（化学工艺专业论文）三种β环糊精包结物的表征和晶体结构解析.pdf

中文摘要 肛环糊精特有的疏水空腔结构使其能够选择性地包结各种客体分子形成稳 定的包结物，从而达到改善客体分子的水溶性、稳定性和挥发性的目的。近年来， 环糊精被广泛的应用于医药、分析、食品、环境等多个领域。主体与客体分子形 成的包结物晶体的结构研究，是认识分子包结和分子组装现象的理论基础，有关 这方面的研究一直倍受普遍关注。 肛环糊精包结物单晶的形成是一个非常复杂、困难的过程，因为它涉及到很 多的影响因素，到目前为止，剑桥晶体数据库仅收录了2 0 3 种环糊精包结物的晶 体。本文采用卢环糊精作为主体分子，选取山梨酸、丙二酸和对硝基苯酚作为客 体。将主客体物质按照不同的比例溶解到水溶液，或者乙醇一水的混合溶液中， 在6 0 8 0 下搅拌混合一定时间，立即用微孔滤膜过滤反应产物，取过滤后的清 液于室温下缓慢挥发，静置几天，即可得到所需要包结物的晶体。取出一部分晶 体，置于真空干燥箱内干燥至恒重，然后对其进行红外光谱( 刀时和氢核磁( 1 hn m r ) 表征；将带有少量母液的晶体做x 射线单晶衍射( x r d ) 。 结果表明：( 1 ) 山梨酸与肛环糊精形成了“头对头”的二聚体，包结比为2 ：2 。 由于客体分子碳链较长，因此不能被环糊精空腔“全包结，而是按以下方式包 结在空腔里：羧基位于一个环糊精的小口端，而甲基则伸向了二聚体内另外一个 环糊精的大口端。包结物以“层状”结构进行堆积。( 2 ) 丙二酸与卢环糊精形成 了主客体比为2 ：1 的包结物，由于丙二酸空间位阻小，分子被完全地包进环糊精 的空腔中，包结物以“笼状”类型进行堆积。( 3 ) 对硝基苯酚与卢环糊精形成了 2 ：2 “头对头的二聚体，硝基位于环糊精空腔的大口端，羟基则伸向了二聚体 内另外一个环糊精空腔的大口端，苯环则暴露在二聚体仲羟基形成的疏水空腔 里。包结物的空间堆积方式是“管道型。此外，主体、客体和水分子三者之间 的氢键以及水分予的存在对包结物的形成及晶体的空间堆积结构方面起到重要 的作用。 关键词：卢环糊精山梨酸丙二酸对硝基苯酚包结物晶体结构氢键 a b s t r a c t d u et ot h eu n i q u es t r u c t u r e so fh y d r o p h o b i cc a v i t y , f l - c y c l o d e x t r i nc a n s e l e c t i v e l yb i n dal o to fg u e s tm o l e c u l e st of o r mh o s t - g u e s ti n c l u s i o nc o m p l e x e s w h i c hc a ni m p r o v es o l u b i l i t y , s t a b i l i t ya n dv o l a t i l i t yo fg u e s tm o l e c u l e s t h u s ， f l - c y c l o d e x t r i nh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c h a sf o o d ，p h a r m a c e u t i c s ， c o s m e t i c ，a n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，e t c t h er e s e a r c ho nc r y s t a ls t r u c t u r eo ft h e h o s t - g u e s ti n c l u s i o nc o m p l e xi s t h et h e o r e t i c a lb a s i so fm o l e c u l a ri n c l u s i o n p h e n o m e n aa n ds u p r a m o l e c u l a ra s s e m b l i n g n o w d a y sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni s p a i do nt h i sa r e a i ti sa c o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l tp r o c e s si nc r y s t a lg r o w i n g o fi n l u s i o nc o m p l e xo f f l - c y c l o d e x t r i nb e c a u s et h e r ei ss om a n yi n f l u e n c ef a c t o r st h a tm u s tb ec o n s i d e r e d s o f a r , o n l y2 0 3c r y s t a ld a t ao fi n l u s i o nc o m p l e xa r ec o l l e c t e di nc a m b r i d g ec r y s t a l d a t