新型環(huán)糊精衍生物的合成自組裝及應(yīng)用*

張來新,陳琦

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

新型環(huán)糊精衍生物的合成自組裝及應(yīng)用*

張來新*,陳琦

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

環(huán)糊精（CD）的發(fā)現(xiàn)源于1891年Vittiers從芽孢桿菌屬淀粉桿菌的淀粉消化液中分離獲取。1903年Scherdingei用分離的桿菌消化淀粉得到α-CD和β-CD兩種差向異構(gòu)晶體，并用I2-KI反應(yīng)區(qū)別之，該方法至今還在沿用。為紀(jì)念他對建立環(huán)糊精化學(xué)基礎(chǔ)的貢獻(xiàn)，環(huán)糊精也曾叫沙丁格（Scherdingei）環(huán)糊精。這一時期是環(huán)糊精化學(xué)發(fā)展的第一階段。從二十世紀(jì)30年代中期到60年代末期，環(huán)糊精和各種有機物形成復(fù)合物的性質(zhì)已被發(fā)現(xiàn)，在1948~1950年間Pitha又發(fā)現(xiàn)了γ-CD并確認(rèn)了其結(jié)構(gòu)，這是環(huán)糊精化學(xué)發(fā)展的第二階段。從二十世紀(jì)70年代初到現(xiàn)在，環(huán)糊精化學(xué)的研究進(jìn)入鼎盛時期。即從二十世紀(jì)70年代初以來環(huán)糊精化學(xué)研究的飛速發(fā)展已成為構(gòu)筑超分子的重要主體化合物，這得益于技術(shù)科學(xué)的界入。目前，環(huán)糊精已發(fā)展為超分子化學(xué)研究中最重要的主題之一。

環(huán)糊精是直鏈淀粉在由芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下生成的一系列環(huán)狀低聚糖的總稱，通常是由6~12個D-吡喃葡萄糖單元通過α-1,4-糖苷鍵首尾相連而形成的大環(huán)化合物，其中研究較深入并具有重要應(yīng)用價值的是6、7、8個葡萄糖單元組成的環(huán)糊精分子，它們可分為α-CD、β-CD和γ-CD類型。光譜分析測定環(huán)糊精分子的每個葡萄糖單元都是椅式構(gòu)象。由于連接葡萄糖單元的苷鍵能自由旋轉(zhuǎn)，故環(huán)糊精不是圓柱形結(jié)構(gòu)，而是略呈錐形的圓柱形結(jié)構(gòu)。由于略呈錐形的圓柱型結(jié)構(gòu)具有伸向空腔內(nèi)的C-H鍵疏水基團(tuán)和空腔外-OH親水基團(tuán)，故使其具有“內(nèi)疏水、外親水”的特性，因而使其內(nèi)腔可包合各種客體物質(zhì)，如有機、無機分子、生物分子及惰性氣體分子等，從而形成主客體包結(jié)配合物，因此環(huán)糊精被廣泛用作超分子體系中的受體。由于此類主客體之間是通過非共價鍵的弱相互作用形成各種包合物，從而改變了客體分子的理化性質(zhì)及生物學(xué)性能，使其不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工、國防、醫(yī)藥、食品、染料、農(nóng)藥、催化、化妝品及日用化學(xué)品等領(lǐng)域彰顯出廣闊的應(yīng)用前景，而且在二十一世紀(jì)的熱點學(xué)科如生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、仿生學(xué)、納米科學(xué)、分子機器、分子器件、酶模擬、分子識別、手性分離、藥物載體等領(lǐng)域也凸顯出重要的理論和應(yīng)用價值。同時也促進(jìn)了自然科學(xué)中的經(jīng)典領(lǐng)域如化學(xué)、生物化學(xué)、生物物理、物理學(xué)、地球化學(xué)、地理科學(xué)等學(xué)科的蓬勃發(fā)展。即環(huán)糊精研究的發(fā)展促進(jìn)了上述眾多學(xué)科的形成和發(fā)展，它們之間相互促進(jìn)，相得益彰。由于人們對環(huán)糊精化合物研究的不斷深入，目前，已形成為一門新興的熱門邊緣學(xué)科-環(huán)糊精化學(xué)。

