蓬勃發(fā)展的環(huán)糊精化學(xué)*

張來新，趙衛(wèi)星

（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013）

綜述

蓬勃發(fā)展的環(huán)糊精化學(xué)*

張來新*，趙衛(wèi)星

（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013）

簡要介紹了環(huán)糊精化學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展、應(yīng)用及結(jié)構(gòu)特征；重點(diǎn)討論了：（1）超分子大環(huán)主體化合物環(huán)糊精的自組裝及應(yīng)用；（2）環(huán)糊精自組裝在醫(yī)藥學(xué)方面的應(yīng)用；（3）環(huán)糊精模擬酶及其選擇性識(shí)別作用。并對(duì)環(huán)糊精化學(xué)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

環(huán)糊精；自組裝；應(yīng)用

環(huán)糊精（CD）一般是由6,7或8個(gè)等單位D-吡喃葡萄糖通過α-1，4糖苷結(jié)合而成的結(jié)構(gòu)形似圓筒的環(huán)狀低聚糖。根據(jù)所含葡萄糖單位的個(gè)數(shù)（6，7或8...）分別稱為α-、β-或γ-環(huán)糊精（α-、β-或γ-CD）。與冠醚相似，環(huán)尺寸不同大小的環(huán)糊精可以包合不同大小的分子。環(huán)糊精由于具有疏水的內(nèi)壁空腔和親水性的外壁，使其能夠鍵合各種有機(jī)、無機(jī)和生物分子,形成主-客體包結(jié)配合物，因此，被廣泛用作超分子體系的受體[1]。天然環(huán)糊精自身作為超分子受體，其鍵合能力存在一定的局限性，而環(huán)糊精被各種修飾基團(tuán)修飾后的衍生物問世以來，作為合成受體在科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域如藥物載體、分離物質(zhì)、模擬酶、光化學(xué)傳感等方面均得到廣泛的應(yīng)用。其中環(huán)糊精的超分子自組裝作為構(gòu)建分子機(jī)器、藥物載體、手性識(shí)別、分子催化、酶模擬等領(lǐng)域越來越受到人們的重視[2]。不僅如此，環(huán)糊精在二十一世紀(jì)的熱門學(xué)科如環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域也彰顯出巨大的應(yīng)用潛力。同時(shí)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防及醫(yī)藥學(xué)方面也凸現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

1 超分子大環(huán)主體化合物環(huán)糊精的自組裝及其應(yīng)用

1.1 環(huán)糊精自組裝的超分子導(dǎo)電材料的形成及應(yīng)用

導(dǎo)電高分子材料具有重量輕、易成型、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、抗靜電材料、吸波材料、電磁屏蔽材料以及傳感器等領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用前景，是一類新興優(yōu)良的基礎(chǔ)有機(jī)功能材料。但是，與其它高分子材料一樣，導(dǎo)電高分子材料在使用過程中，在光、熱、機(jī)械力等環(huán)境因素作用下，容易產(chǎn)生局部損傷或微裂紋，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)損壞失效。受生物體自愈合機(jī)制啟發(fā)，近年來，具有自愈合功能的材料研究成為科研工作者關(guān)注的重點(diǎn)。為此，四川大學(xué)的張大麗等人利用表面接枝環(huán)糊精的碳納米管與含有客體基團(tuán)的有機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合組裝，成功制備了兩種具有自愈合功能的超分子導(dǎo)電材料。他們的研究表明：通過環(huán)糊精與客體基團(tuán)之間的主客體識(shí)別，碳納米管與有機(jī)分子間形成了交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其材料表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能。并且，由于碳碳納米管密集堆積形成導(dǎo)電通路，此超分子材料也表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性能。電導(dǎo)率最高可達(dá)10s·cm-1。由于環(huán)糊精與客體基團(tuán)的非共價(jià)鍵相互作用力較弱，材料在損傷時(shí)，斷面處存在大量游離的主客體基團(tuán)，二者重新相互作用形成主客體識(shí)別導(dǎo)致材料自愈合。自愈合后材料的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能恢復(fù)90%以上[3]。該研究在材料科學(xué)、信息科學(xué)、航空航天及醫(yī)藥學(xué)中將得到廣泛應(yīng)用。

