第17卷，第3期光 谱 实 验 室V o l.17,N o.3 2000年5月Ch inese J ou rna l of S p ectroscopy L abora tory M ay,2000环糊精包结物的形成及光谱表征① 董 川 李俊芬 双少敏
(山西大学化学系 太原市坞城路36号 030006)
杨 频②
(山西大学分子科学研究所 太原市坞城路36号 030006) 摘 要
环糊精包结物的制备、结构、性质和应用研究一直是环糊精化学的重要内容。本文对近年来关于环糊精的形成条件、制备方法、包结类型、检测手段和表征方法进行了较详细的综述，希望对环糊精应用研究工作的进行起到积极的、科学的指导作用。
关键词 环糊精，环糊精包结物，表征。
中图分类号:O657.3 文献标识码:A 文章编号:100428138(2000)0320247210
1 引言
环糊精(cyclodex trin,CD)是由芽孢柑菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用于淀粉而制得的一系列环聚糖的总称,1891年由V illiers发现。1904年,Schardinger确定了CD的结构，并命名为环状低聚糖。
CD通常含有6—12个葡萄糖单元，常见的有Α、Β、Χ2CD3种，分别由6个、7个、8个葡萄糖单元组成。它们的外形象一个内空去顶的圆锥体。3种环糊精的内径分别为0.47—0.53nm、0.60—0.65nm、0.75—0.83nm，空腔高度均为0.79nm。它们在水中的溶解度分别为14.5、1.85、23.3g 100g(25℃)。环糊精腔内是非极性的，腔外有羟基，具有亲水性，这种特殊的分子洞结构，使得许多分子可在其空腔中被包结，形成主2客体包结物。Β2环糊精生产成本低，空腔尺寸适中，是最常用的一种。其立体结构见图1。70年代后期，日本首先实现了环糊精的工业化生产，我国于80年代末期开始有Β2CD产品，近年来又出现了羟丙基2Β2CD产品。 目前，国内外已有很多关于环糊精的综述文章发表[1—12]。但关于包结物的形成和检测方法，尤其是表征包结物的稳定性还没有一个系统的综述。本文将对近20年来这方面的文献做一总结，旨在为环糊精的研究工作提供一个参考依据。
①本文为国家自然科学基金(N o.980003)和山西省自然科学基金(N o.991006)资助项目
②联系人，电话:(0351)7011022(办);(0351)7011022(传真);E2m ai:yangp in@sxu.edu
作者简介：杨频(1933—)，男，山西大学分子科学研究所教授，博士生导师，主要从事生物无机及无机药物的研究。
收稿日期:2000203207
六龄童章宗义
图1 Β2CD 的立体结构示意图
2 环糊精包结物的形成条件、制备方法及包结类型
2.1 包结物的形成条件
能够形成包结物是环糊精最重要的性质之一。在包结物中，被包结的化合物分子常被称为“客体”,“主体”。第一个认识包结现象的人是M yliu s 。1886年，他在研究了氢醌与若干挥发性物质之间的相互作用后，断言挥发性物质分子嵌入到氢醌晶格间隙中。
在溶液或晶体中都可以形成环糊精的包结物。CD 可包结的客体范围很广，可以是有机分子、无机离子、配合物甚至惰性气体[9]。分子大小适于其穴洞尺寸的客体分子，只要极性小于水，则有可能代替水分子而进入空腔，形成包结物。
简而言之，环糊精包结物能否形成受内在因素和外在条件的影响。内在因素取决于环糊精和其客体的基本性质。归纳起来主要有以下三方面[13]:
黄宗羲定律1)主客体之间有疏水亲酯相互作用。因环糊精空腔是疏水性的，客体分子的非极性越高，越易被包结。当疏水亲酯的客体分子进入环糊精空腔后，它的疏水基团与环糊精空腔有最大接触，而其亲水基团远离空腔。
