環(huán)糊精與雙酚A的分子識(shí)別研究

閆 靜，李 程，邵 凱，王曉彤（三友（天津）高分子技術(shù)有限公司，天津 300211）

環(huán)糊精與雙酚A的分子識(shí)別研究

閆 靜，李 程，邵 凱，王曉彤
（三友（天津）高分子技術(shù)有限公司，天津 300211）

分別利用β-環(huán)糊精、2-羥丙基-β-環(huán)糊精、γ-環(huán)糊精和2,6-二甲基-β-環(huán)糊精對(duì)環(huán)境內(nèi)分泌干擾素分子雙酚A進(jìn)行包合，采用Hildebrand-Benesi方程和紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定了環(huán)糊精包合雙酚A過(guò)程的結(jié)合常數(shù)；同時(shí)利用范特霍夫方程獲得4種環(huán)糊精與雙酚A結(jié)合的熵變和焓變數(shù)據(jù)，根據(jù)不同環(huán)糊精分子與雙酚A分子結(jié)合的熱力學(xué)信息，明確了環(huán)糊精與雙酚A的分子識(shí)別機(jī)制。結(jié)果表明：當(dāng)常溫（20 ℃）時(shí)，包結(jié)常數(shù)大小順序?yàn)棣?環(huán)糊精＞γ-環(huán)糊精＞2-羥丙基-β-環(huán)糊精＞2,6-二甲基-β-環(huán)糊精，在雙酚A與環(huán)糊精的包合過(guò)程中，空間位阻效應(yīng)是主要影響因素，尺寸匹配為次要影響因素；在不同環(huán)糊精與雙酚A的包合過(guò)程中，其熵變?chǔ)＞0，其焓變?chǔ)＜0，升溫不利于包和反應(yīng)的進(jìn)行。

環(huán)糊精；包合物；分子識(shí)別；主客體研究

早在1891年，環(huán)糊精就由Villiers首次從淀粉桿菌的淀粉消化液里發(fā)現(xiàn)，至今已有一百多年的歷史。這是由環(huán)糊精葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移酶（Cyclodextringlycosyltransferase，CGTase）作用于淀粉、糖原和麥芽寡聚糖等葡萄糖聚合物而形成的由6～12個(gè)D-吡喃葡萄糖基以α-1、4-葡萄糖苷鍵連接而成的環(huán)狀低聚糖［1］。目前工業(yè)中所用的環(huán)糊精主要是α-、β-和γ-環(huán)糊精及其衍生物分別對(duì)應(yīng)于6、7和8個(gè)葡萄糖單元，其中尤以β-環(huán)糊精應(yīng)用相對(duì)最為廣泛。近年來(lái)，聚合度從9到幾百不等的大環(huán)糊精（Large-ring cyclodextrins，簡(jiǎn)稱LR-CD）也引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，對(duì)大環(huán)糊精的制備、分離純化、結(jié)構(gòu)和性能以及應(yīng)用也進(jìn)行了深入的研究。本研究主要通過(guò)對(duì)β-環(huán)糊精、2-羥丙基-β-環(huán)糊精、γ-環(huán)糊精和2,6-二甲基-β-環(huán)糊精對(duì)環(huán)境內(nèi)分泌干擾素分子雙酚A進(jìn)行包合的研究，探討了環(huán)糊精與雙酚A的分子識(shí)別機(jī)制。

1　 試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原料與儀器

雙酚A（BPA），化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；β-環(huán)糊精，化學(xué)純（純度96%），阿拉丁試劑公司；γ-環(huán)糊精，化學(xué)純（純度98%），阿拉丁試劑公司；2,6-二甲基-β-環(huán)糊精，化學(xué)純（純度98%），上海晶純?cè)噭┯邢薰荆?-羥丙基-β-環(huán)糊精，化學(xué)純（純度97%），上海晶純?cè)噭┯邢薰?；無(wú)水乙醇，化學(xué)純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉，分析純，北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司。

1 000 W電爐、DGG-9070B型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；TU-1901型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限公司；其余為一般實(shí)驗(yàn)室儀器。

