（有机化学专业论文）具有农药活性的有机小分子与β环糊精相互作用研究.pdf

顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 以环糊精为主体的超分子化学已经被广泛的研究，尤其是环糊精超分子复合体 系在药物开发中的应用得到了极大的发展。然而，这类超分子复合体系在农业生产 防止病虫害的研究还处于起始阶段。因此，在本论文中我们对两种农药的环糊精超 分子复合物的制备、表征以及形成机理进行了探索。此外，我们还发现了一种新的 自组装现象。 氯菊酯是一种广谱的卫生杀虫剂，但是较差的水溶性限制了它的应用。实验表 明，氯菊酯和b 一环糊精的复合物的溶解度得到显著的提高。氯菊酯和8 一环糊精 形成了化学计量比为l ：1 和1 ：2 的两种包合物。s t m 实验证实他们自组装形成了 纳米棒。分子模拟实验详细分析了两种包合物和纳米棒形成的可能过程。生物活性 测试结果显示，与氯菊酯的杀虫活性相比较，它的b 一环糊精包合物的杀虫活性有 显著的提高。 制备和表征了异菌脲和b 一环糊精的包合物。相溶解度实验表明异菌脲和b 一 环糊精形成了化学计量比为1 ：l 的包合物。分子模拟证实异菌脲和b 一环糊精能够 形成计量比为l ：l 稳定的包合物。包合物的抑菌活性比异菌脲的活性要高。 此外，手性在超分子化学的研究已经成为人们关注的热点问题。我们发现5 ，7 一 二甲基一l ，2 ，4 一三唑并 1 ，5 - a 嘧啶类衍生物的外消旋体能够自组装形成微球，但是 它们的纯光学异构化合物都不能形成有序结构。固体核磁实验表明巯基也是微球形 成的重要因素之一。 关键词：环糊精氯菊酯异菌脲超分子化学微球 项士学位论文 m a s t e r st h e s i s 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 yh a sb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e d e s p e c i a l l y ，c y c l o d e x t r i n s u p r a m o l e c u l a rc o m p l e x e sa p p l i e di np h a r m a c yh a v eb e e nd e v e l o p e da n de v e ns o m eo f t h e mh a v eb e e nc o m m e r c i a l i z e d h o w e v e r , c y c l o d e x t r i ns u p r a m o l e c u l a rc o m p l e x e s a p p l i e di na g r i c u l t u r ea r es t i l li ni n i t i a lp h a s e t h e r e f o r e ，i nt h i st h e s i s ，p r e p a r a t i o na n d c h a r a c t e r i z a t i o no ft w op e s t i c i d e sa n dc y c l o d e x t r i ni n c l u s i o nc o m p l e x e sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d a n dt h e i rp o s s i b l ef o r m a t i o nm e c h a n i s m sh a v eb e e n a l s os t u d i e db y m o l e c u l a rs i m u l a t i o n i na d d i t i o n ，n e wm i e r o s p h e r e sf r o mr a c e m i cm i x t u r e sw e r e d e v e l o p e d p e r m e t h r i ni sap o p u l a r l yu s e d “o v e r - t h e c o u n t e r a g e n tw h i c hi si n t e r e s t i n gi na v a r i e t yo ft h e r a p e u t i ca r e a s h o w e v e r ，t h ep o o rw a t e r s o l u b i l i t yo fp e r m e t h r i ns e r i o u s l y l i m i t si t sw i d e rc l i n i c a la p p l i c a t i o n s t h ep r e s e n ts t u d yd e m o n s t r a t e st h a ts o l u b i l i t yo f p e r m e t h r i n i n a q u e o u s