β-環(huán)糊精/芘包合物的制備與表征研究

王立紅，丁克強，趙振華，劉廷鳳，楊　鳳，郭　光

(1.河海大學(xué)環(huán)境院，南京　210098；2.南京工程學(xué)院環(huán)境學(xué)院，南京　211167)

β-環(huán)糊精/芘包合物的制備與表征研究

王立紅1,2，丁克強2，趙振華1，劉廷鳳2，楊鳳2，郭光2

(1.河海大學(xué)環(huán)境院，南京210098；2.南京工程學(xué)院環(huán)境學(xué)院，南京211167)

對芘和β-環(huán)糊精包合物的制備與表征進(jìn)行研究，通過飽和水溶液法、超聲法以及研磨法進(jìn)行制備，利用紫外光譜(UV)、紅外光譜(IR)、熱重分析(TG)以及差熱分析(DSC)進(jìn)行表征。實驗表明：研磨法制得包合物的包得率較高(37%)，但其包封率較低；UV分析表明包合物的結(jié)構(gòu)不影響芘的最大紫外吸收波長λmax，但會影響其吸光度值；IR分析表明受包合物結(jié)構(gòu)的影響，包合物中芘的特征峰會減弱、變寬或發(fā)生位移；TG及DSC分析表明，包合物的熔點及熱穩(wěn)定性高于芘，芘占據(jù)β-環(huán)糊精的空腔生成包合物，會導(dǎo)致水分子與β-環(huán)糊精腔內(nèi)的結(jié)合作用減少。

芘；β-環(huán)糊精；包合物；制備；表征

β-環(huán)糊精(cyclodextrin,CD)是7個D-吡喃葡萄糖(Glucopyranose)單元環(huán)狀排列而成的低聚糖，具有中空圓筒立體環(huán)狀結(jié)構(gòu)，外腔親水、內(nèi)腔疏水，能夠選擇性的包合多種尺寸匹配的有機(jī)分子[1]。這種特殊的筒狀結(jié)構(gòu)，能夠改變被包合物的化學(xué)和物理性質(zhì)，具有保護(hù)、穩(wěn)定、增溶客體分子和選擇性定向分子的特征，因而在藥物包結(jié)方面有廣泛研究[2～4]。近年來，不少研究者將環(huán)糊精應(yīng)用于環(huán)境污染物的包合增溶作用，其中用環(huán)糊精修復(fù)多環(huán)芳烴類污染物已成為關(guān)注熱點[5～7]。多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)通常是指含有兩個及以上苯環(huán)并且以線狀、角狀或簇狀排列的稠環(huán)烴類化合物及其衍生物。這類化合物惰性較強、性質(zhì)穩(wěn)定，具有強烈的致癌致畸作用[8]。芘(Pyrene)作為4環(huán)PAHs的一種典型代表，其環(huán)境行為效應(yīng)及控制技術(shù)是近年來國內(nèi)外科學(xué)界廣泛關(guān)注的問題。雖然已有研究指出通過β-環(huán)糊精對芘的包合能夠增加其溶解度[9,10]，使得芘以包合的形態(tài)進(jìn)入土壤水相從而增加其生物利用度，最終被微生物降解消除。但是對于環(huán)糊精與芘包合的化學(xué)形態(tài)及包合機(jī)理僅有零星報道。因此，本研究選擇β-環(huán)糊精與芘進(jìn)行包合和表征，為環(huán)糊精增溶修復(fù)PAHs的研究提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1儀器和試劑

TU1901雙束紫外分光光度計，TENSOR27紅外光譜儀，SDTQ600同步熱分析儀。β-環(huán)糊精(β-CD，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，芘(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥97%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。試劑均為分析純。

1.2包合物的制備

本實驗采用飽和溶液法、超聲法以及研磨法3種方法作為包合物的制備方法。

1.2.1飽和溶液法

精密稱取β-CD1.85g溶于100mL蒸餾水中，在25℃恒溫水浴中攪拌溶解，緩慢滴加含有0.33g芘的丙酮溶液，磁力攪拌2h，取出，冷卻后放入冰箱里冷藏24h，使包合物充分析出。抽濾，分別用少量水和乙醚洗滌濾餅，將濾餅放入真空干燥器中干燥，24h即可。

