1、 1 / 9 化学文献课程报告 环糊精化学简介 南京大学化学化工学院 091130026 傅佳驹 指导老师：缪强 2010年12月 25日 摘要：随研究工作不断进展，人们对环糊精的结构性质的认识日益深入，环糊精大量应用 于超分子化学、生物科技、医药环保等方面在理论与应用方面也更加成熟，本文从环糊精的 结构性质、制备、修饰及应用等方面对环糊精与环糊精化学做了基础的介绍。 关键词：环糊精 环糊精化学 2 / 9 正文： 1引言 环糊精(Cyclodextrin，简称 CD)早期叫沙丁格糊精（Shardinger dextin） 1 ，发现于 1891 年，是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精 葡萄糖
2、基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，通常含有 612 个 D吡喃葡萄糖单元。1959年，Cramer最早提出了环糊精分子 内的手性空腔能够起到不对称诱导、催化某些有机反应的特性，继而 又发现能形成包结物以改变化合物的物理化学性质，从而在食品、医 药、化妆品、香精等方面的应用不断扩大，其相关领域研究工作也随 之活跃起来。 与之后发展起来的冠醚、 穴醚、 环璠等大环化合物相比， 环糊精堪称为超分子化学的先驱。 超分子化学已经发展成为化学前沿中的重要领域之一， 而环糊精 作为首选骨架在构筑各种聚集体和复杂超结构时， 具有其他大环化合 物无法匹敌的优势。 2 环糊精的结构与性质 环糊精(Cyc
3、lodextrin，CD)也称作环聚葡萄糖，是由若干D吡喃 葡萄糖单元环状排列而成的圆锥状筒形分子 2 。2.1结构与化学性质 根据葡萄糖残基的个数，有 6、7、8 个葡萄糖残基的环糊精分别 称为 、环糊精，三种环糊精的内径分别为 0.57nm、0.78nm、 0.95nm。 由于CDs中所有葡萄糖单元均采取 1 C 4 的椅式构象， 只有 1,4 型一种配糖键，葡萄糖单元的伯羟基都排在同一边缘，构成了 CDs 3 / 9 截锥状结构的主面(较窄端)；而仲羟基均排在另一平面，构成了 CDs 截锥状结构的次面(较阔端)。图 1 为 CD 的结构示意图，实际上，整 个分子呈锥柱或截顶圆锥状花环，C
4、Ds分子的内空腔表面仅存在糖苷 氧原子及覆盖糖苷氧原子的氢原子，所以腔内呈疏水环境，外侧面由 于羟基的聚集而呈亲水性。 而空腔内的氧原子非键合电子均指向中心， 使得 CDs表现出某些路易斯碱的性质。 图 1 CD的分子结构示意图 在研究比旋光度与构象间关系时发现在 DMSO中 CD比旋光度 计算值与测定值一致而在水中的每个吡喃糖单元差 30，在结合饱 和碳水化合物后差异消失。此现象说明在水溶液中 CD的大环构象 歪曲而在 DMSO则呈圆形 3 。环大的环糊精具有更高的柔性，因此在 ，CD系列中 型的环糊精在水中有更大的溶解度。 由于环糊精是由淀粉经 CGTase 作用的产物，因此同淀粉一样可
5、以贮存多年而不变质 112 。环糊精对碱稳定，但在酸性条件下可以部 分水解生成葡萄糖、 麦芽糖等小分子化合物。 环糊精没有固定的熔点， 于 200左右即开始分解，引入修饰基团可以提高 CDs的热稳定性， 4 / 9 其稳定性顺序为 TCCDCDCDDMCDCDTACD 4 。 从结构中不难看出，环糊精分子内含有伯羟基和仲羟基，有一定 的化学反应活性和可修饰性，在高碘酸盐、射线等条件下均可发生 反应，具体将在第四部分介绍。 2.2环糊精的物理性质 CDs具有良好的结晶性，不具备吸湿性，但可以形成稳定的水合 物。 由于分子中含有羟基和非羟氧原子， 因此在水中有一定的溶解度。 实验证明 CDs在水中