s o l u t i o nc a l l c o n s i d e r a b l y i n c r e a s ei nt h e p r e s e n c e o f 1 3 - c y c l o d e x t r i n ( 1 3 一c d ) e x t e n s i v ee x p e r i m e n t a l d a t a a l o n g w i t hc o m p u t a t i o n a l m o d e l i n gr e v e a l t h ef o r m a t i o no fs t a b l ep e r m e t h r i n 1 3 - c di n c l u s i o nc o m p l e x e s ， i n c l u d i n gp e r m e t h r i n ( 1 3 - c d ) a n dp e r m e t h r i n ( 1 3 一c d ) 2 ，a n d n a n o r o d sw i t ha 【p e r m e t h r i n ( b - c d ) 2 nc h a i ns t r u c t u r et h r o u g hh y d r o p h o b i cb i n d i n g t h ef o r m e ds t a b l e p e r m e t h r i n ( 1 3 一c d hb i n d i n gs t r u c t u r ec a nb eu s e da sab u i l d i n gb l o c k ( w i t hal e n g t ho f 1 4 2 5 s i n ) t oc o n s t r u c tt h en a n o r o d st h r o u g hs e l f - a s s e m b l y t h ec o m p l e x a t i o no f p e r m e t h r i nw i t h1 3 c ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h eb i o a v a i l a b i l i t yo fp e r m e t h r i na n d ， t h e r e f o r e ，i n c r e a s e dt h eb i o a c t i v i t y t h ei n c l u s i o nb e h a v i o ro f1 3 一c y c l o d e x t r i nw i t hi p r o d i o n eh a sb e e ni n v e s t i g a t e db y c a r r y i n g o u ts o m ea n a l y t i c a l t e c h n i q u e s a n dm o l e c u l a rs i m u l a t i o nm e t h o d t h e 1 3 - c y c l o d e x t r i n i p r o d i o n e i n c l u s i o nc o m p l e xh a se x h i b i t e dd i f f e r e n ts p e c t r o s c o p i c f e a t u r e sa n dp r o p e r t i e sf r o mi p r o d i o n e t h es t o i c h i o m e t r i cr a t i oa n ds t a b i l i t yc o n s t a n t d e s c r i b i n gt h ee x t e n to ff o r m a t i o no fi n c l u s i o nc o m p l e x e sh a v eb e e nd e t e r m i n e db y p h a s e s o l u b i l i t ys t u d i e s t h ef o r m a t i o na n ds t o i c h i o m e t r yo f1 3 一c y c l o d e x t r i n i p r o d i o n e c o m p l e x w e r es i m u l a t e d b y m o l e c u l a r m o d e l i n g t h e f o r m a t i o no f 1 3 一c y c l o d e x t r i n i p r o d i o n ei n c l u s i o nc o m p l e x e s r e s u l t e di ne n h a n c e da n t i f u n g a la c t i v i t y an e w a p p r o a c hf o rt h ef o r m a t i