1.2.2超聲法

精密稱取1.85gβ-環(huán)糊精(β-CD)溶于100mL蒸餾水中,超聲使之成為澄清透明的飽和溶液，取含0.33g芘(確保β-CD與芘的摩爾比為1∶1)的丙酮溶液，在超聲條件下緩慢加入芘的丙酮溶液，經(jīng)超聲1h并冷卻后放入冰箱冷藏24h，抽濾，用少量水和乙醚分別洗滌濾餅，將其冷凍干燥，得出包合物。

1.2.3研磨法

精密稱取1.85gβ-CD于研缽中，加入少量蒸餾水，磨成糊狀物，并將此糊狀物研磨均勻，再緩慢加入含0.33g芘的丙酮溶液，繼續(xù)研磨該糊狀物，過程中不斷滴加丙酮使之一直保持糊狀，研磨2h，抽濾，用少量水和乙醚分別洗滌濾餅，經(jīng)冷凍干燥，得到包合物。

1.3包合物的表征分析

本實驗采用紅外、紫外、熱重分析、差熱分析[11]進(jìn)行表征。

2　結(jié)果與討論

2.1β-環(huán)糊精與芘包合物的包得率

制得包合物的粉末后，稱其質(zhì)量，經(jīng)以下公式[11]計算，飽和溶液法、超聲法以及研磨法對應(yīng)的包合物的包得率依次為29%，33%和37%。因此，從包合物的收率來看，研磨法較優(yōu)。

包得率W(%)=m包合物/(m芘+mβ-CD)×100%

2.2β-環(huán)糊精與芘包合物的表征

2.2.1β-環(huán)糊精對芘最大紫外吸收波長的影響

分別對芘的甲醇溶液(以甲醇做參比)以及β-CD水溶液(以水做參比)、包合物的水溶液(以水做參比)在200nm～400nm范圍內(nèi)進(jìn)行紫外光譜掃描。

圖1表明，研究溫度下芘的最大紫外吸收波長λmax為240nm，包合物的最大吸收波長也是240nm，經(jīng)測定，β-環(huán)糊精的水溶液在240nm處并沒有吸收峰，說明形成包合物并沒有改變芘在紫外光譜里的最大吸收波長，包合物仍具有紫外吸收能力，這樣在利用β-環(huán)糊精對芘進(jìn)行增溶修復(fù)時，β-環(huán)糊精的存在不影響客體分子芘的高效液相色譜檢測的波長設(shè)定?？赡苁怯捎诎衔镏饕峭ㄟ^分子間作用力形成的，對電荷躍遷的影響并不大[3]。

圖1　不同物質(zhì)的紫外光譜圖Fig.1　UV spectrum of different substances

2.2.2不同濃度β-環(huán)糊精對芘的紫外吸收的影響

分別在濃度為2g/L、4g/L、6g/L、8g/L以及10g/L的β-環(huán)糊精水溶液中加入0.02g的芘，超聲振蕩40min后置于120r/min，25℃的搖床上振蕩20h，離心后精確移取2mL上清液到5mL比色管中，分別用水以及甲醇/水(1∶1)溶液定容，測定其吸光度。其中甲醇/水溶液的添加是為了研究包合物的結(jié)構(gòu)是否會影響芘的紫外吸光度值。

圖2　包合物溶液的紫外吸光度Fig.2　UV absorbance of the inclusion compound solution

由圖2可知，在研究范圍內(nèi)，芘的吸光度隨著β-環(huán)糊精濃度的增大由0.15增至0.212，表明提高β-環(huán)糊精濃度有利于包合物的生成[12]。甲醇存在條件下，芘在λ240nm處的吸光度分別增至0.158、0.169、0.213、0.227、0.334，表明包合物對芘的紫外吸收有影響，這一結(jié)果可能是由于甲醇對包合物具有破壞作用，使環(huán)糊精內(nèi)腔中的芘釋放出來。此結(jié)果與文獻(xiàn)[13～16]一致。

2.2.3β-環(huán)糊精與芘包合物的紅外表征

采用KBr壓片法。分別對芘、β-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精與芘的物理混合物以及芘與β-環(huán)糊精的包合物分別進(jìn)行IR測試。

紅外表征結(jié)果如圖3所示，芘和β-環(huán)糊精有各自的特征吸收峰，β-環(huán)糊精與芘形成包合物時，由于彼此相互影響，某些基團(tuán)的振動頻率出現(xiàn)了變化，可以根據(jù)此變化來判斷β-環(huán)糊精與芘的包合物是否形成以及包合物的包合方式。