1.2γ-、β-環(huán)糊精及其衍生物與雙酚A包合物的制備及包合量的測(cè)定

（1）濃雙酚A儲(chǔ)備液的配制：準(zhǔn)確稱取0.125 6 g雙酚A，加熱溶解，置于500 mL容量瓶中定容，定容后濃度為1.1×10-3mol/L。取上述雙酚A溶液20 mL于100 mL容量瓶中，定容，其濃度為2.2×10-3mol/L。

（2）β-環(huán)糊精儲(chǔ)備液的配制：準(zhǔn)確稱取1.560 6 g β-環(huán)糊精，加熱溶解后置于100 mL容量瓶中定容，定容后濃度為1.375×10-2mol/L。

（3）相同雙酚A濃度、不同環(huán)糊精濃度的混合液配制：各取濃度為2.2×10-3mol/L的雙酚A溶液10.00 mL分別置于5個(gè)250 mL容量瓶中，再向其中分別加入濃度為1.375×10-2mol/L的β-環(huán)糊精溶液0、2、4、6、8 mL，定容，后用濃度為0.01 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為6.0。

γ-環(huán)糊精與雙酚A包合物、2,6-二甲基-β-環(huán)糊精與雙酚A包合物、2-羥丙基-β-環(huán)糊精與雙酚A包合物的制備過(guò)程同上。

1.3測(cè)試或表征

（1）γ-、β-環(huán)糊精及其衍生物與雙酚A包合物表征及包結(jié)常數(shù)（Ka） 測(cè)定：取上述配置的γ-、β-環(huán)糊精及其衍生物與雙酚A的混合溶液，分別用190～300 nm 的紫外可見(jiàn)吸收光對(duì)1 cm石英比色皿進(jìn)行掃描，分別測(cè)定相對(duì)最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度A。利用［BPA］0/A=1/（Ka×ε）×1/［β-CD］+1/ε進(jìn)行擬合求得Ka和 ε。

（2）γ-、β-環(huán)糊精及其衍生物與雙酚A包合物熱力學(xué)常數(shù)的測(cè)定：取上述配置的γ-、β-環(huán)糊精及其衍生物與雙酚A的混合溶液，在不同溫度下分別用190～400 nm 的紫外可見(jiàn)吸收光對(duì)1 cm石英比色皿進(jìn)行掃描，分別測(cè)定相對(duì)最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度A。求出不同溫度下的Ka， 利用-RTlnKa=ΔHTΔS擬合得到ΔH和ΔS（測(cè)量溫度分別為20、30、40、50、60 ℃）。

2　 分析與討論

2.1雙酚A和環(huán)糊精的包結(jié)常數(shù)測(cè)定結(jié)果及討論

BPA 和環(huán)糊精形成包結(jié)物后，其紫外可見(jiàn)吸收光譜吸光度及擬合曲線如表1和圖l所示（其中λex=194 nm，BPA =4.4×10-5mol/L）。由 于 H-B方 程 ［BPA］0/A=1/（ Ka×ε） × 1/［β-CD］+1/ε是在假設(shè)BPA和環(huán)糊精形成1：1包結(jié)物的情況下所擬合出的方程式，而通過(guò)圖1可看出，BPA與各個(gè)環(huán)糊精包合物在紫外可見(jiàn)光譜中的擬合曲線相關(guān)度均大于0.995，故可推知，其所形成的包合物均為1：1，且Ka分別是β-CD為1.99×105L/mol、γ-CD為1.75×105L/mol，2,6-二甲基-β-CD為3.78×104L/mol以及2-羥丙基-β-CD為1.10×105L/mol。

表1　BPA在20 ℃時(shí)分別與γ-CD、β-CD及其衍生物包合后的吸光度Tab.1　Absorbance of BPA staturated with γ-CD、β-CD and their derivatives at 20 ℃

