（应用化学专业论文）环糊精插层水滑石对客体分子的选择性吸附及包合性能研究.pdf

摘要 环糊精插层水滑石对客体分子的选择性吸附及包合性能研究 摘要 本论文分别制备了环糊精插层水滑石( c m c d l d h ) 的薄膜和粉体 材料，对插层组装体进行了结构表征；并详细研究了插层产物的选择 性吸附性能和对药物的包合性能，探讨了此类插层材料在选择性分离 生物小分子和药物包合领域的潜在应用前景。 采用原位生长技术制备了c m c d l d h 薄膜，系统而深入地研究 了该薄膜对核苷( 腺苷a 和鸟苷g ) 和色氨酸( d l t r p ) 的选择性吸 附性能。研究发现该薄膜材料具有良好的选择性吸附生物小分子的能 力。在相同的实验条件下，该薄膜材料优先吸附核苷中的鸟苷以及色 氨酸中的d t r p 。该选择性吸附主要由生物分子和层间c m c d 空腔的 超分子相互作用所造成的。采用最佳的膜扩散模型对吸附过程进行了 动力学研究，得到不同的膜扩散系数。 采用“先插层后包合 和“先包合后插层 两种方法制备 c m c d l d h 包合药物分子5 氟尿嘧啶( 5 - f u ) ，研究了c m c d l d h 对 其包合和缓释行为。通过对比研究发现“先包合后插层的方法能够 更好地发挥l d h 层板和层间c m c d 空腔对5 - f u 的双重限域效应。 药物缓释量可达到1 0 0 。 关键词：水滑石，羧甲基一p 一环糊精，核苷，色氨酸，5 一氟尿嘧啶， 选择性吸附，包合 北京化工大学硕士学位论文 s t u d i e so nt h es e l e c t i v ea d s o r p t i o na n d i n c l u s i o np r o p e r t i e so fb - c y c l o d e x t r i n i n t e r c a l a t e dl a y e r e dd o u b l eh y d r o d e s a b s t r a c t c a r b o x y m e t h y l p c y c l o d e x t r i n a s ( c m c d ) i n t e r c a l a t e dl a y e r e dd o u b l e h y d r o x i d e s ( l d h s ) p o w d e ra n df i l mm a t e r i a l sh a v eb e e ns y n t h e s i z e db yt h e u s eo fi o n e x c h a n g ea n d ns i t uc r y s t a l l i z a t i o nt e c h n i q u e ，r e s p e c t i v e l y t h e s e l e c t i v e a d s o r p t i o n o f n u c l e o s i d e s ( a d e n o s i n e a n d g u a n o s i n e ) a n d d l - t r y p t o p h a n eb yc m c d - l d h f i l mh a sb e e ns t u d i e di nd e t a i l f u r t h e r m o r e ， t h ei n c l u s i o na n dr e l e a s eb e h a v i o ro f5 - f l u o r o u r a c i l ( 5 - f u ) b yc m c d - l d h p o w d e rw e r ei n v e s t i g a t e d ，d e m o n s t r a t i n gt h em o l e c u l a rc o n t a i n e rp r o p e r t i e so f c m c d l d hm a t e r i a l t h ef i l mo fc a r b o x y m e t h y l - p - c y c l o d e x t r i n - i n t e r c a l a t e dz n a i l a y e r e d d o u b l eh y d r o x i d e ( c m c d l d h ) h a sb e e np r e p a r e db yi ns i t uc r y s t a l l i z a t i o no n ap o r o u sa n o d i ca l u m i n a a l u m i n u m ( p a o a 1 ) s u b s t r a t e t h i sf i l mc a nb eu s e d t o s e l e c t i v e l y a d s o r b b i o l o g i c a lm o l e c u l e f u r t h e r m o r e ，t h ep l a