β-環(huán)糊精及其衍生物對薄荷醇的增溶作用及熱力學研究

雷華平，姚 杰，張 輝，馮紀南

(1．湘南學院 藥學院，湖南 郴州 423043；2．湘南學院 化學生物與環(huán)境工程學院，湖南 郴州 423043)

薄荷醇為薄荷揮發(fā)油的主要藥用成分，具有消炎、止癢、鎮(zhèn)痛、防腐、調(diào)味等用途[2]，其特殊風味能使食用者口氣清新。因此，薄荷醇被廣泛用于飲料、糖果、糕點及牙膏、香皂、卷煙、化妝品中。此外，在多種非處方藥中添加薄荷醇，除有潤膚、利尿、健胃還可緩解身體各種肌肉痙攣及疼痛，同時可通過促透作用而影響配伍藥物的療效[1-2]，薄荷醇的特性使得它可廣泛作用于口腔、鼻腔、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等人體多個部位。由于薄荷醇易揮發(fā)性，低水溶性導致穩(wěn)定性較低，大大增加了其在各領域應用的困難，因此最大化地發(fā)揮薄荷醇的使用效率是當前迫切需要解決的問題和研究重點。

本實驗采用相溶解度法研究不同環(huán)糊精對薄荷醇的包合作用、增溶作用及包合過程中熱力學參數(shù)的變化，旨在為研制薄荷醇的環(huán)糊精包合物制劑提供參考。

1 儀器和材料

紫外分光光度計(UV-6100PC，上海美普達儀器有限公司)；電子天平(YP2002，上海越平科學儀器有限公司)；數(shù)顯恒溫水浴鍋(HH-4，國華電器有限公司)；高低溫振蕩培養(yǎng)箱(HZQ-X500C，上海一恒科學儀器有限公司)；分析天平(AUY220，日本島津公司)。

β-CD和HP-β-CD(均購自山東濱州智源生物科技有限公司)；薄荷醇(購自吉安市天源藥用油廠)；對二甲氨基苯甲醛、硫酸和95%乙醇均為分析純。

2 方法與結果

2.1 薄荷醇分析方法的建立

2.1.1 標準曲線的繪制

薄荷醇標準液的配制：精密稱定100.0 mg經(jīng)五氧化二磷干燥至恒重的薄荷醇，以乙醇為溶劑定容于100 mL量瓶中，得到1.0 mg/mL的母液，備用。

精密吸取母液0.10，0.20，0.40，0.60，0.80，1.00 mL，分別置于10 mL量瓶中，以1∶1體積比的乙醇/水溶液稀釋至刻度，搖勻；分別取1mL各濃度溶液，加入10 mL試管中，加5 mL比色劑5 mg/mL對-二甲氨基苯甲醛的硫酸溶液(1.6體積濃酸/1體積水)[3]，搖勻后置于沸水中準確加熱2 min，于自來水中冷卻2 min，以比色劑+醇水混合物為參比，采用紫外分光光度法，于550 nm處測定吸光度A值；以薄荷醇濃度(C)對 A回歸，得薄荷醇溶液的標準曲線方程為C=151.515A-4.197，r=0.994 9，線性范圍為20～100 μg/mL。

2.1.2 加樣回收率實驗

精密稱取薄荷醇0.0005，0.0012，0.0022 g，置100mL容量瓶，以水為溶劑定容，得到濃度為0.0050 mg/mL，0.0125 mg/mL，0.0225 mg/mL的薄荷醇100 mL母液，備用；分別向母液中加入HP-β-CD 0.004 5,0.010 8，0.019 7 g，超聲5 min使之溶解并以水為溶劑定容至刻度，用0.45 μm微孔濾膜過濾，取濾液于550 nm處測定吸光度值；配制母液，向母液中加入β-CD 0.003 6，0.008 7，0.016 0 g，以相同方法測定吸光度A。測得在β-CD和HP-β-CD中薄荷醇的加樣回收率分別為(99.24±2.17)%和(99.23±1.79)%。

