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太原理工大学硕士研究生学位论文 环糊精及其衍生物包合富马酸增溶作用的研究 摘要 环糊精是一类截锥状的大环化合物，其独特的笼状结构可以包合客体 分子形成包合物，此时客体分子被包含于分子空腔中或客体分子位于环糊 精分子自聚体之间。同时，由于环糊精外部多羟基的亲水性，使形成的包 合物具有良好的可润湿性，从而达到对难溶性客体的增溶效果。旷、d 一环 糊精是两种常用于增溶的化合物。由于1 3 一环糊精自身溶解度较低，常常通 过在其边缘引入修饰基团来改善其溶解度，扩大其应用范围。而作为客体 增溶剂较常用的是p 一环糊精的衍生物羟丙基一p 一环糊精，其具有毒性低和水 溶性好的特点。 富马酸是良好的食品和饲料添加剂，它酸味纯正而不涩，在食品行业 可作为酸度调味剂；它可促进肠胃对蛋白质的吸收，故此也可用作饲料添 加剂。但由于富马酸在水中溶解度较小，尤其是在低温下水溶性更差，致 使它的应用受到一定的限制。因此，增加富马酸的水溶性，对拓宽富马酸 的应用范围具有重要的意义。 本实验分别探讨了a 一环糊精、p 一环糊精、羟丙基一1 3 一环糊精对富马酸的 包合、增溶作用，其主要研究内容和实验结果如下： ( 1 ) 实验采用相溶解度法研究了三种环糊精在水溶液中对富马酸的包 合和增溶作用，以及包合过程中热力学参数的变化情况。研究结果表明： 富马酸与三种环糊精在水溶液中均可自发形成可溶性包合物，从而增加了 太原理工大学硕士研究生学位论文 其溶解度。其中p 一环糊精与富马酸形成了1 ：1 包合物，其包合类型为a l 型；而羟丙基一b 一环糊精和a 一环糊精也可在一定程度上与富马酸形成l ：1 的 包合物，但其包合类型均属于a w 型。同时，富马酸与三种环糊精在包合过 程中的吉布斯自由能变化( n g ) 、焓变( a h ) 和熵变( l x s ) 均为负值， 因此，所有过程均为焓驱动过程和放热、熵减过程。 ( 2 ) 分别采用研磨法、超声波法和共沉淀法制备了富马酸与三种环糊精 的包合物，测定了其包合率和溶解度，并与富马酸原有的溶解度进行了比 较。实验结果表明：包合后的富马酸溶解度有所增加，但其增加程度受制 备方法和包合材料的影响，对a 一环糊精和b 一环糊精而言，采用超声波法和 共沉淀法所制备的包合物性能优于研磨法制备的；对羟丙基4 - 环糊精而 言，由于受实验条件限制，实验中仅制得极微量的包合物，因此，未能测 定其包合率和产率。 ( 3 ) 采用红外光谱法对富马酸与三种环糊精的包合物进行了物相鉴别。 分析结果表明：用超声波法和共沉淀法制备的富马酸一环糊精包合物，体现 出了包合物的特征光谱：而研磨法并不能形成富马酸与环糊精的包合物。 关键词：富马酸；环糊精；溶解度；热力学参数；包合物 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d i e so ns o l u b i l i t ye n h a n c e m e n t o ff u m a r i ca c i db yi n c l u s i o nc o m p l e x e sw i t h c y c l o d e x t i u na n di t sd e r i v a t i v e s a b s t r a c t c y c l o d e x t r i n s ( c d s ) a l e ak i n do fl a r g e r - r i n gc o m p o u n d ss h a p e dl i k e t r u n c a t e dc o n e t h e i ru n i q u es t r u c t u r eo fi n t e r i o rh y d r o p h o b i cc a v i t yc a ni n c l u d e g u e s t e st h a tl o c a l i ni t ss p e c i a lc a v i t yo rb e t w e e ni t ss e l f - - a g g r e g a t i o n t h e y h a v ee x t e r i o rh y d r o p h i l i cs u r f a c ea n dt h u sw a t e rs o l u b i l i t yo ft h ep o o r l ys o l u b l e g u e s t sb yi n c l u s e dc a nb ep r o m o t e d a - c y c l o d e x t r i n ( a c d ) a n d3 - c y c l o d e x t r i n ( 1 3 - c d ) a l ew i d eu s e df o re n h a n c i n gt h es o l u b i l i t y b e c a u s eo fl o ws o l u b i l i t y , 1 3 - c di so f t e ni m p r o v e db yi n t r o d u c i n gm o d i f