2)主客体符合空间匹配效应。环糊精空腔孔径大小不同，它们分别可选择容纳体积大小与其空腔匹配的客体分子，这样形成的包结物比较稳定。客体分子尺寸太大，不易进入空腔中，而尺寸太小又不稳定。
3)氢键与释出高能水。一些客体分子与CD 的羟基可形成氢键，增加了包结物的稳定性。即客体的疏水部分进入CD 空腔取代CD 高能水有利于环糊精包结物的形成。因为极性的水分子在非极性空腔欠稳定，易被极性较低的分子取代。见图2。
上述三个因素不但影响着环糊精包结物能否形成，而且还直接影响着形成物的稳定性。即包结物的稳定性也取决于客体分子基团的性质、空腔尺寸、分子大小及空间构型等。A ′genes B uv ári 2B arcza [14]
等讨论了客体性质、Β2环糊精取代度对包结物形成的影响。
认为包结物的稳定性依赖于客体分子的空间匹配性，即客体的尺寸和形状。酚酞 H P 2Β2CD 包结物的稳定常数随CD 取代度的增大而减小。取代形式，如O (6),2与842光谱实验室第17卷
图2 客体分子取代环糊精高能水示意图
L 2酪氨酸包结时，主客体静电场
网纹辊
相容，所形成的包结体系能量较
低，是稳定的超分子化合物，而
D 2酪氨酸与Β2CD 形成的包结
物不稳定[15]。
另外，包结物的形成还受反
应时间、反应温度、搅拌(或超声
波震荡)时间、反应物浓度等外
在条件的影响。一般延长反应时
间、搅拌时间、提高环糊精浓度有利于包结物的形成。香料与Β2CD 包结需室温下搅拌2h [16]，而4,4’2联吡啶2Β2CD 包结反应则需
要8h [17]。包结反应一般可在室温下进行，有的反应需在一定的温度下进行，如救心油与Β2CD 的包结物制备[18]。但从机理上分析，升高温度会引起分子运动的加剧，对形成的包结物起破坏作用，不
利于包结反应的进行，使稳定常数降低。
2.2 包结物的制备方法
根据客体分子的溶解性差异，可以采取不同的方法制备包结物。主要方法是饱和溶液法、干混法和冷冻真空干燥法[6]。饱和溶液法即将环糊精制成饱和溶液，然后将客体加入混合，搅拌直到作用完全，静置沉淀，过滤并水洗，即得包结物。如将挥发油滴加到Β2CD 的饱和溶液中振荡并过滤即
得挥发油的Β2CD 包结物[19]。干混法是将主客体在少量溶剂(水或有机溶媒)存在下用碾磨机反复
碾磨成糊状而得产物。低温下对包结物进行真空干燥的方法称作冷冻真空干燥法，这样可以避免易溶于水的包结物在普通干燥条件下的氧化和脱包现象。对于溶解度低的Β2CD 常使用共同结晶法，也叫共沉淀法。它的包结物易从溶液中结晶析出，过滤回收包结物晶体即可。
何坚刚等[20]首次用水溶液中共沉淀法制备了类化合物与Β2CD 的固态包结物。王烈等[21]用沉淀法和高速组织捣碎机法研制了萘普生2Β2CD 包结物，发现后一种方法优于前一种，产品细腻均匀，质量容易控制。侯曙光等[22]采用饱和溶液法制备了盐酸雷尼替丁包结物，主、客分子比为2∶1。目前Β2CD 包封挥发油常用的饱和水溶液法工艺比较复杂，且易造成挥发油损失，为此林桂涛等[19]以薄荷丁香原材料为材料设计了两种新的包封方法：液2液法和气2液法，并比较了3种包封方法
的包封率，结果表明，气2液法的包封率与饱和水溶液法相比没有明显差别,P >0.05，而液2液法的包封率显著大于饱和水溶液法,P <0.01。气体包结物的制备及鉴定方法的报道不多。童林荟等[23]在常压下将高纯乙烯通入水溶液中得到了包结物的晶体，并用多种方法进行了鉴定。虽然制备包结物的方法很多，但目前还没有一种可以普遍适用的方法来制备包结物，因为具体采用什么方法，还是要依赖于主客体分子的性质。
2.3 包结物的包结类型
环糊精与客体分子可以形成二元、三元及多元包结物。包结物的化学计量比通常通过等摩尔连
续变化法[24,25]和B enesi 2H ildeb rand 方程[26]求得。体系中只有一种客体分子时,CD 和被包结物的
