环糊精的性质和应用

1、赵赵 珺珺华侨大学化工学院生物工程与技术系华侨大学化工学院生物工程与技术系CellCell：1596039842715960398427E-mailE-mail： 环糊精的结构和主要性质 环糊精的制备 环糊精的化学修饰和环糊精衍生物 环糊精在分析分离中的应用 环糊精在药学中的应用 环糊精（cyclodextrin，CD）的研究历史 1891年Villiers从淀粉杆菌（Bacillus amylobacter）的淀粉消化液中分离出环糊精（木粉），但没有确证其结构 1903年，Schardinger用软化芽孢杆菌（Bacillus macerans）消化淀粉，并用KI3鉴别，区分开-环糊精（蓝灰

2、色晶体）和-环糊精（红棕色晶体） 1932年，Pringshem发现环糊精具有识别客体分子的能力 1935年，Freudenberg和French表征了环糊精的结构，确定了环糊精分子中只含-1,4糖苷键 1971年，Szejtli对环糊精在医药、食品、化妆品、分析化学等领域做了大量研究 环糊精的结构 环糊精是由环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase）作用于淀粉而产生的一类环状低聚糖 -1,4糖苷键相互连接 常见的环糊精主要有-、-和-CDOOHHOOHOOOHHOOHOOOHOHOHOOOOHOHHOOOHHOHOOOOHHOHOOOOHHOOHOOOHHOOHOOOHOHOHOOOHOHHOOO

3、OHOHHOOOOHOHHOOOOHHOHOOOOHHOOHOOOHHOOHOOOHOHOHOOOHOHOHOOOHOHHOOOHOHHOOOOHHOHOOOOHOHHOOO-cyclodextrin-cyclodextrin-cyclodextrin 环糊精的结构 羟基OH构成环糊精的亲水表面 碳链骨架构成了环糊精的疏水内空腔hydrophobic cavityhydrophilic surface 环糊精的计算机模拟结构 -环糊精的X-射线衍射图谱解析 环糊精分子内的氢键 -CD分子大小适中，分子内C2OH和C3OH之间形成环形的全氢键带，因此分子具有较强的刚性 -CD中一个葡萄糖环处于扭

4、曲构象，只形成4组氢键 -CD不是严格的平面型结构，分子柔性较大 环糊精的主要结构参数参数参数 -CD -CD -CD 葡萄糖单元数葡萄糖单元数 6 7 8 分子量分子量 972 1135 1297 室温下水中溶解度（室温下水中溶解度（g/100ml） 14.5 1.85 23.2 空腔直径（空腔直径（） 4.705.30 6.006.50 7.508.30 高（高（） 7.90.1 7.90.1 7.90.1 外圆周直径（外圆周直径（） 14.60.4 15.40.4 17.50.4 空腔大致体积（空腔大致体积（3 ） 174 262 427 水中结晶形状水中结晶形状 六角板状六角板状 单斜

5、晶平行四边形单斜晶平行四边形 方形棱柱体方形棱柱体 结晶水（结晶水（wt.%） 10.2 13.214.5 8.1317.7 环糊精在水中的溶解度T （ oC ） 溶解度溶解度/mg CDg -1 水水 -CD -CD -CD 20 90 16.4 185 25 127 18.8 256 30 165 22.8 320 35 204 28.3 390 40 242 34.9 460 45 285 44.0 585 50 347 52.7 55 60.5 60 72.9 65 101.8 70 120.3 75 148.0 80 196.6 环糊精在有机溶剂中的溶解度有机溶剂有机溶剂 -CD -

6、CD -CD 甲醇（甲醇（100%） i i 0.1 甲醇（甲醇（50%水溶液）水溶液） 0.3 0.3 208.0 乙醇（乙醇（100%） i i 0.1 乙醇（乙醇（50%水溶液）水溶液） 0.1 1.3 2.1 异丙醇异丙醇 i i 0.1 丙酮丙酮 i i 0.1 氯仿氯仿 i i 0.1 吡啶吡啶 7 37 四氢呋喃四氢呋喃 i i 二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺 54 32 二甲基亚砜二甲基亚砜 2 35 乙二醇乙二醇 9 21 丙二醇丙二醇 1 2 甘油甘油 i 4.3 环糊精对热、酸、碱、酶的耐受性 对热稳定，无固定熔点，加热到约200 oC开始分解；在常温下可长期保存 CD对碱稳定