1.2 環(huán)糊精二維雜化自組裝：手性轉(zhuǎn)移與手性放大

環(huán)糊精作為一類典型的超分子主體分子的最突出的結(jié)構(gòu)特性是其疏水空腔和內(nèi)手性。在超分子組裝過程中同時(shí)利用主客體識(shí)別和手性微環(huán)境，是發(fā)展新的以環(huán)糊精為構(gòu)筑基元的多組分功能超分子組裝體的熱點(diǎn)之一[4]。為此，吉林大學(xué)的岳亮等人利用含有識(shí)別客體基團(tuán)的無機(jī)復(fù)合金屬氧族與環(huán)糊精之間的主客體識(shí)別作用，同時(shí)利用多金屬氧族的多電荷產(chǎn)生的靜電相互作用，將這類無機(jī)多陰離子與環(huán)糊精進(jìn)行共組裝，不僅成功的實(shí)現(xiàn)了雜化組裝，而且得到了一類新穎的二維交聯(lián)型環(huán)糊精組裝結(jié)構(gòu)。雖然采用了不同的識(shí)別組裝路徑，但都可以形成有機(jī)-無機(jī)雜化超分子聚輪烷結(jié)構(gòu)。更為巧妙地是，選擇合適的主客體識(shí)別方式，可以將環(huán)糊精的內(nèi)手性轉(zhuǎn)移到識(shí)別客體，并傳遞到整個(gè)組裝體中，形成單一螺旋扭曲方向的手性組裝體。從連接方式上，這種交聯(lián)型超分子聚輪烷也代表了一類新型的超分子聚合物。通過多種相互作用相協(xié)同，能夠?qū)崿F(xiàn)無機(jī)多陰離子簇與環(huán)糊精的超分子交聯(lián)。共價(jià)作用和靜電作用的結(jié)合使得主客體識(shí)別不僅作為結(jié)合力存在于組裝體中，也能把識(shí)別所產(chǎn)生的誘導(dǎo)手性放大到二維自組裝結(jié)構(gòu)中。此外，通過對(duì)識(shí)別作用的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)手性轉(zhuǎn)移的可逆調(diào)控[5]。該研究將在信息科學(xué)、材料學(xué)科及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

1.3 兩親分子與環(huán)糊精體系的尺度自組裝

近年來，表面活性劑等兩親分子環(huán)糊精相互作用的相關(guān)研究已普遍展開，隨著人們對(duì)這兩大類體系認(rèn)識(shí)的逐漸深入，人們逐漸了解了表面活性劑/環(huán)糊精體系相互作用的基本特點(diǎn)，普遍認(rèn)為表面活性劑的疏水尾鏈會(huì)因主客體體系作用被環(huán)糊精的空腔包結(jié)，進(jìn)而由于二者形成的主客體復(fù)合物不在具有較強(qiáng)的疏水效應(yīng)而難以形成聚集體。因此，在傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中，對(duì)環(huán)糊精可以形成有序微納米結(jié)構(gòu)的表面活性劑體系而言，是一個(gè)強(qiáng)力的有序結(jié)構(gòu)破壞劑，其可造成體系中聚集結(jié)構(gòu)的解體。為此，北京大學(xué)的蔣凌翔等人經(jīng)過探索研究發(fā)現(xiàn)，在環(huán)糊精和表面活性劑混合體系的中高濃度區(qū)，相關(guān)體系中可形成囊泡、層狀結(jié)構(gòu)、剛性微納米管等豐富的自組裝結(jié)構(gòu)。他們?cè)趥鹘y(tǒng)的環(huán)糊精與表面活性劑體系的研究中發(fā)現(xiàn)了非兩親自組裝的新現(xiàn)象，并進(jìn)而開展了與無機(jī)納米粒子的復(fù)合組裝。利用環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了多種自組裝結(jié)構(gòu)的酶促發(fā)調(diào)控。開發(fā)了環(huán)糊精作為兩親分子自組裝結(jié)構(gòu)破壞劑外的結(jié)構(gòu)促進(jìn)劑、電荷緩沖劑等新特點(diǎn)，從而為環(huán)糊精與兩親分子的尺度組裝研究提供了新的科學(xué)認(rèn)識(shí)[6]。

2 環(huán)糊精自組裝在醫(yī)藥學(xué)方面的應(yīng)用

2.1 甲基-β-環(huán)糊精/CTAB協(xié)同增敏熒光法測定醋酸阿比特龍酯

醋酸阿比特龍酯（ART）是一種口服有效地CY17酶不可逆抑制劑。抑制這種酶可以切斷腫瘤的雄性激素的“燃燒供給”，從而發(fā)揮其殺滅前列腺癌細(xì)胞的作用。目前報(bào)道的測定ART的方法為LC-MS法，該方法涉及的儀器較貴，操作也比較復(fù)雜。研究表明，超分子化合物（表面活性劑、環(huán)糊精、杯芳烴等）對(duì)光譜分析具有增敏作用。熒光光譜法具有靈敏度高、選擇性好、分析速度快等特點(diǎn)，在藥物分析中有著重要的地位。為此，揚(yáng)州大學(xué)的任秋奕等人利用β-環(huán)糊精與CTAB微乳液協(xié)同增敏熒光法對(duì)醋酸阿比特龍酯的熒光具有強(qiáng)烈的增敏作用，提出了分析醋酸阿比特龍酯的新方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化，通過測定包合常數(shù)和熒光量子產(chǎn)率，初步探討了體系增敏作用的機(jī)理[7]。該法用于樣品中ART的測定，效果優(yōu)良。