6、的溶解度是温度的函数（表 21） 表21 不同温度下CDs在水中的溶解度 5 t() 溶解度/mg CDg 1 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 环糊精极少溶于有机溶剂中， 一般在某些羟基醇中有较高的溶解 度，而在苯、甲苯等溶剂中易于形成包结物，因此溶解度很小。另外 有报道，盐对环糊精的溶解度
7、也有一定影响，可能是阴离子的作用。 此外，CDs的水溶液还具有旋光性，粘度比水大。 3 环糊精的制备 1891 年，Villiers最早描写了环糊精是由淀粉杆菌和淀粉培养制 5 / 9 备。1903 年 Schardinger 指出制备时起作用的酶是 CGTase。环糊精的 化学制备方法很少，制备主要采用生物酶法，包括 CGTase 的制备、 淀粉的酶转化、CD的分离和纯化三个主要阶段 6 。 3.1CGTase 的制备 7 制备 CGTase 的培养基和培养条件因菌种而异主要有软腐芽孢杆 菌、巨大芽孢杆菌等产酶培养基。 3.2淀粉的酶转化 7 以日本为例，生产工艺流程为：向 15%淀粉悬浮液
8、（含 10mmol/L 的 CaCl 2 、pH=8.5）中加入 CGTase，升温液化 30min，冷至 63度左右 加入 Ca(OH) 2 再次调节 pH=8.5，再加入 CGTase 适量，反应 3045h， 升温使酶失活，调节温度至 80度，pH=6以葡萄糖淀粉酶将未转化的 淀粉水解经活性炭和离子交换树脂处理，减压浓缩低温放置即得到 CDs的结晶。 3.3环糊精的分离和纯化 7 目前已知的大部分CGTase作用淀粉得到的产物为CDs的混合物， 大部分以 CD为主。在食品工业中一般以物理性质差异为依据进行 分离，一般根据溶解度差异分离。另外也可用有机溶剂络合的方法进 行分离。由于三种环糊
9、精空腔内空间大小不同，因此可以用分子大小 不同的有机络合剂与之分别结合， 生成不溶的络合物从而与反应体系 分离。 4 环糊精的修饰 修饰环糊精（modified cyclodextrins）指在保持环糊精骨架基本不 6 / 9 变的的情况下引入取代基，经修饰的 CDs也称环糊精衍生物 （cyclodextrin derivatives） 。修饰环糊精可以改变其物理化学性质，从 而使其成为构筑超分子合适的骨架。归纳起来，主要可以达到下述几 个目的： （1） 增加水溶性， 特别是增加包结物和超分子复合体的溶解度。 （2） 构筑立体几何关系，形成特殊手性位点。 （3） 进行三维空间修饰，改变空腔大小
10、或形状以与底物或客体 适配。 （4） 引入特殊基团，构筑有特殊功能的超分子。 修饰环糊精的方法有化学法和酶法， 从环糊精基本的葡萄糖单出 发发进行修饰。 5 研究与应用前景 自 1891 年 Villiers发现环糊精至今的一百多年间，环糊精及其衍 生物大量应用于科研与日常应用之中，但其仍有许多制约因素：确定 结构性质；研究毒性和使用限度范围；相关政府部门审批等等。从长 期研究结果来看环糊精的有利点有：保持底物活性，避免其受外界作 用失效；改变底物一些不利性质；在技术和品质上有所改进。CDs在 超分子化学、分析化学、医药、化工、环保及农业等领域均有广阔的 应用前景 5.1超分子与聚合物 2 能
11、与CDs形成包结物的客体非常广泛，如有机分子、无机离子、 生物小分子、配合物、甚至惰性气体。分子大小适于其洞穴尺寸的客 7 / 9 体分子，只要极性小于水，就有可能代替小分子而进入CDs空腔形成 包结物。 CDs包结高聚物后，随着项链型晶体结构的形成，高分子链被CDs 分子隔离开，在隧道内呈充分伸展的直链状态。如果采用适当的方式 脱去CDs分子，高分子可保留这种链高度伸展的状态，得到链完全伸 展的新型聚合物材料， 这样的材料将具备更好的抗张强度和模量等优 良性能。另外，将两种相容性较差的聚合物同时与CDs形成包结后， 若采用适当方法解包结并除去体系中的CDs，那么得到的聚合物共混 体系中，两种