a b a s ec e n t e r i nt h i sp a p e r , f l - c y c l o d e x t r i n 舔t h eh o s tm o l e c u l er e a c t e dw i t h s e v e r a lg u e s tm o l e c u l e s ，i n c l u i n dt h es o r b i ca c i d ，m a l o n i ca c i da n dp - n i t r o p h e n 0 1 t h eh o s ta n dg u e s tm o l e c u l e sw i t hd i f f e r e n tm o l a rr a t i o sw e r ef u l l yd i s s o l v e di nw a t e r o re t h a n o l w a t e rs o l v e n t ，a n ds t i r r e di nt h er a n g eo f6 0 - 8 0 。cf o rs o m et i m e a f t e r f i l t r a t i o na tt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，t h es o l u t i o nw a sc o o l e dt or o o mt e m p e r a t u r ea n d a l l o w e dt oe v a p o r a t es p o n t a n e o u s l y s e v e r a ld a y sl a t e r , t h ec r y s t a l so fi n c l u s i o n c o m p l e xw e r eg a i n e d af e wo fc r y s t a l sw e r ep i c k e do u ta n dd r i e d t i l lc o n s t a n tw e i g h t , t h e nc h a r a c t e r i z e db yi ra n d1 hn m r f i n a l l y , t h ec r y s t a l sw e r ei n v e s t i g a t e db yx r d i nt h ep r e s e n c eo fas m a l la m o u n to fm o t h e rl i q u o r r e s u l t sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ：( 1 ) t h ei n c l u s i o nc o m p l e xo f f l - c dw i t hs o r b i c a c i dw a sf o r m e dt ob eh e a d - t o h e a dd i m e rw i t ht h em o l a rr a t i oo f2 ：2 o w i n gt ot h e l o n gc h a i n ，t h eg u e s tm o l e c u l ec o u l dn o tb ef u l l yi n c l u d e di no n ec a v i 够o ff l - c d ，b u t b ee m b o d i e di nt h ef o l l o w i n gw a y ：t h ec a r b o x y lg r o u pp r o t r u d e df r o ms m a l le n do f o n e 卢c d ，w h i l em e t h y lg r o u pw a sl o c a t e da t t h eb i ge n do ft h eo t h e ra c d m e a n w h i l e ，t h ed i m e r sw e r ep a c k e di nt h el a y e rm o d e ( 2 ) t h ei n c l u s i o nc o m p l e xo f p - c dw i t hm a l o n l ca c i dw a s m a d ew i t ht h em o l a rr a t i oo fl ：l ，a n dt h eg u e s tm o l e c u l e w a sf u l l yi n c l u d e di nt h ec a v i t yo w i n gt oi t ss m a l ls t e r i ci n h i b i t i o n t h ec o m p l e xw a s p a c k e di nt h ec a g em o d e ( 3 ) t h ei n c l u s i o nc o m p l e xo f , b - c dw i t hp - n i t r o p h e n o lw a s f o r m e dt ob eh e a d - t o h e a dd i m e rw i