7、，在高pH下可以成盐 CD对酸的稳定性较差，在强酸中可发生水解，水解速率明显慢于淀粉；但在常温下的稀酸中较稳定 CD不被-淀粉酶水解，但可被-淀粉酶缓慢水解；一般CD的环越大，水解速率越快 环糊精的吸收、代谢与毒副作用 环糊精由于分子较大，在人体内吸收较困难，大部分以原形排出；吸收的主要部位是小肠 环糊精的代谢主要由结肠中的菌群完成，终产物是CO2和H2O；-CD代谢最慢，-CD代谢最快 环糊精对生物的毒性轻微，经口服几乎不产生毒性；非肠道施用时，CDs能与细胞膜组分发生作用，从而对细胞产生伤害 环糊精在人体内长期积累会加重肾脏的负担 基于环糊精的超分子体系 超分子是基于分子间非共价相互作用而

8、形成的有序的分子聚集体 构成超分子结构的分子间作用力主要有氢键、配位键、范德华力、静电相互作用以及亲水疏水相互作用等受体底物相互作用分子间键超分子转换识别易位功能组分自组装自组织分子和超分子器件有序聚集体ABCD合成共价键分子超分子多分子体系 基于环糊精的超分子体系 包结复合物（inclusion complex） 分子索烃（molecular catenane） 轮烷类结构 轮烷（rotaxane） 准轮烷（pseudorotaxane） 准聚轮烷（polypseudorotaxane） 聚轮烷（polyrotaxane） 自组装单层膜（self-assembled mono-layer m

9、embranes） 自组装多层膜（self-assembled multi-layer membranes） 基于环糊精的超分子体系OHOOOOOOOHOOOOOOOOOOOHOHOHOH OHXXOOOOHOHOHXXOHOHOHXXOH OHOOOOH OHOOO 环糊精空腔的性质 包合作用 与客体分子形成包结复合物（简称包合物）是环糊精最重要的性质之一 包合，即主体与客体通过分子间的相互作用和相互识别，使得客体分子部分或全部嵌入主体内部的现象CH3CH3+CH3CH3 环糊精与客体分子结合的机理 环糊精的疏水空腔平时被水分子所占据 当疏水性有机分子靠近环糊精的空腔边缘时，由于疏水相互作用

10、，空腔中的水分子就被排斥出来 这一过程对水分子而言是熵增加的过程，因此在热力学上是自发的，而且释放的水分子部分地补偿了由于CD与客体分子结合而引起的熵损失 环糊精包合物稳定性的影响因素 主客体分子尺寸的匹配性：-、-、-环糊精具有不同的空腔直径，可以选择相应大小的分子进行包合 客体分子的几何形状：即客体分子的立体效应，如不同的取代基，以及空间位置不同的构型异构体 极性与电荷：通常强亲水性离子化客体与环糊精形成包合物的能力较弱；弱极性的分子才能有效地与环糊精的空腔包合 溶剂或介质：通常需要强亲水性溶剂，水是最常用的溶剂 氢键形成：有助于提高包合物的稳定性 环糊精包合物的制备 溶液中制备 在水或水

11、为主要成分的溶液中制备 共增溶剂存在下制备包结物 在悬浮液中生成包结复合物 固相法制备 保证一定的湿度 共研磨法 在封闭容器内加热 室温振动法 环糊精包合物的表征 X-射线粉末衍射 红外和拉曼光谱 固体核磁共振谱 圆二色光谱 荧光光谱 热分析法 质谱法 索烃和轮烷 索烃（catenane）：两个或两个以上的环通过非共价键结合而成的锁链形的超分子结构 准轮烷（pseudorotaxane）：由作为客体的线性分子（轮烷轴）穿入环状主体分子中而形成 轮烷（rotaxane）：准轮烷的线性分子两端用大位阻试剂封闭而得到的结构 索烃和轮烷在制备初期的方法是类似的，不同的是索烃是将线性分子首尾封闭成环，而

12、轮烷是用大位阻试剂封端 基于环糊精的轮烷结构 环糊精和聚乙二醇（PEG）的自组装 基于环糊精的轮烷结构 环糊精和聚乙二醇（PEG）的自组装 环糊精自组装单层膜 环糊精糖基转移酶（cyclodextrin glucosyl transferase，CGTase，EC 2.4.1.19） 主要来源于芽孢杆菌属（Bacillus） 具有-、-、-等不同亚型 序列中有51个保守氨基酸残基 催化的反应类型 环化反应 偶联反应 歧化反应 水解反应 CGTase催化的反应类型 a) 环化； b) 偶联； c) 歧化； d) 水解+ H2O+a)b)c)d) 利用CGTase转化淀粉制备环糊精OOHHOOHO

