（分析化学专业论文）β环糊精及其衍生物超分子包合物研究.pdf

瑟j 帮越大学硕士学袋论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指捋下进行的研究工作及 取褥的研究成果。尽我所嫡，除了文中特嗣加激标注和致谢豹邃方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 藏努范大学戢筵毽教弯规梅鳇学位或证书瑟使爰过的耪辩。与我一司_ i 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：量立! 堑鲞日期：2 鱼q 睦直 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保爵送交论文的复印件，允许论文被奁阅和借阕；学校可以公 布论文的全部戏部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：描! 延焘导师签名：担塞至叁日期：照兰妄：王一 硕士研究生：棼延舂专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授 矮茕师范大学碾士攀役论文 中文摘要 该论文主要研究了b 环糊精及其衍生物怒分子包台物，共分为五章。 露一章：本露踺耀糖精与表甏活性裁酶嫠零佳质进幸亍翔缡，同露介缮了环襁耩超分 子化学领域的研究概况及进展。 籍二章：遥遥袭嚣张力法、茨惫竞谱法秘1 hn m r 磅究t 永溶滚串8 + 嚣赣精( a - c o ) 与聚氧乙烯特辛萋鼢醚( t r i t o nx - 1 0 0 ) 的包结作用。结果表明，在过量b - c d 存在下，t r i t o n x - 1 0 0 不能形成胶策，t r i t o nx 1 0 0 疏水性端识结在1 3 一c d 空腔内，t r i t o nx - 1 0 0 荧光爨 虱保妒，1 h n m r 遴一步蕊热稳雾冬了佐证。在溶滚孛1 3 c d 与t r i t o n x 1 0 0 影藏了1 ：1 二 元包蹈物，表观包结常数为1 1 4 x 1 0 4 l m o r l 。结合实验结果，通过对比分子大小，从分 子水平解释了1 3 一c d 与t r i t o nx 。1 0 0 的包结作用。 第三章：通过袈面张力法、浊点法、硫镩c 酸钴铵显色法和1 hn m r 研究了1 3 - c d 岛 聚氧乙烯十二烷錾醚( p l ) 的包结作用。结果袭明，1 3 一c d 可与p l 形成了2 ：1 和3 ：1 型两 静越分子包结物，淡魏密不弱鹣物理纯学牲援。p l 懿藏水燃烷基链被惫终送b - c d 空黢 中，形成了2 ：1 的越分子包结秘：p l 的亲水憾聚氧乙烯基链被包络迸1 3 - c d 空腔中，形 成了3 ：1 的超分予包结物。结合实验结果，通过对比分子的大小，提出了1 3 - c d 对p l 分 子礴秘能静包结模式。 第四章：本章详细研究了8 苯胺基1 萘磺酸铵盐( a n s ) 猩不同溶剂中和b 拥：糊精及 其错艇物中的荧巍光谱。结果表嘲，a n s 具蠢热型的双重荧光发射的挫葳，溶裁极性的 大小秘氢键静形藏辩a n s 翡焚澎先谱有重要影响。8 一环糨精及其衍生秘璐对a n s 静荧 光有增敏作用且能与a n s 形成化学计量比为l ：1 超分子包台物。环糊精衍生物的取代潦 影响主体的配位能力。同时，进一步讨论了p h 馑及表面活性荆对a n s c d s 体系荧光光 谱的影嚷，裙爹探讨了其孛懿佟鬻税理。 笫五章：本章探讨了2 - x 寸q a 苯胺基一6 一萘磺酸钠g n s ) 与t 3 - 环糊精及其衍生物超分子 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授 2 西北师范大学硕士学位论文 包合物的形成、包结比、稳定常数及包络模型。结果表明，b 环糊精及其衍生物均对t n s 的荧光有增敏作用，b - 环糊精及其衍生物能与t n s 形成化学计量比为1 ：1 的超分子包合 物。主客体间的范德华力和疏水作用决定所形成包合物的稳定性。同时，研究了表面活 性剂t r i t o nx - 1 0 0 对t n s c d s 体系荧光光谱的影响。 关键词： b 一环糊精，表面活性剂，荧光光谱，超分子包结物，a n s ，t h i s 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授 3 嚣托师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u p r a m o l e c u l a ri n d u s i o nc o m p l e x e s o fc y c l o d e x t r i nw e r ei n t r o d u c e db f i e f l y t h i sp a p e r c o n s i s t so f f i v ec h a p t e r s 。 c h a p t e r1 ：t h em a i np r o p e r t yo fc y c t o d e x t r i na n ds u f f a c t a n t sw e r es u m m a r i z e d a tt h e s a l n et i m e ，t h ea c t u a ls t a t eo fs t u d yo ns u p r a m o l e c u l a ri n c l u s i o nc o m p l e x e so fc y c l o d e x t r i n a n dt h er e c e n td e v e l o p m e n th a v eb e e nr e v i e w e d ， c h a p t e r2 ：t h ei n t e r a c t i o no f6 - c dw i t ht r i t o nx - 1 0 0w a ss t u d i e db ys u r f a c et e n s i o n ， f l u o r e s c e n c ea n d1 珏n m rm e a s u r e m e n t s 。