香辛料-環(huán)糊精包埋的小分子機理及應用

香辛料-環(huán)糊精包埋的小分子機理及應用

13-環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)和性能1.1采用–環(huán)糊精結(jié)構(gòu)模型的正演模擬d-環(huán)氧樹脂（ii-cd）的分子形狀為截錐形。分子中的每個葡萄糖單元都采用了無扭曲的皮革結(jié)構(gòu)，作為4c1氨基葡萄糖的結(jié)構(gòu)因素。結(jié)果表明，i-環(huán)氧樹脂分子中的所有伯克斯都位于環(huán)的一側(cè)，即六個氨基葡萄糖單元構(gòu)成了環(huán)糊精分解結(jié)構(gòu)的主面（狹窄端），所有中羥基位于環(huán)的另一側(cè)，即兩個和三個羥基構(gòu)成了環(huán)糊精分解結(jié)構(gòu)的次面（較寬的表面）。環(huán)糊精內(nèi)壁由指向空腔C3和C5上的氫原子及糖苷鍵氧原子構(gòu)成,使其空腔內(nèi)部有較高電子云密度,表現(xiàn)出一定疏水性;環(huán)糊精次面仲羥基則使其大口端和外壁表現(xiàn)為親水性。另外,由于6位亞甲基存在,使其主面也表現(xiàn)出一定疏水性。β–環(huán)糊精結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。β–環(huán)糊精這種特征結(jié)構(gòu)使其具有很多特別性能,能與范圍極其廣泛各類客體,例如有機分子、無機離子、配合物甚至惰性氣體,通過分子間相互作用形成主客體包合物,從而對客體具有屏蔽、控制釋放、活性保護等功能,廣泛應用于醫(yī)藥和食品領域[2~5]。同時利用β–環(huán)糊精空腔與客體分子空間尺寸匹配性,還可用于各種異構(gòu)體分子識別,制備分離材料等。1.2–環(huán)糊精在堿中的穩(wěn)定性β–環(huán)糊精在較高溫度下和堿性溶液中相對比較穩(wěn)定,不易分解。β–環(huán)糊精沒有確定熔點,當溫度升至約200℃時才開始分解,低溫時相對穩(wěn)定。β–環(huán)糊精在堿乃至強堿性溶液中都呈穩(wěn)定;但處酸性時可部分水解為葡萄糖和非環(huán)麥芽糖。不同溫度和酸度下β–環(huán)糊精酸水解速度常數(shù)如表1所示。1.3r-perth環(huán)糊精的物理性質(zhì)1.3.1在分配和放置組合中的作用β–環(huán)糊精極易制備成晶體,濃水溶液在室溫或冰箱中放置,特別是伴隨攪拌能迅速生成大量無色粉末晶體。β–環(huán)糊精不具吸濕性,但易形成各種穩(wěn)定水合物。1.3.2溫度函數(shù)的選取β–環(huán)糊精在水及有機溶劑中溶解度是一個十分重要性質(zhì),實驗表明,β–環(huán)糊精水中溶解度是溫度函數(shù),見圖2。β–環(huán)糊精雖能溶于水,但能溶解β–環(huán)糊精有機溶劑非常少。表2列示β–環(huán)糊精及其衍生物羥丙基β–環(huán)糊精(簡稱HP–β–CD)在常用有機溶劑中溶解度。1.4i-perrin生物性質(zhì)了解和掌握β–環(huán)糊精生物學性質(zhì)對于其在醫(yī)學、食品、化學等方面研究和應用十分重要;β–環(huán)糊精在人體內(nèi)很難被消化,毒性很低。2定性包結(jié)物β–環(huán)糊精結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一個重要性質(zhì),就是在溶液中選擇性結(jié)合有機小分子或離子,形成具有不同程度穩(wěn)定性包結(jié)物。所謂包結(jié)物就是主體與客體通過分子間相互作用,完成彼此間識別過程,最終使客體分子部分或全部嵌入主體內(nèi)部現(xiàn)象。