13、OOHHOOHOOOHOHOHOOOOHOHHOOOHHOHOOOOHHOHOOOOHHOOHOOOHHOOHOOOHOHOHOOOHOHHOOOOHOHHOOOOHOHHOOOOHHOHOOOOHHOOHOOOHHOOHOOOHOHOHOOOHOHOHOOOHOHHOOOHOHHOOOOHHOHOOOOHOHHOOO-CD-CD-CD-CGTase-CGTase-CGTase 环糊精的制备过程 菌种筛选、培养，制备CGTase 从培养液中分离出CGTase，并纯化、精制 CGTase转化淀粉为环状或非环状糊精 从转化混合物中分离环糊精，及环糊精的纯化、结晶 用于工业化生产的菌种一般为软化芽孢

14、杆菌（B. macerans）、嗜碱芽孢杆菌（B. megaterium）、嗜热脂肪芽孢杆菌（B. stearothermophilis）等几种 淀粉主要采用玉米淀粉、木薯淀粉和马铃薯淀粉等 三种酶催化反应的特点 -CGTase的专一性较差，反应开始阶段以产-CD为主，但反应1 h后，-CD就逐渐占据主导 -CGTase的专一性较好，产生-CD的浓度一直高于其他两种CDs -CGTase以产-CD为主，但反应液中也含有相当多的-CD 现有的CGTase产环糊精的专一性不高；三种CD中，以-CD最容易得到 为什么要化学修饰环糊精？ 改变环糊精在不同溶剂中的溶解性 构建特殊的手性位点和几何关系 进

15、行三维空间修饰，改变空腔尺寸或提供特定几何形状的空间，更有利于客体分子的匹配 引入特定的基团形成新的超分子结构 融合其他分子构建特殊性质的新材料 引入特殊基团构建弱作用力模型 环糊精的反应性 羟基（OH） 酯化反应 磺化反应 成醚反应 氨基化反应 醚键（O） 开环OHOOHO*OH*n123456 环糊精羟基（OH）的反应性 反应活性：C6OH C2OH C3OH 酸性： C2OH C3OH C6OH C3OH活性最低，位阻较大，因此最难被取代 空间位阻大的试剂优先取代C6OH C2OH最易与亲电试剂反应 在强碱性环境中，C2OH容易发生取代 不同环糊精具有不同的反应特性 -CD由于分子内氢键

16、作用较弱，在C6OH发生取代反应时，C2OH也容易被取代 -CD的C2OH和C3OH之间形成很强的氢键网络，在C6OH发生取代反应时，C2OH和C3OH几乎不被取代 环糊精选择性修饰的三种策略 the “clever” method the “long” method the “sledgehammer” method 环糊精C6OH取代 直接法：用选择性较好的亲核试剂进攻环糊精C6OH直接生成取代产物，一般用三苯基膦这样空间位阻大的试剂 间接法：先将环糊精所有OH都保护起来，然后选择性脱保护C6OH，再用特定的亲核试剂取代OH 环糊精C2OH取代 C2OH呈弱酸性，因此要提高C2OH的取代度

17、，一般在强碱性条件下反应 由于C6OH的反应活性较高，因此通常先用其他试剂封闭，再进行C2OH的反应 环糊精羟基的取代反应HOOHOHPhC ClOPy98%PhOCOOCOPhOCOPhMeMeKO2-propanolbenzenePhOCOOCOPhOHPhOCOOCOPhOMeCH2N2, BF3ether/CHCl362%90%1) TsCl, Py2) NaN3, DMF92%KOH, MeOHdioxane, H2O90%PhOCOOCOPhR4 R=OTs5 R=N3123612578913KOH, MeOHdioxane, H2O98%HOOHRHOOHOMePh3P, LiN

18、3CBr4, DMFmixture of isomersAcOOAcN3AcOAcPy25%KOHdioxane / MeOH / H2O98%HOOHNH3ClCH3I, NaHDMF, 98%MeOOMeRMeOOMeNH3ClCH3I, NaH, DMF24%1) Ph3P, dioxane/MeOH2) conc. NH4OH-solution3) dil. HCl-solution1) Ph3P, dioxane/MeOH2) conc. NH4OH-solution3) dil. HCl-solution98%99%Reference: Boger J., et al., Helv

19、. Chim. Acta, 1978 (61): 2190 大位阻试剂占位的取代反应OHOHOHOHOHOH(OH)6(OH)6TrTrTr(OH)6(OH)6mixtureshortcolumn23CH3INaHtri-tritylper-O-mrthyl4H3O+tri-hydroxyper-O-methyl5CH3SO2Cl6NaN371) Ph3P2) NH4OH3) H3O+OMeNH3+NH3+OMeMeO+H3N(OMe)6(OMe)61Ph3CClTr = 环糊精的磺酰化OOHOHHO*O*6OSO3OHHO*O*6SO2Cl(C4H9)3SnOSn(C4H9)3OOHOHHO