i e dg r o u p si n t oe d g e st oe x t e n di t s a p p l i c a t i o n o n e o fi t sd e r i v a t i v e so f t e nu s e da s s o l u b i l i t yi n c r e a s e ri s h y d r o x y p r o p y l - 1 3 - c y c l o d e x t r i n ( h p 一1 3 一c d ) ，w h i c hh a sf e a t u r e so fl o wt o x i c i t y a n dg o o dw a t e rs o l u b i l i t y f u m a r i ca c i dc o m m o n l yi sas o r to ff o o da n df o r a g ea d d i t i v e i ti su s e da s s o u r n e s sr e g u l a t o ri nf o o di n d u s t r yf o ri t sp u r es o u ro d o u r i tc a na c c e l e r a t e i n t e s t i n et oa s s i m i l a t et h ep r o t e i n f u m a r i ca c i dp o o ra q u e o u ss o l u b i l i t yc o n f i n e s i t sa p p l i c a t i o ni nf o o da n df o r a g ei n d u s t r y , s oi ti si m p o r t a n tt oe n h a n c ei t s s o l u b i l i t yi nw a t e rt ow i d e n i t sa p p l i t i c a t i o n i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 i nt h i sp a p e r , t h ec o m p l e x a t i o no fp o o r l yw a t e r - s o l u b l ef u m a r i ca c i dw i t h a c d ，1 3 - c da n dh p p c dw e r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y ( 1 ) t h ei n t e r m o l e c u l a rr e a c t i o nb e t w e e nt h eh o s ta n dg u e s ta g e n t s ，t h e e f f e c t so f3 c d so ns o l u b i l i t yo ff u m a f i ca c i da n dt h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r si n t h ec o m p l e x a t i o nw e r ed e t e r m i n e db yt h ep h a s es o l u b i l i t y i tw a sf o u n dt h a tt h e i n c l u s i o nt y p eo ff u m a r i ca c i dw i t h1 3 - c dw a sa la n dt h a tw i t hh p - 1 3 - c da n d a c dw e r ea n t h e1 ：im o l a rr a t i oo fi n c l u s i o nc o m p l e xo ff u m a f i ca c i dw i t h e a c hc di ss p o n t a n e o u s l yf o r m e du n d e rt h ee x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r e s f u m a r i c a c i df o r m e dm o r es t a b l ec o m p l e x e sw i t hc 【- c dt h a nw i t hh p - 1 3 - c da n d1 3 - c d w h i c hm i g h tb ed u et oas t e r i ch i n d r a n c eo fs u b s t i t u t i v eg r o u pt h a tp r e v e n t e dt h e g u e s tm o l e c u l ef r o me n t e r i n gt h ec dc a v i t ya n dar e l a t i v e l yl a r g e rc a v i t yt h a t c o u l dn o ts t r o