n es h e e t d i f f u s i o nm o d e lw a ss u c c e s s f u l l yv a l i d a t e di n t h i s w o r k m o r e o v e r , 5 一f u c m c d l d hw a sf a b r i c a t e db yt w om e t h o d s ：t h ei n t e r c a l a t i o n i n c l u s i o n 北京化工大学硕士学位论文 m e t h o da n dt h ei n c l u s i o n - i n t e r c a l a t i o nm e t h o d t h ec o n t r o l l e dr e l e a s es t u d y d e m o n s t r a t e st h a t t h i sd r u g c m c d - l d hc a l lb eu s e di na ne f f e c t i v ed r u g r e l e a s es y s t e m i tw a sf o u n dt h a tt h ec o m b i n e dc o n f i n e m e n te f f e c to fb o t ht h e l d h sl a y e r sa n dc y c l o d e x t r i nc a v i t yp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h er e l e a s e p r o c e s s k e y w o r d s ：l a y e r e d d o u b l eh y d r o x i d e s ，c a r b o x y m e t h y l p c y c l o d e x t r i n ， n u c l e o s i d e s ，t r y p t o p h a n e ，5 - f l u o r o u r a c i l ，s e l e c t i v ea d s o r p t i o n ，i n c l u s i o n 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：j 盈：逢三日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 e l 期：a 习、j 一6 期： 兰翌：鲨 日期：巫卜址 北京化工大学硕士学位论文 1 1 水滑石类化合物 第一章绪论 水滑石类化合物包括水滑石( h y d r o t a l c i t e ，h t ) 和类水滑石( h y d r o t a l c i t e l i k e c o m p o u n d s ，h t l c s ) ，其主体一般由两种金属的氢氧化物构成，又称为层状双羟基复 合金属氧化物( l a y e r e dd o u b l eh y d r o x i d e ，l d h s ) 。水滑石的插层化合物称为插层水 滑石。水滑石、类水滑石和插层水滑石统称为水滑石类插层材料( l d h s ) 【l 】。 水滑石类化合物是一类重要的新型无机功能材料，在催化、离子交换、吸附、化 工等方面具有广泛的用途。特别是近几年来，随着交叉科学研究领域的拓展，其在功 能高分子材料、化妆品、医药等方面有了新的应用，其研究和使用价值大大增强，展 现出了广阔的应用前景，越来越受到广大研究者的关注。 1 1 1l d h s 的晶体结构及特征 1 1 1 1l d h s 晶体结构简述 l d h s 是由层间阴离子及带正电荷层板堆积而成的化合物。l d h s 的化学组成可以 理想的表示为：【m 2 + l 划3 o h ) 2 r + ( a r ) 蜘m h 2 0 f 2 1 ，其中m 2 + 和m 3 + 分别为位于主体层 板上的二价和三价金属阳离子，如m g + 、n i 2 + 、z n 2 + 、m n 2 + 、c u 2 + 、c o ”、p d 2 + 、f d + 等二价阳离子和a 1 3 + 、c r 3 + 、c 0 3 + 、f e 3 + 等三价阳离子均可以形成l d h s ；r 为层间阴 离子，可以包括无机阴离子、有机阴离子、配合物阴离子、同多和杂多阴离子：x 为 m 3 + ( m 2 + + m 3 + ) 的摩尔比值，大约是1 ：5 到1 ：3 ；m 为层间水分子的个数【3 ，4 1 。其结构类 似于水镁石m g ( o h h ，由m 0 6 八面体共用棱边而形成主体层板。位于层板上的二价金 属阳离子m 2 + 可以在一定的比例范围内被离子半价相近的三价金属阳离子m 3 + 同晶取 代，使得层板带正电荷，层间存在可以交换的阴离子与层板上的正电荷平衡，使l d h s 的整体结构呈电中性。l d h s 的结构示意图见图1 1 。 北京化i 大学磺学位论立 x 孽舄雹壹奠郦 。