t ht h em o l a rr a t i oo f2 ：2 i nt h ed i m e r , t h en i t r o g r o u po ft h eg u e s tw a sp o i n t e dt ot h eb i ge n do fo n ef l - c d ，a n dh y d r o x y lg r o u pw a s p o i n t e dt ot h eb i ge n do f t h eo t h e rf l - c d ，w h i l et h eg r e a tm a s so fb e n z e n er i n g sw a s l o c a t e da tt h ed i m e ri n t e r f a c e t h ei n c l u s i o nc o m p l e xw a sp a c k e di nt h ec h a n n e lm o d e i na d d i t i o n ，t h ee x i s t e n c eo fc o c r y s t a l l i z e dw a t e rm o l e c u l e sa n dt h eh y d r o g e nb o n d s a m o n gt h eh o s t , g u e s ta n dw a t e rm o l e c u l e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef o r m a t i o no f t h ec o m p l e xa n dt h ec r y s t a lp a c k i n g k e y w o r d s ：卢c y c l o d e x t r i n ，s o r b i ca c i d ，m a l o n i ca c i d ，p - n i t r o p h e n o l ，i n l u s i o n c o m p l e x ，c r y s t a ls t r c t u r e ，h y d r o g e nb o n d s 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，也不包含为获得丕鲞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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：5q 厉到 签字r 期：抄。7 年歹月；f 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤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 阳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) 学位论文作者始叫房利 签孑：f 1 期：2 。7 年石月；f f 1 导师签名：双表曼民 签字同期：加诉年f 月岁同 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 环糊精介绍 第一章文献综述 1 1 1 环糊精的发现和发展 自从v i l l e r s 于1 8 9 1 年首次报道环糊精以来，环糊精( c d s ) 的研究已经走过 1 0 0 多个年头，在这1 0 0 多年的时间里可以划分为三个历史时期，即：( 1 ) 环糊精 发现期( 1 8 9 1 - - - 2 0 世纪3 0 年代) ；( 2 ) 系统研究环糊精及其包结配合物期( 2 0 世纪 3 0 年代 - 6 0 年代末) ；( 3 ) 环糊精进行工业生产和在科学和技术诸多领域的广泛应 用期( 2 0 世纪6 0 年代末至今) 。 18 91 年，v i l l e r s 从芽孢杆菌属( b a c i l l u s ) 淀粉杆菌( b a c i l l u sa m y l o b a c t e r ) 的 l k g 淀粉消化液中分理处3 9 可以从水中重结晶的物质确定其结构组成为 ( c 6 h l 0 0 3 ) 3 i - i ：o 。由于没有还原性和能被酸分解，叫它“木粉 ( c e l l u l o s i n e ) ，当 时还不能确定它的结构和许多特殊性质。1 9 0 4 年，s c h a r d i n g e r 用分离的菌株消 化淀粉得到两种晶体化合物，确认它们与1 l e 娼分离出的“木粉 是同一种物 质【1 1 。为了区别，把与碘一碘化钾反应生成蓝灰色晶体的叫做饼环糊精 ( 仿c y c l o d e x t r i n ，a - c d ) ，生成红棕色晶体的是卢环糊精( f l - c y c l o d e x t r i n ，f l - c d ) 。这 种碘液反应生成晶体的晶形和颜色判断环糊精的方法沿用至今。为了纪念 s c h a r d i n g e r 对建立环糊精化学基础的贡献，环糊精也曾叫“s c h a r d i n g e r ( 沙丁 格) 糊精。 