o no fm i c r o s p h e r eh a sb e e na c h i e v e db yr a c e m a t e s b u t 项士学住论文 m a s t e r st h e s i s t h e i rt w oe n a n t i o m e r i c a l l yp u r ec o m p o u n d sc a n n o ts e l f - a s s e m b l ei n t ow e l l d e f i n e d s t r u c t u r e s a n dt h ef o r m a t i o no fm i c r o s p h e r ei sr e l a t e dw i t ht h ec h i r a lc e n t e r t h es o l i d s t a t en m re x p e r i m e n ts h o w sh y d r o g e nb o n d i n ga l s oc o n t r i b u t e st ot h ef o r m a t i o no f m i c r o s p h e r e k e y w o r d s ：c y c l o d e x t r i n ，p e r m e t h r i n ，i p r o d i o n e ，s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y , m i c r o s p h e r e 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：王i 认舱 日期：历以年皇月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：多等、友 日彩月5 棚 导师签名： 锣 日期：纠年厂月多p 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回童迨塞量变卮进卮! 旦圭生；旦二生；里鱼生筮查! 作者签名：王缘陡 嘲渺多钼夕胡 导师签名： 日期：别年月；a 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章绪论帚一早殖了匕 环糊精( c y c l o d e x t r i n ，通常简称为c d ) ，是一类由d 一葡萄糖通过q 一( 1 4 ) 糖 苷键连接而成的大环化合物，是继冠醚以后超分子化学研究的第二代主体化合物。 v i l l e r s 在1 8 9 1 年发现环糊精，2 0 世纪初s c h a r d i n g e r 分离出一种与碘作用变为蓝色 ( q 一环糊精) 和另一种与碘形成配合物为黄色( 9 一环糊精) 。s c h a r d i n g e r 还成功地 分离出一种微生物b a c i l l u sm a c e r a n s 现在生产环糊精通常都采用其作为糖基转移 酶。因此，可以说s c h a r d i n g e r 奠定了环糊精研究的基础。( c h e m i c a lr e v i e w 在 1 9 9 8 年发表了关于环糊精研究的专辑。 作为环糊精类化合物的母体有三种：a 一环糊精、b 一环糊精和y 一环糊精。a 一、 b 一和y 一环糊精分别有6 、7 、8 个c 1 一( 1 4 ) 一糖苷键连接而成。由于b 一环糊精廉 价易得，所以它是一种经常使用的环糊精，其结构如图1 - 1 所示。环糊精分子的形 状为圆锥状的圆台。其空腔内侧有两圈氢原子和一圈糖苷键的氧原子处于c h 键的 屏蔽之下，具有疏水性；而外侧由于羟基聚集具有亲水性。窄口端称为主面或第一 面，位于窄口端指向腔外的伯羟基为第一面羟基；宽口端称为次面或第二面，位于 宽口端的仲羟基为第二面羟基。第二面羟基具有顺时针和逆时针两种指向，这种结 构能在手性化合物的识别上起作用。三种环糊精分子结构的主要参数列于表1 - 1 。 表1 - 1 三种环糊精分子结构的主要参数 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图i - ib 一环糊精的分子结构 i i 环糊精的生物学特性 1 1 1 毒性 一般而言，a 一、s 一和y 一三种常见的天然环糊精和它们的疏水性衍生物只能 穿透亲脂性的生物膜。所有的毒性实验研究证明：由于缺少胃和肠道的吸收，口服 的环糊精实际上是无毒的。并且，许多安全性评估显示甚至当y c d 、2 - h y d r o p r o p y l b - c d 、s u l p h o b u t y l e t h e r6 - c d 、s u l p h a t e d8 一c d 和m a l t o s y lb c d 用做注射 用的药物时，也是安全的。但是，母体a 一和b 一环糊精不适宜应用于注射药物。 口服q 一、b 一和y - c d 自由少量经胃肠消化系统吸收，出现的中毒现象可能是 由于增溶了其他不溶和原本不可能吸收的有毒物质的结果。