n g l yh o l dt h eg u e s tm o l e c u e a l lt h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so f ga h a n da si nt h ec o m p l e x a t i o n sg a v en e g a t i v ev a l u e s f u r t h e r m o r e ，t h e c o m p l e xp r o c e s si se n t h a l p i c a l l yd r i v e na n de x o t h e r m i c ( 2 ) v a r i o u sm e t h o d ss u c h a s c o g r o u n d i n g ，u l t r a s o n i cm e t h o da n d c o p r e c i p i t a t i o nw e r ee m p l o y e dt op r e p a r et h ei n c l u s i o nc o m p l e x e so ff u m a r i c a c i dw i t hd c d ，1 3 - c do rh p - d c d t h ed i s s o l u t i o np r o f i l e so ft h ei n c l u s i o n c o m p l e x e sw e r ed e t e r m i n e da n dc o m p a r e dw i t ht h o s eo ff u m a r i ca c i da l o n e b o t ht h ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u ea n dn a t u r eo ft h ec a r r i e r sp l a y e di m p o r t a n tr o l e s i nt h ed i s s o l u t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m s t h ed i s s o l u t i o np r o f i l e so ft h e i n c l u s i o nc o m p l e x e so fa - c do r1 3 - c ob yu l t r a s o n i cm e t h o da n dc o - p r e c i p i t a t i o n s h o w e db e t t e rp e r f o r m a n c et h a nc o g r o u n d i n g ，t h o s eo fi n c l u s i o nc o m p l e xo f i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 h p 一8 一c dw e r en o td e t e c t e df o rt h el i t t l ey i e l do f t h ep r o d u c t ( 3 ) b i n a r ys y s t e m so ff u m a r i ca c i dw i t ha c d ，1 3 - c do rh p p c dp r e p a r e d b yv a r i o u sm e t h o d sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y i t w a sc o n f i r m e dt h a tt h ei n c l u s i o nc o m p l e x e so ff u m a r i ca c i d w i t h0 【- c d ，i b - c do r h p b c dp r e p a r e db yu l t r a s o n i cm e t h o da n dc o - p r e c i p i t a t i o nw e r ef o r m e d ，a n d t h ei n c l u s i o nc o m p l e x e so ff u m a r i ca c i dw i t ha - c d ，i b - c do rh p p - c dp r e p a r e d b yc o - g r o u n d i n gm e t h o d sw e r en o tf o r m e d k e yw o r d s ：f u m a r i ca c i d ；c y c l o d e x t r i n s ；s o l u b i l i t y ；t h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r s ；i n c l u s i o nc o m p l e x e s v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下。 