q 妄 1 千罚彳甲铲再郗1 图i - ll d h s 的结构示意图 水滑石晶体为六方晶系，根据衍射峰指标和d 值，可计算出晶胞参数a 和c 。参 数d 为相邻六方晶胞中金属原子之间的距离，参数c 为晶胞的厚度，如图l 一2 为水 滑石晶胞参数示意图。 d 0 0 3 = c 图i = 2 水滑石晶胞参数示意图 f 培1 - 2 t h es h 釉m a p o f c r 删p 猢e 【目s o f l d h s 11 12 主体层板的化学组成及其可调变性 l d h s 主体层板的化学组成与其层板阳离子特性、层板电荷密度或者阴离子交换 量、超分子插层结构等因素密切相关。一般来讲，只要金属阳离子具有适宜的离子半 径和电荷数，均可形成l d h s 层板嘲。不同的金属阳离子( 主要包括二价和三价金属阳 离子) 组合可以合成一系列的二元、三元以至四元l d h s i ”。 1 13 层间客体阴离子种类及数量的可调控性 北京化工大学硕士学位论文 由于l d h s 的结构特征，三价金属阳离子同晶取代层板二价金属阳离子的结果使得 主体层板带正电荷，因而层间必须有阴离子与层板上的正电荷相平衡，以使l d h s 结 构保持电中性。一般情况下，l d h s 前体的合成多采用无机阴离子如c 0 3 2 - , n 0 3 - , s 0 4 2 、 c 1 0 4 - 、f - 、c 1 - 、b r - 、i - 等来平衡层板正电荷【1 4 1 。l d h s 层间的阴离子也可为各种功能 性阴离子，如无机阴离子、有机阴离子、同多和杂多阴离子以及配合物阴离子【1 5 - 3 2 j 等( h p 层板主体与客体分子的插层组装) ，通过改变层间阴离子的种类和数量使得l d h s 成为 具有不同应用功能的超分子插层结构材料。另外，通过改变l d h s 层板组成中m 2 + 和 m 的比例，调控层板电荷密度，进而可以调控层间客体分子数目。通常，层间阴离子 的尺寸、数量、价态及阴离子与层板羟基的键合强度决定了l d h s 的层间距大小。由 表1 1 可见，层间无机阴离子不同，l d h s 的层间距也不刚3 3 】。 表1 - 1 几种不同阴离子的l d h s 的层间距 t a b l e1 - iv a l u e so f b a s a ls p a c i n gf o rs o m el d h s a n i o no h c 0 3 扣 f -c rb rr n 晚一s 0 4 2 一 c l o d b a s a ls p a c i n g n m0 7 5 50 7 6 5o 7 6 60 7 8 60 7 9 50 8 1 60 8 7 90 8 5 8o 9 2 0 1 1 1 4 粒径尺寸及分布的可调控性 依据胶体化学和晶体学理论，调变l d h s 成核时的浓度、温度可以控制晶体成核 的速度。同时，通过调变l d h s 晶化时间、温度及溶液浓度可以控制晶体生长速度。 由此可以在较宽的范围内对l d h s 的晶粒尺寸及其分布进行调控【3 4 1 。 1 1 1 5 主体层板与层间客体分子之间的相互作用 l d h s 插层组装体的主体层板内存在强的共价键，层间则是一种弱的相互作用力， 主体与客体之间通过静电作用、氢键、范德华力等结合【3 5 1 ，且主、客体都以有序的方 式排列。这种具有特殊结构的多元素、多键型分子聚集体已不是一般概念上的分子化 合物，而是一类具有超分子结构的分子复合材料。 1 1 2l d h s 的主要性质 1 1 2 1 酸碱双功能性 l d h s 的层板由镁氧八面体和铝氧八面体组成。所以，具有较强的碱性【3 6 3 7 1 。不 3 北京化工大学硕士学位论文 同的l d h s 的碱性强弱与组成中二价金属氢氧化物的碱性强弱基本一致；但由于它一 般具有很小的比表面积( 约5 2 0m 2 g ) ，表观碱性较小，其较强的碱性往往在其煅烧产 物_ 双金属氧化物( l a y e r e dd o u b l eo x i d e ，简写为l d o ) 中表现出来。l d h s 一般也带有 酸性特征，不同l d h s 的酸性强弱既与组成中三价金属氢氧化物酸性强弱有关，也与 二价金属氢氧化物的碱性有关。插层l d h s 的酸性有时来自于层间阴离子。 1 1 2 2 层问离子的可交换性 l d h s 的结构特点使其层间阴离子可与各种阴离子进行交换【3 8 】。对于无机阴离子， 其交换能力大小顺序为：c 0 3 2 - s 0 4 2 - h p 0 4 2 - o h - f - - c i - b r - n 0 3 - 。一般而言，高 价阴离子易于交换进入层间，而低价阴离子易于被交换出来。利用l d h s 的这种性质 可以调变层间阴离子的种类赋予l d h s 不同的性质，合成不同类型的l d h s 。 1 1 2 3 热稳定性 l d h s 的热分解过程包括脱层间水、脱羟基( 层状结构破坏) 和新相生成等步骤。