1 新型環(huán)糊精衍生物的制備自組裝及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

1.1 幾種人參皂苷環(huán)糊精包合物的制備及其抗氧化活性

人參皂苷是一類三萜皂苷類化合物，主要存在于名貴藥材人參和西洋參中，且是它們主要的活性成分。人參皂苷已被發(fā)現(xiàn)具有較好的抗腫瘤、抗阿爾茲海默病、抗心血管病、抗氧化等藥理作用[1，2]。由于人參在國際上特別是東亞國家普遍被作為“藥食同源”的典型食材，因此，進(jìn)一步開發(fā)其藥用價值顯得尤為重要。由于人參皂苷普遍水溶性差，且不穩(wěn)定，因之導(dǎo)致其體內(nèi)生物利用度低，不能很好地發(fā)揮其藥效作用，甚至?xí)a(chǎn)生某些毒副作用。因此，需要采取必要的技術(shù)手段改善其水溶性等問題，使其更適合于藥用。為此，昆明理工大學(xué)的任玉峰等人利用兩種β-環(huán)糊精衍生物2-羥丙基-β-環(huán)糊精和磺丁基醚-β-環(huán)糊精作為主體分子，制備了其與五種達(dá)瑪烷型人參皂苷即人參皂苷F1、Rd、Re、Rc和Rb2的固體化合物，并使用核磁共振、熱重和差示掃描量熱分析、X-射線粉末衍射等手段對它們進(jìn)行了表征。水溶性測試表明，形成包合物后人參皂苷的水溶性最高提高了300多倍。同時，1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）法測定的體外抗氧化活性結(jié)果表明，其抗氧化活性也得到了明顯的提高。這些結(jié)果的獲得可望為人參資源的深入開發(fā)利用及藥用提供一定的理論依據(jù)[3]。該研究將在醫(yī)藥學(xué)、生命科學(xué)、生物化學(xué)、主客體化學(xué)及超分子化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.2 主客體兩親型環(huán)糊精超分子化合物的合成及應(yīng)用

實現(xiàn)對主客體型兩親分子的超分子自組裝行為的有效調(diào)控，是利用其自組裝體進(jìn)行智能化藥物控釋研究的前提[4，5]。為此，西北工業(yè)大學(xué)的姚灝等人首先合成了一種同時含有單偶氮苯基團(tuán)和雙β-環(huán)糊精單元的AB2型兩親分子（Azo-CD2），并通過核磁共振譜和基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間利用質(zhì)譜對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征和確認(rèn)。動態(tài)光散射和透射電子顯微鏡測試結(jié)果表明：在水溶液中，Azo-CD2在無任何外界刺激的條件下可自發(fā)地形成球形自組裝體，而當(dāng)施加超聲振動后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌肿映Щ酆衔镒越M裝體；當(dāng)該自組裝體被進(jìn)一步施加紫外光輻射后可解離成尺寸較小的支化聚集體，而其在可見光輻射下又可以可逆地變回到原來的超支化自組裝形貌。利用紫外分光光度計測試Azo-CD2自組裝體對抗癌藥物阿霉素（DOX）的釋放曲線發(fā)現(xiàn)：通過超聲和光的雙重調(diào)控作用可實現(xiàn)Azo-CD2自組裝體對DOX的程序化控制釋放。利用一維1HNMR譜和二維空間相關(guān)（NOESY）譜進(jìn)一步闡明了Azo-CD2自組裝體形貌轉(zhuǎn)變過程與其程序化控釋結(jié)果的相關(guān)關(guān)系[6]。該研究將在醫(yī)藥學(xué)、主客體化學(xué)、超分子化學(xué)及材料科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2 新型環(huán)糊精衍生物的合成及在材料科學(xué)中的應(yīng)用