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 石垒鍪 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定j o 签名： 五垒兰颦 一日期：至盔叁丝一 导师签名： 铒隗籽 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 环糊精简介 1 1 1 环糊精的发展与应用 第一章前言 环糊精最早在1 8 9 1 年由v e l l i e r s 发现，1 9 0 3 年s e h a r d i n g e r 用分离的菌株消化淀粉 得到了旷和8 一环糊精。从2 0 世纪3 0 年代中期到6 0 年代末，环糊精化学得到了长足 的发展。f r e u d e n b e r g 最先得到了纯环糊精，1 9 3 5 年f r e n d e n b e r g 和其他合作者分离、表 征了环糊精的物理化学性质。从2 0 世纪7 0 年代到现在，环糊精化学的研究进入了鼎 盛时期。毒性实验和安全性研究都证明环糊精是一种高安全性材料，消除了人们的疑虑， 从此所发表的论文、专利、专利应用、会议文摘及专著数目逐年成倍上升。我国的环 糊精研究始于2 0 世纪7 0 年代末，许多科研院、所先后开展了环糊精的研究应用工作， 而且环糊精己开始工业规模生产，产品已在染料、医药、食品、化装品等方面得到了应 用。例如，环糊精与染料形成包合物后，可以提高难溶性染料在水中的溶解度，改善染 料的匀染性，增加染料上染量，降低染色废水中的染料量，增加染料的稳定性等。卅；与 药物形成包合物后，可以显著地改变药物的理化性能，如提高药物的稳定性，增加难溶 性药物的溶解度和生物利用度，减少药物副作用，掩盖不良气味等“1 ”，已上市的环糊 精药品有二十余种，具体品种见表卜1 ；与香料形成包合物后，可以降低香料的挥发性， 延长存储时间“3 3 等。因此，环糊精作为一种辅料在农业、工业、轻工q k 方面有着重要的 应用价值。深入研究环糊精及其包合物，对今后更好的利用环糊精有极其重要的意义。 1 1 2 环糊精的结构与性质 环糊精( c y c l o d e x t r i n ) ( 简称c d ) 是由一定数量的d 一( + ) 一吡喃葡萄糖单元通过 旷1 ，4 一苷键首尾相连形成的环状化合物，其可由淀粉通过环糊精糖基转移酶降解而得 到。最常见的环糊精有口环糊精( a c d ) 、p 一环糊精( p c d ) 和t 一环糊精( t c d ) ，分别 拥有6 、7 、8 个葡萄糖单元。 环糊精是一类截锥状的大环化合物，其中的葡萄糖结构单元均采取未扭曲的椅式构 太原理工大学硕士研究生学位论文 表卜1 已上市的环糊精药品 t a b 1 1t h el a u n c h e dc o m p l e x e sd r u g sw i t hc y c l o d e x t r i n s 堑盘墅塑塑丝耋堑基垒整笪鲢堡堡照奎土壹垦塞 p 柚枷( p 证i )静注p 胁儡血n 戢洲且本，美国 争c d 羟丙基争 甲罄f 母 磺丁酗化争 2 翌雨叩- c d 争( d c 面m k 蒯船 b e _ m 舶 i k 口z 口_ 由- 螂 b 缸 蝻日妇 n h 口b 硒幽 曲 嘶a l i 晒 p 嘶c _ t r u a , 妇一d a q 讪 h ， d m - k b m f b t i n l h 日口_ d - 蜘曲 l 移陆“ b 岫 v a z i e a n 山 细j 南琳自d _ i 五c k 细x9 士u 球片昔荷硒 南荷油香精 口厦 口腿 经皮 局嚣用药 舌下 口厦 舌下 口蟹 舌下 口鼠 口疆 直肠 灏鄂用药 摘瞑荆 口厦睁往 静往 瞬鼻新 滴殴刺 静往 肌肉注= 射 确隈剂 口蹶 口疆 日本 日盎 日本 日本 眈洲 取洲 日本 姣洲 日本 致渊 歇剖 歇州 酸洲 段刊 阜蒯，美国 菱国 歇洲 瞰洲 豉剥，美国 瞰荆美国 瞰删 中国 中国 象。环糊精所有伯羟基均坐落于环的一侧，即葡萄糖单元的c 6 位羟基构成了环糊精截 锥状结构的主面( 较窄端) ；而所有仲羟基坐落于环的另- - 便f j ，即c 2 位和c 3 位羟基构 成了环糊精截锥状结构的次面( 较阔端) 。环糊精的内壁排列着配糖氧桥原子，氧原子 的孤对电子指向空腔内部，使环糊精空腔内部产生高电子云密度，从而表现出一些l e w i s 碱的特征“”。葡萄糖单元上的c 3 和c 5 上的氢原子位于空腔内部并覆盖了配糖氧原子， 使其空腔内部成为疏水性环境。环糊精第二面的仲羟基使其大口端和外壁表现出亲水 性，而其空腔内部则为疏水性环境。尽管环糊精的主面也由羟基构成，但c 6 位上的亚 甲基的作用，使其第一面也表现出一定的疏水性。环糊精的疏水性和亲水性区域可以用 图1 1 表示。 一”雍彩 _ m m l，默* e 壤 协硝 ，。堰：二二：! ：i 蘑截。鼻：砷 图卜1 环糊精的疏水- 】生和亲水性区域示意 f i g 卜1h y d r o p h o b i ca a dh y d r o p h i l i ep l a c eo f c y c l o d e x t r i n 2 善吾兰己懑 太原理工大学硕士研究生学位论文 正是由于以上结构特点，使得环糊精可以与某些物质形成包合物“”1 ，从而改变了这些 物质的部分性能。