经口投入的环糊精在结 肠中被菌落降解为可吸收的糖，快速代谢为c 0 ：和h 2 0 。化学修饰的环糊精如甲基化 和羟丙基环糊精可以从肠道吸收并进入循环。 1 q 一环糊精 主要性质：肌肉注射后比较疼痛；粘合一些脂类化合物；眼睛有些疼痛；大白 鼠口服后有2 - 3 的吸收；在上肠道里没有代谢；仅仅被盲肠和结肠中的肠道菌落 分解。口服的大白鼠的排泄物中6 0 是c 0 2 ，2 6 一3 3 是代谢混合物，7 - 1 4 以粪便 和尿的形式代谢。大自鼠的l 口服量大于1 0 ，0 0 0 m g k g ，静脉急性为5 0 0 7 5 0 m g k g 。 2 b 一环糊精 主要性质：肌肉注射后疼痛程度相对q 一环糊精要小些；粘合胆固醇；大白鼠 口服后很少被吸收1 - 2 ；在上肠道里没有代谢；在盲肠和结肠中被细菌代谢。b 一 环糊精是目前在药物制剂中最常用的，因此，它可能是应用于人类医药中研究的最 多的。但是，高剂量的b 一环糊精服用是有害的。在结肠中细菌降解和发酵可能导 致气体产生和腹泻，大白鼠的l 瞻口服量大于5 0 0 0 m g k g ，静脉急性为4 5 0 7 9 0 m g k g 。 2 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 3 y 一环糊精 主要性质：肌肉注射后没有明显疼痛；在上肠道里迅速完全被肠酶降解为葡萄 糖( 甚至每天高剂量，1 0 - 2 0 9 k g ) ；口服后几乎没有( o 1 ) 吸收；静脉注射实际 上没有任何代谢。y 一环糊精是这三种常见天然环糊精中毒性最小的。一般而言， 作为食品添加剂，y 一环糊精的活性比1 3 一环糊精和水溶性的1 3 一环糊精衍生物的低。 y 一环糊精复合物在水溶液中溶解性较差，在水溶液中主要形成聚集。大白鼠的l 口服量 8 0 0 0 m g k g ，静脉急性为大约4 0 0 0m g k g 。 1 1 2 代谢性质 与长链多聚糖相比，环糊精分子可以被环糊精葡萄糖转移酶、q 一淀粉酶及大 肠内细菌生物降解，具有一定的代谢稳定性。q 一和1 3 一环糊精在体内不易代谢，但 空腔较大的y 一环糊精易代谢，甚至可被人唾液q 一淀粉酶水解瞻1 。另一方面，1 3 一 环糊精在大鼠、兔、狗和人的血液中几乎不水解，在大鼠肝脏匀浆中也不被水解阳1 。 1 1 3 溶血性 天然环糊精的溶血性依下列顺序递减：b - c d a - c d y c d h j l 。它们之间的 差别是由于不同的环糊精对细胞膜成分的溶解性不同。当环糊精被化学修饰后，它 对于细胞膜的作用与母体环糊精相比有很大的变化瞳刀。与吐温- 8 0 相比，q c d 和 d m - b c d 具有一定的刺激作用；与y - c d 等相比，h p 1 3 - c d 和c d 硫酸盐不显示或 只显示微小的刺激性。 一般认为由于体积较大以及亲水性的缘故，环糊精以原型被肠道吸收是受到限 制的，小鼠只有少量的b 一环糊精从胃肠道以原型被吸收，在直肠中有b 一环糊精衍 生物油状的悬浮物被服用2 4 小时后以b 一环糊精原型物的形式大量的被排出阳1 。b 一 环糊精的吸收率较高的是由于直肠粘膜的通透性发生改变或具有表面活性的1 3 一环 糊精与主要成分是甘油酯的栓剂基质发生相互作用。同样，亲水性环糊精很难透过 皮肤吸收。然而，近来的研究表明l i p - b - c d 水溶液却能透过大鼠皮肤，并均匀分 布于皮下组织中，而且不会产生刺激一1 。 1 2 以环糊精为受体的超分子体系在药物开发中的应用 由于前人在检测环糊精的毒性时，得出环糊精有毒的错误结论，导致环糊精产 品在很长一段时间不能被广泛应用。2 0 世纪7 0 年代初，严格的生物毒性实验证明环 糊精是无毒的，开始用粮食在环糊精葡萄糖转位酶催化下进行大规模生产。自此开 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 始，关于环糊精的研究和应用快速发展，涉及到环糊精的合成、修饰以及其在分离 技术、食品、药物和农业生产中应用。 1 使挥发性物质长期保持稳定 ( 1 ) 挥发性物质降低挥发性，保持气味、风味 ( 2 ) 将有毒液态物质制成固体，容易保存，减少毒害 ( 3 ) 调节芳香物质和其它挥发性物质的释放 ( 4 ) 除去一些物质的不良气味，如臭气 2 使受热、光、氧不稳定的物质稳定化 ( 1 ) 使不耐热的物质在高温下保持稳定 ( 2 ) 使在紫外线和可见光下不稳定的物质保持稳定 ( 3 ) 是易被氧化和分解的物质稳定 3 改变物质的物理化学性质 ( 1 ) 增加难溶于水或不溶于水的物质的溶解度 ( 2 ) 防止色素、荧光变化 ( 3 ) 掩盖怪味、苦味，增加物质的利用度 ( 4 ) 易自行分解、潮解、粘性物质的稳定性的改善 4 水不溶物的乳化、液化，如脂肪、脂肪酸等的乳化 5 有机化学反应的催化剂，选择性合成反应 6 物质的分离、分析 环糊精的一个重要性质就是在溶液和固体状态下都能形成包合物。在包合物中 客体分子被环糊精的疏水环境所围绕，并有可能导致客体分子的物理化学性质发生 改变，从而产生新的药理学性质( 表卜2 ) 。