在研究這些包結(jié)物生成規(guī)律和β–環(huán)糊精與這些被結(jié)合物間相互作用時,分別稱它們?yōu)橹黧w(Host,H)和客體(Guest,G)并歸于Cram主客體化學研究范疇。2.1水體表面為復合溶劑β–環(huán)糊精包合物結(jié)構(gòu)主要有兩種類型:(a)籠型,β–環(huán)糊精分子非同軸排列,被包合客體分子充塞于環(huán)糊精腔內(nèi);(b)管道型,β–環(huán)糊精分子沿軸向堆積,空腔形成約0.5~0.8nm隧道,客體分子寄宿于隧道內(nèi)。無論是在固相還在水溶液中,β–環(huán)糊精空腔實際上都不是空著,而是結(jié)合著水分子。包結(jié)過程實際上是非極性小分子客體取代空腔中水分子過程。也就是說,相對非極性客體分子與一個沒完全溶劑化疏水空腔相互作用,這是一個在能量上適宜、熵和焓都起作用過程。早期關于結(jié)合機理和步驟概念仍被沿用至今。(1)被結(jié)合極性水分子和非極性空腔間相互作用,及在大體積水中,極性水分子和非極性客體分子之間互相作用在能量上都是不適宜的;因此自發(fā)被非極性客體分子與疏水空腔非極性相互作用及空腔內(nèi)釋放水分子與溶液中大體積水之間極性相互作用所代替。這個過程實現(xiàn),前提條件是要求客體分子幾何形狀、尺寸、極性與β–環(huán)糊精空腔尺寸和性質(zhì)相匹配。(2)β–環(huán)糊精空腔結(jié)合水分子具有張力,在客體進入時釋放。(3)客體分子或其結(jié)合位脫去水殼,水結(jié)構(gòu)沿客體分子暴露部分重新形成并和β–環(huán)糊精水殼一體化。(4)客體分子進入空腔,借范德華力、氫鍵、偶極相互作用穩(wěn)定;但自身保留移動和旋轉(zhuǎn)自由度,其速度與分子大小有關。進入客體分子,其體積與幾何形狀在空腔內(nèi)填充緊密程度將影響β–環(huán)糊精環(huán)旋轉(zhuǎn)。(5)被客體取代釋放出水分子由“氣態(tài)”凝結(jié)成液體引起熵、焓變化,釋放水分子部分補償由于β–環(huán)糊精與客體分子結(jié)合引起熵失。由于環(huán)糊精“內(nèi)疏水,外親水”特殊結(jié)構(gòu),可與大量客體分子發(fā)生包結(jié),但包結(jié)過程中包結(jié)物穩(wěn)定性受以下幾個因素影響。2.1.1水在形成包結(jié)物時,水具有非常重要作用,除作為環(huán)糊精空腔和客體分子憎水反應驅(qū)動力外,水還起著溶解環(huán)糊精和客體作用。2.1.2環(huán)糊精腔內(nèi)客體分子類型的化學因素β–環(huán)糊精可與其空腔內(nèi)徑相匹配化合物形成包合物不完全是化學因素而是分子大小決定著滲入環(huán)糊精腔內(nèi)客體分子種類。α–CD、β–CD、γ–CD具有大小不同內(nèi)徑,可包結(jié)大小不同分子,通常認為,控制包結(jié)反應最重要因素是空間匹配。2.1.3物體分子的幾何形狀客體分子立體效應對包合作用也有很大影響,取代及空間位置不同的構(gòu)型異構(gòu)體,包合行為有很大差別。2.1.4衍生離子型–環(huán)糊精包合物β–環(huán)糊精包合物形成程度也依賴于客體分子極性,一般來說,強親水性、強水合性使離子化客體化合物與β–環(huán)糊精形成包合物能力很弱,只有極性比水小的客體分子才能與β–環(huán)糊精分子包合。其次,衍生離子型β–環(huán)糊精與帶有相反電荷客體形成包合物比帶有相同電荷客體形成包合物更為穩(wěn)定。人們系統(tǒng)研究過偶極―誘導偶極作用在包結(jié)現(xiàn)象中影響,發(fā)現(xiàn)底物電荷對生成環(huán)糊精包結(jié)物穩(wěn)定性起著重要作用。2.1.5溶劑對合合過程的影響原則上,包合物形成不需要溶劑;但對不易升華物質(zhì),由于包合過程十分緩慢,就需要水或其它溶劑。