图卜2 给出了b 一环糊精的结构示意。 西 筒状辨形 酗伯燃倒瓠试【d ) h 的棰记 图卜2d 一环糊精结构示意图 f i g 卜2t h es h u c t u r co f b c d a _ ，b 一，y - 环糊精由于葡萄糖单元数上的差异，导致它们在溶解度、空腔尺寸及结 晶形状等性质上不尽相同。表1 - 2 列出了三种常见环糊精的一些基本性质。 表1 - 2 三种环糊精的基本性质 t a b 1 2t h eb a s i cq u a n t i t yo f 3 c d s 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 环糊精是非还原型环状低聚糖，在碱性环境下相对较为稳定，而在酸性条件下则可 以发生部分水解，生成葡萄糖和各种链长的低聚糖。尽管b - 环糊精的水解速率比线性糊 精的速率低，但在l o o 时，i m o f 如3 盐酸存在下放置半小时，将有一半的b 环糊精水 解掉。因此，在酸性条件下使用环糊精一定要给予特别的注意。 1 2 固体环糊精包合物的形态与表征 i 2 1 固体环糊精包合物的制备与表征 固体环糊精包合物的制备方法一般有两种，一种是在溶液中制备固体包合物，即将 环瑚精与客体共混于水或共增溶剂中制备包合物，该方法是包合物制备普遍采用的方 法；另一种是固相法制备包合物。两种方法得到的固体包合物在多数情况下是固体粉或 微晶。若按制备过程可分为饱和水溶液法( 共沉淀法) ，超声波法，研磨法，捏合法，冷 冻干燥法，喷雾干燥法，微波辐射法，液液法，气液法，蒸发法，密封加热法等。 l 、共沉淀法 共沉淀法也称重结晶或饱和水溶液法，通常是利用搅拌手段混合客体化合物或其溶 液于热或冷的环糊精饱和水溶液中，对于水不溶性客体，可先溶于少量有机溶剂，再注 入环糊精饱和水溶液，使之达到平衡，用适当的方式( 如冷藏、浓缩、加沉淀剂等) 使包 合物析出，再将得到的固体包合物过滤、洗涤、干燥即可。 2 、超声波法 环糊精饱和水溶液加入固体客体分子，混合后立即用超声波破碎仪或者超声波清洗 机超声振荡，选择合适强度和温度，超声适当时间，将析出的沉淀用适当溶剂洗净干燥、 粉化后可得固体包合物。 3 、研磨法 取所需环糊精加入少量水研匀，加入客体分子，( 对于水不溶性客体，可先溶于少 量有机溶剂中再加入，) 置研磨机中混合研磨，随着研磨的进行，混合物的粘度逐渐增 加，得一膏状物，低温干燥后用适当溶剂洗净干燥、粉化后可制得包合物。 沉淀法和超声法适用于水溶性或水不溶性的客体，b a y o m i “”等用共沉淀法制备了硝 苯地平与p - 环糊精及其两种衍生物羟丙基一b 一环糊和二甲基一b 环糊精的包合物，且所 得的产品质量可靠；研磨法和捏合法适用于不溶于水的固体客体；冷冻干燥法适用于制 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 备水溶性好但不耐热的包合物；喷雾干燥法适合于易溶于水，遇热性质稳定的包合物。 f e r n a n d e s 啪1 分别用捏合法、蒸发法、冷冻干燥和喷雾干燥法制备盐酸尼卡地平与b 一环 糊精包合物。实验结果表明，捏合法并不能形成真正的环糊精包合物，这反映了客体和 b 一环糊精在半固体情况下不能产生良好的交互作用，而其它三种制备方法都能形成稳定 的b 环糊精包合物，其中喷雾干燥法更适合于工业规模的生产。m u r a o o 同样考察了不同 制备方法对酮洛芬一b 一环糊精包合物的理化性质的影响。结果表明，不同的制备方法会 对包合物的形成产生不同的影响，如用研磨法、捏合法制各的环糊精包合物中仍然可以 检测到客体晶体的存在。微波辐射法则是近几年才提出的一种新方法，具有缩短包合时 间和提高包合产率的优点。w e n 乜2 1 等人采用该方法法制备得到了卡维地洛一b 一环糊精包合 物。液液法和气液法主要是用于提取中药中的挥发油或芳香化合物，将化合物的蒸汽或 冷凝液直接通入环糊精溶液中进行包合，经过滤、干燥后得包合物；蒸发法对于在连续 相中不溶或难溶的客体更适用；密封加热法是将客体和环糊精密封于容器内，通过控制 加热温度和时间，使客体在一定温度下挥发为气体分子进入环糊精空穴中与其相互结 合，当温度降低后可形成包合物。 固体包合物的表征方法主要有x 射线粉末衍射、热分析、固体核磁共振谱、红外光 谱等多种方法。例如x 射线粉末衍射( x r d ) 2 ”3 是一种快速而简捷的方法，它利用各晶 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来判断包合物是否 生成；而差示扫描量热法( d s c ) “纠曲线中出现的热量变化峰或基线突变的温度与测试 物的转变温度相对应，它能很好地反映包合物的形成；红外光谱法( i r ) 汹1 则是通过比较 客体包合前后红外特征峰的变化来进行判断，一般情况下客体与环糊精包合后，其吸收 峰的强度会降低，或峰位发生位移或消失；固体核磁共振谱( n m r ) 0 5 。4 州可从其谱图中 碳原子的化学位移，推断包合物是否形成。