一个热点，人们发现在微波辐射作用下的 有机反应速率比传统的加热方法快数倍甚至上千倍，且具有操作简便、收率高、 后处理简单等特点，因而微波在有机合成中得到广泛应用并迅速发展。马学毅等 首次将微波法用于一系列c d s 包结物的制备，取得了理想的结果。反应时，将 c d s 、客体分子与极少量的溶剂放入反应瓶中，置于微波炉内，在合适的温度下 反应几分钟就可以了【2 2 】。用这种方法制备的c d s 包结物，反应物瞬间就可以获 得很高的能量，反应时间比常规方法大大的缩短，另外，该操作也非常简单，是 一种方便且经济的做法。 4 ) 固体混合法 客体分子升华后，与c d s 粉末混合，但是客体升华温度不能超出c d s 的降 解温度。此法适用于易升华的物质。 1 2 4 2 包结物的表征 用于检测包结物的手段有很多，对于溶液中主体与客体分子的相互作用，可 以用吸收光谱、荧光法【2 3 】、核磁共振谱【2 4 1 、微量量热、圆二色谱2 5 1 等。最主要 的方法是核磁共振法和荧光法；对于固体包结物更多地是使用红外( i r ) 【2 6 1 、差示 扫描量热( d s c ) 【2 7 1 、x 射线衍射( x 】良d ) 【2 8 】等方法。下面简单的介绍几种常用的定 性分析方式。 1 红外光谱法( i r ) 对于包结物的形成，可以用红外光谱来研究。c d s 本身的特征峰覆盖了整个 4 0 0 - 3 8 0 0 c m o 区域。对于一般的有机小分子，在包结物中所占的份量少，它们的 特征峰容易被c d s 的吸收峰掩盖，难以辨认。如果客体分子含有羧基，羰基等 基团在1 7 0 0 c m 1 附近有伸缩振动吸收，从峰形，峰位和峰的强度变化还是能提 供关于客体分子是否进入空腔以及相互作用力性质的证据。用红外光谱研究的包 结物，客体大多数都具有羧基官能团。 2 差示扫描量热法( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o t i m e t r y , d s c ) d s c 也是研究包结现象常用的一种方法，测定的是程序升温时样品的放热 和吸热速率，可以判断样品在升温过程中的熔融和分解等物理化学变化。通常情 1 2 天津大学硕士学位论文 u c r - 声- c d 与几种香精的包结作用研究 况下，当客体分子被c d s 包结后，其曲线上的吸热或放热峰会发生变化，通过 比较纯香精分子、m c c d 以及它们混合物吸热峰的变化，可以检测包结物是 否形成。比较香精、m c t - j 伊c d 、香料m c 够c d 包结物及其二者的物理混合物 的d s c 图，即可表明包结物是不同于香精的新物质。 3 x 射线粉末衍射( x r d ) x 射线粉末衍射技术是判断是否生成固体包结物的有用的方法，方法简便， 样品可以回收，对结果的分析比较直观。遗憾的是在分析包结物结构方面尚无标 准数据可依，目前只能从对比中得到一些有关信息。当客体分子为固体，将合成 的包结物的衍射图和主客体机械混合物的衍射图相比较，如果图有差别，说明可 能形成了包结物。原则上，x 射线粉末衍射也可以用来推测包结物的结构，但目 前还很难将此技术用于象c d s 包结物这样复杂的结构。单晶x 射线结构是检测 包结物形成的最好的方法，由此可以知道主客体分子的精确几何关系及相互作 用，但是此技术太复杂，必须分离出大小合适的单晶，这是非常困难的，尤其对 于不能完全包结进入c d s 的大的客体分子。 4 分子模拟( m m ) 近年来，随着计算机技术的发展，计算机在化学领域的应用也越来越广泛。 为了预