圖1　H-B方程擬合圖Fig.1　Fitting chart of H-B equation

由表1和圖1可知：在室溫（20 ℃）下，β-環(huán)糊精與雙酚A的包合物通過(guò)紫外可見(jiàn)吸收光譜測(cè)定其Ka=1.99×105L/mol，γ-環(huán)糊精與雙酚A的包合物Ka=1.75×105L/mol，2,6-二甲基-β-環(huán)糊精與雙酚A包合物Ka=3.78×104L/mol，2-羥丙基-β-環(huán)糊精a與雙酚A包合物K=1.10×105L/mol。

通過(guò)分析可知，Ka越大，越容易形成包合物，故根據(jù)測(cè)定結(jié)果可知，β-環(huán)糊精與雙酚A的包合效果相對(duì)最好。

通過(guò)比較還可知，Ka大小順序?yàn)椋害?環(huán)糊精＞γ-環(huán)糊精＞2-羥丙基-β-環(huán)糊精＞2,6-二甲基-β-環(huán)糊精。這可能是因?yàn)棣?環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精均無(wú)分支存在，空間位阻相對(duì)最小，而2-羥丙基-β-環(huán)糊精只含有1個(gè)羥丙基，空間位阻相對(duì)于含有2個(gè)甲基的2,6-二甲基-β-環(huán)糊精要??；在雙酚A與環(huán)糊精的包合過(guò)程中，空間位阻效應(yīng)是主要影響因素；此外雖然β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精均無(wú)分支，但是β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精的內(nèi)腔尺寸具有一定的差別，尺寸匹配也是影響包合的因素之一，綜合兩方面的因素，Ka（ β-環(huán)糊精）＞Ka（ γ-環(huán)糊精）。

2.2環(huán)糊精與雙酚A結(jié)合過(guò)程中焓變和熵變的測(cè)定及討論

上述對(duì)于環(huán)糊精Ka的 測(cè)定均是在室溫下進(jìn)行的，而Ka與 溫度有一定的關(guān)系。本節(jié)通過(guò)變溫控制來(lái)測(cè)定不同溫度下的Ka， 再通過(guò)范特霍夫方程擬合得出其熱力學(xué)常數(shù)（熵變和焓變）。

表2和圖2分別是在20、30、40、50、60℃時(shí)BPA和β-環(huán)糊精形成包結(jié)物其紫外可見(jiàn)吸收光譜吸光度及擬合曲線（λe x=194 nm，BPA=4.4×10-5mol/L）。根據(jù)H-B方程可確定BPA和β-CD形成1：1包結(jié)物，且Ka分 別為1.99×105L/mol、1.22×105L/mol、9.05×104L/mol、6.26×104L/mol和4.80×104L/mol。

表2　β-CD在不同溫度下的吸光度及KaTab.2　Absorbance and inclusion constants of β-CD at different temperatures

圖2 β-CD的H-B方程擬合圖Fig.2　Fitting chart of β-CD for H-B equation

依據(jù)測(cè)定的β-環(huán)糊精與雙酚A的包合物于不同溫度下在相對(duì)最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度A，利用-RTlnKa=ΔH-TΔS擬合可得到其ΔH=-28 560 J，ΔS=3.596 J/K。如表3和圖3所示。

同理，γ-環(huán)糊精形成包結(jié)物后，擬合得其ΔH=-193 30 J，ΔS=34.153 J/K；2，6-二甲基-β-環(huán)糊精形成包結(jié)物后，擬合得其ΔH=-3 368.7 J，ΔS=76.105 J/K；2-羥丙基-β-環(huán)糊精形成包結(jié)物后，擬合得其ΔH=-259 62 J，ΔS=7.783 8 J/K。

