新型β-環(huán)糊精交聯(lián)聚合物的合成及其對兒茶素的吸附

王恩舉，尚彥菁，張 利

（海南師范大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，海南 ?？?571158）

具有包合功能的β-環(huán)糊精（β-CD）是目前應(yīng)用最廣泛的超分子主體化合物.β-CD分子中含有多達21個羥基，其中葡萄糖單元2位和6位的共14個羥基，具有較高的反應(yīng)活性，可以與雙官能團或多官能團羥基交聯(lián)劑反應(yīng)，使β-CD形成交合聚合物（β-CDP）.在聚合物中β-CD具有與游離態(tài)相似的包絡(luò)性能，而且β-CDP中相鄰的環(huán)糊精單元之間具有協(xié)同效應(yīng)，從而使其對一些大體積分子的包絡(luò)能力遠遠大于游離的β-CD[1].環(huán)氧氯丙烷[2]，乙二醇二縮水甘油醚[3]，二異氰酸酯[4]，檸檬酸[5]等都可以作為β-CD的交聯(lián)劑，其中研究最多、使用最廣的是環(huán)氧氯丙烷.β-CD與環(huán)氧氯丙烷一般在在堿水介質(zhì)中反應(yīng)得到β-CDP[5]，但在堿水中環(huán)氧基易與氫氧根離子發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，產(chǎn)物中可能存在大量的環(huán)糊精甘油醚，而且產(chǎn)品的性狀對反應(yīng)時間，堿的濃度、環(huán)氧氯丙烷的用量和滴加速度等因素非常敏感.本文首次在非水介質(zhì)中合成了環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)的β-CDP，避免了環(huán)氧基與OH-的副反應(yīng).并將其應(yīng)用于綠茶提取物脫咖啡因研究，結(jié)果顯示所合成的β-CDP對兒茶素類物質(zhì)、尤其是表沒食子兒茶素沒食子酸酯有較強的選擇性，對咖啡因幾乎不吸附.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

三用紫外線分析暗箱（武漢藥科新技術(shù)開發(fā)有限公司）；Nexus-470型傅里葉變換紅外光譜儀（美國Nicolet公司）.

硅膠GF254薄層層析預(yù)制板（青島海洋化工廠）；β-環(huán)糊精（98%，北京奧博星生物技術(shù)有限公司，使用前110℃干燥3小時）；環(huán)氧氯丙烷（阿拉丁公司）；碳酸鉀（廣州化學(xué)試劑廠）；N,N-二甲基甲酰胺（DMF，國藥集團化學(xué)試劑有限公司，使用前用分子篩干燥，然后減壓蒸餾收集76℃/36 mmHg的餾分）；綠茶（產(chǎn)地：五指山）；所用試劑均為市售分析純.

1.2 β-CD交聯(lián)聚合物（β-CDP）的合成

將干燥的β-CD（11.4 g）溶解于無水DMF（30 mL）中，加入無水碳酸鉀（18 g），常溫攪拌30 min，升溫到100℃，充分攪拌下慢慢滴入環(huán)氧氯丙烷（9 g，溶于10 mL DMF中），滴加過程約需40 min，加完后，升溫至120℃繼續(xù)劇烈攪拌反應(yīng)30 min，冷卻至室溫，抽濾，用大量水和丙酮交替洗滌產(chǎn)品，50℃真空干燥得淺灰色固體10 g.研細過篩.

1.3 β-CDP對綠茶提取物的吸附

綠茶末（1 g）加55%的乙醇（20 mL），室溫（28℃）攪拌2 h，抽濾，濾液減壓濃縮至無醇味，加適量水使成澄清溶液，總體積為10 mL.

β-CDP（10 g）用水溶脹3 h，超聲除去氣泡，裝入內(nèi)徑為2 cm的玻璃柱中，從柱頂均勻加入綠茶提取物水溶液（5 mL），依次用水，不同濃度的乙醇（20%，40%，50%，60%，70%，80%）梯度洗脫.硅膠薄層檢驗各洗脫液，展開劑：V（氯仿）∶V（丙酮）∶V（甲酸）=5∶4∶1.