通常对含有芳香环的客体，可采用h n m r ； 而对于不含有芳香环的客体可采用c n m r 技术。 1 2 2 固体环糊精包合物的晶体结构 环糊精包合物的晶体结构主要分为三种类型，即笼型( c a g e ) 、管型( c h a n n e l ) 、层 型( 1 a y e r ) 。客体分子的几何形状、尺寸和性质对于晶体以什么堆砌起重要作用。如在 笼型结构晶体中，环糊精分子内腔的两端均被相邻的分子堵死，从而形成独立的内腔； 环糊精分子非同轴排列，被包合的客体分子充塞于环糊精空腔内；当客体分子结构较小 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 时，可完全插入环糊精内腔，形成包合物的晶体通常属于笼型堆积结构，环糊精水合物 多数是笼型结构汹1 。而在管道型结构晶体中，环糊精分子沿轴向堆积，空腔形成大约 ( o 5 0 8 ) n m 的隧道，客体分子寄宿于隧道内r as , 3 2 并具有“头头”或“头尾”两种排 列方式。对某些b 一环糊精包合物而言，主体分子往往以“头对头”的二聚体形式构成 层状堆积。h a m i l t o n 1 等人研究了b 一环糊精与抗炎止痛药苯氧苯丙酸的包合行为，提出 利用主体分子空腔结构的特异性，可以实现对苯氧苯丙酸两种光学异构体进行分子识 别，在r 一异构体p 一环糊精包合物中，两个客体分子填充在由主体构成的二聚体空腔中， 二聚体以“头对尾”方式排列；而在s 一异构体b c d 包合物中，二聚体采用“头对头” 方式排列，并且在外消旋的苯氧苯丙酸与1 3 - c o 包合过程中，s 一异构体可被三倍量地富 集于晶态包合物中。 1 3 溶液中环糊精包合行为研究 1 3 1 溶液中环糊精包合物形成的作用力及研究方法 环糊精由于其特殊的空间结构，使其能够在水溶液中选择性地包合有机小分子或离 子，形成具有不同程度稳定性的包合物。这种包合物是指完整的有机分子彼此纯粹按空 间关系相结合，而其中每种分子的价键结构保持不变。”。包合物的形成既不决定于化学 亲和力，也不决定于某一特定的官能团，而主要取决于环糊精与客体分子的性质、尺寸 和形状1 。总体上人们普遍认为促进主、客体结合的主要作用力包括：范德华力、疏水 作用力、氢键、能量释放、电荷转移和一堆积等，每一种力的相对大小与客体分子 的形状、体积、极性、及实验温度等因素有关，一般伴随着包合物的形成有明显的热量 变化，它是这些相互作用协同产生的综合效果。 溶液中环糊精与客体分子的相互作用可以用紫外光谱。7 。1 、荧光光谱溉“、相溶解 度、核磁共振谱。”、微量量热、电导“3 等多种方法进行分析。紫外光谱法是根据客体 和包合物的紫外可见吸收光谱曲线与吸收峰的位置和高度的改变来判断包合物的形成， 当形成包合物后客体的特征吸收峰将发生漂移或消失：荧光光谱法是通过比较客体与包 合物的荧光光谱，从曲线与吸收峰的位置和高度来判断包合物是否形成；而相溶解度法 “2 “训是评价包合物溶解性能常用的方法，一般难溶性客体经包合后溶解度会增大，通 过测定客体在不同浓度环糊精溶液中的溶解度，绘制其相溶解度曲线，根据相溶解度图 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 就可以判断包合物是否形成，并获得包合类型和稳定常数k 。 1 3 2 包合常数k 的测定方法 1 包合常数k 的意义 包合常数k 值的大小反映了环糊精( c d ) 与客体分子( g ) 形成包合物( c d g ) 时结合力 的强弱，即所形成包合物的稳定性以及包合物形成的难易程度。k 值越大，表明包合过程 容易进行，所形成的包合物稳定性高，客体溶解度提高得也越多。确定k 值对了解包合 物的性质及指导包合实验有重要意义。环糊精与客体在水溶液中的包合是一个动态平衡 过程，当形成化学计量比为1 ：1 的包合物时，此平衡过程可用下式表示： g + c d g c d 则k = c d - g 】( g 【c d 】) ，其 c d g 】、 g 】、【c d 分别代表平衡时溶液中包合物、游离客 体和游离环糊精的浓度。环糊精及其衍生物与绝大多数物质的k 值为o 1 0 5 l m o l 。 2 k 值测定方法 k 值可以通过分光光度法、高效液相色谱法、核磁共振法、荧光法、电位法、相溶 解度法等测定1 。 ( 1 ) 分光光度法 选择哪一种分光光度法研究分子识别和包合的稳定性，很大程度依赖于测量对灵敏 度的要求，荧光光谱与其他光谱法比较有很高的灵敏度。紫外一可见光谱适宜的稳定常 数测得范围是1 0 2 1 0 5l m o l ，而荧光光谱则一般用于研究稳定常数在1 0 5 1 0 7 l m o l 范 围的对象。 紫外一可见分光光度法 该测定方法是基于b e n e s i h i l d e b r a n d 方程，其公式如下： l1 1 一a a2 i 石砑而r + 讯 k f 。【g j o 陋j 0 f 【g j d 式中为客分子与包合物的紫外可见光谱的摩尔吸收系数之差：a 为客体溶液在加 人环糊精后吸光度的变化；【g o 与 c d o 分别为客分子与环糊精的分析浓度；k 为包合物 的稳定常数值。测定过程为：配制系列客体浓度相同但环糊精浓度不同的混合溶液，在 适当波长处测量它们的吸光度值，求得系列a 值，以l a 对1 【c d o 作图，如为直 线则表明客分子与环糊精形成i ：1 包合物。