t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt r i t o nx - i 0 0 f a i l st of o r mm i c e l l e si na q u e o u ss o l u t i o ni nt h ep r e s e n c eo fe x c e s sb - c d t h eh y d r o p h o b i c m o i e t yo ft r i t o n3 ：- 1 0 0w a si n c o r p o r a t e di n t ot h ec a v i t yo fb - c da n d6 - c ds c r e e n st h e b u i l t - i np h c n y lr i n go ft r i t o nx - 1 0 0f r o mi o d i d ei o n s 1 hn m rs p e c t r ap r o v i d ea d d i t i o n a l e v i d e n c ef o rs u c hs u p r a m o l e e u l a ri n c l u s i o nc o m p l e xw i t hs t o i c h i o m e t f yo f1 ：1 a p p a r e n t f o r m a t i o nc o n s t a n tw a se s t i m a t e dt ob e3 1 mx1 0 4m o l l - 1 as p e c i a lc o n f i g u r a t i o no ft h e c o m p l e x h a sb e e np r o p o s e db a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dm o l e c u l a rd i m e n s i o n s 。 c h a p t e r3 ：i n c l u s i o no rb c dw i t hp lw a ss t u d i e db ys u r f a c et e n s i o n ，c l o u dp o i n t , c o l o r r e a c t i o na n d1 珏n m rm e a s u r e m e n t s 。i tw a se s t a b l i s h e dt h a ti n c l u s i o no fb - c dw i t hp l a f f o r d ss u p r a m o t e c u l a rc o m p l e x e sw i t ht h es t o i c h i o m e t r yo f2 ：1a n d3 ：1i na q u e o u ss o l u t i o n i n c l u s i o nc o m p l e xw i t ht h es t o i c h i o m e t r yo f2 ：1a r i s e sf r o mt h ei n c o r p o r a t i o no fl a u r y lg r o u p o fp l i n t ot h ec a v i t yo f6 - c d ，w h e r e a si n c l u s i o nc o m p l e xw i t ht h e s t o i c h i o m e t r yo f3 ：1a r i s e s f r o mt h ei n c o r p o r a t i o no fp o l y o x y e t h y l e n eg r o u po fp li n t ot h ec a v i t yo f6 - c d as p e c i a l c o n f l g u m f i o no ft h ec o m p l e xh a sb e e np r o p o s e db a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dm o l e c u l a r s i z e s c h a p t e r4 ：t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r ao fa n si nv a r i o u ss o l v e n t sa n dc y c l o d e x t r i n sw e r e 硕士研究生：孙延毒专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：牲新贞教授 4 西北师范大学硕士学位论文 s t u d i e dmd e t a i l 。i tw a so b v i o u s l ys h o w n 山a tt h ea n se m i t t e dd u a lf l u o r e s c e n c e t h ee f f e c t s o fs o l v e n t sp o l a ra n dh y d r o g e nb o n d st of l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e so fa n sh a db e e ns t u d i e di n d i f f e r e n ts o l v e n t s i tw a sf o u n dt h a tf l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fa n sc a nb ee n h a n c e di n b - c y c l o d e x t r i na n di t sd e r i v a t i v e s t h es t o i c h i o m e t r yo fs u p r a m o l e c u l a rc o m p l e x e sf o r m e di s 1 ：1f o rb - c y c l o d e x t r i na n di t sd e r i v a t i v e sw i t ha n s t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h es u b s t i t u e n to n t h ec y c l o d e x t r i nd e r i v a t i v e s c h a n g e si t so r i g i n a lb i n d i n ga b i l i t y a tt h es a m et i m e ，t h e i n f l u o r e s c e n c ea n dm e c h a m i s mo fp ha n ds u r f a c t a n tt ot h es y s t e mo fa n s c d sw e r e d i s c u s s e d c h a p t e r5 ：s u p r a m o l e c u l a ri n c l u s i o nc o m p l e x e so fb - c da n di t sd e r i v a t i v e sw i t ht n s w