2 結(jié)果與討論

2.1 β-CDP的合成

環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)β-CDP的合成一般在堿水介質(zhì)中進行，但在堿水中環(huán)氧基可以發(fā)生許多副反應(yīng).由于環(huán)氧基的水解，環(huán)氧氯丙烷需要過量許多倍，更重要的是環(huán)氧基β-CD可以水解生成大量的β-CD甘油醚（1），β-CD甘油醚還可以繼續(xù)反應(yīng)生成更長鏈的甘油醚（2）或通過一個長的甘油醚鏈連接兩個β-CD分子（3），堿的濃度、β-CD的濃度，溫度、環(huán)氧氯丙烷的用量和滴加速度等因素都會影響這些副反應(yīng)[7].相關(guān)反應(yīng)如圖1所示.

圖1 相關(guān)反應(yīng)方程式Fig.1 Related reaction equation

文獻曾在水相條件下合成了β-CDP[6]，聚合產(chǎn)品大量吸水后呈凝膠狀，作為色譜固定相流速太慢.聚合物中大量的甘油醚基、以及β-CD間較長的甘油醚連接臂可能是導(dǎo)致β-CDP吸水溶脹率特別大的原因[8].為了得到有較小的吸水溶脹率、結(jié)構(gòu)均勻、適合作為色譜固定相的β-CDP，本文在非水介質(zhì)合成了一種新的β-CDP，在本方法中能與環(huán)氧基發(fā)生開環(huán)反應(yīng)的官能團只有環(huán)糊精的羥基，避免了在水介質(zhì)中的的副反應(yīng).合成產(chǎn)物的吸水性適中，作為色譜固定相流速適中（比微晶纖維素稍慢），具有很好的應(yīng)用前景.

2.2 紅外光譜

采用KBr壓片法測定了兩種方法合成的β-CDP及β-CD的紅外光譜（見圖2），β-CD分子的2位O—H和3位O—H間存在較強的氫鍵作用，這些氫鍵在β-CD大口端形成一個閉合的大環(huán)，在兩種β-CDP中氫鍵的閉合大環(huán)結(jié)構(gòu)被破壞，氫鍵作用減弱，因此，兩種β-CDP在3400 cm-1附近的O—H伸縮振動吸收比β-CD更加尖銳且吸收強度更大.水相中合成的β-CDP具有較多的亞甲基（CH2），因此在譜圖b中相應(yīng)于CH2在2850 cm-1附近的對稱伸縮振動和1500～1600 cm-1的彎曲振動最強，β-CD中的亞甲基最少，相應(yīng)在這兩個位置的吸收最弱.三個譜圖在1000～1050 cm-1都有強吸收，歸屬為C—O伸縮振動，在β-CD中主要為醇的C—O，醚的O—C—O較少，而在β-CDP中O—C—O數(shù)量相對增多，O—C—O有對稱和不對稱兩種伸縮振動，二者與醇C—O振動吸收疊合使1000 cm-1附近的吸收峰變寬、變鈍，精細結(jié)構(gòu)消失，這種變化在譜圖b中表現(xiàn)的更明顯，這與我們關(guān)于反應(yīng)機理的分析一致.但三者的主要結(jié)構(gòu)單元都是吡喃型葡萄糖，引起紅外吸收的官能團基本相同，這使它們的主要吸收峰也基本相同.

2.3 β-CDP對綠茶提取物的選擇性吸附性能

圖2 紅外光譜：（a）本文合成的β-CDP；（b）水相中合成的β-CDP[6]；（c）β-CDFig.2 FT-IR spectra：（a）β-CDP obtained in nonaqueous medium；（b）β-CDP obtained in aqueous medium[6]；（c）β-CD