环糊精化学的第二个发展阶段大概从2 0 世纪3 0 年代中期到6 0 年代末。1 9 4 2 年，用x 射线衍射仪测定了弘环糊精和肛环糊精的结构t 2 。1 9 4 8 - - 1 9 5 0 年， f r e u d e n b e r g 和c r a m e r 发现环糊精并通过x 射线衍射确定其结构【3 j 。然而，f r e n c h 等【4 】在检测环糊精的毒性时候，可能在样品中引入高毒性的有机物，致使实验所 用的小白鼠全部死亡，因此得出环糊精有毒的错误结论，这在很长的时间里妨碍 了环糊精产品的应用。1 9 6 1 年，参，乒，乒和瑁环糊精在自然晃存在的依据被发 现【5 】。 2 0 世纪6 0 年代末以来，环糊精的研究进入了一个新的历史时期。严谨的生 物测试实验表明环糊精是无毒的，其结构也得到了准确鉴定。1 9 7 1 年，s z e j t l i 说服c h i n i o n 药物化学工厂一起组建生物化学研究实验室( b i 也) ，开展环糊 精在药物、食品、化妆品、分子化学等领域的研究工作，并开始作为c h i n i o n 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 的附属机构，1 9 9 1 年成立c y c l o l a b 股份有限公司，与c h 烈i o n s a n o f i 共 同拥有股份。s z e j t l i 任总经理兼研究导师，推出大量在食品、医药等领域的应用 技术，被国际同行誉为“环糊精之父”【6 】。这一阶段值得注意的事情是，在早期 环糊精发展默默无闻的日本成为活跃的研究基地。1 9 7 1 年左右，h o f i k o s h i 发现 了碱性微生物，在碱性发酵条件下分离出环糊精转葡萄糖基酶，这个发明于8 0 年代由日本化工公司投入生产，卢环糊精的市场价格从而大幅度下降。k o b a y a s h i 提出用软化芽孢杆菌生产t - 环糊精的最佳工艺，在他的研究基础上，盐水港精糖 公司建立了由超滤膜反应器组成的连续生产工艺，由于采用稀淀粉溶液为底物， 提高了产品的收率，这为长期以来弘环糊精价格高居不下的难题提出了解决的希 望【刀。 1 1 2 环糊精的结构和性质 环糊精是以d ( + ) 。吡喃葡萄糖为单元，由傍( 1 ，4 ) 糖苷键相连的环状分子， 通常含有6 , - - ，1 2 个葡萄糖单元，常见的有0 5 - 、p - 和，- 环糊精三种，分别有6 个， 7 个和8 个葡萄糖单元组成【8 】。如图1 一l 所示，环糊精外形像一个锥柱状空桶， 一端口径宽，一端口径窄，中间为一空腔，这是环糊精形成包结物的基础。所有 仲羟基都排在锥柱的大口端，伯羟基都排在小口端，从而使其外表具有一定的亲 水性。环糊精内壁由葡萄糖单元c 3 、c 5 上的氢原子、c 6 亚甲基上的氢原子以 及糖苷键氧原子构成，因此内部是疏水的【9 1 。正是由于环糊精这种“内疏水，外 亲水特殊的分子结构，使得环糊精作为主体包结不同客体化合物，形成特殊结 构的包结物( i n c l u s i o nc o m p l e x ) ，由此形成主客体分子化学，即当前热门课题一 超分子化学的一部分。 ，、1 u 十 j n ( a )嘞 图1 一l ( a ) 环糊精的结构示意图；( b ) 环糊精的葡萄糖单元 f 培1 - 1 ( a ) c h e m i c a ls t r u c t t m ea n da t o m i cn u m b e r i n go f c d ；( b ) g l u c o s eu n i mo f e y e l o d e x t r i n 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 环糊精葡萄糖单元上的羟基易与相邻葡萄糖单元c q 上的羟基形成分子 内氢键，其中f l - c d 分子可生成闭合的环形氢键带，使分子具有较强的刚性，溶 解度最低。强c d 的一个葡萄糖单元处于扭曲状态，6 个葡萄糖单元之间生成了4 个氢键，因此，贷c d 的羟基可以与水形成更多的氢键，水溶性较高。具有更大 环的y - c d 具有更高的柔性，是三者中水溶性最大的。这三种常见环糊精的结构特 征和重要物理参数见表l l 。 表1 - 1 僻、p - 和产环糊精的一些基本性质 t a b l ei - is o m eb a s i cp r o p e n i e so ft ；f - 、卢a n dy - c y c l o d e x t r i n s 环糊精具有良好的结晶性，其中f l - c d 最易制备成晶体，2 0 6 0 的浓溶 液放置在室温或者冰箱中，特别是用玻璃棒搅拌迅速生成大量白色粉末晶体，而 2 5 以下的稀溶液室温放置可生成2 栅2m m 2m m 甚至更大些的透明 立方晶体【l o l 。 3 - 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 环糊精在水中及其他有机溶液中的溶解度是一个经常遇到而且十分重要的 性质。