由圖3可以看出，芘的特征峰主要分散在3個頻區(qū)，3400～3000cm-1是芳環(huán)C-H碳?xì)渖炜s振動，1650～1450cm-1是芳環(huán)的C=C骨架振動，828～708cm-1是C-H面外彎曲振動[17]。β-環(huán)糊精的主要紅外特征吸收峰為：3385cm-1處的多締合體-OH的伸縮振動；2928cm-1處為CH2的反對稱伸縮振動；1647cm-1處的為結(jié)合水振動以及1157cm-1、1027cm-1、945cm-1和855cm-1處的其他特征吸收峰。β-環(huán)糊精與芘的物理混合物特征峰只是β-環(huán)糊精、芘特征峰的簡單疊加關(guān)系。通過包合物與物理混合物的紅外譜圖對比，發(fā)現(xiàn)兩者明顯不同。包合物中芘的芳環(huán)骨架振動(1637～1597cm-1)消失或產(chǎn)生了較大的位移(1643～1702cm-1)，在828～747cm-1處的C-H面外彎曲振動也產(chǎn)生了較大的位移(939～755cm-1)，而且峰形均變寬。由此可知，芘已經(jīng)進(jìn)入β-環(huán)糊精的腔體內(nèi)，且包合物主客體間發(fā)生了相互作用，芘分子所處的環(huán)境變化導(dǎo)致芘的峰強度減弱或變寬。總的來說，包合物的譜圖更接近于β-環(huán)糊精的譜圖。

根據(jù)紅外和紫外的表征結(jié)果可知，包合物的生成并沒有改變芘的最大紫外吸收波長，但對芘的紫外吸光值有影響。由此可以推測，芘進(jìn)入β-環(huán)糊精的疏水腔中，主客體分子間相互作用由于相互匹配性、范德華力、色散力、靜電作用力、氫鍵、疏水等因素的影響[18]，包合物沒有形成新的化學(xué)鍵。

圖3　不同物質(zhì)的紅外光譜圖Fig.3　IR spectra of different substances

2.2.4熱重(TG)及差熱(DSC)表征

分別對芘、β-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精與芘的物理混合物以及芘與β-環(huán)糊精的包合物進(jìn)行熱重、差熱分析，升溫速率10℃/min，檢測溫度0℃～400℃。

如圖4(a)所示，芘有兩個失重階段：第一階段為0℃～146.24℃，失重10.41%，為芘的受熱脫水過程；第二階段為146.24℃～260.8℃，失重89.5%，為受熱熔融分解過程。圖4(a)表明，芘在69.17℃有一個吸熱峰，失重6.351%，這是芘分子結(jié)合水分子的釋放峰。在146.24℃處出現(xiàn)一個強吸熱峰，這與芘的熔點[19]一致。

β-環(huán)糊精也有兩個失重階段：第一階段為0℃～90.36℃，失重11.22%，為受熱失去結(jié)晶水的過程；第二階段為90.6℃～362.7℃，失重69.08%，為β-環(huán)糊精的熔融分解階段。β-環(huán)糊精與芘的物理混合物有3個失重階段，第一階段為0℃～88.21℃，失重10.37%，對應(yīng)88.21℃處有β-環(huán)糊精的一個強吸熱峰；第二階段為88.21℃～239.33℃，失重17.22%；第三階段為239.33℃～360.55℃，失重56.794%。由圖4(c)可以看出，物理混合物的失重過程與芘及β-環(huán)糊精的失重過程均不相同，但卻同時出現(xiàn)了芘和β-環(huán)糊精分別在146.24℃以及90.36℃的吸熱峰。

圖4　芘(a)、β-CD(b)、芘和β-CD的物理混合物(c)、飽和溶液法(d)、超聲法(e)以及研磨法(f)制得包合物的TG-DSC圖Fig.4　The TG-DSCof Pyrene(a), β-CD (b), pyrene and β-CD physical mixture (c), compound solution prepared by saturated solution of method (d), the ultrasonic method (e) and grinding method (f)

包合物(以研磨法制得為例)在0℃～400℃有3個失重階段，第一階段為0℃～217.51℃，失重20.05%；第二階段為217.51℃～305.87℃，失重5.786%；第三個階段為305.87℃～359.74℃，失重62.08%，失重過程與物理混合物有著明顯的差異，說明包合物已形成。