在环糊精的实际应用中，应特别注意包 合物的离解平衡和化学计量。包合的前提是客体分子的疏水性部分必须完全或部分 嵌入环糊精的空腔中。以前列腺素e 。( p g e 。) 为例，d - c d 具有一个较小的空腔， 只能优先包合p g e 。分子的一个脂肪链；而1 3 一c d 可以允许的五元环进入；具有较大 空腔的y - c d 可以将整个分子包合进去n 们。如果客体分子过大( 或者环糊精空腔太 小) 以至于一个空腔不能容纳整个客体分子时，就需要多个环糊精来实现这种包合。 问题就在于不同的计量数依赖与所用的主客体分子的浓度比，而这个比值常常影 响客体分子的物理化学性质。 表1 - 2 目前上市的含环糊精的药物产品n 0 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ q c dc o m p l e x 函 b c dc o m p l e x y 。c dc o m p l e x 图1 2p g e l 与不同空腔环糊精形成的包合物 1 2 1 增加药物的溶解度 环糊精的增溶效果既与它们形成包合物的能力有关，又与环糊精在水中的固有 溶解度有关。不同的环糊精可以增溶的能力不同，并且与形成包合物的平衡常数k 有关。对于环糊精及其衍生物而言，d m - b - c d 对水溶性较差的药物具有较好的增溶 效果，这可能是由于其空腔的延长所致1 。 低毒性、高耐受性和良好的增溶能力使h p - b c d 被认为是客体药物的优异载 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 体，在基于h p - b c d 的药物制剂的研究中，某些亲脂性药物在水中的溶解度随温 度的升高而增加，这表明加热是有效的步骤n 引。h p - b c d 作为脑靶向化学输送系统 的良好增溶剂和稳定剂，如雌二醇一二氢吡啶结合体系已被详细评价过n 3 j 耵。亲水性 的环糊精可通过形成包合物，增加生物膜上某些特定脂质的溶解性，从而提高膜的 通透性n 蜘。 客体溶解性的改变依赖于包合物的化学计量数。例如，n o c l o p r o s t ( p g e 。的衍 生物) n 6 3 和s o f a l c o n ( 抗溃疡药) n 刀分别与b - c d 和y - c d 以1 ：l 形式包合时，由 于发生了部分包合，增加了它们在水中的溶解度。但是，当环糊精的浓度高时，以 1 ：2 包合是，溶解度却反而下降，这是由于客体分子被包合于较难水合的环糊精二 聚体中。 1 2 2 增加药物的稳定性 药物不仅在储藏过程中要保持相当的稳定性，而且在肠胃液中也要保持相当的 稳定性，因为任何降低活性成分含量的反应都会降低药物的疗效。环糊精能加速或 减缓这些反应的发生，但这取决于所形成的包合物的性质n 引。通常，当药物的活性 中心被包合于环糊精的空腔时，就会减缓这些反应的发生，反应速率主要取决于包 合物离解形成的游离药物的浓度。另一方面，如果药物没有完全被嵌入或仅部分被 包合于环糊精的空腔中，使活性中心在空间上有利于催化剂靠近时，就会加速这些 反应的发生。 1 2 3 增加药物吸收 虽然影响药物吸收的因素很多，但主要取决于药物的剂型和给药途径。靶向定 位给药系统可以是药物准确到达特定靶点而起作用。为了增加环糊精包合物中药物 的吸收，可通过调节环境因素来控制离解平衡。图1 3 显示了在竞争剂存在的情况 下包合物中药物吸收的全过程，其中l ( d 是溶解速率常数，k 。是药物一环糊精包合物 的稳定常数，k 2 是竞争剂环糊精包合物的稳定常数，k a 是药物的吸收速率常数。当 用固体包合物口服给药是，包合物溶解和离解后药物才被吸收，因为在溶液中只有 药物的游离形式才能透过肠胃道的脂质屏障。因此，包合物中药物的吸收主要取决 于包合物的溶解速率和稳定常数。溶解速率常数较大和相对稳定的包合物( k 。 k 。) 有利于形成易被吸收的游离药物。由于在肠胃道中，药物可被内源性和外源性物质 从空腔中置换出来，从而加速药物的吸收，所以可通过加入适当的竞争剂或调节竞 争剂来控制离解平衡n 铂。这种竞争行为不仅可以发生在含各种生物成分( 如脂类和 6 拼体类) 的体液中，在含有多种赋形剂的药物制剂中也可发生。 1 2 4 控制释放 设计先进的药物服用方式控制药物的释放速率对实现药物的临床效用非常重 要。缓释的目的都是为达到药物的零级群放为维持长周期的血药水平。为此，蜡型 物质和水溶性的纤维素衔生物常被用做水溶性药物的缓释载体。环糊精与药物形成 包合物可以达到药物储存的作用，控制药物释放，还可以提高亲脂性药物在环糊精 纳米腔中的载药量，达到靶向或控制释放给药的目的。 l 。黪鍪警o ，= ：一窭、。 o ， ， ，1 7 w “ 一= ，7 万 o 。 图卜3 环糊精包台物在肠胃道溶解和离解后竞争剂对药物吸收的影响“” 1 2 5 减少副作用 药物进入到环糊精的空j 捧_ 中可以避免药物与q 物表面的直接接触，从而减少药 物进入非靶向组织的细胞和产生局部刺激。同时因为环糊精包台物可以很好地溶解 于组织中，并且最终离解为游离成分，所以不会大幅度地降低其治疗作用。