实验表明环糊精在水中的溶解度是温度的函数，如表1 - 2 所示： 表i - 2 不同温度下环糊精的溶解度 1 1 1 t a b l ei - 2s o l u b i l i t yo fc y c l o d e x t r i n si nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s g - ，卢，y - c d 在水中的溶解度不同，特别是卢c d 反常的低。一种解释是f l - c d 的结构是刚性的，仲羟基形成完全的环形氢键；另一种解释是从热力学观点解释： g - c d 和y - c d 热力学性质相似，f l - c d 溶解过程的焓变臼上n 和熵变( 彳趵则反常。 弘，p - ，y - c d 的彳分别是：3 2 1k j m o l 1 ，3 4 8 k j m o l l ，3 2 4k j t o o l ，彳s o 分 别是5 7 8j k - 1 t o o l l ，4 9 0j k - i t o o l l ，6 1 5j k - 1 m o l 1 。f l - c d 与水互相作用产生水 结构，使体系质点变少，这种不适宜的熵变补偿了适宜的焓变，从而 j e , b - c d 溶 解度明显的低1 1 2 ，1 3 j 。 1 2 环糊精包结物 环糊精的结构呈现出的一个重要性质，就是在溶液中选择性地结合有机小分 子或离子形成具有不同程度稳定性的包结物。所谓包结物是主体与客体通过分子 间的相互作用完成彼此间的识别过程，最终使得客体分子部分的或全部的嵌入主 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 体内部的现象。在研究这些包结物的生成规律和环糊精与这些被结合物间的相互 作用时，分别称它们为主体( h o s t ，h ) 和客体( g u e s t ，g ) 并归于c r a m 的主客体 化学研究范畴。第一个认识包结现象的是m y l i u s ，1 8 8 6 年，在研究了氢醌与若 干挥发性物质之间的相互作用后，他断言挥发性物质嵌入到氢醌晶格的间隙中， 这一推测为许多年后的x 一射线衍射实验所证实。首次将这一类型化合物称之为 包结物( i n c l u s i o nc o m p o u n d ) 的是s c h l e n k 。此外，也有人将它们称作“包合物 ( a d d u c t s ) 和“笼状物”( c l a t h r a t e s ) 等【l 纠引。第一例环糊精包结物的晶体结构是1 9 6 5 年由h y b l 等人测定的a - c d 与乙酸钾的包络物【1 6 1 。f l - c d ( 仅含水分子) 的单晶结 构于1 9 7 8 年才由l i n d n e r 和s a e n g e r 解出【0 7 1 。目前为止，剑桥晶体学数据库也仅 提供了2 0 3 个伊c d 及其包结物的晶体学数据，这与繁多的环糊精包结物的数量 很不相称【1 8 】。其中日本研究者h a r a i a 等人在解析环糊精及其衍生物的晶体结构 方面做过很多工作【1 9 - 2 l 】。 1 2 1 影响包合作用的因素 在溶液或固体中都可以形成环糊精的包结物。环糊精可包结的客体范围很广， 可以是有机分子、无机离子、配合物甚至惰性气体【2 2 1 。分子大小适于其穴洞尺寸 的客体分子，只要极性小于水，则有可能代替水分子而进入空腔，形成包结物。 简而言之，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，主要有以下三个方面【2 3 。2 5 】： 1 2 1 1 主客体之间有疏水亲脂相互作用 因环糊精空腔是疏水性的，客体分子与环糊精空腔间的疏水相互作用是形成 包合物的主要驱动力。客体分子的非极性越高，越易被包合。当疏水亲脂的客体 分子进入环糊精空腔后，它的疏水基团与环糊精空腔有最大接触，而亲水基则远 离空腔。 1 2 1 2 主客体的空间匹配效应 环糊精空腔孔径大小不同，它们可以选择容纳体积大小与其空腔匹配的客体 分子，这样形成的包结物比较稳定。客体分子尺寸太大，不易进入空腔中；分子 尺寸太小，不能与环糊精产生强的疏水相互作用和范德华力作用，从而也不易给 出稳定配合物。一般来说，强c d 的空腔尺度适于包结单环芳烃( 苯、苯酚) ，卢c d 的空腔尺度与萘环的尺度相匹配，y - c d 与葸、菲等三环芳烃结合最稳定【8 ，2 6 1 。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 1 3 氢键与释放高能水 一些客体分子与c d 的羟基可形成氢键，增加了包结物的稳定性。即客体 的疏水部分进入c d 空腔取代c d 高能水有利于环糊精包结物的形成。因为极 性的水分子在非极性空腔欠稳定，易被极性较低的分子取代。 上述三个因素不但影响着环糊精包结物能否形成，而且还直接影响着包结 物的稳定性。即包结物的稳定性也取决于客体分子基团的性质、空腔尺寸、分子 大小及空间构型等。a g n e s 等【2 7 】讨论了客体性质对包结物形成的影响。认为包结 物的稳定性依赖于客体分子的空间匹配性，即客体的尺寸和形状。 另外，包合物的形成还受反应介质【2 8 1 、反应温度【2 9 - 矧、搅拌( 或超声展荡) 【3 l 】、 主客体投料比例和反应时间【3 2 】等外在因素的影响。一般控制反应温度在6 0 8 0 之间，延长反应时间，提高主客体投料比有利于包合物的形成。 