2.1 環(huán)糊精誘導(dǎo)產(chǎn)生的室溫磷光及在發(fā)光材料中的應(yīng)用

刺激-響應(yīng)的功能性分子機器和超分子聚合物是超分子化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點[7]。為此發(fā)展和采用新穎的信號手段來識別超分子體系的包結(jié)狀態(tài)和運動構(gòu)象，一直吸引著超分子化學(xué)家們的廣泛研究興趣。室溫磷光（RTP）信號具有選擇性高、壽命長和大的Stokes位移等特點，是可用做識別超分子體系的包結(jié)狀態(tài)和運動構(gòu)象的新穎的信號手段及功能輸出體系。為此，華東理工大學(xué)的陳輝等人構(gòu)建了一系列具有室溫磷光信號功能輸出的分子梭和超分子聚合物體系：基于環(huán)糊精誘導(dǎo)產(chǎn)生RTP的光控分子梭及邏輯門；酸堿調(diào)控的基于葫蘆脲誘導(dǎo)產(chǎn)生RTP的分子梭；含鉑卟啉室溫磷光基團(tuán)的酸堿調(diào)控運動的輪烷RTP分子梭；RTP發(fā)射功能的超分子聚合物水凝膠；氫鍵增強RTP發(fā)射的聚合物發(fā)光材料及其應(yīng)用等[8]。該研究將在光譜分析、發(fā)光材料科學(xué)、主客體化及超分子化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.2 磺化環(huán)糊精的聚集誘導(dǎo)熒光增強效應(yīng)及在發(fā)光材料中的應(yīng)用

帶有共軛鍵結(jié)構(gòu)的聚合物材料是近幾年來有機光電子材料領(lǐng)域中最為活躍的研究課題之一。對苯撐乙烯是雙鍵與苯環(huán)交替的一類分子，是一種很好的電子共軛體系，這類分子可以通過π-π堆積表現(xiàn)出聚集誘導(dǎo)發(fā)光的性質(zhì)。為此，南開大學(xué)的李晶晶等人對含不同負(fù)電荷的磺化環(huán)糊精（SCD）、磺化杯芳烴（SC4A）、葫蘆[7]脲（CB7）等大環(huán)主體對對苯撐乙烯衍生物的聚集誘導(dǎo)行為做了對比性的研究。由于對苯撐乙烯的衍生物在水溶液中具有較弱的熒光，故通過加入SCD、SC4A、CB7的熒光滴定光譜實驗表明，磺化環(huán)糊精的聚集誘導(dǎo)熒光增強的效果最好。他們還進(jìn)一步利用紫外可見光譜、透射電子顯微鏡和動態(tài)光散射研究了該組裝體的聚集行為、形貌和粒徑，利用Zeta電位研究了組裝體表面的電荷性質(zhì)；他們還發(fā)現(xiàn)通過非共價相互作用形成的超分子組裝體的光學(xué)特性有望應(yīng)用于發(fā)光材料領(lǐng)域[9]。該研究將在波譜分析、有機光電子熒光材料、超分子化學(xué)及主客體化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.3 環(huán)糊精與新型超分子凝膠的主客體相互作用及在智能材料中的應(yīng)用

基于以前報道的樹枝狀小分子凝膠因子即樹枝狀的兩親分子（OGAc）與水溶性的偶氮苯分子構(gòu)筑的兩組分凝膠，將發(fā)生可逆的光響應(yīng)性體積相轉(zhuǎn)變，中國科學(xué)院化學(xué)研究所的謝凡等人則直接在樹枝狀分子的頭基引入偶氮苯基團(tuán)而設(shè)計合成了新型超分子凝膠因子（AZOC8GAc），一方面AZOC8GAc可以在較低濃度下形成穩(wěn)定的水凝膠，在紫外及可見光調(diào)控下進(jìn)行可逆的凝膠-溶膠的相轉(zhuǎn)變，并伴隨其形貌和超分子手性的轉(zhuǎn)變（ON/OFF）。另一方面，研究了AZOC8GAc含有疏水的偶氮苯集團(tuán)與不同空腔尺寸的α-/β-/γ-環(huán)糊精分子之間的主客體相互作用，及對AZOC8GAc凝膠體系手性傳遞的影響[10]。該研究將在智能材料、膠體化學(xué)、主客體化學(xué)及超分子化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.4 陰離子環(huán)糊精和新型偶氮苯衍生物的主客體相互作用及在智能材料中的應(yīng)用