对直线作线性回归，由回归方程的斜率与截 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 距即可求得包合物的稳定常数k 值。该测定方法的特点是省时，操作简单，样品需要量 小。如客体与环糊精形成2 ：l 包合物，则上述公式应修正为： 垃= 丽1 + 石2 a akgc d 1l 1l 占 公式中各项的含义同前。 荧光法 其原理是具有荧光特性的客体分子与环糊精作用后，其荧光强度发生变化，或增大 或减小，利用这一性质可测定包合物的k 。 a b e n e s i - h i d e b r a n d 法： b e n e s i h i d e b r a n d 法是测定k 的一种最经典的方法，在l ：1 化学量的情况下，经简 化处理得到改进的b e n e s i h i d e b r a n d 方程，其表达式如下： 1l 1l 酉2 邴k 。两+ 羽鹋口- 【g j 旧lg 【g j 其中f j 表示主体浓度为 h i 时测得体系总荧光强度( f i ) 与主体浓度为零时体系总荧 光强度( f 0 ) 之差，【g 】为荧光客体的浓度，a 为荧光测量系数。固定 g 】，改变环糊精 浓度，用1 f j 对1 h i 作图，在环糊精浓度过量的情况下有很好的线性关系。从直线 的斜率和截距计算出k 值。当化学计量为2 ：1 时用 h i 2 代替 h 】i ，计算相应的k 值。 b 引入i 法 假定g 与c d “完全”包合时体系的荧光强度为i 一，利用物料与荧光强度的加和性可 导出下式： 铵：k c d i i 式中i 。表示体系中不存在环糊精时客体的荧光强度。i 表示体系中有不同c d 浓度存在 时客体的荧光强度。实验中测得i o i 与k ，按上式作图得过原点直线，其斜率即为k 。 江云宝曾用此法测定了对羟基苯甲酸和葸等与b 一环糊精包合物的形成常数。 c 双导数法 b r i g h t 等提出双导法，其方程式为： 且一 a - g k k _ g q c d g l1 。网+ 瓦：了瓦 1 a c d - o 5 对1 c d 作图即可求得k ，这种方法的优点是可以揭示客体分子与环糊精之间 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 的多级包合，这是其他方法所不及的。如曲线为一直线，说明客体分子与环糊精只有一 种包合物，如出现两段不同的斜率的线段则表示有两种类型的包合物。b r i g h t 等1 用这 种方法测定了苯胺基蔡磺酸衍生物一b 一环糊精包合物的形成常数。 ( 2 ) 相溶解度法 该法是最常用的测定方法。首先根据h i g u c h i c o n n o r s 方法，测定客体在环糊精溶 液中的溶解度，做相溶液度图，五种包合等温线只有a l 型可通过等温线直接求k 值，而 a p 型和a n 型k 值的求解则比较复杂。如相溶液度图为a l 型，说明形成1 ：1 包合物。然后 依据最小二乘法，求得直线回归方程。由方程的斜率与截距，依据下面公式即可求得包 合物的稳定常数值： k - 南截距 该测定方法的要求是，要有足够的平衡时间，以便使测得的客分子溶液度更加准确。 该测定方法的优点是操作简单缺点是费时，样品需要量大。 ( 3 ) 核磁共振法 该法利用氢谱中的1 h 的化学位移值。当主客体摩尔比为1 ：1 ，并且c o g o 时，有 如下方程式成立： c o ：豆+ 堑鱼 世世c心c 其中p c = p c p a p = p p f , p f , p 。，p 分别表示自由客体及任意环糊精浓度时客体的化学 位移；c o 与g o 分别表示环糊精与客体分子的总浓度，是包合物表观离解常数。实验 中固定c 0 、g 0 浓度，则c o a p 对c 0 作图应为一直线，根据斜率与截距可求得，再 从k = i k d 可得包合常数。实际应用时，一般观察质子位移变化较大的h 3 或h 5 的改变。 该法的优点是准确度高、重现性好、可利用的数据多。目前许多包合物的包合常数已用 该法求得。 ( 4 ) 高效液相色谱法( h p l c ) u e k a m a 等报道，向h p l c 的流动相中加入b 一环糊精或c t 一环糊精后，一些弱酸或弱 碱性客体在色谱柱上的保留时间会大大缩短，他们根据这种现象发展了h p l c 来计算包 合常数。任选两个环糊精浓度，分别标为c 1 与c 2 ，他们之间差值以( a c = c 1 c a ) 表示。 测得客体分子在不含环糊精流动相中的保留时间为t o 及被环糊精充分包合时( 环糊精大 大过量1 的保留时间为t c ，可得如下方程： 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 a c ( k c l + 1 ) g ( k c i + 1 ) c 2 r 瓦一疋( 矗一疋) k 其中t 是环糊精浓度为c l 与c 2 时客体分子保留时间的差值，k 为包合物的包合常数。 若保持c l 不变，c 2 变化，则用c t 对q 作图应得一直线，用直线的斜率除以截距 便可求得k 值。这个方法的优点是灵敏度高，测定方法简便、快速。