1 2 2 制备包结物常用方法 当在溶液中制备环糊精包结物时，水的存在是必须的。有时根据需要，含有 有机溶剂的水体系也可以使用。尤其是当客体分子是疏水的或其融点高于1 0 0 的，不能很好地分散在环糊精的水溶液中，用有机溶剂来溶解客体分子。 包合物制备方法较多，在实际应用中根据主客体溶解度的差异、投料比，选 择适宜的制备方法。 ( 1 ) 共沉淀法：实验室中应用比较多的方法。搅拌或振荡环糊精溶液与客体 ( 或溶液) 的混合物来制备包结物，根据客体分子的性质确定环糊精的溶液是凉 的、热的、中性的、碱性的、酸性的。将计算好配比的主客体加到一起，在升高 温度( 6o 80 ) 下强烈搅拌，使主客体均达到饱和，然后将溶液冷却至室温 并搅拌8 - - 16h 后，放人冰箱( 3 5 ) 过一夜，环糊精包结物在冷却过程中会 从均相溶液中结晶析出，结晶产物在空气中自然( 或冷冻) 干燥至恒重。汤道权采 用此法制备了豆蔻挥发油- f l - c d 包结物【3 3 】。 ( 2 ) 超声法：将客体分子加入环糊精的饱和水溶液中用超声波破碎仪或超声 波清洗机选择合适的超声强度和时间，将析出的沉淀按上述方法处理即得。该方 法简便快捷。f f - c d 与生姜精油剀、冰片【3 5 】包结物制备均采用此方法。 ( 3 ) 研磨法：取环糊精加入2 5 倍量水研匀，加入客体分子( 或将客体分子 物质溶入少量适当溶剂中) 至研磨机中充分缓和研磨成糊状，低温干燥后用适量 溶剂洗净，然后干燥，即得包结物。如卢c d 与番茄红素包结物的制备m j 。 ( 4 ) 冷冻干燥法：将药物和环糊精混合于水中，搅拌使溶解或混悬，最后 过冷冻干燥除去溶媒得粉末包合物。如果其它方法制得包合物为水溶性，在干燥 天津大学硕十学位论文第一章文献综述 条件下易于分解和变色，但又要求得到干燥包合物，改用本法制备能得到理想包 合物。本法制得的包合物与一般方法比较，溶解性好，易制成注射剂。杨开等人 用冷冻干燥法制备了蜂蜜和肛环糊精的包合物【3 7 】。 ( 5 ) 喷雾干燥法：若包结物易溶于水，与热性质又比较稳定，可用喷雾干燥 法制备包结物，干燥温度高，受热时间短，产率高，如盐酸异丙嗪和卢环糊精包 结物的制备1 3 3 j 。 ( 6 ) 超临界流体法：以具有优越传质能力及高溶剂化能的超临界c 0 2 为包和 介质，当过药物与环糊精的混合物时，由于它具有降低某些有机混合物的溶解特 性，将使包和材料与客体物质形成超临界溶液，从而使包和过程的进行。该方法 可以克服常见的环糊精包结物制备方法的共同特点，如：操作步骤多、时间长、 产品中有机溶剂残留等。此外，该方法包和温度低，更适合对湿热敏感物质的包 和。k a m i h i r a 等采用超临界c 0 2 提取挥发性芳香物质后，在2 0 ，1 0m p a 的压 力下，将载有芳香物质的c 0 2 通过装有环糊精的包和容器，制备芳香物质的包 合物【3 9 1 。 ( 7 ) 中和法：将药物溶解在一定p h 值的溶液中，在加入环糊精物质，搅拌 溶解至透明溶液，然后加酸碱调节剂，从而使包合物析出。o z k a n 等采用该法制 备了口服降糖药格列奇特与a c d 的包结物【钟】。 1 2 3 包合模式和包合机理 c d 与客体分子可以形成二元、三元及多元包合物，包合物的化学计量比通 常通过等摩尔连续变化澍4 1 m 1 和b e n e s i h i l d e b r a n d 方程【4 3 谢1 求得。近年来大多 数文献所报道的能形成稳定包合物的主客包合比一般为1 ：l ，然而也发现了其他 形式的包合比存在，现举例如下： 1 2 3 1 l ：l ( c d ：客体) 的包合模式 陈亮等【4 5 】通过荧光光谱、1 h 小m 己、1 3 cn m r 等技术对氟哌酸与f f c d 相互 作用进行了研究。证明氟哌酸与f l - c d 形成了包合物，并且氟哌酸的亲水部分羧 基从环糊精空腔的较宽边进入空腔，从窄边钻出空腔，疏水部分被包在f l - c d 空 腔中，如图1 _ 2 所示。这种构型可使氟哌酸在p - c d 空腔中具有比较紧密的配合。 实验中得到的氟哌酸与f l - c d 形成1 ：1 包合物的信息也可以应用来模拟氟哌酸与 蛋白质的相互作用。 天津大学硕士学位论文第章文献综述 图1 _ 2 凸c d 氟哌酸包合物结构示意图圈1 _ 3 卢c d 与f 二烷基硫酸钠的包台模式 f i g l _ 2 t h ec o m p l e x o f j b c d - f l u p e r 3 c i df i 9 1 - 3 t h e c o m p l e x o f # c d - s o d i u md o d e c y ls u l f a l e 1 2 3 2 1 ：2 ( c d ：客体) 的包台模式 朱晓峰等用微量热法研究了卢c d 与十二烷基硫酸钠( s d s ) 的包合作用。 如图l - 3 所示，s d s 分子具有亲水部分和疏水部分，疏水部分容易进入肛c d 的 空腔，而其亲水部分则处于卢c d 端口的亲水环境中，与其端口葡萄糖单元的2 ， 3 一或6 - 羟基存在氢键作用。微量热滴定结果表明：s d s 以两个分子和卢c d 结合， s d s 的亲水端带负电荷，由于同种电荷的相互排斥作用，两个s d s 分子在卢c d 中的位置应尽可能反向，这种包合可使体系的能量最低，包合物的结构最稳定。 