偶氮苯是一類優(yōu)良的光響應(yīng)性分子。通常情況下，偶氮苯能以兩種狀態(tài)存在，一種是穩(wěn)定的棒狀反式結(jié)構(gòu)，另一種是亞穩(wěn)態(tài)的拐狀順式結(jié)構(gòu)。反式異構(gòu)體由于其基態(tài)能級要比順式異構(gòu)體基態(tài)能級低，因此能夠更穩(wěn)定的存在。偶氮苯的光響應(yīng)性能源于其光致異構(gòu)反應(yīng)，用特定波長的光照射時，反式異構(gòu)體吸收光子異構(gòu)化為順式異構(gòu)體；順式異構(gòu)體吸收特定波長的光子，又會恢復(fù)到反式異構(gòu)體。為此，南開大學(xué)的程建廣等人以他們合成的一種新型偶氮苯衍生物作為客體分子，測得客體分子自身的臨界聚集濃度，并以陰離子α-環(huán)糊精為主體分子，通過Job曲線測得主客體分子鍵合比，并利用紫外滴定方法測定了主客體分子的鍵合常數(shù)。實驗表明，主客體分子組裝后可形成棒狀組裝體，經(jīng)365nm光照后該棒狀組裝體變?yōu)榍驙罱M裝體。從而實現(xiàn)了對組裝體形貌的光控可逆調(diào)控[11]。該研究將在智能材料科學(xué)、波譜分析、主客體化學(xué)及超分子化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

3 新型環(huán)糊精衍生物的合成及在電化學(xué)和分析化學(xué)中的應(yīng)用

3.1 新型環(huán)糊精衍生物的制備及在電化學(xué)中的應(yīng)用

具有導(dǎo)電性質(zhì)的類聚合物響應(yīng)性凝膠在電學(xué)、電化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)器件等領(lǐng)域有極大的潛在應(yīng)用價值。為此，武漢科技大學(xué)的朱玉亭等人通過溶膠凝膠法制備包含有α-CD的聚異丙基丙烯酰胺凝膠，利用苯胺在α-CD的空腔內(nèi)的自組裝，快速簡便地形成了一種具有溫度響應(yīng)性的導(dǎo)電復(fù)合凝膠。這種相互滲透的雙穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使凝膠具有連續(xù)的電子輸送通路、高孔隙率和高強度，從而賦予了這種凝膠非常好的導(dǎo)電性能、溫敏性能和機械性能。他們的研究表明該復(fù)合凝膠具有很好的導(dǎo)電性和快速溫敏響應(yīng)性及優(yōu)良的機械性能[12]。該研究將在電學(xué)、電化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)器件等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3.2 環(huán)糊精與無機簇的超分子組裝及在分析分離科學(xué)中的應(yīng)用