20、*O*6TsClPyOOTsOHHO*O*6 环糊精聚合物（cyclodextrin polymer, CDP） 含有多个环糊精单元的高分子化合物 保留了环糊精的包结性质 环糊精聚合物类型 A. 环糊精作为聚合物侧链 B. 交联网状聚合物 C. 线形聚合物 环糊精聚合物的制备方法 用含双功能基或多官能团的交联剂进行交联，如CD-EP等 用含双键的环糊精衍生物（如环糊精丙烯酸酯）聚合得到 将环糊精通过共价键或其他分子间作用力偶联到聚合物链上 用环糊精修饰其他分子 环糊精聚合物CD-EP 1965年，Solms和Egli首次制得环糊精聚合物 将环糊精溶于50%(w/w)NaOH溶液中，在NaBH4

21、的催化下，与环氧氯丙烷（epichlorohydrin）发生交联，得到块状的环糊精聚合物CD-EP 这种聚合物呈现出很强的亲水性，在水中能发生溶胀OHHOCH2OHOClOHHOCH2OOHClOHHOCH2OOOHHOCH2OOOHHOHOH2COHHOCH2OOHOCH2OHHONaOH+NaOH+NaOHNaClOCl+H2ONaOHOHOHHO+NaCl(cyclodextrin) (epichlorohydrin)(cyclodextrin polymer)(glycerol) 环糊精聚合物CD-EP Solms和Egli制备出的CD-EP的可能结构H2COCH2CHCH2OHOCH

22、2OHOCH2CHCH2HOOCH2OH2CCHCH2OOHH2CCHOH2COOOH2CCHOHH2COH2CCHCH2OOHOCH2CHH2CHOOH2CCHH2COOHCH2CHCH2OHHOOH2CCHHOCH2OOOH2CCHOHH2COnCH2OOCH2CHHOCH2OHCH2OCH2H2COH2CCHOHH2COH2CCHOHH2COHCH2CHH2COHOH2COCH2OCH2nH2CCHCH2OHO.H2C. 环糊精聚合物CD-EP 环糊精在交联过程中，其疏水性空腔得以保留，因此CD-EP也具有包结有机小分子的能力，可以用作吸附剂或层析填料。Solms和Egli就发现CD-E

23、P对部分偶氮染料和酚类具有很强的吸附能力 环糊精聚合物还具有一定的手性识别能力，Zsadon等人用CD-EP成功地拆分了vincadifformine和quebrachamine这两种吲哚生物碱 在CD-EP上螯合金属离子，可以实现CD-EP对酶的亲和层析，如CD-EP-IDA-Cu(II)对-淀粉酶具有特异性吸附能力 环糊精线型分子管 将聚轮烷中的环糊精用交联剂环氧氯丙烷相互连接，再去除封端，聚合物链就会从环糊精的空腔中脱落，从而留下具有规则线型结构的环糊精分子管。 环糊精聚合物CD-PU 环糊精与二异氰酸酯（diisocyanate）交联剂发生反应而得的交联聚合物 常用的二异氰酸酯交联剂

24、六亚甲基二异氰酸酯（hexamethylene diisocyanate, HMDI） 对苯二异氰酸酯（1,4-phenylene diisocyanate, PDI） 甲苯-2,4-二异氰酸酯（toluene-2,4-diisocyanate, TDI） 二苯甲烷二异氰酸酯（4,4-diphenylmethane diisocyanate, DPMDI） 环糊精聚合物CD-PU 二异氰酸酯交联剂OCNNCONCOOCNOCNNCOtoluene-2,4-diisocyanate(TDI)OCNNCOCH3hexamethylene diisocyanate(HMDI)1,4-phenylen

25、e diisocyanate(PDI)4,4-diphenylmethane diisocyanate(DPMDI) 环糊精聚合物CD-PU -CD-PU保留了环糊精的空腔结构，对芳香族有机物具有较强的包合能力；此外，二异氰酸酯交联剂中的酰胺基能和酚羟基之间形成氢键，增强CD-PU的吸附能力。因此CD-PU常被用来净化含酚废水。 带环糊精侧链的聚合物 将环糊精作为修饰配基连接到聚合物链上 带有双键结构的环糊精衍生物发生聚合得到 环糊精在对映体分离中的应用 环糊精在对映体的分离方法上主要集中于色谱和电泳，而且几乎覆盖了所有色谱和电泳技术 改进对映体分离主要通过两种方式 作为手性选择剂（chira