对 于镁铝碳酸根水滑石来说，在空气中低于2 0 0o c 时，仅失去层间的水分，而对其结构 没有影响；当加热到2 5 0 - 4 5 0o c 时，层间水分失去的同时有c 0 2 生成；加热到4 5 0 5 0 0 o c 后，脱水比较完全，c 0 3 2 - 消失，完全转变成c 0 2 t 3 9 , 4 0 。当加热温度不超过5 5 0 - 6 0 0 o c ，则这一分解过程是可逆的，在这一过程中仅表现为适当的表面积增加，孔体积增 大以及形成了酸碱中心。当加热温度超过了6 0 0o c 时，则分解后形成的金属氧化物的 混合物开始烧结，从而使表面积降低，孔体积减小，同时形成尖晶石 4 1 , 4 2 1 。 1 1 2 4 记忆效应 所谓记忆效应是指在一定条件下，将l d h s 热分解所获得的氧化物在一定外界条 件下，可使之恢复到起始物质状态。但是，记忆效应与热分解的温度有关，当温度过 高时，分解产物无法恢复至l d h s 的结构。同时，此种恢复不是百分之百的恢复，且 在恢复过程中，其结晶度会有所降低。 1 1 3l d h s 的制备 4 北京化工大学硕士学位论文 1 1 3 1 共沉淀法( 一步组装法) 共沉淀法是以构成l d h s 层板的金属离子混合溶液在碱作用下同时隔绝c 0 2 的条 件下发生共沉淀，其中在金属离子混合溶液中或碱溶液中含有所要合成组成的阴离子 基团，共沉淀物在一定条件下晶化，即可得到目标l d h s 。1 9 4 2 年，f e i t k n e e h t 等【4 3 1 首先用这种方法合成了l d h s 。 根据合成过程中操作方法的不同，共沉淀法又可分为以下几种： ( 1 ) 变化p h 法【槔叫( 又称单滴法或高过饱和度法) 将m 2 + 和m ”离子的混合盐溶液在剧烈搅拌条件下缓慢滴加到含有层间所需要阴 离子的混合碱溶液中，滴加后浆液在一定温度下晶化一定时间，经抽滤、洗涤、干燥 得l d h s 样品。 ( 2 ) 恒定p h 、法【缸5 8 1 ( 又称双滴法或低过饱和度法) 将两种溶液( 其中一种是m 2 + 和m 3 + 离子的混合溶液，另一种是含有层间所需要阴 离子的碱溶液) 通过控制相对滴加速度同时缓慢加入到另一搅拌容器中，并保持p h 值 恒定。滴加后浆液在一定温度下晶化一段时间，经抽滤、洗涤、干燥得到l d h s 样品。 该法的特点是在滴加的过程中体系p h 值保持恒定不变，易得到相纯度较高的的l d h s 样品。 ( 3 ) 成核晶化隔离法【5 9 ，删 成核晶化隔离法是将配制好的混合盐溶液和碱液加入旋转液膜成核反应器中，在 相同的过饱和度下瞬间完成成核( 一般1 2s ) ，此时受反应条件的限制，晶核的生成占主 要地位，而晶体的生长可被完全忽略；然后在预定的条件下，采用恒温晶化法使晶核 在相同的环境下同步生长。过滤、洗涤、干燥后即得到一定尺寸分布的l d h s 。用该法 制备l d h s 时，晶化时间和晶化温度对晶粒尺寸有较大影响。 ( 4 ) 尿素法( 又称平衡移动法) 将合成l d h s 所需的二价和三价金属盐与尿素一起配成混合溶液，将该溶液放入 高压釜中，在较高温度条件下使尿素分解。分解的氨水中提供共沉淀的碱性环境。分 解出的c 0 2 溶于水形成c 0 3 2 可进入层间，从而形成碳酸根型的l d h s 。此法的特点 是体系过饱和度低，产物晶粒尺寸大，晶体结构比较规整。 ( 5 ) 非平衡晶化法【6 2 】 北京化工大学硕士学位论文 共沉淀法是合成l d h s 最常规的方法，但受热力学平衡的限制，在一定温度下晶化 一定时间后，再延长晶化时间对晶粒的生长影响不大。 将盐溶液和碱溶液迅速于全混返爆发式成核反应器中混合，使其在短时间内充分 接触、瞬间成核。晶化一段时间后，再滴加盐和碱溶液，控制溶液中的金属离子的浓 度始终处于过饱和，并控制反应条件使所滴加的离子在原来的l d h s 粒子上沉积，而不 形成新的晶核。而控制较高的滴加温度及较慢的滴加速度是非平衡晶化法合成大粒径 l d h s 的关键。 1 1 3 2 焙烧复原法【6 3 石7 】 这一方法是建立在l d h s 的“记忆效应”( m e m o r ye f f e c t ) 基础上的制备方法。将l d h s 在一定温度下煅烧成l d o 后在一定条件下与所需插入的阴离子的碱溶液混合，经晶 化、过滤、洗涤、干燥，重新形成具有新结构的l d h s 。这种方式多用于插入较大体积 的客体分子，但缺点是容易生成非晶相物质【6 8 】。该法突出的优点是消除了与有机阴离 子竞争插层的金属盐无机阴离子，但合成过程较为繁琐，l d o 经结构复原生成插层 l d h s 的程度与前体金属阳离子的性质及焙烧温度有关，应该依据不同l d h s 前体组成 来选择适宜的焙烧温度【6 9 1 。 1 1 3 3 溶胶一凝胶法 溶肭胶法的基本过程主要包括水解、沉淀、洗涤、干燥等步骤。与传统的共沉 淀法相比，该法是先将金属烷氧基化合物在盐酸或硝酸溶液中进行水解，然后再进行 沉淀，并控制条件首先得到凝胶。p r i n e t t o 等【7 0 】用该法合成了m g a l l d h s ，并首次合成 有机阴离子柱撑的n i a l l d h s ，研究发现该法制备的l d h s 及其焙烧后的复合氧化物的 结构和形态特征均不同于共沉淀样品，且焙烧产物的比表面积比共沉淀产物提高了 1 0 - 2 5 ，对其催化应用极为有利。 