新型环糊精衍生物的合成自组装及应用*

张来新,陈琦

（宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013）

新型环糊精衍生物的合成自组装及应用*

张来新*,陈琦

（宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013）

环糊精（CD）的发现源于1891年Vittiers从芽孢杆菌属淀粉杆菌的淀粉消化液中分离获取。1903年Scherdingei用分离的杆菌消化淀粉得到α-CD和β-CD两种差向异构晶体，并用I2-KI反应区别之，该方法至今还在沿用。为纪念他对建立环糊精化学基础的贡献，环糊精也曾叫沙丁格（Scherdingei）环糊精。这一时期是环糊精化学发展的第一阶段。从二十世纪30年代中期到60年代末期，环糊精和各种有机物形成复合物的性质已被发现，在1948~1950年间Pitha又发现了γ-CD并确认了其结构，这是环糊精化学发展的第二阶段。从二十世纪70年代初到现在，环糊精化学的研究进入鼎盛时期。即从二十世纪70年代初以来环糊精化学研究的飞速发展已成为构筑超分子的重要主体化合物，这得益于技术科学的界入。目前，环糊精已发展为超分子化学研究中最重要的主题之一。

环糊精是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，通常是由6~12个D-吡喃葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键首尾相连而形成的大环化合物，其中研究较深入并具有重要应用价值的是6、7、8个葡萄糖单元组成的环糊精分子，它们可分为α-CD、β-CD和γ-CD类型。光谱分析测定环糊精分子的每个葡萄糖单元都是椅式构象。由于连接葡萄糖单元的苷键能自由旋转，故环糊精不是圆柱形结构，而是略呈锥形的圆柱形结构。由于略呈锥形的圆柱型结构具有伸向空腔内的C-H键疏水基团和空腔外-OH亲水基团，故使其具有“内疏水、外亲水”的特性，因而使其内腔可包合各种客体物质，如有机、无机分子、生物分子及惰性气体分子等，从而形成主客体包结配合物，因此环糊精被广泛用作超分子体系中的受体。由于此类主客体之间是通过非共价键的弱相互作用形成各种包合物，从而改变了客体分子的理化性质及生物学性能，使其不仅在工业、农业、化工、国防、医药、食品、染料、农药、催化、化妆品及日用化学品等领域彰显出广阔的应用前景，而且在二十一世纪的热点学科如生命科学、材料科学、能源科学、环境科学、信息科学、仿生学、纳米科学、分子机器、分子器件、酶模拟、分子识别、手性分离、药物载体等领域也凸显出重要的理论和应用价值。同时也促进了自然科学中的经典领域如化学、生物化学、生物物理、物理学、地球化学、地理科学等学科的蓬勃发展。即环糊精研究的发展促进了上述众多学科的形成和发展，它们之间相互促进，相得益彰。由于人们对环糊精化合物研究的不断深入，目前，已形成为一门新兴的热门边缘学科-环糊精化学。

1 新型环糊精衍生物的制备自组装及在医药学中的应用

1.1 几种人参皂苷环糊精包合物的制备及其抗氧化活性

人参皂苷是一类三萜皂苷类化合物，主要存在于名贵药材人参和西洋参中，且是它们主要的活性成分。人参皂苷已被发现具有较好的抗肿瘤、抗阿尔兹海默病、抗心血管病、抗氧化等药理作用[1，2]。由于人参在国际上特别是东亚国家普遍被作为“药食同源”的典型食材，因此，进一步开发其药用价值显得尤为重要。由于人参皂苷普遍水溶性差，且不稳定，因之导致其体内生物利用度低，不能很好地发挥其药效作用，甚至会产生某些毒副作用。因此，需要采取必要的技术手段改善其水溶性等问题，使其更适合于药用。为此，昆明理工大学的任玉峰等人利用两种β-环糊精衍生物2-羟丙基-β-环糊精和磺丁基醚-β-环糊精作为主体分子，制备了其与五种达玛烷型人参皂苷即人参皂苷F1、Rd、Re、Rc和Rb2的固体化合物，并使用核磁共振、热重和差示扫描量热分析、X-射线粉末衍射等手段对它们进行了表征。水溶性测试表明，形成包合物后人参皂苷的水溶性最高提高了300多倍。同时，1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）法测定的体外抗氧化活性结果表明，其抗氧化活性也得到了明显的提高。这些结果的获得可望为人参资源的深入开发利用及药用提供一定的理论依据[3]。该研究将在医药学、生命科学、生物化学、主客体化学及超分子化学的研究中得到应用。