溶劑選擇是有限制的,除有些小分子、強親水溶劑,如甲醇、2–甲氧基乙醇外,大多數(shù)溶劑不能用,因它們也能與β–環(huán)糊精形成穩(wěn)定包合物。2.1.6–環(huán)糊精空腔一些客體分子與β–環(huán)糊精羥基形成氫鍵,增加包合物穩(wěn)定性。因β–環(huán)糊精空腔疏水性,使主客體間非極性–極性結(jié)合在熱力學上具較大穩(wěn)定性,這種相互作用,使客體疏水性部分進入β–環(huán)糊精空腔,取代β–環(huán)糊精空腔高能水,以降低β–環(huán)糊精空腔與水分子非極性―極性相互作用能量。2.2-精離成形糊劑的制備方法制備β–CD包合物時,對于不同客體,應選擇其適當條件和方法。β–CD包合物制備方法大致分為以下幾類,每一類又有具體方法。2.2.1飽和水溶液法飽和水溶液法是指采用飽和水溶液法進行包合。稱取一定量β–CD,溶于適當溫度蒸餾水配制成飽和溶液,將客體加入到飽和水溶液進行包合、過濾、干燥即得包合物。其實例見表3。2.2.2加入懸浮液后繼續(xù)發(fā)酵客體如沒有適宜溶劑,可配制成50%β–CD細懸浮液,將客體直接加入此懸浮液中,反應混合物在良好攪拌下繼續(xù)數(shù)小時。李柱等研究發(fā)現(xiàn),采用懸濁液法以甜橙油載量5%,溫度55℃,時間6小時可制備成包合物化效率為99.1%和產(chǎn)率60.3%包合物產(chǎn)品。2.2.3分離、制備出“n”n-環(huán)糊精包合物包結(jié)絡合物法,是利用β–環(huán)糊精中空且內(nèi)部疏水外部親水結(jié)構(gòu)特點,在水溶液中選擇性結(jié)合疏水性客體,形成具有不同穩(wěn)定程度包結(jié)絡合物,即分子水平包合物。其過程有三大步驟:第一步:稱取一定量非極性客體物質(zhì),加入適量蒸餾水制備均勻乳液體系。第二步:稱取一定量β–環(huán)糊精倒入水中,待完全溶解后,將已乳化完全乳化液倒入β–環(huán)糊精溶液中,繼續(xù)攪拌使β–環(huán)糊精包合客體物質(zhì),形成包合物慢慢從溶液中沉淀析出。第三步:反應結(jié)束后,離心、干燥,得到固體包合物。其實例見表4。2.2.4包合物的形成β–環(huán)糊精與晶狀或液體客體物質(zhì)簡單混合物在室溫下充分研磨,包合物就會形成。正如在一系列藥物包合中,共研磨法已成為實驗室合成包合物常用方法之一,其實例見表5。2.2.5微波法有機反應速率自Gedye將微波技術引入化學反應以來,微波輻射促進有機化學反應研究已成為有機化學領域一個熱點。人們發(fā)現(xiàn)在微波輻射作用下,有機反應速率比傳統(tǒng)加熱方法快數(shù)倍甚至上千倍,且具有操作簡單、收率高、后處理方便等特點,因此微波法在有機合成中得到廣泛應用并迅速發(fā)展。馬學毅等首將微波法用于一系列環(huán)糊精包合物制備,并取得理想結(jié)果。反應時,將環(huán)糊精、客體分子,與極少量溶劑放入反應瓶中,置于微波爐內(nèi),適宜溫度下反應幾分鐘即可用這種方法制備環(huán)糊精包合物,反應時間比常規(guī)方法大大縮短。2.2.6超聲波破碎法超聲波法將β–環(huán)糊精飽和水溶液加入客體分子溶液中,混合后立即用超聲波破碎儀或超聲波清洗機,選擇合適強度,適當超聲時間,代替攪拌力,將析出沉淀。此法簡便、快捷,其實例見表6。3固體包結(jié)物的檢測方法研究β–環(huán)糊精包結(jié)物表征方法有很多種,其溶液常采用紫外(UV)、熒光、核磁共振(NMR)、圓二色譜(CD)等方法;對固體包結(jié)物更多是使用紅外(IR)、差示掃描量熱(DSC)、X–射線衍射(XRD)等方法;以下簡介幾種常用分析方法。3.1v–vis光譜紫外-可見分光光度法是目前廣為應用研究分子識別與結(jié)合方法。