26、l selector）添加到移动相中，这时的移动相称为手性移动相（chiral mobile phase，CMP） 合成含环糊精的材料作为固定相或将其涂覆于载体上，或作为毛细管内壁涂膜，这种情况下的材料称为手性固定相（chiral static phase，CSP） 添加环糊精改进对映体分离的主要机理 分别结合被分离溶质的一对对映体，形成不同结构和性质的包合物 环糊精的羟基，主要是C2OH和C3OH，或环糊精修饰基团与对映体以氢键形成不同结构、不同性质的复合体 待分离对映体在环糊精空腔内应当有紧密适宜的填充，通过短程范德华力稳定形成的包合物 环糊精在对映体分离中的应用方法方法 体系体系 体系中

27、应用体系中应用CDs的模式的模式 色谱方法色谱方法 气相色谱气相色谱 GSC 沉淀在惰性载体上，或固相化（化学键合）沉淀在惰性载体上，或固相化（化学键合） GLC 液体静止相，液体修饰液体静止相，液体修饰CDs或化学键合的选择性组分或化学键合的选择性组分 液相色谱液相色谱 HPLC 化学键合静止相，移动相添加剂化学键合静止相，移动相添加剂 TLC 超临界流体色谱超临界流体色谱 SFC 化学键合或固载静止相化学键合或固载静止相 电迁移方法电迁移方法 毛细管区带电泳毛细管区带电泳 CZE 添加进背景电解质添加进背景电解质 胶束电动色谱胶束电动色谱 MEKC 带电荷修饰带电荷修饰CDs作迁移剂作迁移

28、剂 ， 添加进胶束电解质体系添加进胶束电解质体系 电色谱法电色谱法 EC 化学键合到毛细管内壁化学键合到毛细管内壁 毛细管凝胶电泳毛细管凝胶电泳 CGE 组合进凝胶材质中组合进凝胶材质中 等速电泳等速电泳 IPT 添加前导电解质添加前导电解质 手性色谱（HPLC）固定相 CSP的制备方法 将间隔基（spacer）接枝到硅胶上，CDs与间隔基的活性端基反应 含间隔基的CDs，间隔基上的反应性基团与硅胶表面的硅醇基反应 间隔基的一端键合到硅胶上，另一端键连到CDs分子上，通过这两部分反应实现固载化SiR1R2R3OO 环糊精在胶束电动色谱中的应用 药物缓释控释载体 药物缓释控释载体 环糊精包合物中

29、药物被吸收进入血液循环的机制包合物给药部位固相液相生物膜血液循环系统包合物药物环糊精+药物KdKaKa 环糊精和甾体药物的包合物 环糊精和槲皮素及其糖苷芦丁的包合物OCH3OHOHOHOOOHOHOHOOOOHOHOHHOCBA 环糊精在药物制剂中的应用 改变药物的溶解性，提高难溶药物的溶出度HP- -CD 浓度浓度 布洛芬药物浓度布洛芬药物浓度 增溶倍数增溶倍数 (10 -2 molL -1 ) (10 -4 molL -1 ) 0 2.23 0 3.06 190.1 85.4 6.12 369.9 165.6 12.24 713.6 320.0 18.36 933.0 417.8 24.4

30、8 1148.5 514.3 30.60 1589.3 711.7 环糊精在药物制剂中的应用 促进药物吸收，提高生物利用度 提高药物稳定性 掩盖药物的不良味道，降低药物的刺激性和毒副作用 将液态药物粉末化 防止药物相互之间发生作用 已上市销售的环糊精包合药物制剂 已上市销售的环糊精包合药物制剂 参考书目 金征宇，徐学明等著，环糊精化学制备与应用，化学工业出版社，2009 童林荟编著，环糊精化学基础与应用，科学出版社，2001 J.-M. Lehn, Supramolecular chemistry: Concepts and perspectives, 沈兴海等译，叶宪曾审校，超分子化学概念和

31、展望，北京大学出版社，2002 刘育，张衡益等，纳米超分子化学从合成受体到功能组装体，化学工业出版社，2004 何仲贵主编，环糊精包合物技术，人民卫生出版社，2008 Dodziuk H., Cyclodextrins and their complexes, Weinheim: Wiley-VCH, 2006 主要参考文献 Lehn J.-M., Pure Appl. Chem., 1978, 50: 871 Harada A., & Kamachi M., Macromolecules, 1990, 23: 2823 Harada A., et al., Macromolecules, 1993, 26: 5698 Harada A., et al., Nature, 1992, 356: 325 Harada A., et al., J. Org. Chem., 1993, 58: 7524 Harada A., et al., Nature, 1993, 364: 516