1 1 3 4 水热合成法【7 1 7 8 】 水热合成是以含有构成l d h s 层板的金属离子稳定氧化物或氢氧化物，如a 1 ：0 3 、 m g o 、a 1 ( o h ) ，、m g ( o h ) ：等，与混合碱溶液一起在高温高压下进行水热处理，由金属氧 化物和氢氧化物进行的原子重排而得到l d h s 。水热法已被广泛用于材料制备、化学反 应和处理。水热法可显著提高结晶度，且晶粒尺寸随处理时间的延长而增大。 6 北京化i 丈学磺学位论文 1 1 3 5 离子交换法 7 9 - s 1 当m 2 + 或m ”金属离子在碱性介质中不稳定，或当阴离子a ”没有可溶性的盐类， 及共沉淀无法进行时，可采用离子交换法。此法是从给定的l d h s 出发，将所需插入 的阴离子与l d h s 层间阴离子在一定条件下交换，一般是用层间为一价阴离子( 如c i - 和n c i n 的l d h s 作为交换前体，一价阴离子与欲插入的阴离子进行交换，组装出结构 有序的超分子插层材料，其过程如图l 3 所示。这种方法插入的客体一般是具有较高 电荷密度的二价或更高价态的阴离子，且反应时间较短是合成一些特殊组成l d h s 的重要方法。离子交换反应进行的程度与离子的交换能力、层的溶胀与溶胀剂、交换 过程中的p h 值以及层板电荷密度等因素有关。 蕊。o c o n 吕e x c h a n g 趟 絮a 鲞。净。冒目目目 亩麓瘟疽瑚萄隘播够黼 1 1 3 6 其他方法 合成水滑石类复合材料的方法还有焙烧复原法l 栅、返混，沉淀法【盼l 、预支撑法嗍、 模板法p ”、盐氧化物法、双粉末合成法等。为获得纯度较高且晶形较为完善的水滑石 类复台材料，有时将几种插层组装方法联合使用，例如将焙烧复原法与离子交换法结 合或进行二次离子交换。 1 2 环糊精简介 自2 0 世纪7 0 年代以来环糊精化学进入了一个迅猛发展的新时期，权威机构出 示的严谨的毒理学研究结果表明环糊精是无毒的，这极大促进了环糊精的应用与科学 研究，随着制备技术的提高，环糊精目前已可大规模生产。由于环糊精具有疏水空腔， 可以包结各种各样的无机、有机和生物分子，形成主一客体或超分子化台物，因此其在 超分子化学研究中得到广泛的应用。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 1 环糊精的结构和性质 1 2 1 1 环糊精的结构 环糊精是由d 吡喃葡萄糖单元通过a 1 ，4 - 糖苷键连接而成的环状低聚剜9 1 - 9 3 ，它是 “内疏水，外亲水一具有一定尺寸空腔的圆台状分子，最常见的环糊精是a - ，p - 和7 - 环糊精，分别拥有6 ，7 和8 个胪( 咿吡喃葡萄糖。其中，p 环糊精是最易得，也是最 常用的，其示意图如图1 4 。 一7 f i g 1 - 4s t r u c t u r e so f pc y c l o d e x t r i n 图l - 4 争环糊精的结构示意图 1 2 1 2 环糊精空腔的疏水性 环糊精的内壁【帅辨】，由指向空腔的c 3 和c 5 上的氢原子以及糖苷键的氧原子构成， 糖苷键上的氧原子处于空腔内侧c - _ h 键的屏蔽之下。空腔内部只有氢原子及糖苷氧原 子，具有疏水性，而空腔端口的羟基使环糊精外部具有亲水性。这些氧原子的孤对电 子指向空腔内部，使环糊精内部产生较高电子云密度，从而表现出一些l e w i s 碱的特 征。 1 2 1 3 环糊精的手性微环境 争环糊精中每个葡萄糖单元有5 个手性碳原子【9 5 1 ，一个肛环糊精分子共有3 5 个手 性碳原子。这种结构因素能对手性化合物起到不对称识别的作用，疏水的空腔能提供 一个具有多个手性中心疏水的结合部位。这使环糊精不但能够选择性的键合各种有机、 无机和生物分子形成超分子化合物，而且还可为包结底物提供一个手性微环境，这样 的结构特点进一步扩展了环糊精在分析分离中的应用范围。 8 北京化工大学硕士学位论文 1 2 2 环糊精衍生物 1 2 2 1 通过修饰环糊精来克服母体环糊精的局限性 母体环糊精尽管具备一个空腔，可以作为结合底物或客体分子的位点，但从母体 环糊精的分子性质来看，如溶解度，母体环糊精不易溶于水，需要添加增溶剂来增加 其溶解度。因此它还有很大的局限性，要扩大环糊精的应用范围，就要对环糊精进行 化学修饰。修饰环糊精( m o d i f i e dc y d o d e x t r i n s ) 指在保持骨架大环基本不变的情况下引 入取代基，因此，修饰后的环糊精也叫环糊精衍生物( c y c l o d e x t r i nd e r i v a t i v e s ) 。 1 2 2 2 修饰环糊精取代度的表征方法 从构成环糊精的基本单元吡喃葡萄糖环的结构和键的化学性质出发，可以进行反 应和断裂的位置有c 2 ，c 一3 ，c - 6 位羟基和c _ o ，c - h ，c - c 键。