但该法只能用于包 合引起显著保留时间变化的体系，有一定的局限性。 3 k 值预测方法 上述各种实验测定k 值的方法均比较麻烦，目前人们正致力于寻找比较准确的k 值 预测方法来代替烦琐的实验。 ( 1 ) 基于热动力学的k 值预测方法 研究发现，包合物的形成过程总伴随着焓和熵的变化，即最终引起自由能的变化。这 种变化来自溶剂间的相互作用( 憎溶剂作用) 、溶剂与溶质的相互作用( 溶剂化作用) 以及 溶质间的相互作用。研究表明，包合常数具有热动力学统计规律，故而可利用此特点对k 值进行预测。包合过程中的自由能变化可表示为： a g c o m e = a g i n “娜l + ( g w c a g w 8 g w l ) + 鲥丫l ( 1 ) a g c o m p = - r t l n k 肝，( 2 ) k m f = p m * k l l ( 3 ) 其中k m p 是摩尔包合常数，反映包合自由能的变化是建立在分子水平上的；p 是溶剂的密 度； ，是每千克溶剂的摩尔数；g i ，。j 描述的是包合物分子中客体一环糊精的相互作 用；a g w c 、a g w 5 、p 一分别指溶剂对包合物、客体、环糊精的溶剂化自由能；a g a 7 表述的是一般介质作用，丫j 是水的表面张力，a g a 喇c 9 4 s 学4 ba c 、a s 、a l 分别代表包 合物、客体、环糊精的分子表面积( 确切地说是非极性分子表面积，因为环糊精分子一 般与客体分子的非极性部分作用) ，g 是表面张力的经验性校正系数。对包合物而言， a c u s + a o - 定为负值，则衄4 超声波法 研磨法，共沉淀法制得的包合物的包合率和产率都相对较 高。 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 7 包合物的溶解度变化 根据实验方法2 3 5 ，测定富马酸及其p 一环糊精包合物在室温条件下的溶解度，其值 见表2 5 。 表2 - 5 包合前后富马酸溶解度变化 i 型垡5 j 、es o l u b i l i t yd i f f e r e n c 七b e t w e e nf u m a r i ca c i dc o m p l e x e sa n df u m a r i ca c i da l o n e 名 称 溶解度( g l ) 富马酸 研磨法制备的富马酸包合物 超声法制备的富马酸包合物 共沉淀法制各的富马酸包合物 0 3 8 1 0 3 8 9 0 4 2 3 0 4 3 6 由表可知，富马酸通过包合后在水中溶解度得到了提高，这是因为包合反应发生后， 富马酸分子结构中的某一部分可能进入p 一环糊精空腔，而d 一环糊精由于仲羟基的作用， 使其外壁表现出亲水性，相对增加了客体分子的亲水性。因此，富马酸通过包合，其溶 解度得到了增加。而制各方法不同，得到的包合物的溶解度不同，这可能是由于包合率 不同的缘故。 2 4 8 红外光谱分析 根据实验方法2 3 6 ，分别对富马酸、p 一环糊精和采用不同方法制得的富马酸一b 一 环糊精包合物进行红外光谱测定，其结果图2 - 5 所示。 ( a ) 2 4 ( b ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( c ) ( d ) ( e ) ( f ) 图2 一s 言马酸一一环糊精体系红外光谱图 f i g 2 - 5f t - i rs p e c t r ao f t h ef u m a r i ca c i dc o m p l e x e sw i t hb c da n df u m a r i ca c i d 超声法包合物；b 共沉淀法包合物；c 研磨法包合物： d 富马酸与口一环糊精的物理混合物；eo 一环糊精；f 言马酸 从图中可见，富马酸与p 环糊精各有其自身的红外特征吸收蜂( 其红外归属分别见 表2 - 6 、表2 7 ) 。当富马酸与p 一环糊精采用物理混合方法时，其光谱图具有加和性，表 现为两组分的叠加，但以口一环糊精的特征光谱为主。而采用不同方法制得的包合物的光 谱图与主体p 一环糊精的光谱图大致相同，不同之处在于，对研磨法制备的包合物而言， 其红外光谱图中仅羰基吸收峰强度明显减弱，而富马酸的其它吸收峰还存在，这说明研 磨法难以制得包合良好的包合物；但对超声法和共沉淀法制备的包合物而言，其红外光 谱图的不同之处在于包合物在1 7 1 2 c m “处出现了一新的强度很小的吸收峰，而在1 6 7 3 c n l 4 附近富马酸的羰基吸收峰强度明显减弱，其他吸收峰如在1 4 3 1 e r a 、1 2 7 8 锄。附近 羟基面内弯曲振动吸收峰及9 1 9 耐1 附近羟基非平面摇摆振动吸收峰均在包合物中消失 太原理工大学硕士研究生学位论文 了：9 7 2 咖。1 附近碳氢键的吸收峰强度明显减弱。这说明客体分子富马酸的羰基及羟基 可能已经进入了主体分子b 一环糊精空腔内，形成了主、客体超分子包合物。 2 5 本章小结 表2 - 6 富马酸红外光谱归属 t a b 、2 - 6f t - i rs p e c t r aa s s i g n m e n to f f u m a d ca c i d 表2 - 7d 一环糊精红外光谱归属 t a b 2