β—環(huán)糊精聚合物與丁醚脲包合作用的研究

束影+錢(qián)琛+王杰瓊

摘要：通過(guò)紅外光譜、X-射線粉末衍射對(duì)β-環(huán)糊精聚合物（β-CDP）與丁醚脲（DFT）形成的包合物進(jìn)行表征。用紫外光譜法求得β-環(huán)糊精聚合物與丁醚脲在水溶液的包合常數(shù)為3.42×104 （mol/L）-2。以乙二醇為溶劑，二者的包含常數(shù)下降為3.22×104 （mol/L）-2。此外，β-環(huán)糊精與丁醚脲在乙二醇溶液中的包合常數(shù)為1.21×103 （mol/L）-2，表明β-環(huán)糊精聚合物的包合能力明顯高于單體β-環(huán)糊精（β-CD）。β-環(huán)糊精聚合物可以有效地改善丁醚脲的溶解性。

關(guān)鍵詞：β-環(huán)糊精聚合物；丁醚脲；包含常數(shù)；增溶作用

中圖分類號(hào)： S482.3；TQ450.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0169-04

丁醚脲（diafenthiuron）屬硫脲類高效低毒殺蟲(chóng)、殺螨劑（結(jié)構(gòu)如圖1-a所示）[1-3]，主要用于高抗性鱗翅目害蟲(chóng)如小菜蛾、菜粉蝶、棉鈴蟲(chóng)、斜紋夜蛾等以及螨類的防治，對(duì)有機(jī)磷、氨基甲酸酯及菊酯類的抗性害蟲(chóng)有特效[4-6]，但因在水中的溶解度很小（0.06 mg/L，25 ℃），實(shí)際應(yīng)用受到很大程度的限制。

β-環(huán)糊精（β-cyclodextrin）是一類環(huán)狀低聚葡萄糖化合物，由7個(gè)葡萄糖單元通過(guò)α-1，4糖苷鍵連接而成，結(jié)構(gòu)如圖1-b所示，對(duì)客體分子具有包結(jié)、催化、緩釋等功能[7-10]。[LL]

但是受本身溶解度限制，β-環(huán)糊精對(duì)客體分子的包合效果并不理想。β-環(huán)糊精聚合物（β-cyclodextrin polymer），結(jié)構(gòu)如圖1-c所示[11]，因其呈立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較好的機(jī)械強(qiáng)度、良好的穩(wěn)定性以及化學(xué)可調(diào)性等優(yōu)點(diǎn)[12-14]。本研究在合成β-環(huán)糊精聚合物的基礎(chǔ)上，研究丁醚脲與β-環(huán)糊精聚合物在水中和乙二醇中的包合作用，比較β-環(huán)糊精和β-環(huán)糊精聚合物對(duì)丁醚脲的包合能力，為丁醚脲新劑型的研制提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

主要儀器：TENSOR27型傅立葉變換紅外光譜儀（德國(guó) Bruker 公司，儀器分辨率為4 cm）；D8 ADVANCE 多晶X-射線衍射儀（德國(guó)Bruker公司，電壓40 kV，電流40 mA，射線源為Cu Kα，λ=0.154 056 nm）；UV-2550型紫外-可見(jiàn)光譜儀（日本Shimazu公司）。

主要試劑：β-環(huán)糊精、丁醚脲（97%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)有限公司）、環(huán)氧氯丙烷，均為分析純；試驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水溶性β-環(huán)糊精聚合物的制備 稱取19.7 g的氫氧化鈉于100 mL的三口燒瓶中，加40 mL二次水使之完全溶解后，加入25 g β-環(huán)糊精，于30 ℃水浴恒溫下攪拌1 d，使β-環(huán)糊精完全溶解，得到澄清溶液。在相同的條件下加入環(huán)氧氯丙烷12 mL，繼續(xù)反應(yīng)1 d，反應(yīng)結(jié)束得到透明澄清溶液，將此溶液進(jìn)行透析（1～2 h換水1次，透析2 d），透析后的溶液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，剩余溶液倒入盛有無(wú)水乙醇的小燒杯中，析出固體后過(guò)濾，真空烘箱內(nèi)50 ℃下干燥，得到白色粉末狀產(chǎn)品。

1.2.2 丁醚脲-β-環(huán)糊精包合物的制備 首先稱取 5 mmoL 的 β-環(huán)糊精聚合物和 50 mmoL丁醚脲溶解于二甲基甲酰胺（DMF）中，磁力攪拌24 h，然后加入乙醇，產(chǎn)生沉淀，抽濾，多次用乙醇洗滌濾渣，最后在60 ℃真空干燥，得到黃色粉末狀包合物。

