超分子化学环糊精市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、环糊精第1页一，定义环糊精(Cyclodextrin， 简称 CD)是直链淀粉在由芽孢杆菌产生环糊精葡萄 糖基转移酶作用下生成一系列环状低聚糖总称， 通常含有 612 个 D-吡喃葡 萄糖单元。 环糊精是最普遍研究最多，最廉价易得商品化主体分子，是全饱和分子，其刚性依赖于分子内氢键结合锐曲率半径。环糊精作为一类很主要主体化合物，在食品，化装，药品等领域也有很主要作用。第2页二，结构分类常见 环糊精有 -环糊精、-环糊精以及 -环糊精 3 种，分别由 6 个、7 个或 8 个葡萄糖单元以 1，4 糖苷键结合而成。环糊精分子形状为“内疏水，外亲水” 略呈锥筒状空腔结构，如图（一） 。正是这种特殊结

2、构，使得环糊精能 作 为 “ 宿 主 ” 包 合 不 同 “ 客 体 ” 化 合 物 ， 形 成 特 殊 结 构 包 合 物 (Inclusion Complex)，由此而形成主客体化学，也是当前热门课题超分子化学一 部分。第3页其中 -环糊精产率最高，应用也最广泛。-环糊精分子立体结构 呈圆筒形，一端大，一端小。小端口处是由 C-6 上 7 个伯羟基组成，大端 口处是由 C-2、C-3 14 个仲羟基组成，所以环糊精外壁含有很强亲水 性。-环糊精内腔是由 C-3 和 C-5 上氢原子与 C-4 上氧原子组成，由 于 C-3 和 C-5 上氢原子对 C-4 上氧原子覆盖作用，使得环糊精内腔 含

3、有强烈疏水性，所以能够利用其疏水空腔包合客体分子(被包合物质:许多无机和有机化合物)， 形成包合物。第4页环糊精分子中，C-2 处羟基易与相邻吡喃葡萄糖单元 C-3 位羟基形成 氢键。因为分子大小适中，-CD 分子内形成是环形全氢键带，使分子含有 相当刚性，造成其在水中溶解度最低(图 2-1)；-CD 即使在理论上有六组 氢键，但因为其结构中有一个葡萄糖基单元处于扭曲状态，其圆环结构不完全对称，六个吡喃葡萄糖单元之间只形成四个氢键，空腔内未形成全氢键带，所以在 水中溶解度大于-CD；-CD 属于非共平面、含有绕性结构分子，溶解度 大于-CD 和-CD。对环糊精水溶液和二甲基亚砜溶液进行研究发觉

4、，环糊 精羟基与溶剂问氢键相对较弱；同时 C-6 位羟基几乎不参加分子内氢键形 成。第5页三，物理性质环糊精物理性质见表 2。三种环糊精为白色结晶粉末，-环糊精水 溶解度最低，易于由水溶液中结晶提纯。因为所含葡萄糖单元多少不一样， 各种环糊精在物理性质上有很大区分。-环糊精溶解度与其它两种环糊 精差异如此之大，主要是因为环糊精聚集体与周围水分子相互作用力不一样 以及在固态下晶格能差异造成。从表 2 中也能够看出，环糊精在水中 溶解度随温度上升而增高，在有机溶剂中，如甲醇、乙醇、丙酮等，环糊精 不溶解。能够溶解环糊精有机溶剂极少，所以能够利用此性能来提纯环糊 精。环糊精对热和机械作用都相当稳定，

5、没有固定熔点，200开始分解。 不一样环糊精热稳定次序为：-环糊精-环糊精-环糊精。经大量试验 证实，环糊精本身无毒性，能够被人体所吸收。第6页四，化学性质（1）化学反应 环糊精含有非还原端基，普通在非还原糖判别反应中呈阳性反应。因而，它们与蒽酮呈显色反应，该法可用于环糊精定量测定。 高碘酸盐氧化-、-和-CD 时没有甲酸或甲醛生成，证实环糊精分子 中不含有游离端基。一个葡萄糖单元消耗一摩尔高碘酸盐。经过起始诱导过 程后，氧化作用速率周期性增加，起始速率按-CD 次序增加。研究 发觉非环状糊精则没有该诱导期。环糊精在强碱溶液中电阻与纤维素相同。（2）放射分解 -和-CD 经-射线辐射，分子断裂