2.2 環(huán)糊精自組裝的刺激響應(yīng)納米聚集體在醫(yī)藥學(xué)上的應(yīng)用

近年來，科學(xué)家利用環(huán)糊精與客體分子的響應(yīng)性自組裝包合作用，構(gòu)筑了多種響應(yīng)材料，如響應(yīng)性膠束、凝膠、囊泡及樹枝狀聚集體等，并將該系列納米聚集體應(yīng)用到生物醫(yī)藥及仿生材料。為此，四川大學(xué)的李幫經(jīng)等人利用環(huán)糊精修飾的金納米和客體分子修飾的聚合物，得到了一類新穎的具有優(yōu)異生物相容性的聚乙二醇（PEG）和聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）同時(shí)修飾的納米囊泡，該囊泡可以首先將藥物運(yùn)送至癌癥位點(diǎn)后，通過簡單的冰敷降溫或冷凍探針方法控制釋放DOX和AuNP/Dox，然后AuNP/Dox被癌細(xì)胞攝入并發(fā)揮類似“集束炸彈”的治療效果。實(shí)驗(yàn)表明，通過對(duì)溫度或氧化劑的調(diào)控和加入可以實(shí)現(xiàn)包封了抗癌藥物的大分子膠束的形成與瓦解，以便用來進(jìn)行藥物的可控釋放[8]。結(jié)果表明，通過環(huán)糊精自組裝制備的納米聚集體具有良好的生物相容性能，而且制備方法簡單、高效，在生物醫(yī)用材料、仿生材料、傳感及催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 原人參三醇/修飾環(huán)糊精超分子配合物的合成及應(yīng)用

20（S）-原人參三醇（PPT）是人參、三七、西洋參和絞股藍(lán)等藥用植物中皂苷類物質(zhì)的主要苷元。PPT在血液系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和抗腫瘤方面與三七皂苷具有相同的生理活性。PPT可以顯著地抑制多種腫瘤細(xì)胞的增殖與生長，是一種有應(yīng)用前景的癌細(xì)胞分化誘導(dǎo)劑。但由于PPT的水溶性差、生物利用度低等不足，云南師范大學(xué)的李進(jìn)等人研究和解決了修飾β-環(huán)糊精與PPT自組裝的超分子配合物的水溶性問題，他們通過混合溶液攪拌法制備了HP-β-CD（1）、SBE-β-CD（2）和DM-β-CD（3）與PPT的超分子配合物，其水溶性研究表明，其（1）、（2）和（3）式的超分子配合物相比較于PPT其水溶性分別增大1357、670和725倍，其增溶效果顯著[9]。該研究將通過增加其水溶性，提高了藥用生物醫(yī)學(xué)利用度，極大地提高了治療癌癥的藥理效能。

3 環(huán)糊精模擬酶及其選擇性識(shí)別作用

3.1 環(huán)糊精兩親體系模擬酶的選擇性識(shí)別催化作用

分子聚集體，特別是由兩親分子構(gòu)成的聚集體在生命體內(nèi)廣泛存在并發(fā)揮著重要的作用。因此，多種具有生物催化活性及生物響應(yīng)性的分子聚集體被設(shè)計(jì)合成出來。其中，由于環(huán)糊精的兩親分子聚集體擁有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：環(huán)糊精具有疏水空腔可以識(shí)別并結(jié)合作為反應(yīng)底物的分子；同時(shí)環(huán)糊精上的羥基可以進(jìn)一步修飾得到具有多種催化反應(yīng)功能的、具有活性的人工酶。在此基礎(chǔ)上，兩親分子的引入能將分散的小分子模擬酶進(jìn)行誘導(dǎo)組裝、在局部形成與天然酶類似的多反應(yīng)位點(diǎn)。為此，南開大學(xué)的胡平等人利用修飾有二乙烯三胺與雙吡啶甲基氨基的環(huán)糊精金屬離子配合物與表面活性劑如十二烷基苯磺酸鈉進(jìn)行組裝，并在此基礎(chǔ)上研究了該類體系對(duì)乙酸對(duì)硝基苯酯（NA）的羧酸酯鍵和雙（對(duì)硝基苯基）磷酸酯（BNPP）的磷酸二酯鍵的催化水解能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在加入表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉之后，二乙烯三胺環(huán)糊精與雙吡啶甲基氨基環(huán)糊精水解NA的反應(yīng)速率分別提高2.4倍和7.2倍[10]。該研究在分子識(shí)別和分子催化方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 兩性離子環(huán)糊精衍生物的合成及其對(duì)膽酸分子的識(shí)別