1 2 3 , 3 2 ：l ( c d ：客体) 的包台模式 b o j i u o v a ”1 等研究卢c d 与l ，1 2 一十二烷二醇( 在空腔中的每一个分子的占有 率为05 泡台物的单晶结构，发现客体分子的两个亲水的羟基基团从环糊精的主 面伸出去，主体分子则形成头对头的二聚体( 圈i _ 4 ) 二者形成了包和，这种作 用力包括氢键和疏水作用。同样的情况也见于十二烷二酸、十三烷二酸、 十四烷二酸l 蛐】等长链分子。 鬻黼 闰1 - 4 i ? - c d - 1 ，1 2 - 十二烷二醇包台物结构示意图圈1 - 5 卢与对硝基辈甲酸包台模式 f i g l _ 4 t h ec o m p l e x o f , g c d m o d e c a n o d i o lf i 9 1 _ 5 t h e c o m p e x o f # c d - p n i 自o b e n z o i c a c i d 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 3 4 2 ：2 ( c d ：客体) 的包合模式 在z h if a n 5 l 】的研究中，# c d 与对硝基苯甲酸形成了包合物，客体分子没有 完全被环糊精的空腔包结，亲水更强的硝基从主面伸出来，而羧基被包含在空腔 内部。包合机理如下：当f l - c d 与对硝基苯甲酸形成l ：1 包合物后，两个1 ：l 的 包合物分子还可以以头对头的方式进一步重叠包合，形成一种2 ：2 重叠包合物 ( 图l 一5 ) 。同时在我们课题组的研究中，p - c d 和对氨基苯甲酸也是按照2 ：2 进行 包结的【翱。 1 2 3 5 3 ：1 ( c d ：客体) 的包合模式 雍国平等【5 3 】根据d s c 和x r d 分析结果证实了f l - c d 胆固醇包合物的结构 模型。如图l - 6 所示，因胆固醇分子的疏水性环戊氢化菲骨架较大，在形成包合 物时只能从卢c d 的宽e l 端( 仲碳羟基环带) 进入f l - c d 内腔，而c 3 上的羟基则从 # c d 的窄口端伸出，并与伯碳羟基形成氢键。被f l - c d 包合部分骨架的胆固醇分 子仍存在较大的疏水性部分，该部分的环戊氢化菲骨架及烃链也必须从第2 个 f l - c d 分子的宽口端进入内腔( 尺寸匹配性取向) ，因胆固醇分子的长度约为 2 1 0 , 一- 2 1 3 r i m ，两f l - c d 分子不能完全包合胆固醇分子，则剩余的烃链将被第3 个 f l - c d 分子包合。根据x r d 分析结果，f l - c d 分子应采取“头对头 排列方式。 羽堑 作甄攀蠲、 图1 巧芦l c d 与胆固醇包合物的结构模式图1 - 7f l - c d 与邻菲洛林包合物的结构模式 f i g 1 _ 6t h ec o m p l e xo f 卢- c d - c h o l e s t e r o lf i g 1 7t h ec o m p l e xo f 多- c d - l 。1 0 - p h e n a n t h r o l i n e 1 2 3 6 2 ：3 ( c d ：客体：客体) 的包合模式 南开大学刘育教授l 5 4 j 在做伊c d 和邻菲洛林的药物包结实验中，发现一种独 特的包和模式，包结物的主体分子以“头对头的方式形成二聚体，每一个主体 分子的空腔包结一个客体分子，但是有趣的事是还有一个客体分子处于二聚体的 中间，分子的平面平行与环糊精的0 4 平面，恰似一个“三明治的结构( 图1 7 ) 。 邻氨基苯甲酸也出现了这中情况1 5 2 。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 3 7 1 ：2 ：1 ( c d ：客体：客体) 的包合模式 n i s h i o k a 掣5 5 报道t f l - c d 包结了两种客体分子。如图1 8 所示，主体分子 通过次位的羟基形成“头对头 的二聚体，每一个环糊精空腔都包结一个阿司匹 林分子，苯环主要依靠范德华力稳定存在于疏水的空腔中，亲水基团羧基和乙酰 基则从主面伸出腔外，羧基通过水的桥连作用与环糊精形成氢键。水杨酸分子依 靠羟基与 ；- c d 的2 ，3 - o h 形成的氢键稳定存在于二聚体的中间，这样三个客 体分子形成了“三明治的结构。 图l - 8 胭、阿司匹林与水杨酸形成1 2 ：l 型包合物的晶体结构 f i g 1 _ 8t h es l r u c t - a r eo f f f - c d a s p i r i n - s a l i c y l i ca c i d ( 1 ：2 ：1 ) 1 2 3 8 2 ：2 ：1 ( c d ：客体：客体) 的包合模式 k a m i t o r i 5 6 】发现y - c d 、1 2 冠- 4 与k + 可以形成2 ：2 ：1 型包合物( 图l _ 9 ) ，其 晶体结构中两个y - c d 各自包合一个冠醚，k + 被两个冠醚上下夹住，c d 与c d 之间通过二级羟基彼此形成氢键使得整个分子趋于稳定。 