6、主要发生于 l，4-糖 苷键。然而，该机理不一样于酸水解，没有葡萄糖生成，主要产物是麦芽六糖、丙 二醛和葡萄糖酸，还有氢、一氧化碳和二氧化碳。 在水中环糊精浓度增加时会降低其降解。在稀溶液中降解类似于其酸水 解。脱氧-CD 水溶液经辐射后，在放射分解物中可检测到葡萄糖、麦芽糖等物 质。 第7页（4） 酶降解 环糊精有一个值得注意性质是它们对淀粉水解酶有很好抵 抗力。三因为环糊精不包含对-淀粉酶敏感端基，所以它们对-淀粉酶有很 好抵抗力。而-淀粉酶是结合分子内部，不需要自由端基，故它能够水解环 糊精，不过水解速率很低。 除了个别环糊精，大部分环糊精不会被发酵，不会被酵母利用。关于环糊精 降解酶糊

7、已经有文件报道.。糊精能妨碍谷类-淀粉酶吸附于淀粉粒上，所以它能 妨碍淀粉孺分解作用。它们能有力抑制甜马铃薯-淀粉酶、菠菜叶脱支酶、 克雷伯氏菌和马铃薯述磷酸化酶。多粘菌素杆菌淀粉酶、米曲霉淀粉酶和猪胰淀粉酶能水解环糊精，但水解速度迟缓。（3）酸水解 部分环糊精酸水解会产生葡萄糖和一系列非环状麦芽糖类。包 括和原环糊精含有相同数目葡萄糖单元寡聚糖。 含有完整环环糊精对酸水解 稳定性要高于非环状糊精 2 到 5 倍，这要取决于温度和酸性。第8页五，修饰环糊精环糊精修饰目标及路径 因为环糊精含有一定化学稳定性， 能够进行立体修饰。近年来对环糊精进行修饰科研工作在国外得到重视， 并取得了突破性进展，

8、而此方面研究工作在我国也开始起步。对环糊精进行 修饰目标主要是使其含有更优良性质，提升应用效果，并开辟新用途， 归纳起来主要有以下几方面： 引入基团增加水溶性，尤其是包结物或超分子复合体水中溶解 度； 在结合位附近构筑立体几何关系，形成特殊手性位点； 进行三维空间修饰，扩大结合空腔或者提供有特定几何形状空 间，以与底物或客体分子有适宜匹配； 引入特殊基团，构筑有特殊功效超分子和自集成超分子聚集体； 融入高分子结构，取得有特殊性质新材料。第9页比如 -环糊精进行甲基化后成二甲基-环糊精，二甲基-环糊精含有 高水溶性，在 100ml 水中溶解度达 55g。比原 -环糊精在水中溶解度提升近 30 倍

9、。药品黄体酮在水中溶解度为 13.2gml，比在水中提升 3.1 倍，而 在二甲基-环糊精水溶液中溶解度为 gml，比在水中提升 150 倍第10页2. 修饰环糊精种类 -，-和 -三种环糊精中，-环糊精改性研究最为广泛。改性环糊精 按取代基性质大致可分为水溶性，疏水性及离子性三种。水溶性环糊精衍 生物产品有支链环糊精，甲基化环糊精，羟乙基环糊精，羟丙基环糊精，低 分子量 -环糊精聚合物(分子量为 30006000)等。疏水性环糊精衍生物产品 有乙基环糊精，乙酰基环糊精等。离子性环糊精衍生物产品有含氮阳离子性 产品及阴离子性产品，阴离子性产品如羧甲基环糊精，硫酸酯环糊精和磷酸 酯环糊精等。甲基

10、化环糊精特征为环糊精甲基化后增加了其在水中溶解度天然环糊精溶解度是随温度升高而增加，但甲基 化环糊精溶解度是随温度升高却急剧下降。甲基化环糊精还含有吸湿性和高 表面活性特征。环糊精甲基化后仍含有大包结特征，包结物在水中溶解 度也显著增大环糊精分子空腔外表面引入功效团后，不但改变了其原来具 有物理性质，而且还改变了它结构。X-射线结果表明，三甲基-环糊精 与 -环糊精在结构上有很大差异，甲基化后，环糊精分子空腔原来窄开口 变得更窄，而宽开口部则变得更宽。甲基化环糊精还含有立体选择性，即同一客体分子进入甲基化环糊精分子空腔基团及几何位置不一样于进入母 体环糊精分子洞，这是因为甲基化结果使环糊精结构

11、扭曲更厉害，空阻 增大所致。 。第11页六，环糊精包和特征环糊精包合物制备、结构、性质和应用研究是环糊精化学一个主要 内容。作为一个简单有机大分子，环糊精含有与范围极 其广泛各类客体，比如有机分子、无机离子、配合物甚至惰性气体，经过 分子间相互作用形成主客体包合物。 环糊精在药品、 香料和调味剂增溶、 改性以及分子包装方面，已向世人展示了辽阔应用前景。环糊精与有机客体包合作用 与客体分子形成包合物是环糊精最主要性质之一，所谓“包合”就是主 体与客体经过分子间相互作用，完成彼此间识别过程，最终使得客体分子 部分或全部嵌入主体内部现象。2. 环糊精与过渡金属配合物包合作用第12页最早发觉环糊精作为