可水解的陽離子型兩性離子酯類化合物通過隱藏部分電荷，可以達(dá)到殺菌、凝聚基團(tuán)、或改變其溶解度的特定目的。它們可以通過水解逐漸改變其電性轉(zhuǎn)化為環(huán)保和生物相容性的兩性離子化合物。由于其獨(dú)特的性質(zhì)，這些材料被廣泛應(yīng)用于環(huán)保抗菌涂料和高效的基因傳遞載體。另一方面β-環(huán)糊精由于易于制備、價(jià)格低廉、水溶性良好，低毒性并且其疏水空腔可以包結(jié)各種無機(jī)和有機(jī)分子離子，在水溶液和固態(tài)時(shí)對(duì)各種客體的大小和形狀都具有高的選擇性，因此，在離子分子的識(shí)別方面將得到廣泛應(yīng)用。為此，南開大學(xué)的陳麗霞等人設(shè)計(jì)并成功合成了兩性離子型環(huán)糊精衍生物，且通過酯基的水解來調(diào)控對(duì)離子的識(shí)別能力。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表征了可水解的環(huán)糊精類兩性離子酯在不同pH值范圍的存在形式，并優(yōu)化了其水解的pH條件[11]。同時(shí)研究了兩性離子型環(huán)糊精衍生物水解前后對(duì)膽酸分子的識(shí)別行為及鍵合模式。該研究將在催化科學(xué)、分析分離科學(xué)及生命科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

綜上所述，環(huán)糊精是迄今所發(fā)現(xiàn)的類似于酶的理想主客體分子，并且其本身就有酶的特性。因此在催化、分離、食品以及藥物等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。工業(yè)上，不少染料都是以環(huán)糊精作基體；而不少有醫(yī)療功效的藥用植物，如蘆薈都含有環(huán)糊精復(fù)合物?？偠灾h(huán)糊精在醫(yī)藥業(yè)、分析分離科學(xué)、日用化工、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用難以盡舉。如農(nóng)業(yè)上用改性環(huán)糊精浸種可改變作物生長特性和提高產(chǎn)量；不溶性環(huán)糊精可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和廢水處理。特別值得提出的是其作為酶模型以及自組裝與分子識(shí)別的主體將對(duì)科學(xué)發(fā)展、人類文明進(jìn)步有著不可估量的發(fā)展和應(yīng)用前景。

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［3］張大麗,郭坤,張晟,等.基于環(huán)糊精自組裝的超分子導(dǎo)電材料［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月:17-18.

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［5］岳亮,張斌,吳立新.環(huán)糊精二維雜化自組裝:手性轉(zhuǎn)移與手性放大［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月：7-8.

［6］蔣凌翔,閻云,黃建濱.兩親分子與環(huán)糊精體系的多尺度組裝［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延：:延邊大學(xué),2014年8月：10-11.

［7］任秋奕,朱霞石.甲基-環(huán)糊精/CTAB協(xié)同增敏熒光法測定醋酸阿比特龍酯［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集：吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月：81-82.

［8］李幫經(jīng),康澤,李建虎,等.基于環(huán)糊精自組裝的刺激響應(yīng)納米聚集體設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月：30-31.

［9］李進(jìn),邵大釗,李彥,等.原人參三醇?修飾環(huán)糊精分子配合物的研究［C］.吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月。全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.2014年8月：308-309.

［10］胡平，陳湧，劉育.基于環(huán)糊精兩兩親體系模擬酶的研究［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月：244-245.

［11］陳麗霞，張瀛溟，劉育.兩性離子環(huán)糊精衍生物的合成及其對(duì)膽酸分子的識(shí)別［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.2014年8月：238-239.

綜述

Flourishing development in cyclodextrin chemistry*

ZHANG Lai-xin*，ZHAO Wei-xing
（Chemistry&Chemical Engineering Department,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721013，China）

This paper briefly introduces the generation,development,applications,and structure features of cyclodextrin chemistry.Emphases are put on three parts:①self-assembly and applications of supramolecular macrocyclic host cyclodextrin compounds;②applications of self-assembly of cyclodextrin in medicine;③selective recognition of mimetic enzyme of cyclodextrin.Future developments of cyclodextrin chemistry are prospected in the end.

cyclodextrin；self-assembly；application

O624

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tg.20150342

2014-11-23

陜西省植物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目（09JS066）；陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助課題（04JK147）；寶雞文理學(xué)院自然科學(xué)基金資助課題（zk12014）

張來新（1955-），男，漢族，陜西周至人，寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事大環(huán)化學(xué)研究及天然產(chǎn)物分離提取。