因此， 环糊精作为载体可减轻给药部位诱发的局部组织损坏，从而把药物输送到接近作用 点的部位。 环糊精能减轻药物肌肉注射引起的肌肉组织损伤。环糊精的保护效果主要是 由于药物的亲水性包合物与肌纤维膜的弱亲和性，这种情况可在体外溶血实验中观 察到。同样，环糊精能减轻多种口服酸性抗炎药的致溃疡作用。“。 1 3 以环糊精为受体的超分子体系在农药开发中的应用 农药足人类防治农林病虫害的重要手段，现在己广泛应用于农业生产的整个过 程，是重要的农业生产资料。除少数挥发性大的和水中溶解度大可以直接使用外， 农药原药绝大多数必须加工成各种剂型，方可使用。农药剂型加工的意义如下： 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s ( 1 ) 控制原药的释放，提高持效期，减少施药次数，节约用药。 ( 2 ) 使原药达到最高的稳定性。例如敌百虫，若加工成水溶液剂或低浓度的 粉剂、可湿性粉剂，储存期间易分解；但是若加工成乳油或者高浓度的 可溶性粉剂，则原药化学稳定性较好。 ( 3 ) 优化生物活性。 ( 4 ) 混合制剂具有兼治、延缓抗药性，提高安全性的作用。 载体的功能一是农药有效成分的微小容器或稀释剂，二是将有效成分从载体中 释放出来。前者是加工制剂到使用前所必要的，后者是撒布后所要求的。载体的应 用始于2 0 世纪3 0 年代，当时主要是用做无机农药粉剂的稀释剂。随着有机农药的 出现，需要吸附性强、流动性好、活性小的载体，这样各种性能独特的合成载体被 开发和应用，这是农药载体研究的真正开端。由于农药粉剂漂移污染，到了8 0 年 代初，它的产量逐渐下降，而可湿粉剂的产量不断上升。随着这些传统的载体大量 长期使用出现了诸如：不可降解性，动植物中大量残留，不能起到控释和缓释效果 或者效果不理想等等。在农药的开发和应用中需要寻找良好的载体。进入9 0 年代， 随着超分子化学的兴起以及环糊精在药学研究中作为有效的药物载体被广泛应用， 并且表现出上述众多的优越性质。因此，环糊精作为有机农药的有效载体，可以起 到类似的效果如增溶、增加生物利用度以及缓释。 近年来有很多文献和专利报道了环糊精在农药中的应用，如杀菌剂、除草剂、 杀虫剂以及稳定剂等等。杀菌剂的环糊精包合物能够使原药保持稳定，延缓作用时 间，甚至也能够提高药效。与除草剂相比，它们的环糊精包合物可以降低毒性，减 少不良气味，并且有助于除草剂在土壤中分解。 1 - 3 i 杀虫剂环糊精包合物 丙烯菊酯在紫外光照射下的半衰期为1 5 0 小时，而制成环糊精包合物后的半衰 期在5 0 0 小时以上，丙烯菊酯粉剂和可湿性粉剂，在阳光下1 0 3 0 天完全分解，而 包合物却分解甚微。表1 - 3 所示，包合物对提高丙烯菊酯的稳定性，延长持效期有 重要作用，这就为易分解、易挥发的农药品种在农业上的应用创造了有利条件瞄1 。 涕灭威( a l d i c a r b ) 和硫丙磷( s u l p r o f o s ) 分别和环糊精形成包合物已经被详细研究 【】 o 表1 - 3 丙烯菊酯不同剂型的持效性 剂型处理浓度赤松毛虫幼虫死亡率( ) 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 注：用各处理的药液浓度浸渍松叶后进行接虫实验。 h 3 c n y k c h 3 c i 一0 4 z 。 i i 涕灭威硫丙磷 图1 - 4 几种杀虫剂的化学结构式 1 3 2 杀菌剂环糊精包合物 噻茵灵( t h i a b e n d a z o l e ) 、多茵灵( c a r b e n d a z i m ) 和咪茵威( f u b e r i d a z 0 1 e ) 是一类广谱的人和动物都可以使用的杀菌剂以及粮食、蔬菜的保鲜和储存等。但是， 它们在水中的溶解性都很差，这就大大限制了他们的应用。通过形成包合物可以显 著改善这三种杀菌剂的溶解性能涵1 。噻菌灵和8 一环糊精能够形成1 ：1 的包合物， 包合常数是1 6 x1 0 3 m - 1 例。 那他霉素( n a t a m y c i n ) 是一种应用于食品贮存的天然防腐剂。由于它在水中 低的溶解度导致不能制备高浓度的水溶液剂型。那他霉素虽然在较强的碱性或酸性 溶液中有较好的溶解度，但是容易较快地分解。那他霉素能够和b - c d 、h p b c d 、 y - c d 分别形成包合物。那他霉素的溶解度分别增加了1 6 倍、7 3 倍和1 5 2 倍脚1 。 那他霉素和9 - c d 的包合比是1 ：1 ，包合常数是i o i o m - l o 然而，那他霉素和h p 一1 3 一c d 、 y - c d 的溶解度曲线不是线性关系，不能够计算它们的包合常数矧。 抑霉唑( i m z a l i l ) 具有高效的杀菌活性，但是较差的水溶性影响了抑霉唑的使 用效率嚣删。表i - 4 是抑霉唑及其1 3 一环糊精包合物体外活性实验数据。 