2.2 薄荷醇相溶解度的測定

精密稱取β-CD和HP-β-CD，配制成不同濃度的水溶液；取上述水溶液各10 mL，置于25 mL容量瓶中，加入過飽和量的薄荷醇，再將不同濃度的混合液置于37 ℃的恒溫條件下振蕩包合3天；取上清液，0.45 μm孔徑的微孔濾膜過濾，經(jīng)適當稀釋后，在波長550 nm處測吸光度A，根據(jù)標準曲線線性回歸方程分別得出不同濃度的環(huán)糊精溶液下對應的薄荷醇的濃度；以β-CD及HP-β-CD濃度(mmol/L)為橫坐標，混合液中薄荷醇濃度為縱坐標，得出該溫度下薄荷醇/HP-β-CD和薄荷醇/β-CD的相溶解度圖；改變測定溫度，同法操作，再分別求出溫度為37 ℃和45 ℃時不同濃度的CD溶液下對應的薄荷醇的濃度。

薄荷醇在不同濃度β-CD和HP-β-CD中的溶解度及增溶倍數(shù)如表1和表2所示。

表1 薄荷醇在β-CD中的溶解度及增溶倍數(shù)表

表2 薄荷醇在HP-β-CD中的溶解度及增溶倍數(shù)表

表1和表2增溶結果表明，在3種不同溫度下，β-CD及HP-β-CD的濃度的增加，薄荷醇的溶解度也隨之增加。在相同濃度的環(huán)糊精溶液中薄荷醇的溶解度均隨溫度的升高而增大。衍生物HP-β-CD與母體β-CD相比，顯著增加了薄荷醇在水中的溶解度，這是因為HP-β-CD在水中的溶解度(750 g/L)遠遠大于β-CD在水中的溶解度(18 g/L)。

薄荷醇與β-CD和HP-β-CD形成包合物的相溶解度見圖1和圖2。

圖1 薄荷醇與β-CD形成包合物的相溶解度圖

圖2 薄荷醇與HP-β-CD形成包合物的相溶解度圖

從圖1和圖2可以看出，在各種溫度條件下，薄荷醇的溶解度隨β-CD及HP-β-CD濃度的增加而呈直線上升，表明有形成可溶性的包合物。根據(jù)相溶解度圖求出每條曲線的線性回歸方程，根據(jù)公式，其中是薄荷醇在水溶液中的固有飽和濃度，相當于相溶解度曲線上的截距，可得到不同溫度下薄荷醇與β-環(huán)糊精包合物的穩(wěn)定常數(shù)，結果如表3，4所示。

由上可知，隨著溫度的升高，薄荷醇-β-CD和薄荷醇-HP-β-CD包合物的穩(wěn)定常數(shù)降低，形成薄荷醇-環(huán)糊精包合物的趨勢減弱，包合平衡向解離方向進行。而且HP-β-CD對薄荷醇的增溶作用明顯強于β-CD，穩(wěn)定常數(shù)也高于薄荷醇-β-CD包合物。

表3 不同溫度下薄荷醇與β-CD包合物的相溶解度回歸方程和穩(wěn)定常數(shù)

表4 不同溫度下薄荷醇與HP-β-CD包合物的相溶解度回歸方程和穩(wěn)定常數(shù)

2.3 包合過程熱力學參數(shù)的計算

依據(jù)穩(wěn)定常數(shù)K與溫度T的關系，即Vant’t Hoff方程lnK=-ΔH/RT+ΔS/R，作出不同溫度下薄荷醇與β-CD及HP-β-CD包合反應的lnK-1/T圖，并求出其線性回歸方程。在實驗溫度范圍內(nèi)(25～45 ℃)，可以認為ΔH和ΔS是與溫度無關的常數(shù)[4-5]。由回歸方程的斜率(-ΔH/R)和截距(ΔS/R)分別求出反應的標準焓變和熵變ΔS。其中R為摩爾氣體常數(shù)，R=8.314 J·mol-1·K-1。由Gibss-Helmholtz公式ΔG=ΔH-TΔS，求得包合過程的吉布斯自由能變ΔG。所得數(shù)據(jù)詳見表5、6。

表5 薄荷醇與β-CD包合反應的熱力學參數(shù)

表6 薄荷醇與HP-β-CD包合反應的熱力學參數(shù)