络合比一般呈1∶1，也有2∶1[22,27]、1∶2、2∶2[28]。三元包结物一般为1∶1∶1或2∶1∶2[29]。张勇等[28]提出两个1∶1的Α2B r N 2Β2CD 包结物分子可以进一步形成一种2∶2的重叠包结配合物。Α2CD 可以和62溴222萘酚、22氯代萘形成主客分子比为1∶1和2∶1的2种包结物[30,31]。芘、12B r N 都可分别与Β2CD 和表面活性剂形成1∶1∶1的包结物[32]。杜新贞等[25]用连续变化法表明溶液中
942第3期 董 川等：环糊精包结物的形成及光谱表征
052光谱实验室第17卷
形成了1∶1∶1 Β2CD∶十二烷基硫酸钠(SDB S)∶12B r N三元包结物，还用B enesi2H ildeb rand方程做了进一步证实。Β2CD、12B r N、十二烷基苯磺酸钠也可形成1∶1∶1的三元络合物[33]。
环糊精在特定条件下可以形成多元包结物，它的结构主要有2种类型[34]:(a)笼型,CD分子非同轴排列，客体分子充塞于CD腔内;(b)管道型,CD分子沿轴向堆积，空腔形成隧道，客体分子寄宿于隧道内。
3 环糊精包结物的检测手段
胃内容物
人们采用多种手段来研究CD与客体分子形成与否，并进而获得有关包结物的性质及包结常数等大量数据。客体分子进入空腔后，实际上受到一个非极性场的束缚，理化性质会发生明显变化。仪器检测包结物的原理是利用包结物在形成过程中产生若干物理化学性质变化，如光学性质、热力学、电化学、溶解度等性质。研究环糊精包结物常在固态和液态两种状态下进行[9]。用于检测固态包结物的手段有很多，例如X射线衍射、差热分析、薄层谱[35]、红外光谱[21]和核磁共振[22]等。对于溶液中主体与客体分子的相互作用，可以用吸收光谱、荧光法[36]、核磁共振谱、微量量热、圆二谱[37]等。最主要的方法是核磁共振法和荧光法。因为在CD存在下，底物和CD分子上的H谱化学位移以及底物分子的光谱一般都要发生变化。
3.1 核磁共振法(NM R)
D em aro和T hakker首次将NM R技术引入CD包结物研究中。核磁共振法是所有方法中最有效的能够进一步研究包结物空间构象及包结位点的方法，对于在溶液中环糊精包结物的形成的检出及各种性质的阐明是最强有力的工具。它能直接观察到主客体分子中各个原子的变化。缪振春综述了核磁共振技术在药物与环糊精的结构分析中的应用[38]。NM R常用的参数是诱导化学位移，通常用∃∆表示。它是包结物的化学位移与主客体在游离状态的化学位移差。正的∃∆表示低磁场方向的化学位移，而负的∃∆则表示高磁场方向的化学位移。
H核的化学位移对CD包结作用尤为敏感，为客体分子在CD中包结提供最直接的证据，也是NM R中灵敏度最高的原子核。1H NM R技术可推测环糊精与客体分子的包结方式。当具有芳环的客体分子深入的包结在CD的分子空腔内时，由于芳环的“环电流效应”，位于空腔内壁的H23和H25原子的信号移向高场，而位于分子洞外的H21、H22、H24原子的化学位移不受影响[39]。Sanyo H am ai[31]通过分析22溴22萘酚的1H谱的化学位移变化，发现第一个Α2CD包结了在萘环上取代的溴原子，第二个Α2CD则包结了萘环上的羟基，形成2∶1的Α2CD2BN包结络合物。13C NM R 谱[40,41]可以提供客体分子中所有碳原子在环糊精腔内所处环境的直接证据，化学位移变化主要是由环糊精分子洞内的电环境作用引起的。如把测定的13C化学位移值与通过计算的化学位移值进行比较，能确定某些芳环客体分子的取向与位置。13C谱可以证明氟哌酸与Β2CD的相互作用及形成包结配合物的结构[41]，氟哌酸的羧基与42位羰基从Β2CD的宽口端进入空腔，由窄口端伸出。此外,19F NM R[42]、15N NM R[43]、31P NM R[44]技术也是比较常用的手段。
在具体的研究工作中，要根据客体的结构有选择地对不同方法加以应用，一般地说，对于含有芳香环的化合物可用1H NM R技术，而对于不含有芳香环的化合物则可用13C NM R。