表3　β-CD的范特霍夫方程擬合數(shù)據(jù)Tab.3　Van't Hoff equation fitting data of β-CD

圖3 β-CD的范特霍夫方程擬合圖Fig.3　Fitting chart of β-CD for Van't Hoff equation

由試驗(yàn)結(jié)果可知：不同環(huán)糊精與雙酚A的包合過(guò)程中，其熵變?chǔ)＞0，且焓變?chǔ)＜0，故可知，本研究中所有環(huán)糊精均可與雙酚A分子自發(fā)進(jìn)行主-客體包合。對(duì)于每一種環(huán)糊精所進(jìn)行的變溫測(cè)定結(jié)果也說(shuō)明，升溫，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，環(huán)糊精與雙酚A分子的結(jié)合常數(shù)減小，不利于主-客體包合的發(fā)生。對(duì)于4種環(huán)糊精，其熵變和焓變大小依次都是β-環(huán)糊精＜2-羥丙基-β-環(huán)糊精＜γ-環(huán)糊精＜2,6-二甲基-β-環(huán)糊精。由此說(shuō)明，該包合反應(yīng)是焓變占主導(dǎo)地位的自發(fā)放熱反應(yīng)，且β-環(huán)糊精相對(duì)最易與雙酚A發(fā)生包合反應(yīng)，且變溫對(duì)其反應(yīng)影響相對(duì)最大；2,6-二甲基-β-環(huán)糊精相對(duì)最不容易與雙酚A發(fā)生包合反應(yīng)，且變溫對(duì)其反應(yīng)影響相對(duì)最小。

3　 結(jié)論

（1）常溫（20 ℃）下，Ka大 小順序?yàn)椋害?環(huán)糊精＞γ-環(huán)糊精＞2-羥丙基-β-環(huán)糊精＞2,6-二甲基-β-環(huán)糊精。在雙酚A與環(huán)糊精的包合過(guò)程中，空間位阻效應(yīng)是其主要影響因素，尺寸匹配也有一定影響。

（2）不同環(huán)糊精與雙酚A的包合過(guò)程中，其熵變?chǔ)＞0，且β-環(huán)糊精＜2-羥丙基-β-環(huán)糊精＜γ-環(huán)糊精＜2,6-二甲基-β-環(huán)糊精，且反應(yīng)均為自發(fā)反應(yīng)。

（3）不同環(huán)糊精與雙酚A的包合過(guò)程中，其焓變?chǔ)＜0，且β-環(huán)糊精＞2-羥丙基-β-環(huán)糊精＞γ-環(huán)糊精＞2,6-二甲基-β-環(huán)糊精。升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，Ka減 小，不利于反應(yīng)發(fā)生。

（4）β-環(huán)糊精相對(duì)最易與雙酚A發(fā)生包合反應(yīng)，且變溫對(duì)其反應(yīng)影響相對(duì)最大；2,6-二甲基-β-環(huán)糊精相對(duì)最不易與雙酚A發(fā)生包合反應(yīng)，且變溫對(duì)其反應(yīng)影響相對(duì)最小。

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A study on molecular recognition of cyclodextrin and bisphenol A

YAN Jing, LI Cheng, SHAO Kai, WANG Xiao-tong
（Sanyou（Tianjin）Macromolecular Technology Co., Ltd., Tianjin 300211, China）

In this paper, β-cyclodextrin （β-CD）, 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin （HP-β-CD）, γ-cyclodextrin （γ-CD） and 2,6-dimethyl-β-cyclodextrin （DM-β-CD） were used to encapsulate the environmental endocrine disruption molecule of bisphenol A. Hildebrand-Benesi （H-B） equation and UV spectra-photometer were used to determine the binding constant of cyclodextrin and bisphenol A. Meanwhile, by regression of van't Hoff plot, the thermodynamic parameters （ △H° and △S°） of these complexes' formation were obtained. Based on the thermodynamic information of molecular combinations of different cyclodextins and bisphenyl A, the recognition mechanism between cyclodextrin and bisphenol A was revealed. At room temperature （20℃）, the binding affinity between cyclodextrin and bisphenol A was descended as the order of β-CD, γ-CD, HP-β-CD and DM-β-CD, it revealed that the steric-hinerance effect was the main influence factor, and the effect of dimension matching was the second. During encapsuating bisphenol A with different cyclodextrins, the entropy change was above zero, while the enthalpy change was below zero, raising the temperature was adverse to the encapsulation.

cyclodextrin； inclusion compound； molecular recognition

O636.1

A

1001-5922（2016）08-0058-04

2016-06-03

閆靜（1989-），女，本科雙學(xué)位。研究方向：化工材料。E-mail：yanjingsummer@sina.com。