除了苯并咪唑类衍生物外，咪鲜胺( p r o c h l o r a z ) 、毒菌酚( 2 一p h e n y l p h e n 0 1 ) 、 甲基硫菌灵( t h i o p h a n a t em e t h y l ) 、8 一羟基喹啉( 8 一h y d r o x y q u i n o l i n e ) 、苯霜灵 ( b e n a l a x y l ) 等是目前最常用的杀菌剂。这五种杀菌剂都能和b 一环糊精形成包合 物，咪鲜胺和苯霜灵的水溶性显著增强啪1 。戊唑醇( t e b u c o n a z o l e ) b 一环糊精包 合物能够防治f u s a r i u mc u l m o r u m 菌引起的小麦根部腐烂。这种小麦病发病周期长 而通常的化学杀菌剂不能够在较长时间内保持作用。田间实验表明，与戊唑醇原药 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 相比较，包合物能够保持较长时间的药效，起到缓释的效果b 。 l n h 凡 泸n h 噻菌灵多菌灵咪菌威 那他霉素抑霉唑咪鲜胺 hh ：￥适： s 甲基硫菌灵毒菌酚8 一羟基喹啉苯霜灵 图1 5 几种杀菌剂的化学结构式 表1 - 4 抑霉唑及其b 一环糊精包合物体外活性实验 e l a p s e d t i m e ( d a y s ) p d i g i t a t u m ( p h i 一2 6 ) p i t a l i c u m ( p h i 一1 ) e d 铂m i ce d m m i c 1 , 3 3 除草剂环糊精包合物 为了提高氟吡禾灵( f e n o x a p r o p - p - e t h y i ) 的传输效率，氟吡禾灵与b 一环糊 精、甲基化b 一环糊精以及2 一羟丙基b 一环糊精形成的包合物溶解性显著增强1 。 甲基化b 一环糊精的包合物溶解度增加5 倍，另外两个包合物的溶解度分别增加l 倍。异丙隆( i s o p r o t u r o n ) 和b 一环糊精能够以化学计量比1 ：1 形成包合物，包合 l o 硕士学位论文 m a s t e p , st h e s i s 常数是1 8 9 0 3 3 1 f f l 。异丙隆的溶解速率显著提高1 。 氟吡禾灵异丙隆 图1 - 6 几种除草剂的化学结构式 1 3 4 环糊精降解农药 虽然2 ，4 - - 氯苯氧乙酸是一种植物生长调节剂，但它也是一种没有选择性的除 草剂，已被大量用来防治谷类植物的阔叶杂草。正是由于2 ，4 - - 氯苯氧乙酸大量使 用造成了土壤中含有它的残留。b 一环糊精能够通过形成包合物除掉土壤中残留的 2 ，4 一二氯苯氧乙酸m 3 。环糊精有利于有机磷农药在水中光降解，这主要是因为环糊 精的包合效应催化农药分解衢删。表1 - 5 是在有机磷农药光降解过程中环糊精的促 进效应m 1 。 表1 - 5 有机磷农药光降解过程中环糊精的促进效应 p e s t i c i d e s k ok lk 2k 3 ( a ) e f f e c t so fc d si nh u m i ca c i d s ( h a - 砂- c o n t a i n i n gw at e r b e n s u l i d e 1 3 6 1 5 0 9 ( 1 1 0 )1 9 6 2 ( 4 4 3 ) c h l o r p y r if o s 1 7 9 1 9 4 9 ( 8 9 )2 6 1 0 ( 4 5 8 ) d i a z i n o n2 4 5 2 6 7 8 ( 9 3 )3 3 9 6 ( 3 8 6 ) e p n2 9 6 3 1 8 5 ( 7 6 )3 8 1 8 ( 2 9 0 ) f e n i t r o t h i o n3 3 2 3 5 6 2 ( 7 3 )4 3 9 9 ( 3 2 。5 ) f e n t h i o n3 4 7 3 6 7 8 ( 6 0 ) 4 4 2 1 ( 2 7 4 ) i s o f e n f o s4 6 34 8 7 1 ( 5 2 ) 5 8 6 6 ( 2 6 7 ) i s o x a t h i o n5 2 6 5 6 0 2 ( 6 5 )6 7 3 3 ( 2 8 0 ) m a l a t h i o n5 9 1 6 1 9 9 ( 4 9 )7 2 6 3 ( 2 2 9 ) p a r a t h i o n7 3 0 7 6 2 8 ( 4 5 )8 7 2 3 ( 1 9 5 ) t o l c l o f o s m e8 3 2 8 5 8 6 ( 3 2 )9 5 9 3 ( 1 5 3 ) ( b ) e f f e c t so fc d s 如h u m i ca c i d s 彻刮- c o n t a i n i n gw a t e l b e n s u l i d e1 3 61 4 7 6 ( 8 5 )1 7 1 1 ( 2 5 8 ) c h l o r p y r i f o s1 7 9 1 9 5 5 ( 9 2 )2 2 4 1 ( 2 5 2 ) d i a z i n o n2 4 5 2 6 4 l ( 7 8 )2 9 3 5 ( 1 9 8 ) e p n2 9 6 3 1 6 7 ( 9 