12、主体能够对过渡金属配合物产生识别作用形成第 二配位层化合物是 Breslow1975 年 Breslow 报道二茂铁及其衍生物与 -CD 作用形成了 11 型主-客体包合物， 并声称二茂铁分子插入了环糊精分 子内腔。深入研究结果证实环糊精确实对二茂铁有很强识别能力， Harada 和 Takakashi 依据园二色谱探讨了二茂铁在 -、 和 -CD 内腔中 -、 取向，经过制备二茂铁及其衍生物环糊精包合物，他们发觉 -CD 与客体 形成 21 型包合物，茂基平面几近与 -CD C-6 轴垂直；-和 -CD 与客 体形成 11 型包合物，前者茂基平面差不多与 -CD C-7 垂直，而后者 茂基平

13、面则几乎与 -CD C-7 轴平行。这表明三种环糊精二茂铁包合物 有着不一样空间构型第13页七，环糊精应用环糊精是由环糊精葡糖基转移酶作用于淀粉所产生一组环状低聚糖， 薛定谔（Schardinger)完成了确定 CD 结构研究，因为 CD 含有“内疏水， 外亲水”分子结构，又因 CD 是手性化合物，这种特殊分子结构赋予 CD 与 各种客体化合物形成包合物能力，由此而形成主客体分子化学，从而使 CD 在食品工业，药品工业，分析化学，日用化学品，农业，环境保护等领域有着非常广泛应用。第14页（2） 用于光谱分析 -CD 对显色反应含有一定作用。研究结果表明，-CD 对显色反应 主要特点20有： a

14、. 吸收光谱波长普通改变不大； b. 增敏作用：增敏作用主要原因是 -CD 与显色配合物形成包合物， 抑制金属离子水解，增强其反应活性； c. 有增溶、增稳作用； d. 对一些显色体系， 能提升选择性， 这是因被测金属离子显色配合物 和干扰离子配合物被 CD 包合难易和包合程度不一样缘故。环糊精在分析化学上应用 （1） 用于色谱分析 CD 包合物形成，因为其包合物稳定性及对客体结构和大小依赖 性，造成了 CD 在色谱分离中应用所产生高选择性。因为 CD 是手性化合 物，可进行分离异构体，其伎俩包含薄层色谱、气相色谱、高效液相色谱、亲和色谱、超临界流体色谱及毛细管电泳色谱，就使用方法而言，可做固

15、定 相(包含被交联固定化固定相)、流动相及电泳电解质溶液添加剂。 比如用 2，6-二戊基-3-三氟乙酰化(DP-TFA) -，-和 -CD 制备手性毛细管气相 色谱柱，并用来拆分了 150 多对映体，在高效液相色谱上，CD 作为流动组 分或固定相。第15页（4） 用于电化学分析 一是用电化学方法来研究 CD 包合物电化学性质，另外，在电化学分析中，应用 CD 主要致力改进体系选择性。电化学分析诸方法中 CD 应用相对集中于极谱和伏安法。（3） 用于荧光和磷光分析 -CD 环糊精与被检测分子形成包合物，可增加被检测分子荧光或磷 光强度，这对提升荧光或磷光分析灵敏度含有十分主要意义。但 -CD 环

16、糊精荧光增强作用受到其溶解度限制，若改用水溶性 -CD 环糊精， 将大大提升荧光分析灵敏度。第16页2，环糊精在药品改性中应用CD无毒、无味、对人体无害，是最为适当一个药品载体，所以在药品改性 上应用较广。药品经过与CD形成包络物来提升药品溶解度和稳定性，以增强其,生物利用度，缓减药品对胃肠刺激，消除一些药品异味。（1）增加药品溶解度，提升药品生物利用度。 一些药品如灰黄霉素 ， 安体舒通， 苯巴比妥， 4一联苯醋酸等， 单独用药时， 因为其在水中溶解度小， 生物利用度低， 但当它们和CD形成水溶性包络物时， 溶解度大大提升。如4一联苯醋酸形成CD包络物后，其溶解度提升42倍，溶解 速度提升18倍,物利用度也因之太为提升。第17页（3）降低药品刺激性、毒性、副作用、掩盖苦味及特殊气味 降低药品刺激性 等大蒜油含有广泛药理作用，是一个很有发展前途中药。因为大蒜油含有 不良气味，对胃肠道刺激性大且易挥发，遇光和热不稳定。用一CD对大蒜油进 行包