1.2.3 β-環(huán)糊精聚合物對(duì)丁醚脲的增溶試驗(yàn) 準(zhǔn)確稱取0.02 g丁醚脲于50 mL錐形瓶中，加入25 mL二次蒸餾水，形成丁醚脲的過(guò)飽和溶液，分別加入不同質(zhì)量的β-環(huán)糊精聚合物。將錐形瓶放在恒溫振蕩箱中25 ℃下反應(yīng)48 h。待反應(yīng)完全后，離心并取上清液，測(cè)定其紫外吸收光譜。繪制丁醚脲的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算丁醚脲的溶解度。

2 結(jié)果與分析

2.1 丁醚脲-β-環(huán)糊精包合物的表征

圖2-a、圖2-b、圖2-c分別是β-環(huán)糊精聚合物、丁醚脲、丁醚脲-β-環(huán)糊精包合物的紅外光譜。在圖2-b中，3 364 cm-1 處是仲胺基的伸縮振動(dòng)吸收峰，2 962 cm-1處是甲基的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 582 cm-1處是苯環(huán)的骨架振動(dòng)吸收峰，3 164 cm-1 處是苯環(huán)骨架振動(dòng)倍頻峰，1 214 cm-1處是CS的伸縮振動(dòng)。在圖2-c中，3 383 cm-1的特征峰是羥基的伸縮振動(dòng)吸收峰，因受到丁醚脲中仲胺基吸收峰的影響而向低波數(shù)移動(dòng)，且其吸收峰比β-環(huán)糊精聚合物中羥基的吸收峰寬；2 925 cm-1 處是亞甲基的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，因丁醚脲的存在使丁醚脲-β-環(huán)糊精包合物中亞甲基處的吸收峰增強(qiáng)，而丁醚脲的特征峰已基本消失，只是在 1 214 cm-1 處存在微弱的CS伸縮振動(dòng)。綜上所述可以證明，已成功制備了丁醚脲-β-環(huán)糊精包合物。

圖3-a、圖3-b、圖3-c分別是丁醚脲、β-環(huán)糊精聚合物、丁醚脲-β-環(huán)糊精包合物的X-射線粉末衍射圖譜。圖3-a中的尖銳衍射峰是丁醚脲的晶體衍射峰；圖3-b中的衍射峰較弱，因?yàn)棣?環(huán)糊精聚合物以無(wú)定形形式存在；圖 3-c 中的衍射峰發(fā)生變化，表明晶型發(fā)生了變化，據(jù)此可以判定丁醚脲-β-環(huán)糊精包合物為一種新的物相。

2.2 包合常數(shù)的測(cè)定

包合常數(shù)可以通過(guò)紫外可見(jiàn)分光光度法進(jìn)行測(cè)定[15-17]。圖4為25 ℃時(shí)，1.56×10-4 mol/L丁醚脲水溶液中加入不同濃度的β-環(huán)糊精聚合物的紫外吸收光譜。由圖4可見(jiàn)，丁醚脲的最大紫外吸收波長(zhǎng)為244 nm；丁醚脲水溶液中加入β-環(huán)糊精聚合物后，丁醚脲溶液的吸光度規(guī)律性地遞增，說(shuō)明β-環(huán)糊精聚合物對(duì)丁醚脲有超分子包合作用。這主要是因?yàn)楫?dāng)丁醚脲分子進(jìn)入β-環(huán)糊精聚合物的疏水性空腔后，β-環(huán)糊精聚合物空腔內(nèi)的高電子云密度對(duì)丁醚脲的核外電子有微擾作用，導(dǎo)致丁醚脲水溶液的吸光度規(guī)律性增大。

采用乙二醇做溶劑，進(jìn)一步研究了β-環(huán)糊精聚合物與丁醚脲分子之間發(fā)生的包合作用。圖6為25 ℃時(shí)，2.0×10-5 mol/L丁醚脲乙二醇溶液中加入不同濃度的β-環(huán)糊精聚合物的紫外可見(jiàn)吸收光譜。由圖6可見(jiàn)，丁醚脲乙二醇溶液中加入β-環(huán)糊精聚合物后，丁醚脲溶液的吸光度規(guī)律性地遞增，由此證實(shí)了兩者可以發(fā)生超分子包合作用。