7 0 )3 4 7 8 ( 1 7 5 ) f e n i t r o t h i o n3 3 2 3 5 6 6 ( 7 4 )3 8 2 5 ( 1 5 2 ) f e n t h i o n3 4 7 3 6 9 2 ( 6 4 )4 0 1 5 ( 1 5 7 ) 1 6 9 0 ( 2 2 8 ) 2 1 1 9 ( 1 8 4 ) 2 9 1 l ( 1 8 8 ) 3 4 4 8 ( 1 6 5 ) 3 7 7 1 ( 1 3 6 ) 4 0 3 9 ( 1 6 4 ) 5 2 7 3 ( 1 3 9 ) 5 8 6 5 ( 1 1 5 ) 6 7 7 3 ( 1 4 6 ) 8 2 5 6 ( 1 3 1 ) 9 1 3 5 ( 9 8 ) 1 5 5 8 ( 1 4 6 ) 2 0 2 6 ( 1 3 2 ) 2 7 9 3 ( 1 4 o ) 3 3 1 2 ( 1 1 9 ) 3 6 3 2 ( 9 4 ) 3 8 1 0 ( 9 8 ) 1 1 硕士学侄论文 m a s t e r st h e s i s 哒草伏( n o r f l u r a z o n ) 是第一个在美国登记的除草剂。但是它在土壤中有较长 时间的残留期，这会造成土壤污染。哒草伏通过和环糊精形成包合物可能会有助于 它光降解制。它能够和b 一环糊精形成1 ：l 包合物，包合常数为3 6 0 m 。 禾草灵( d i c l o f o p m e t h y l ) 是一种广谱的除草剂，但是由于较差的水溶性和在植 物组织中较慢的传输已经显示出生物活性降低的趋势。实验室和田间实验都表明在 水中纯的禾草灵快速水解为羧酸，而这种羧酸具有的水溶性和除草活性比禾草灵低 的多，并且这种羧酸在土壤中流动性很差。禾草灵的大量使用引起了人们对环境问 题的关注。现在研究发现禾草灵对哺乳动物的生殖具有潜在的危害。如果禾草灵和 环糊精形成包合物，不仅可以提高它的溶解性和生物利用度，而且还可能有助于禾 草灵在土壤中降解，解决环保问题h 舶。研究发现禾草灵能够和甲基化的b 一环糊精 形成1 ：1 的包合物，包合常数为4 7 4 0 盯。 1 4 选题目的和意义 环糊精应用于药物的开发已趋于成熟，有些药物的包合物制剂已经商品化。农 药开发中也遇到了和医药开发中相似的障碍，比如脂溶性的活性分子的水溶性很 差，生物利用度低，见光易分解不稳定，需要缓释和控释以及靶向输送等等。作为 一种良好的对环境友好的药物传输载体，环糊精在农药中的应用可以说是刚刚起 步。除了考虑农药能不能和环糊精形成包合物，由于农药相对医药要复杂的多，需 要考虑各种因素的影响( 植物、动物、土壤以及自然环境和人等等) 。目前关于农 药环糊精包合物的研究主要集中在杀虫剂和杀菌剂方面，这是可以理解的。因为 杀虫剂和杀菌剂包合物的研究可以直接引用环糊精在药学领域中已有成果。 因此，我们也基于以上的原因选择了一个杀虫剂和杀菌剂品种进行了一些初步 的探索，希望能够提高它们的水溶性和生物利用度。并且对这些包合物的形成机理 运用分子模拟进行了研究。 1 2 顾士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章b 一环糊精与杀虫剂氯菊酯的相互作用研究 2 1 引言 氯菊酯( p e r m e t h r i n ) ，化学名称为3 一苯氧基苄基( 1 - r ，s ) 顺、反式一3 一( 2 ，2 一 二氯乙烯基) - 2 ，2 一二甲基环丙烷羧酸酯。氯菊酯是1 9 7 3 年由英国e l l i o t t m 首先 合成，1 9 7 4 年由英国蓝德公司( n r d c ) 开发，1 9 7 7 年在美国生产。纯品为白色结 晶，熔点3 4 - 3 5 。c ，工业品为浅褐色油状物h 引。水中的溶解度小于o 1p p m 。可溶于 乙醇、丙酮、甲苯、苯等多种有机溶剂。对光稳定，在酸性和中性介质中较稳定， 在碱性介质中易分解。 氯菊酯对人、畜低毒。原药对雄大鼠急性经口毒性l d 朝为4 3 0 2 0 0 0 m g k g ，雌 大鼠4 7 0 - 2 0 0 0 m g k g 。对兔皮肤无刺激作用，对眼睛有轻度刺激作用。在大鼠中蓄 积性很小，未致癌、致畸、致突变作用。对鱼毒性较大，对鸟无毒，对蜜蜂l d 翮为 0 1 6 l lg 蜂。氯菊酯对害虫具有很强的触杀和胃毒作用，并具有杀卵和驱避作用。 击倒力强，杀虫速度快。高浓度时能够灭杀害虫幼虫、成虫和卵，低浓度是可使害 虫拒食，使成虫不产卵。主要用于棉花、蔬菜、果树、茶树、烟草、林业等作物， 防治棉铃虫、棉蚜、棉红铃虫、菜蚜、烟蚜、柑橘潜叶蛾、小食心虫、茶毛虫等h 耵。 氯菊酯对蚊、蝇、跳蚤以及虱等卫生害虫效果也很好。它被世界卫生组织推荐 为卫生杀虫剂的活性成分。 然而，氯菊酯较差的水溶解性严重影响了它的实际应用。虽然助溶剂、增溶剂、 表面活性剂等被用来提高氯菊酯的溶解度，但是这些方法都存在各自的缺陷。因此， 我们利用氯菊酯和环糊精形成包合物，进而达到提高它在水中的溶解度，改善生物 活性的目的。 2 2 实验部分 2 2 1 实验仪器和主要试剂 红外光谱：n e x u st h e r