1.2 主客体两亲型环糊精超分子化合物的合成及应用

实现对主客体型两亲分子的超分子自组装行为的有效调控，是利用其自组装体进行智能化药物控释研究的前提[4，5]。为此，西北工业大学的姚灏等人首先合成了一种同时含有单偶氮苯基团和双β-环糊精单元的AB2型两亲分子（Azo-CD2），并通过核磁共振谱和基质辅助激光解吸电离飞行时间利用质谱对其结构进行了表征和确认。动态光散射和透射电子显微镜测试结果表明：在水溶液中，Azo-CD2在无任何外界刺激的条件下可自发地形成球形自组装体，而当施加超声振动后逐渐转变为超分子超支化聚合物自组装体；当该自组装体被进一步施加紫外光辐射后可解离成尺寸较小的支化聚集体，而其在可见光辐射下又可以可逆地变回到原来的超支化自组装形貌。利用紫外分光光度计测试Azo-CD2自组装体对抗癌药物阿霉素（DOX）的释放曲线发现：通过超声和光的双重调控作用可实现Azo-CD2自组装体对DOX的程序化控制释放。利用一维1HNMR谱和二维空间相关（NOESY）谱进一步阐明了Azo-CD2自组装体形貌转变过程与其程序化控释结果的相关关系[6]。该研究将在医药学、主客体化学、超分子化学及材料科学的研究中得到应用。

2 新型环糊精衍生物的合成及在材料科学中的应用

2.1 环糊精诱导产生的室温磷光及在发光材料中的应用

刺激-响应的功能性分子机器和超分子聚合物是超分子化学领域研究的热点[7]。为此发展和采用新颖的信号手段来识别超分子体系的包结状态和运动构象，一直吸引着超分子化学家们的广泛研究兴趣。室温磷光（RTP）信号具有选择性高、寿命长和大的Stokes位移等特点，是可用做识别超分子体系的包结状态和运动构象的新颖的信号手段及功能输出体系。为此，华东理工大学的陈辉等人构建了一系列具有室温磷光信号功能输出的分子梭和超分子聚合物体系：基于环糊精诱导产生RTP的光控分子梭及逻辑门；酸碱调控的基于葫芦脲诱导产生RTP的分子梭；含铂卟啉室温磷光基团的酸碱调控运动的轮烷RTP分子梭；RTP发射功能的超分子聚合物水凝胶；氢键增强RTP发射的聚合物发光材料及其应用等[8]。该研究将在光谱分析、发光材料科学、主客体化及超分子化学的研究中得到应用。

2.2 磺化环糊精的聚集诱导荧光增强效应及在发光材料中的应用

带有共轭键结构的聚合物材料是近几年来有机光电子材料领域中最为活跃的研究课题之一。对苯撑乙烯是双键与苯环交替的一类分子，是一种很好的电子共轭体系，这类分子可以通过π-π堆积表现出聚集诱导发光的性质。为此，南开大学的李晶晶等人对含不同负电荷的磺化环糊精（SCD）、磺化杯芳烃（SC4A）、葫芦[7]脲（CB7）等大环主体对对苯撑乙烯衍生物的聚集诱导行为做了对比性的研究。由于对苯撑乙烯的衍生物在水溶液中具有较弱的荧光，故通过加入SCD、SC4A、CB7的荧光滴定光谱实验表明，磺化环糊精的聚集诱导荧光增强的效果最好。他们还进一步利用紫外可见光谱、透射电子显微镜和动态光散射研究了该组装体的聚集行为、形貌和粒径，利用Zeta电位研究了组装体表面的电荷性质；他们还发现通过非共价相互作用形成的超分子组装体的光学特性有望应用于发光材料领域[9]。该研究将在波谱分析、有机光电子荧光材料、超分子化学及主客体化学的研究中得到应用。

2.3 环糊精与新型超分子凝胶的主客体相互作用及在智能材料中的应用

基于以前报道的树枝状小分子凝胶因子即树枝状的两亲分子（OGAc）与水溶性的偶氮苯分子构筑的两组分凝胶，将发生可逆的光响应性体积相转变，中国科学院化学研究所的谢凡等人则直接在树枝状分子的头基引入偶氮苯基团而设计合成了新型超分子凝胶因子（AZOC8GAc），一方面AZOC8GAc可以在较低浓度下形成稳定的水凝胶，在紫外及可见光调控下进行可逆的凝胶-溶胶的相转变，并伴随其形貌和超分子手性的转变（ON/OFF）。另一方面，研究了AZOC8GAc含有疏水的偶氮苯集团与不同空腔尺寸的α-/β-/γ-环糊精分子之间的主客体相互作用，及对AZOC8GAc凝胶体系手性传递的影响[10]。该研究将在智能材料、胶体化学、主客体化学及超分子化学的研究中得到应用。

2.4 阴离子环糊精和新型偶氮苯衍生物的主客体相互作用及在智能材料中的应用

偶氮苯是一类优良的光响应性分子。通常情况下，偶氮苯能以两种状态存在，一种是稳定的棒状反式结构，另一种是亚稳态的拐状顺式结构。反式异构体由于其基态能级要比顺式异构体基态能级低，因此能够更稳定的存在。偶氮苯的光响应性能源于其光致异构反应，用特定波长的光照射时，反式异构体吸收光子异构化为顺式异构体；顺式异构体吸收特定波长的光子，又会恢复到反式异构体。为此，南开大学的程建广等人以他们合成的一种新型偶氮苯衍生物作为客体分子，测得客体分子自身的临界聚集浓度，并以阴离子α-环糊精为主体分子，通过Job曲线测得主客体分子键合比，并利用紫外滴定方法测定了主客体分子的键合常数。实验表明，主客体分子组装后可形成棒状组装体，经365nm光照后该棒状组装体变为球状组装体。从而实现了对组装体形貌的光控可逆调控[11]。该研究将在智能材料科学、波谱分析、主客体化学及超分子化学的研究中得到应用。