從圖4(d)～(f)可以看出，β-環(huán)糊精原本在90.36℃處的吸熱峰降低到50℃左右，說明水與β-環(huán)糊精腔內(nèi)的結(jié)合作用減弱，推測原因為芘占據(jù)了β-環(huán)糊精的空腔，減少了水分子與β-環(huán)糊精腔內(nèi)的結(jié)合作用。正是由于芘分子進(jìn)入到了β-環(huán)糊精的空腔，游離芘分子減少，與水分子結(jié)合減少，因此69.17℃處的芘與水分子的吸熱峰消失。不同于芘在146.24℃開始熔融分解，包合物在300℃左右才開始快速失重，熔融分解，表明生成的包合物熱穩(wěn)定性強于芘。而包合物在146.24℃處并無吸熱峰或吸熱峰減弱，其中，研磨法制得包合物表現(xiàn)出的芘的吸熱峰比較明顯，證明芘已經(jīng)進(jìn)入β-環(huán)糊精的腔體，但沒有被完全包合，而超聲法以及飽和溶液法在146.24℃處的吸熱峰幾乎消失，表明研磨法制得包合物的包得率較高，但其包封率較低[20]。

3　結(jié)　論

本文采用飽和溶液法、超聲法以及研磨法制備包合物，以包合物的包得率、包封率、紫外吸收、紅外吸收、熱穩(wěn)定性等為考察指標(biāo)。結(jié)論如下:

3.1UV、IR、TG及DSC表征分析表明，飽和溶液法、超聲法以及研磨法均能制得β-環(huán)糊精與芘的包合物，其中，研磨法的包得率最高(37%)，飽和溶液法、超聲法的包得率分別為29%、33%，但研磨法的包封率最差；

3.2UV表征表明包合物的結(jié)構(gòu)不影響芘的最大紫外吸波長(λ240nm)，芘在λ240nm處的吸光度，隨環(huán)糊精濃度的增加由0.15增至0.212，表明β-環(huán)糊精能夠增強芘的溶解度，但對芘的紫外吸收有影響。甲醇的添加使包合物的吸光度值分別增至0.158、0.169、0.213、0.227、0.334，表明甲醇對包合物具有破壞作用，可以使環(huán)糊精內(nèi)腔中的芘釋放出來；

3.3IR、TG及DSC表征給出了不同于芘的光譜特征，芘的熔點為146.24℃，而包合物在300℃左右才開始快速失重，熔融分解，表明包合物已經(jīng)生成，且其熱穩(wěn)定性強于芘。IR分析表明受包合物結(jié)構(gòu)的影響，包合物中芘的芳環(huán)骨架振動(1637～1597cm-1)消失或產(chǎn)生了較大的位移(1643～1702cm-1)，在828～747cm-1處的C-H面外歪曲振動也產(chǎn)生了較大的位移(939～755cm-1)，而且峰形均變寬。

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Study of the Preparation and Characterization of Pyrene and β- cyclodextrin Inclusion Compound

WANG Li-hong1,2,DING Ke-qiang2,ZHAO Zhen-hua1,LIU Ting-feng2,YANG Feng2,GUO Guang2

(1.CollegeofEnvironmental,HoHaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.CollegeofEnvironmental,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167,China)

Pyrene and β-cyclodextrin inclusion compound were prepared by saturated aqueous solution method, ultrasonic method and grinding method, and were characterized by ultraviolet spectroscopy(UV), infrared spectroscopy(IR), thermal gravimetric analysis(TG) and differential thermal analysis (DSC). The results showed: among these three methods of preparation, the inclusion efficiency of grinding method was higher(37%) but the encapsulation efficiency was lower; through UV analysis, the structure of the inclusion compound had no effect on maximum UV absorption wavelength of pyrene(λmax), but can affect the absorbance values; through IR analysis, peaks of pyrene were weakened, widen or displaced by the influence of inclusion compound structure; through TG and DSC analysis, the thermal stability of the inclusion compound was higher than pyrene, which was caused by the intracavitary combination reduction of hydrone and β-cyclodextrin.

Pyrene;β-cyclodextrin; inclusion compound; preparation;characterization

2015-06-09

國家自然科學(xué)基金(41271329)；南京工程學(xué)院校級課題(QKJB2010021)。

王立紅(1991-)，女，江蘇徐州人，河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)2013級在讀碩士研究生，主要從事研究土壤有機(jī)物污染的生物修復(fù)。

丁克強，dinkg@njit.edu.cn。

X17

A

1001-3644(2015)06-0005-05