圖7是依據(jù)圖6的數(shù)據(jù)，以[H]02[G]0/ΔA對(duì)[H]02 作圖得到的一條直線，線性方程為Y=0.603 23+0.019 41X，r=0.99。由此證明β-環(huán)糊精聚合物中單體β-環(huán)糊精與丁醚脲物質(zhì)的量之比為2 ∶1的包合物，并可求得包合常數(shù)Kf=3.22×104 （mol/L）-2。

為了比較β-環(huán)糊精與β-環(huán)糊精聚合物對(duì)丁醚脲包合能力的差異，進(jìn)一步研究了在乙二醇溶液中β-環(huán)糊精與丁醚脲的包合作用。在2.0×10-5 mol/L丁醚脲的乙二醇溶液中加入不同濃度的β-環(huán)糊精，測(cè)定各溶液的紫外可見(jiàn)光譜（圖8），從圖8可見(jiàn)，丁醚脲溶液中加入不同質(zhì)量的β-環(huán)糊精時(shí)，吸光度僅略有增大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于加入β-環(huán)糊精聚合物的增大幅度。圖9是以[H]02[G]0/ΔA 對(duì)[H]02作圖得到的直線，線性方程為Y=9.301+0.112 3X，r=0.98。據(jù)此亦證明β-環(huán)糊精與丁醚脲分子形成摩爾比為2 ∶1的包合物，且可求得包合常數(shù)Kf=1.21×103 （mol/L）-2。

比較上述3個(gè)包合常數(shù)，在水溶液中β-環(huán)糊精聚合物與丁醚脲的包合常數(shù)最大，數(shù)值為3.42×104 （mol/L）-2；當(dāng)溶劑為乙二醇時(shí)，溶液黏度增加導(dǎo)致β-環(huán)糊精聚合物的包合能力略有下降，數(shù)值為3.22×104 （mol/L）-2；當(dāng)主體化合物為β-環(huán)糊精時(shí)，包合常數(shù)減小為1.21×103 （mol/L）-2，表明β-環(huán)糊精聚合物的包合能力遠(yuǎn)大于β-環(huán)糊精，這主要是由于β-環(huán)糊精含有羥基，羥基會(huì)形成分子內(nèi)氫鍵，整個(gè)分子的剛性較強(qiáng)，與丁醚脲形成的包合物穩(wěn)定性較差。而改性后的β-環(huán)糊精聚合物，改變了原有β-環(huán)糊精的剛性結(jié)構(gòu)，大大提高了自身的包合能力，可廣泛應(yīng)用于有機(jī)分子的識(shí)別與包合反應(yīng)。

2.3 β-環(huán)糊精聚合物對(duì)丁醚脲的增溶效果

在丁醚脲的過(guò)飽和溶液中，分別加入0、0.05、0.10、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 g的β-環(huán)糊精聚合物。在一定條件下反應(yīng)完全后，離心取上清液，并在25 ℃時(shí)測(cè)定紫外吸收光譜（圖10）。因?yàn)槎∶央逶谒械娜芙舛认喈?dāng)?shù)停?.06 mg/L，25 ℃），不加β-環(huán)糊精聚合物時(shí)丁醚脲的最大紫外吸收非常弱；而向其過(guò)飽和溶液（800 mg/L）中加入不同質(zhì)量的β-環(huán)糊精聚合物后，丁醚脲的最大紫外吸收隨著β-環(huán)糊精聚合物增多而逐漸增大，丁醚脲水溶液的最大吸光度可以增大到0.564（曲線h），說(shuō)明β-環(huán)糊精聚合物對(duì)丁醚脲具有一定的增溶能力，丁醚脲在水中的溶解度可提高約96倍；但是當(dāng)β-環(huán)糊精聚合物質(zhì)量增加到一定程度后，丁醚脲在水中的吸光度不再增加，此時(shí)β-環(huán)糊精聚合物對(duì)丁醚脲的增溶能力已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)（曲線h），過(guò)多的β-環(huán)糊精聚合物反而對(duì)丁醚脲的紫外吸收起阻礙作用，造成最大吸光度降低（曲線i）。