3.2 荧光法
荧光法利用环糊精能减少客体分子与本体水溶液及其猝灭剂的相互作用，从而增大客体荧光强度。用荧光法已成功地研究了一些客体物质的包结行为。如荧光探针法发现,CD体系中引入脲素，对Β2CD分子洞内的微环境影响显著，可以使分子洞内极性增大，且使芘与Β2CD的包结形成常
数减小，表明“疏水相互作用”是形成包结物的一种动力[45]。朱亚先等[46]用荧光光谱法、动力学室温磷光法考察了Α2B r N 与Α、Β、Χ2CD 的包结方式，发现即使Α2B r N 以最佳“赤道方式”进入Α2CD 的空腔，也难完全进入，随着CD 空腔的增大，单体包结物的比例减小，二聚体包结物的比例增大，并提出两个Β2CD Α2B r N 以呼唤绿荫
“头对头”的方式进一步重叠包结形成2∶2包结物这一新的包结机理。江云宝等[47]以芘作荧光探针，用荧光光谱法和吸收光谱法对一些水溶性脂肪醇与Β2CD 的相互作用的研究中发现，一元醇使Β2CD 的空腔极性降低，使芘 Β2CD 包结物的稳定常数增大，而多元醇具有相反效应，指出醇与端羟基间的氢键作用是导致这种效应的本质原因。作者还得出结论，醇的引入可使一些低极性的化合物的环糊精包结物的稳定常数增大，在Β2CD 浓度较低时可实现完全包结。
荧光偏振技术可应用于研究客体分子在腔内的刚性化程度，转动的难易程度，进而推测主客体分子的包结强度及空间匹配程度。谢剑炜等[36]用荧光偏振测量，当醇或CD 的浓度增大时，荧光偏振度大幅度增加，证明了环糊精体系中在环己醇存在下形成稳定的12B r N 环己醇 Β2CD 三元包结物。
3.3 圆二性
圆二性是物理化学方法。环糊精存在着不对称场，会对非手性客体分子诱导出圆二性。客体分子处于环糊精腔内会产生“考登效应”，且诱导考登效应的符号及强度对客体分子的取向及刚性非常敏感，适于研究环糊精与客体分子的包结方式。张有明等[35]利用客体分子的圆二性，研究Β2CD 对D L 2氨酸(D L 2T yr )的立体选择包结行为，确认环糊精具有选择包结L 2T yr 而排斥D 2T yr 的特性，并认为这种特性是其分子手性化合物吡喃葡萄糖单元和客体分子的不对称静电场总体效应的结果。郭瑞云等[37]报道了Β2CD 分别包结Α2萘胺、Β2萘胺、Α
2萘乙酸的圆二谱及吸收光谱，根据所得的考登效应符号和各向异性因子确定了客体分子在环糊精空腔中的取向。Β2CD 对Α2萘胺、Β2萘胺均以长轴方向包结，并推测对于萘衍生物均以长轴方向包结，据此推测出Α
2萘乙酸电子越迁矩的基本取向，这对于量子化学计算有一定的参考价值。
3.4 X 射线衍射法
X 射线衍射法是测定物质晶体结构变化的快而简洁的重要手段，可以获得晶胞参数等信息。
结晶态的包结物不同于固体包结物，被包结分子不仅包在腔内，有的还被夹带于包结物分子间的空隙中。各种晶体物质在相同的角度处具有不同的晶面间距，从而显示不同的衍射峰，其X 射线衍射图都是独一无二的。CD 包结物的衍射图不同于主、客体及其混合物的衍射图，证明形成了新的物相。图3 环糊精包结物中糊精分子的排列方式鉴定衍射图样是根据各谱线
的位置及其相对强度，借助
于B ragg 方程，由已知波长
辐射源和所测得的角度计算
出晶面间距。Saenger 和
H arata 最早研究了有关CD
包结物的晶体结构，认为主
要的排列方式有3种(图3)。
其中A 是不同CD 腔体
相接而成的直桶型,B 为鱼骨型,C 为砖型。客体分子被包结后，结晶衍射峰变化。用该法可以鉴定
吲哚美辛与Β2CD 确已形成包结物，其苯环部分被包结[48]。此外，磷光法、
投资利润率
红外光谱法、表面张力分析法和拉曼光谱法在包结物的表征中也有应用，但目前应用的内容还不多。本身不发磷光的物质,152第3期 董 川等：环糊精包结物的形成及光谱表征
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