由表中可得出，薄荷醇與β-CD及HP-β-CD的包合反應中焓變(ΔH)、熵變(ΔS)、吉布斯自由能變化(ΔG)均為負值，表明包合過程為放熱反應。

3 討 論

從表1和表2可以看出，β-CD和HP-β-CD對薄荷醇都具有一定的增溶作用。在不同溫度下，薄荷醇的溶解度均隨β-CD和HP-β-CD的濃度的增加而呈線性增加。隨著溫度的升高，在CD濃度相同的情況下，薄荷醇的溶解度也相應增大。β-CD由于受自身溶解度的影響，雖然在一定程度上增加了薄荷醇的溶解度，同時也限制了其增溶作用。

薄荷醇對β-CD和HP-β-CD的相溶解度研究結果表明，在不同溫度下，薄荷醇的溶解度均隨β-CD和HP-β-CD的濃度的增加而呈不同程度的增加，β-CD 和HP-β-CD與薄荷醇形成的可溶性包合物的摩爾比均為 1∶1。隨著溫度的升高，薄荷醇與β-CD和HP-β-CD形成包合物的穩(wěn)定常數(shù)K值均降低，表明混合液中形成包合物的趨勢會隨著溫度升高而降低，包合物中的客分子可能越來越多的離開主分子的空囊而進入水相。實驗測得的穩(wěn)定常數(shù)都不太大，薄荷醇-HP-β-CD包合物為272～307 L/mol，而薄荷醇-β-CD包合物僅為228～235 L/mol，說明環(huán)糊精分子與薄荷醇分子之間的作用力較弱，衍生物 HP-β-CD的包合能力比母體β-CD強。但是，如果K值太大，將導致藥物很難從包合物中解離出來發(fā)揮作用，因此K值并不是越大越好，必須根據(jù)制劑目的確定適宜的K值。

薄荷醇與β-CD和薄荷醇與HP-β-CD在水溶液中的包合過程熱力學參數(shù)變化是ΔG和ΔH為絕對值較大的負值，ΔS為絕對值很小的負值。這表明包合過程為放熱反應，常溫常壓下可自發(fā)形成包合物，降低溫度使反應向包合物生成的方向進行，因此在實際操作中應綜合考慮選擇適宜的反應溫度及制備工藝。在包合物中，β-CD和HP-β-CD將薄荷醇限制在分子囊中，使其自由度降低，從而包合體系的混亂度減小，熵值減小。根據(jù)熱力學第二定律，熵值減小不利于反應的正向進行，但較大的負焓極大的補償了熵變值小的不利，因此在 3種實驗溫度下，包合過程的ΔG都小于零。雖然熱焓的變化為負值，但比一般的化學反應熱小，表明主分子和客分子在進行包合作用時，相互之間沒有發(fā)生化學反應，故沒有形成共價鍵、離子鍵等化學鍵，因此β-環(huán)糊精與薄荷醇的包合主要是一種物理過程。從經(jīng)典的疏水性相互作用的模型中可以得出，體系的焓只稍有增加，而體系的熵則會大量增加，顯然整個過程是由熵驅動的。由此可見，包合物的形成并不是一種經(jīng)典的疏水性作用。因此，分子間氫鍵和范德華力可能是環(huán)糊精與薄荷醇形成包合物的主要作用力，環(huán)糊精分子的疏水性作用導致其空腔中的水分子之間不能充分形成氫鍵而具有非常巨大的焓值。所以如果體系的焓有大幅度的下降則可能是因為極性比水小的薄荷醇分子替代了疏水空腔中富焓的水分子。從能量的角度來看，包合作用可以看成是之前存在于環(huán)糊精空囊中的水分子被薄荷醇分子取代的過程，β-CD 和HP-β-CD 分子空腔中的富焓水的釋放是包合反應的主要驅動力。

5 結 論

薄荷醇能分別與β-CD和HP-β-CD在常溫常壓下自發(fā)形成包合物，包合過程為放熱反應，較低溫有利于包合物的形成和穩(wěn)定。包合物的生成是一種焓驅動的物理過程，主要是分子間氫鍵和范德華

力作用的結果。薄荷醇與2種環(huán)糊精形成的包合物能夠增加藥物的溶解性，特別是HP-β-CD能夠顯著提高薄荷醇在水中的溶解度，得到的包合物的穩(wěn)定性也優(yōu)于薄荷醇-β-CD，說明衍生物HP-β-CD比母體β-CD對薄荷醇有更強的包合能力。

參考文獻：

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