12、聚合物的相容性将得到很大改善。 5.2 医药业 环糊精能有效地增加一些水溶性不良的药物在水中的溶解度和 溶解速度。它还能提高药物的稳定性、减少药物的不良气味、降低药 物的刺激和毒副作用以及使药物缓释和改善药物剂型。 将水凝胶中引 入环糊精，通过环糊精与疏水药物的主客体作用，可以使水凝胶大量 负载疏水性药物。同时，由于形成了主客体包络物，药物分子的扩散 速率减慢从而实现了药物（如布洛芬等）施缓慢持续地释放 8 。维 生素A醇及其酯类对光、热、氧、金属离子等敏感，会转变为生物活 性低的异构体或小分子的化合物(紫罗烯、紫罗兰酮等)，文献报道表 明，-环糊精包结维生素A醋酸酯后，大大提高了其光热稳定性
13、 9 。 5.3 分析化学 8 / 9 在前述对环糊精结构与性质的介绍中，已知环糊精是手性分子， 它对大小、 几何形状及性质不同的有机分子有进行识别和选择的能力， 已成功地应用于各种色谱与电泳方法,以分离各种异构体和对映体。 因此在各种高效分离方法（如色谱、电泳等方法）中，使用环糊精及 环糊精衍生物都能改进对映体的分离效果 1 。 5.4环保 环糊精能与污染物形成稳定的包络物， 将其固载化后能收集污染 物，减少环境污染。其特有的分子结构可用于生物法处理工业废水。 另外，空气清新剂可通过添加环糊精，达到缓慢释放气体分子，延长 香味持续时间的作用。所谓固载化环糊精，就是将环糊精连接到高分 子载体上
14、所得一类高聚物。Xueyong Zhang等（2004）以环氧基活化 壳聚糖（CTS）与CD反应合成CD壳聚糖（CDCTS） 。以红外 光谱和X射线衍射分析确证其结构，以紫外光谱计算CD在壳聚糖 分子上固载量。 接着研究CDCTS对对苯二酚吸附性质， 结果表明， 这种新型吸附剂对对苯二酚最高饱和吸附量为51.68 mg/g。因此，将 这种新型吸附剂用于污水处理具有广阔前景 10 。 9 / 9 参考文献 1 童林荟.环糊精化学基础与应用.北京:科学出版社,2001. 2 余志军,范敏敏,孟宪伟等.环糊精-聚合物超分子材料的研究进 展.高分子通报,2009,(4),31-37. 3 J. Sze
15、jtli, Cyclodextrin and their Inclusion Complexes,Akadmiai Kied,Budapest,1982,28. 4 S.Kohata, K.Jycdoi, A.Ohyoshi.Themochimica Acta,1993,217,187. 5 K.-H. Fromming, J. Szejtli, Cyclodextrins in Pharmacy.The Netherlands,1994. 6 申刚义.环糊精气相色谱固定相的制备及手性分离.北京:中央 民族大学出版社,2009. 7 陈龙然，袁唐培，王雅芬等.环糊精的性能、生产及其在食品工 业中的应用.食品科学,2003,24(5),268-271. 8 袁宁宁.-环糊精水凝胶的制备及其在药物控释中的应用.化 学工程与装备,2009,(6),16. 9 翁文，刘丽芸，傅静等. -环糊精包结维生素A 醋酸酯的条件 研究. 应用化工,2009,38(8),1098. 10 Zhang X Y，Wang Y T，Yi Y.Synthesis and characterization ofgrafting -cyclodextrin with chitosanJ. Journal of Applied PolymerScience，2004，94：860-864.