关于修饰环糊精取 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【矧，有用葡萄糖单元被取代的平均 数，此值在之间。此外，还有其它表示方法：m s ( m o l e c u l a rs u b s t i t u t i o n ) 表示每个 吡喃葡萄糖单元经烷基化的平均数，由于这个侧链有可能再和别的烷基化剂反应，因 此这个数值可以超过3 。 由于各种各样表示方法将引起混乱且没有多少实用价值。出于技术应用的目的【黯】， 一般在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；而在研究分子识别机理和酶的催化机理时，则必须明确所使用化学修饰环糊精的 取代基位置。 1 2 3 环糊精及其衍生物在物质分离中的应用 目前环糊精及其衍生物在色谱与电泳分离对映体【9 9 - 10 3 1 、不对称合成1 0 3 - 1 响和生物 技术【1 0 7 1 等基础科学研究中都有重要应用，在食品、日用品、医药【1 0 5 , 1 0 9 、化学工业、 环境保护 n o , h i l 和农业【2 1 等应用技术领域中也得到了广泛使用。近年来，环糊精和修 饰环糊精的应用研究和实用化己扩展到纤维和建筑材料领域，技术水平也向更高层次 发展。随着超分子化学研究的深入，必将进一步推动环糊精化学的发展，环糊精及其 各种衍生物的应用前景将更为广阔。 9 北京化工大学硕士学位论文 1 2 3 1 环糊精及其衍生物的手性分离机理 传统的“三点作用理论认为，p 环糊精的空腔能与对映体形成包结物，对映体的 疏水部分体积与环糊精空腔大小匹配。对映体的手性中心或与手性中心相连的基团处 于环糊精端口边缘并能与边缘上的仲羟基相互作用。b 环糊精衍生化后引入的基团与 被分析物之间可能形成相互作用、氢键和偶极堆积作用，该结构特征还可能产生一种 手性排斥力。 对环糊精衍生物的手性拆分机理目前还没有确定解释，提出的拆分机理可以总结 为如下几种：( 1 ) 包合作用；( 2 ) 构型诱导作用；( 3 ) 缔合作用；( 4 ) 主客体作用；( 5 ) 多模 式作用【1 1 3 】 1 2 3 2 环糊精衍生物用于手性分离的热力学研究 目前，对环糊精衍生物作为气相色谱固定相的分离机理已有一些研究。a r m s t r o n g 4 】 对环糊精衍生物的手性拆分过程进行了大量的热力学研究，认为在环糊精固定相上存 在至少两种对映体保留机n - 一种是形成包结物；另一种是形成了松散的、外部的多 种作用( 如环糊精项、底边的作用) ；也有许多化合物显示了介于上述两种机制之间的 保留行为。 蒋艳杰等【1 1 5 】计算了在全甲基争环糊精( p m b c d ) _ 1 2 拆分直链仲醇类对映体衍生物 的热力学数据，发现它们在全甲基p 环糊精上的拆分机理一致。聂孟言等【6 】在p m b c d 固定相上拆分了扁桃酸酯及其类似物，获得了很好的拆分效果。对热力学数据的分析 结果表明，氢键作用对该类化合物的手性识别有一定的贡献。这一系列物质在p m b c d 上的拆分，存在焓熵补偿现象，即它们存在相同或基本一致的拆分机制。 1 2 3 3 环糊精衍生物用于手性分离的分子动力学研究 l i o k o w i t z 等唧】使用分子动力学，模拟了以环糊精衍生物( c d s ) 为主体的气相色谱 ( g c ) 中，手性识别发生的位置。他们发现在g c 高温下，溶质在环糊精两个面间快速 穿梭，很难区分键合是在c d s 的第一面还是第二面。由于主体围绕客体的结构变形引 起的范德华力稳定作用，最可能的键合位置是在环糊精空腔内。研究发现组成主客体 配合物的分子间作用力是短程色散力，引起手性识别的也是短程色散力。 聂孟言等【7 l l 采用分子动力学方法的研究发现：在平衡态时，小卤代丙酸甲酯位 于p m b c d 疏水空腔的上部，其c 0 k ( 2 ) 轴与环糊精中心轴之间的夹角约为4 5o c 。 l o 北京化工大学硕士学位论文 其中对映体含溴端朝下( 即指向环糊精的窄口端) ，手性中心位于葡萄糖单元的2 ，3 位手性碳附近。 1 2 4 环糊精包合物 1 2 4 1 环糊精包合物定义 环糊精是超分子化学中最重要的主体物质之一，它能与许多有机、无机和生物分 子形成主客包合物。所谓“包合”就是主体与客体通过分子间相互作用，完成彼此间 识别的过程，最终使得客体分子部分或全部嵌入主体内部的现象【1 1 9 1 。 1 2 4 2 包合物形成的条件 能够形成包合物是环糊精最重要的性质之一。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，形成包合物。简而言之，环 糊精包合物能否形成受内在因素和外在条件的影响。外在条件与以下几个方面有关【1 2 0 】： ( 1 ) - - 维空间排列的相互匹配性；( 2 ) 范德华力；( 3 ) 色散力；( 4 ) 偶极一偶极相互作用；( 5 ) 电荷转移作用；( 6 ) 静电作用力；( 7 ) 氢键；( 8 ) 疏水作用。 内在因素取决于环糊精和其客体的基本性质。