當主客體分子形成包結(jié)物時,從UV–Vis光譜譜圖上看,其最大吸收峰位置、強度、峰形會發(fā)生某些變化,這種光譜變化是由于環(huán)糊精空腔內(nèi)高電子密度誘導客體分子電子發(fā)生移動結(jié)果。張清峰等研究β–環(huán)糊精對桂皮醛UV–vis光譜影響,結(jié)果表明,被β–環(huán)糊精包結(jié)后,桂皮醛最大吸收波長不變,但吸光度值有規(guī)律下降。3.2懸浮液法制備包合物包結(jié)物形成也可用紅外光譜進行研究。通過比較主體、客體、主客體物理混合物、主客體包結(jié)物紅外圖譜以大致確定包結(jié)模型。Zarzycki等以桂皮醛為客體,β–環(huán)糊精為主體,研究乙醇體積分數(shù)、溫度、振蕩時間對懸浮液法制備包合物中桂皮醛含量影響。以紅外吸收光譜為檢測手段證明β–環(huán)糊精對桂皮醛包結(jié)。該法優(yōu)點在于實驗簡便,是一種很常用表征方法;缺點在于有的客體分子和主體分子形成包結(jié)物后,環(huán)糊精特征帶并未發(fā)生大的改變,此時,用紅外光譜研究受到限制。3.3微環(huán)境靈敏度教育與其它光譜法相比,熒光光譜有很高靈敏度,熒光強度增減和最大激發(fā)、發(fā)射波長大小與熒光基團周圍環(huán)境有關。目前,已設計出各種熒光探針和傳感器。除熒光外,磷光發(fā)光壽命也是微環(huán)境靈敏指示劑。孫體健等研究環(huán)糊精衍生物與吡羅昔康包合作用,采用熒光光譜法研究吡羅昔康與β–環(huán)糊精、羥丙基–β–環(huán)糊精、磺丁醚–β–環(huán)糊精(SBE–β–CD)包合特性,通過熒光光譜法測定環(huán)糊精與吡羅昔康包合常數(shù)。3.4差示熱重dtg、差示熱重dsc、差示熱重dtg、離析氣體分析β–環(huán)糊精包合物熱分析是應用較早方法之一。靜態(tài)分析儀(TGA)、導數(shù)熱重(DTG)、差示掃描量熱(DSC)、差示熱重(DTG)、離析氣體分析(EGA)是常用方法。葛艷蕊等用β–環(huán)糊精作為主體,探討玫瑰香精β–環(huán)糊精包合物制備工藝,并利用SDT–2960熱分析儀對樣品進行熱重分析。3.5–環(huán)糊精手性空腔誘導圓二色譜是研究具有光學活化性化合物結(jié)構(gòu)有效方法。含發(fā)色團有機分子在β–環(huán)糊精手性空腔誘導下也產(chǎn)生圓二色性。利用圓二色譜研究β–環(huán)糊精與單取代及對位二取代苯在水溶液中包結(jié)行為時,確定β–環(huán)糊精包結(jié)物是采取取代苯的長軸與β–環(huán)糊精分子空腔軸平行一種軸向包結(jié)。3.6x–射線衍射法NMR是研究β–環(huán)糊精包結(jié)物一個有力工具,不僅適于液態(tài),固態(tài),同樣也適用于粉末。尤其近年來,固態(tài)NMR引起人們極大注意,因其可彌補X–射線粉末衍射分析法某些不足。利用NMR不僅可求得包結(jié)物包結(jié)常數(shù),且摩爾比率法和連續(xù)遞變濃度法也常用來證明形成包結(jié)物時各組份間摩爾比。姬小明等通過共沉淀法制備美多心安―β–環(huán)糊精包舍物,并用核磁共振譜圖加以鑒定,證明美多心安與β–環(huán)糊精能形成包合物,且包合物主客分子比為2∶1。3.7x–射線衍射法X–射線粉末衍射技術是判斷是否生成固體包合物及包合物純度有用方法。當客體分子為液體或氣體時,它們自身不產(chǎn)生任何衍生峰,但生成包合物都是晶體粉末,在衍射圖上都有特征峰;因此,很容易辨認是否生成固體包合物。王瑋等對所制備醋柳黃酮β–環(huán)糊精包合物利用X–射線衍射法驗證包合物形成,并探索出脫包合良好方法;結(jié)論是X–射線衍射法能快速、準確鑒別出包合物生成。3.8其他除上述外,尚有許多表征手段,如薄層色譜、質(zhì)譜法、掃描電鏡、透射電鏡等。4r-