3 結(jié)論

本研究成功制備了β-環(huán)糊精聚合物與丁醚脲的包合物丁醚脲-β-環(huán)糊精聚合物，并對(duì)其進(jìn)行了紅外和X-射線粉末衍射表征。通過(guò)紫外可見(jiàn)分光光度法求得β-環(huán)糊精聚合物與丁醚脲在水溶液中的包合常數(shù)為3.42×104 （mol/L）-2，在乙二醇中的包合常數(shù)為3.22×104 （mol/L）-2，而β-環(huán)糊精與丁醚脲在乙二醇中的包合常數(shù)為1.21×103 （mol/L）-2。β-環(huán)糊精聚合物對(duì)丁醚脲的包合作用優(yōu)于β-環(huán)糊精。由于超分子包合物的形成，β-環(huán)糊精聚合物可有效增加丁醚脲在水中的溶解度，使丁醚脲在水中的溶解度增加約96倍。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ishaaya I，Mendelson Z R，Horowitz A. Toxicity and growth-suppression exerted by diafenthiuron in the sweetpotato whitefly，Bemisia tabaci[J]. Phytoparasitica，1993，21（3）：199-204.

[2]Ruder F J，Kayser H. The carbodiimide product of diafenthiuron inhibits mitochondria in vivo[J]. Pesticide Biochemistry and Physiology，1993，46（2）：96-106.

[3]Schareina T，Zap A，Cotté A L，et al. A practical and improved copper-catalyzed cynthesis of the central intermediate of diafenthiuron and related products[J]. Organic Process Research and Development，2008，12（3）：537-539.

[4]Brito N M，Navickiene S，Polese L，et al. Determination of pesticide residues in coconut water by liquid-liquid extraction and gas chromatography with electron-capture plus thermionic specific detection and solid-phase extraction and high-performance liquid chromatography with ultraviolet detection[J]. Journal of Chromatography A，2002，957（2）：201-209.

[5]Du P，Li K X，Chen L，et al. Dynamic study on the residue and degradation of the diafen-thiuron microemulsion in cabbage and soil[J]. Journal of Safety and Environment，2009，9（3）：1-4.

[6]Keum Y S，Liu K H，Seo J S，et al. Dissipation of foliar residues of diafenthiuron and its metabolites[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2002，68（6）：845-851.

[7]張 瑜，刁國(guó)旺，郭 榮. β-環(huán)糊精-四氯苯醌包合物的合成及其表征[J]. 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，5（3）：32-35.

[8]Chen M，Diao G W，Zhang E R. Study of inclusion complex of β-cyclodextrin and nitrobenzene[J]. Chemosphere，2006，63（3）：522-529.

[9]車(chē) 音，顧 穎，朱霞石. β-環(huán)糊精交聯(lián)包結(jié)吸附樹(shù)脂富集鎘[J]. 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，12（3）：26-29.

[10]Jug M，Kosalec I，Maestrelli F，et al. Analysis of triclosan inclusion complexes with β-cyclodextrin and its water-soluble polymeric derivative[J]. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis，2011，54（5）：1030-1039.

[11]Chen M，Wang J Q，Zhang W，et al. Preparation and characterization water-soluble inclusion complexes of imidacloprid-β-cyclodextrin polymer and their electrochemical behavior[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry，2013，696：1-8.

[12]Jazkewitsch O，Mondrzyk A，Staffel R，et al. Cyclodextrin-modified polyesters from lactones and from bacteria：an approach to new drug carrier systems[J]. Macromolecules，2011，44（6）：1365-1371.

[13]Liu Y Y，F(xiàn)an X D，Hu H，et al. Release of chlorambucil from poly（N-isopropylacrylamide） hydrogels with β-cyclodextrin moieties[J]. Macromolecular Bioscience，2004，4（8）：729-736.

[14]Ortiz M，Torréns M，Alakulppi N，et al. Amperometric supramolecular genosensor self-assembled on cyclodextrin-modified surfaces[J]. Electrochemistry Communications，2011，13（6）：578-581.

[15]Berbicz F，Nogueira A C，Neto A M，et al. Use of photoacoustic spectroscopy in the characterization of inclusion complexes of benzophenone-3-hydroxypropyl-β-cyclodextrin and ex vivo evaluation of the percutaneous penetration of sunscreen[J]. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，2011，79（2）：449-457.

[16]Chen M，Shang T，Liu J，et al. Complexation thermodynamics between butyl rhodamine B and calix[n]arenesulfonate（n=4，6，8）[J]. The Journal of Chemical Thermodynamic，2011，43（1）：88-93.

[17]Chen M，Diao G W. Intermolecular complexation between p-sulfonated calix[4，6，8]arene sodium and neutral red[J]. Journal of Solution Chemistry，2011，40（3）：481-491.