归纳起来主要有以下三方面【1 2 1 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的，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，其疏水基团与环糊精 空腔有最大接触，而其亲水基因远离空腔。 ( 2 ) 主客体符合空间匹配效应。环糊精孔径大小不同，它们分别可选择容纳体积大 小与其空腔匹配的客体分子，这样形成的包合物比较稳定。客体分子尺寸太大，不易 进入空腔中，而尺寸太小又不稳定。 ( 3 ) 氢键与释出高能水。一些客体分子与环糊精的羟基可形成氢键，增加了包合物 的稳定性。客体的疏水部分进入环糊精空腔，取代空腔中的高能水，有利于环糊精包 合物的形成。 上述三个因素不但影响环糊精包合物能否形成，而且还直接影响包合物的稳定性， 即包合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。 包合物的形成还受时间、反应温度、搅拌( 或超声振荡) 时间、反应物浓度等外在条件的 影响。一般延长反应时间、搅拌时间、提高环糊精浓度有利于包合物的形成。包合反 北京化工大学硕士学位论文 应一般可在室温下进行，有的反应需在一定的温度下进行，但从机理上分析，升高温 度会引起分子运动的加剧，对形成的包合物起破坏作用，不利于包合反应的进行，使 稳定常数降低。 1 2 4 3 制备包合物常用的方法 根据客体分子的溶解性差异，可以采取不同的方法制备包合物。主要方法有饱和 水溶液法、干混法和冷冻干燥法。 ( 1 ) 饱和水溶液法( 重结晶或共沉淀法) 将客体分子或其溶液加入饱和的1 3 - c d 水溶液中，在一定的温度下搅拌相当时间后 冷却，使结晶，过滤，干燥即可。这是目前研究中采用最多的方法，一般在磁力搅拌 或电动搅拌下进行。 ( 2 ) 超声法 将客体分子加入到h i ) 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，将析出的沉淀按照上述方法处理即得。该法简便快捷。 ( 3 ) 研磨法( 干混法) 取环糊精加入2 5 倍量水研匀，加入客体分子( 或将客体分子溶入少量适当溶剂中) 置研磨机中充分混合研磨成糊状，低温干燥后用适当溶剂洗净，再干燥即得包合物。 ( 4 ) 冷冻干燥法 若包合物易溶于水，不易析出结晶沉淀，或在加热干燥时易分解，变色，可用冷 冻干燥法干燥，使包合物外形疏松，溶解性能好。 ( 5 ) 喷雾干燥法 若包合物易溶于水，遇热性质又较稳定，就可采用喷雾干燥法制备包合物，喷雾干 燥温度高，受热时间短，产率高。 1 3 环糊精插层水滑石的研究现状 一直以来，环糊精作为主体化合物的研究较多，而将其作为客体的研究很少。首 次将环糊精作为客体研究的是将修饰环糊精插层到二价铜的蒙脱土和洳磷酸锆中 1 2 2 , 1 2 3 】。1 9 9 8 年z h a o 和v a n c e 等报道了羧甲基环糊精对水滑石的插层及插层产物的吸 附性能，这是环糊精插层水滑石的首次研究【1 2 4 1 。 1 2 北京化工大学硕士学位论文 l m o h a n a m b e 和s v a s u d e v a n 将羧甲基化的环糊精插层镁铝水滑石，建立了相关 的分子模型，并且研究了该体系对于葸分子和萘分子的吸附后的相关性能1 2 5 1 2 6 1 。 本实验室王继研究了磺化环糊精对不同层板水滑石的插层组装，并对m a l 水滑 石的插层复合材料的热分解过程进行了详细研列1 2 7 l 。刘晓磊进一步将羧甲基化的环糊 精插层水滑石，分别研究了粉体和薄膜对于外消旋苯基乙二醇的手性选择性吸附，说 明环糊精插层水滑石体系对于手性拆分有着潜在的应用前景【1 2 引，同时提出并证实了环 糊精插层水滑石体系包合中性客体是一个“溶胀_ 包合的过程【1 2 9 】。 前人对环糊精插层水滑石的制备及表征等方面研究为本论文的开展提供了重要的 借鉴作用。 1 4 本论文的研究意义和内容 1 4 1 研究的目的和意义 1 ) 环糊精分子具有多个手性中心，因而具有手性识别作用。同时环糊精的疏水空 腔可以对生物小分子形成不同强度的识别作用。目前环糊精在色谱及电泳手性拆分中 的应用已非常广泛。但这两种方法均不适合大规模分离生物分子。本论文利用环糊精 的包结性质及选择性识别的特点和水滑石的插层特性，将环糊精插层到水滑石层板间， 目的在于考察插层组装体对核苷的分离效果，以及对外消旋色氨酸的手性拆分性质。 相对于其他分离剂，水滑石类复合材料具有容易合成、价格低廉、环境友好的优点， 因此环糊精插层水滑石材料在生物小分子的选择性分离领域具有潜在的应用前景。 2 ) 将衍生化的环糊精作为客体分子插入水滑石层间后，可利用环糊精的包合性能 将药物分子引入l d h 层间，得到“主一客一客 复杂超分子结构。被包合的药物分子 受环糊精和l d h 层板的双重限域效应作用。本文的工作目的是研究c m c d l d h 对药 物分子5 氟尿嘧啶的包合行为，探索其在药物缓释控释方面的可行性。本论文工作对 于复杂超分子体系的主客体相互作用研究具有一定的理论价值，为将水滑石类无机层 状材料用于药物缓释领域做了有益的探索。 