图1 _ 9 ) 屺d - 1 2 - 冠- 4 k 形成2 ：2 ：1 型包合物的晶体结构 f i g 1 _ 9t h es l m c t u r eo f y - c d - 1 2 - c r o w n - 4 c ( 2 ：2 ：1 ) 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 3 9 2 ：l ：2 ( c d ：客体：客体) 的包合模式 a n i g b o g u 等【5 7 】采用荧光法研究了改性剂叔丁基化合物对甲醇水溶剂中 肛c d p y r e n e 包合过程的影响。随着不同改性剂的引入，f l - c d p y r e n e 的形成常数 发生变化，由于改性剂的共存效应形成了f l - c d p y r e n e t b m o d i f i e r 三元包合物 ( 图1 - 1 0 ) 。形成三元包合物的主要驱动力有：改性剂的叔丁基基团与p - c d 空腔 的疏水作用力，连结在叔丁基部分的官能团与肛c d 端口的羟基之间的氢键作用 以及与本体溶液( 甲醇水) 之间的氢键作用。改性剂对包合过程的影响取决于这3 种力之间的相互平衡，而这些作用力间的相互平衡反过来又依赖于改性剂的化 学结构。m u n o zd el ap e n a 【5 8 j 等也报道了这中包和模式。 憋匿 图l 一1 0 , a - c d 芘，叔丁基- 改性剂三元包含物的包合模式 f i g 1 - 1 0t h es t l 咖o f f f - c d p y r e n e t b - m o d i f i e ( 1 ：2 ：1 ) 1 2 4 包结物的表征手段 l 241 紫外可见分光光谱法 当包结物形成时，从谱图上看其最大吸收峰的位置、强度、峰形会发生某些 变化。例如环糊精加入到甲基橙溶液中，甲基橙的特征吸收强度会下降。说明环 糊精与甲基橙形成了包结物。当向其中加入氨基酸时，甲基橙特征吸收峰随着氨 基酸的加入量而增大。这是由于氨基酸和甲基橙与环糊精间存在竞争，最终氨基 酸将甲基橙从环糊精空腔中驱逐出去，说明氨基酸与环糊精形成更稳定的包结 物，在这里甲基橙起到一种分子探针的作用【5 9 1 。 1 2 4 2 红外光谱分析o r ) 环糊精的红外光谱与淀粉类似，其本身的特征吸收带覆盖了整个4 0 0 - - - 4 0 0 0 c m 1 区域。如果客体分子含- c o o h ，- - c o o r 和c = o 等基团在1 7 0 0c m - 1 附近有 伸缩振动吸收，可与环糊精主体明显区分开来。包结物的形成可用红外光谱来研 究，由于客体的包结，通常会有位移或强度的变化。当瓜谱图上与一定振动相 对应的吸收十分微弱或不出现时，r f l l l l l l f l 光谱可以作为补充，提供较强的谱带 6 0 l 。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 4 3 核磁共振分析0 叼v m ) n m r 是研究c d 包结物的一个有力工具【6 m 3 1 ，研究者们发现在不同客体存 在下，c d 腔内的h 3 ，h - 5 由于受到客体的屏蔽，苯环的环电流的各相异性， 范德华力等影响，其化学位移会有变化，外层的h 2 ，h 4 ，h 6 不受影响【6 “5 1 。 由此可以推断出客体在c d 空腔发生了包结。在客体存在下，如果只有c d 的 h - 3 化学位移改变，说明客体在c d 空腔中插入较浅，而同时c d 的h 5 也发生 了位移说明客体在c d 空腔中插入较深。利用c d 的h - 3 ，h 5 化学位移变化 值，可计算出客体在c d 腔体内的构象恻，从而了解水溶液中客体渗入c d 疏水 腔中的平衡位置。利用n m r 不仅可以求得包结物的包结常数，而且摩尔比率法 和连续递变浓度法也常用来证明形成包结物时各组份间的摩尔比【6 1 丌。n m r 不仅 适用于液态【6 8 彤】，固态、粉末也同样适甩。尤其是近年来，固态n m r 引起人们 的极大注意，因为它可以弥补x 射线粉末衍射分析方法的某些不足r 7 0 1 。 随着高分辨率的n m r 及n m r 二维技术的出现，对包结现象的研究起了巨 大的推动作用。利用高磁场及特定技术，可以提供有关溶液中客体分子相对于主 体分子的位置的大量有用信息。客体分子距离c d 腔内质子3 4 a 的时候，有去 偶作用。n o e s y 实验或更灵敏的r o e s y 实验，可以用来说明包括通过空间交 换信息的相互作用类型【7 1 1 。在研究有机分子与c d 包结时，如果它们之间存在弱 的去偶相互作用，r o e s y 技术就更为有用了。所以说2 d r o e s y ，2 d - n o e s y 技术是研究分子间相互作用及主客体包结的更灵敏的工具【7 2 】。 1 2 4 4 差示扫描量热( d s c ) d s c 也是研究包结现象常用的一种方法【7 3 1 。从d s c 图上，可以看出吸热峰 变化的情况及失重情况。通常情况下，包结物形成后，由于组分间存在相互作用， 与单纯的主客体相比，d s c 表现出一定的差异。比较g l i s e m i d e 、f l - c d 、f l - c d g l i s e n t i d e 及其二者的物理混合物的d s c 图，g l i s e n t i d e 在1 6 0 熔化，表现出吸 热