3 新型环糊精衍生物的合成及在电化学和分析化学中的应用

3.1 新型环糊精衍生物的制备及在电化学中的应用

具有导电性质的类聚合物响应性凝胶在电学、电化学和生物医学器件等领域有极大的潜在应用价值。为此，武汉科技大学的朱玉亭等人通过溶胶凝胶法制备包含有α-CD的聚异丙基丙烯酰胺凝胶，利用苯胺在α-CD的空腔内的自组装，快速简便地形成了一种具有温度响应性的导电复合凝胶。这种相互渗透的双穿网络结构使凝胶具有连续的电子输送通路、高孔隙率和高强度，从而赋予了这种凝胶非常好的导电性能、温敏性能和机械性能。他们的研究表明该复合凝胶具有很好的导电性和快速温敏响应性及优良的机械性能[12]。该研究将在电学、电化学和生物医学器件等领域得到应用。

3.2 环糊精与无机簇的超分子组装及在分析分离科学中的应用

构筑基元体系在自组装化学的发展中扮演着重要作用，组分的结构信息和功能作用都在进行程序化组装过程中通过分子间相互作用储存到了组装体中。如果利用无机簇的多阴离子的性质，通过与有机阳离子之间的静电作用以及阳离子组分间的相互作用，就能够实现多组分杂化组装、结构调控和组装体的功能化。运用这一思路，吉林大学的岳亮等人通过选用阳离子客体组分，利用环糊精与阳离子客体的识别，实现了与多金属氧簇的进一步共组装。当他们选用单阳离子修饰的客体包结在环糊精中时，其与多金属氧簇的静电复合组装得到的是零维超分子组装体，环糊精通过阳离子客体组装到多金属氧簇表面。这时即使在不加电解质的条件下，他们也能实现环糊精手性诱导的多金属氧簇电致可逆变色。而在利用双头双阳离子作为客体时，其与环糊精识别后再与多金属氧簇结合的结果是，由于多金属氧簇的直径大于环糊精的空腔尺度，复合组装给出超分子轮烷结构。双头阳离子的两端被多金属氧簇封住，两个环糊精处在中间不能自由解离。当多金属氧簇的电荷n=2时，可以得到线性结构，n=3时则得到支化的结构。而当n=4时，他们又获得了二维骨架结构。有趣的是，他们可以利用骨架中间的均匀纳米尺度孔结构实现对纳米粒子的精细分离作用。当多金属氧簇的电荷继续增加时，他们可以得到更为复杂的三维骨架。可以预见，通过这种方法，他们不仅能够实现环糊精与多金属氧簇的共组装，而且获得的组装体既可以用于多金属氧簇的功能化，也可以用于组装结构的功能化[13]。该研究将在材料科学、分析分离科学、超分子化学、主客体化学及信息科学的研究中得到应用。

4 结论

综上所述，由于植根深远的环糊精化学研究的蓬勃发展，使得其用途无处不有，应用难以尽举。虽然科技工作者使环糊精化学的研究取得了长足的发展，但其基础理论研究还有待于进一步完善，其作为第二代超分子大环主体化合物的应用还有待于进一步开发和应用。

我国今后对环糊精化学研究的重点应朝着以下几个方面发展：（1）研究如何更多的应用于工业生产、农业生产、国防建设、地质勘察、航空航天等领域；（2）研究环糊精及其衍生物对反应系统的控制和影响、在分子识别、分子机器、分子器件等领域的应用问题；（3）研究环糊精在使用过程中的回收问题；（4）研究如何更好地完成大规模工业化生产、变进口国为出口国的问题。总而言之，随着世界科技工作者对环糊精化学研究的不断深入，环糊精化学这朵艳丽之花将为人类的文明进步、可持续发展结出更丰硕的成果，带来新的辉煌。

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

简要介绍了环糊精化学的产生、发展及应用，环糊精化合物的结构及特性。详细介绍了：（1）新型环糊精衍生物的制备、自组装及在医药学中的应用；（2）新型环糊精衍生物的合成及在材料科学中的应用；（3）新型环糊精衍生物的合成及在电化学和分析分离科学中的应用。并对环糊精化学的发展进行了展望。

环糊精衍生物；合成；应用

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

陕西省重点实验室科研计划项目（2010JS067）；陕西省教育厅自然科学基金资助课题（04JK147）；宝鸡文理学院自然科学基金资助课题（zk12014）

张来新（1955-），男，汉族，陕西周至人，教授，硕士研究生导师，主要从事大环化学研究及天然产物分离提取。