1 4 2 研究内容 1 3 北京化工大学硕士学位论文 本文依据插层组装理论，将化学修饰环糊精插层到水滑石层间。利用环糊精的包 结性质及选择性识别的特点实现其对生物分子核苷的选择性吸附，对外消旋体色氨酸 的拆分性质，以及对药物分子5 氟尿嘧啶的包合和缓释。 本论文围绕下列三部分展开研究工作： ( 1 ) 环糊精插层水滑石薄膜材料对腺苷和鸟苷的选择性吸附研究 采用原位生长技术制备了环糊精插层水滑石薄膜，并对膜的结构进行表征。研究 了该薄膜材料对腺苷和鸟苷的选择性吸附能力。对其吸附动力学研究发现f i c k 扩散方 程能很好地描述该扩散过程，并拟合得到表观扩散系数。 ( 2 ) 将环糊精插层水滑石薄膜材料用于d l 色氨酸的手性拆分研究，对其吸附动力 学和热力学进行研究。探讨了该薄膜材料拆分d l 色氨酸的能力。 ( 3 ) 环糊精插层水滑石材料包合药物分子5 氟尿嘧啶及其控缓释性能研究 分别采用“先插层后包合 和“先包合后插层一的方法制备环糊精插层水滑石包 合5 氟尿嘧啶，并研究了包合产物的控缓释性能。 1 4 北京化工大学硕士学位论文 第二章环糊精插层水滑石薄膜对核苷的选择性吸附研究 2 1 引言 核苷是核苷酸主要的结构组成部分，在生命体许多的生化过程中都起到非常重要 的作用。核苷的生物效应使得它们在医药方面应用非常广泛。由于多种核苷的混合给 病理的研究带来了一系列的复杂因素，因此核苷的纯化与分离一直是分析化学领域研 究的热点。本文选取两种嘌呤核苷作为研究对象，即：腺嘌呤核苷( 腺苷，a ) 分子式： c l o h l 3 n 5 0 4 ；鸟嘌呤核苷( 鸟苷，g ) 分子式：c i o h l 3 n 5 0 5 ，初步研究了c m c d l d h 薄膜对其分离的可行性。a 和g 的化学结构式如下图： n 2 2 实验部分 2 2 1 实验药品 硝酸锌 氢氧化钠 硝酸氨 p - 环糊精 一氯乙酸 硝酸 腺苷 鸟苷 a z n ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 分析纯 n a o h 分析纯 n i - i 4 n 0 3分析纯 ( c 6 h t o o s h化学纯 c i c h 2 c o o h分析纯 h n 0 3分析纯 c t o h t 3 n s 0 4分析纯 c t o h l 3 n 5 0 5分析纯 g 北京益利精细化学品有限责任公司 北京北化精细化学品有限责任公司 北京北化精细化学品有限责任公司 中国医药( 集团) 上海化学试剂公司 天津市博迪化工有限公司 北京北化精细化学品有限责任公司 上海生工生物工程技术有限公司 上海生工生物工程技术有限公司 北京化工大学硕士学位论文 甲醇 乙醇 甲醇 铝片 c h 3 0 h c 2 h s o h c h 3 0 h a 1 分析纯北京化工厂 分析纯北京化工厂 色谱纯天津市津科精细化工研究院 9 9 5 去离子水电导率 1 0 石s c m实验室自制 2 2 2 合成实验 2 2 2 1 羧甲基一1 3 一环糊精的合成 c m c d 参照文献方法合成【1 3 0 l 。将3 2 4g 3 - c d 和3 5 2gn a o h 溶于2 0 0m l 去离子 水中，加入3 7 8gc 1 c h 2 c o o h ，搅拌至溶解，9 0o c 反应5h 。反应完后用h n 0 3 调节 p h 值为5 0 。将反应液转入旋转蒸发仪中，蒸发至体积约为5 0i i l l ，冷却，取出上层 清液倒入烧杯中，加入约5 0 0m l 甲醇，于室温下放置1 2h 。将沉淀取出，7 0o c 烘干5 d ，备用。环糊精的取代度由酸碱滴定法确定，测得取代度为3 6 。 2 2 2 2 合成阳极氧化铝基片0 恨0 a i ) 将厚度为0 7m m 铝片剪切成1 0c m 1 0c i i i 的片，依次放入无水乙醇和去离子水中 超声清洗3r a i n 。然后放入o 1m 的n a o h 溶液中处理2m i n ，再用大量去离子水冲洗 干净。将清洗后的铝片作为阳极，铅片作为阴极，以1m 的h 2 s 0 4 溶液作电解液，恒 压氧化。工作电压2 0 v ，铝片的氧化面积约1 0 0c m 2 ，氧化电流约为2 a ，电解时间为 lh ，电解温度为室温，使金属铝的表面形成阳极氧化铝层。氧化过程中，铅片上不断 有小气泡( h 2 ) 产生，表面阳极氧化后的铝片呈现白色( 为a 1 2 0 3 膜的颜色) 。基片用 大量去离子水清洗干净，7 0o c 干燥后备用。 2 2 2 3 原位生长法制备c i i i c d - - l d h 膜 称取z n ( n 0 3 h 6 h 2 0 ( 5 9 2g ，o 0 2t 0 0 1 ) ，n h 4 n 0 3 ( 9 6g ，1 2m 0 1 ) ，c m c d1 0g ， 溶于2 0 0m l 去离子水中。用浓度为l n h 3 h 2 0 调p h = 6 5 。将大小为3c m 3c m a a o a 1 基片垂直浸入上述溶液中，在7 5o c 下反应4 8h 。反应结束后将样品取出，用 去离子水冲洗干净，于室温下干燥。a a o a i 基片生长c m c