圖3 β-CDP乙醇洗脫液的TLC照片F(xiàn)ig.3 TLC photograph of ethanol elutions of β-CDP

在實驗條件下，β-CDP不吸附咖啡因，咖啡因可以被水快速洗脫下來.但能很好地吸附兒茶素類多酚，而且對不同的兒茶素多酚表現(xiàn)出一定的選擇性.當洗脫劑乙醇的濃度小于40%時，幾乎沒有多酚類物質(zhì)被洗下來.50%的乙醇對非酯型兒茶素的洗脫較好，隨著乙醇濃度的增加，洗脫液中酯型兒茶素的比例逐漸增加.70%乙醇洗脫得到的是純度很高的表沒食子兒茶素茶沒食子酸酯（EGCg），80%的乙醇中已經(jīng)沒有多酚類物質(zhì).圖3為梯度乙醇洗脫液的薄層色譜照片，從左向右依次分別為：水洗脫物、綠茶提取物對照品、50%乙醇洗脫液、70%乙醇洗脫液.粗提物對照品斑點由上向下依次為：咖啡因、表兒茶素（EC）、表沒食子兒茶素（EGC）、表兒茶素沒食子酸酯（ECg）、表沒食子兒茶素茶沒食子酸酯（EGCg）.綠茶提取物中酯型兒茶素和咖啡因的含量較高，尤其是EGCg的含量最高.水洗脫液中只有咖啡因，在50%的乙醇洗脫液中雖然4種兒茶素類物質(zhì)的含量相差不大，但相對粗提物而言，非酯型兒茶素得到了富集，粗提物中含量最高的EGCg在50%的乙醇洗脫液中卻非常少.70%乙醇洗脫液中基本上只有EGCg.

文獻曾研究過在堿水體系中合成的β-CDP對綠茶提取物的靜態(tài)吸附性能[6]，本文所合成的β-CDP對兩類兒茶素（酯型和非酯型兒茶素）的選擇性明顯高于前者.這可能與二者的微孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，也可能是由于色譜洗脫法優(yōu)于靜態(tài)吸附法.

3 結(jié)論

在非水介質(zhì)中合成了一種新型的β-CD交聯(lián)聚合物，與傳統(tǒng)的堿水介質(zhì)合成法相比，本合成法避免了由于環(huán)氧乙基易開環(huán)引起的副反應(yīng)，得到的β-CDP吸水性適中，特別適合作為柱色譜固定相.對綠茶提取物的吸附研究表明，β-CDP能從綠茶提取物中選擇性吸附兒茶素類多酚，不吸附咖啡因，而且表現(xiàn)出了對EGCg的特殊高選擇性.因此，本文所合成的β-CDP不但可以用于綠茶提取物脫咖啡因，而且可以用于純化EGCg單體.

[1]王永健,張政樸,何炳林.環(huán)糊精聚合物的高分子效應(yīng)[J].化學(xué)進展,2000,12(3)：318-324.

[2]黃怡,郭金嬋,王曉芳,等.β-環(huán)糊精微球?qū)θ玖戏肿游阶饔醚芯縖J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2009,21(10)：1392-1396.

[3]李英杰,張文治,韓家軍.烷基二環(huán)氧甘油醚交聯(lián)劑制備β-環(huán)糊精聚合物及其應(yīng)用的研究[J].分子科學(xué)學(xué)報,2001,17(2)：105-108.

[4]黃娟,周玉青,韓萍芳,等.二苯基甲烷二異氰酸酯改性β-環(huán)糊精吸附性能[J].化學(xué)工程,2011,39(9)：6-10.

[5]Zhao D,Zhao L,Zhu C S,et al.Water-insoluble β-cyclodextrin polymer crosslinked by citric acid：synthesis and adsorption properties toward phenol and methylene blue[J].J Incl Phenom Macrocycl Chem,2009,63(3)：195-201.

[6]尚彥菁,趙銘春,張利,等.β-環(huán)糊精聚合物的合成及其對兒茶素的吸附[J].海南師范大學(xué)學(xué)報,2012,25(2)：191-193.

[7]王齊放,李三鳴,張予陽,等.通過交聯(lián)度控制β-環(huán)糊精聚合物對藥物的載入與釋放[J].藥學(xué)學(xué)報,2011,46(2)：221-226.

[8]劉郁楊,范曉東,曹哲.β-環(huán)糊精/環(huán)氧氯丙烷水凝膠中水的存在狀態(tài)及其溶脹特性[J].功能高分子學(xué)報,2001,14(2)：169-173.