構(gòu)筑基元體系在自組裝化學(xué)的發(fā)展中扮演著重要作用，組分的結(jié)構(gòu)信息和功能作用都在進(jìn)行程序化組裝過程中通過分子間相互作用儲存到了組裝體中。如果利用無機簇的多陰離子的性質(zhì)，通過與有機陽離子之間的靜電作用以及陽離子組分間的相互作用，就能夠?qū)崿F(xiàn)多組分雜化組裝、結(jié)構(gòu)調(diào)控和組裝體的功能化。運用這一思路，吉林大學(xué)的岳亮等人通過選用陽離子客體組分，利用環(huán)糊精與陽離子客體的識別，實現(xiàn)了與多金屬氧簇的進(jìn)一步共組裝。當(dāng)他們選用單陽離子修飾的客體包結(jié)在環(huán)糊精中時，其與多金屬氧簇的靜電復(fù)合組裝得到的是零維超分子組裝體，環(huán)糊精通過陽離子客體組裝到多金屬氧簇表面。這時即使在不加電解質(zhì)的條件下，他們也能實現(xiàn)環(huán)糊精手性誘導(dǎo)的多金屬氧簇電致可逆變色。而在利用雙頭雙陽離子作為客體時，其與環(huán)糊精識別后再與多金屬氧簇結(jié)合的結(jié)果是，由于多金屬氧簇的直徑大于環(huán)糊精的空腔尺度，復(fù)合組裝給出超分子輪烷結(jié)構(gòu)。雙頭陽離子的兩端被多金屬氧簇封住，兩個環(huán)糊精處在中間不能自由解離。當(dāng)多金屬氧簇的電荷n=2時，可以得到線性結(jié)構(gòu)，n=3時則得到支化的結(jié)構(gòu)。而當(dāng)n=4時，他們又獲得了二維骨架結(jié)構(gòu)。有趣的是，他們可以利用骨架中間的均勻納米尺度孔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對納米粒子的精細(xì)分離作用。當(dāng)多金屬氧簇的電荷繼續(xù)增加時，他們可以得到更為復(fù)雜的三維骨架。可以預(yù)見，通過這種方法，他們不僅能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)糊精與多金屬氧簇的共組裝，而且獲得的組裝體既可以用于多金屬氧簇的功能化，也可以用于組裝結(jié)構(gòu)的功能化[13]。該研究將在材料科學(xué)、分析分離科學(xué)、超分子化學(xué)、主客體化學(xué)及信息科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

4 結(jié)論

綜上所述，由于植根深遠(yuǎn)的環(huán)糊精化學(xué)研究的蓬勃發(fā)展，使得其用途無處不有，應(yīng)用難以盡舉。雖然科技工作者使環(huán)糊精化學(xué)的研究取得了長足的發(fā)展，但其基礎(chǔ)理論研究還有待于進(jìn)一步完善，其作為第二代超分子大環(huán)主體化合物的應(yīng)用還有待于進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用。

我國今后對環(huán)糊精化學(xué)研究的重點應(yīng)朝著以下幾個方面發(fā)展：（1）研究如何更多的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、地質(zhì)勘察、航空航天等領(lǐng)域；（2）研究環(huán)糊精及其衍生物對反應(yīng)系統(tǒng)的控制和影響、在分子識別、分子機器、分子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用問題；（3）研究環(huán)糊精在使用過程中的回收問題；（4）研究如何更好地完成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)、變進(jìn)口國為出口國的問題?？偠灾S著世界科技工作者對環(huán)糊精化學(xué)研究的不斷深入，環(huán)糊精化學(xué)這朵艷麗之花將為人類的文明進(jìn)步、可持續(xù)發(fā)展結(jié)出更豐碩的成果，帶來新的輝煌。

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Synthesis,self-assembly and applications of new cyclodextrin derivatives*

簡要介紹了環(huán)糊精化學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用，環(huán)糊精化合物的結(jié)構(gòu)及特性。詳細(xì)介紹了：（1）新型環(huán)糊精衍生物的制備、自組裝及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用；（2）新型環(huán)糊精衍生物的合成及在材料科學(xué)中的應(yīng)用；（3）新型環(huán)糊精衍生物的合成及在電化學(xué)和分析分離科學(xué)中的應(yīng)用。并對環(huán)糊精化學(xué)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

環(huán)糊精衍生物；合成；應(yīng)用

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

This paper briefly introduces the generation,development,applications,structures,and properties of cyclodextrin chemistry.Emphases are put on three parts:（1）preparations and self-assemblies of new cyclodextrin derivatives and their applications in medicine;（2）synthesis of new cyclodextrin derivatives and their applications in material science;（3）synthesis of new cyclodextrin derivatives and their applications in electrochemistry and analytical separation science.Future developments of cyclodextrin chemistry are prospected in the end.

cyclodextrin derivatives;synthesis;application

TQ463.3；O621

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170550

2017-02-08

陜西省重點實驗室科研計劃項目（2010JS067）；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，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事大環(huán)化學(xué)研究及天然產(chǎn)物分離提取。