e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r i tw a sf o u n dt h a tf l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo ft n sc a nb ee n h a n c e d i n1 3 - c y c l o d e x t r i na n di t sd e r i v a t i v e s t h er e s u l t ss u g g e s tt h a ti n c l u s i o no f1 3 - c da n di t s d e r i v a t i v e sw i t ht n sa f f o r d ss u p r a m o l e c u l a rc o m p l e x e sw i t ht h es t o i c h i o m e t r yo f1 ：1i n a q u e o u ss o l u t i o n t h ec o m p l e xs t a b i h t yi sd o m i n a t e db yv a nd e rw a i l sa n dh y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n sb e t w e e nh o s ta n dg u e s t a tt h es a m et i m e ，t h ei n f l u o r e s c e n c eo fs u r f a c t a n tt ot h e s y s t e mo f t n s c d sw a sd i s c u s s e d k e y w o r d s ： b - c y c l o d e x t r i n ,s u f f a c t a n t s ， f l u o r e s c e n c e s p e c t r a ,s u p r a m o l e c u l a r i n c l u s i o n c o m p l e x ，a n s ，t n s 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授 5 西北师范大学硕士学位论文 第一章b - 环糊精及其衍生物超分子包合物的研究进展 环糊精分子具有疏水空腔和亲水表面，特殊的非极性疏水空腔使1 3 - c d 能与一些极 性、大小、形状及性质相匹配的客体分子或某些客体分子的疏水性基团发生包结形成稳 定的超分子包合物m ，并改变客体的物理化学性质。1 。b c d 由于其特殊的分子结构和 对某些物质的包结性能，使它在理论研究、化工、农业及医药等领域有着广阔的应用前 景。“1 ，因而受到人们极大的关注。 b 环糊精衍生物与8 - c d 相比具有更好地包合选择性和更高的化学活性。在众多的 环糊精衍生物中甲基一b 一环糊精( m e t h y l 1 3 c y e l o d e x t r i n ，m 一1 3 - c d ) 和羟丙基一b 环糊精 ( h y d r o x y p m p y l - 1 3 一c y c l o d e x t r i n ，l i p b c d ) 是最常用的环糊精衍生物。 分子化学是在共价键的基础上建立起来的，而超分子化学是在非共价键分子间作用 力的基础上建立起来的，其目标是控制分子间价键。该论文主要研究b 环糊精及其衍生 物所形成的超分子包合物。超分子代表了继基本粒子、原子核、原子和分子之后的下一 层次的物质的复杂性。分子间的相互作用形成了各种化学、物理和生物中的高选择性的 识别、变换和易位过程，而这些过程正是在分子匹配的条件下，通过分子间非共价键力 的作用，缔合而成的具有某种特定功能和性质的超分子。对超分子的研究具有重要意义， 因为生物机体的许多复杂结构及其变化都离不开这种弱相互作用，例如底物与蛋白质的 作用，酶的催化过程，遗传密码的复制、翻译、转录以及抗体与抗原的缔合作用等1 5 1 。 i i 环糊精基本结构特征 1 8 9 1 年v i l l i e r s 发现了环糊精，1 2 年后s c h a r d i n g e r 用分离的菌株消化淀粉得到两种 晶体化合物，分别称之为a c d 和8 c d 。为了纪念他对建立环糊精化学基础的贡献，环 糊精也曾叫s c h a r d i n g e r ( 沙丁格) 糊精，继s c h a r d i n g e r 之后在环糊精化学领域研究中 起领导作用的是p f i n g s h e i m ，他发现这种结晶性环糊精和它的乙酰化产物能结合各种有 机化合物形成复合体( c o m p l e x ) 。 环糊精( c y c l o d e x t f i n ，c d ) 是由环糊精葡萄糖基转移酶( c g t ) 作用于淀粉所产生的 一组以1 ，4 糖苷键结合的环状低聚葡萄糖。c 2 和c 3 的仲羟基分别以顺时针、逆时针 方向排列在空腔的大口端，c 6 上的伯羟基则位于空腔的小口端，空腔内侧糖苷键上的 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授9 西北师范大学硕士学位论文 氧原子处于c - h 键的屏蔽之下，因此环糊精是外部相对亲水，内部相对疏水的手性分子 1 6 1 。位于环糊精窄e l 端指向环外面的伯羟基称为第一面羟基：位于环糊精宽口端的仲羟 表1 m ，6 ，y - 环糊精的一些物理参数和性质聊 t a b l e1p r o p e r t ya n dp a r a m e t e r sf o ra 一，b - ，t - c y e l o d e x t r i n 基称为第二面羟基。第二面羟基具有j | 匾时针和逆时针两种指向，这种结构能在手性化合 物的识别上起作用。常见的环糊精有a 。c d 、6 c d 、y - c d ，它们分别由6 个，7 个或8 个d 毗喃葡萄糖单元组成。环糊精像淀粉一样，可以储存多年不变质。环糊精在碱性 溶液乃至强碱性溶液中都是稳定的，但酸可以使环糊精部分水解生成葡萄糖和系列非环 状麦芽糖。环糊精没有一定的熔点，当温度升至- 2 0 0 c 时开始分解。引入修饰基团后能 提高环糊精的热稳定性。环糊精水溶液有旋光性，其水溶液的黏度稍高于水的黏度。表 1 列出了a ，1 3 一，y c d 的一些物理参数和性质。 由于疏水区域及催化活性有限，环糊精在应用上受到一定限制，化学修饰可以很好 的弥补环糊精本身的不足，由此得到的环糊精衍生物具有更好的包合选择性和更高的化 学活性。所谓修饰就是将环糊精的一级或二级羟基( o h ) 中的一个或两个甚至全部， 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授 1 0 西北师范大学硕士学位论文 通过化学反应生成醚基或酯基等，或进一步转化成其它官能团【8 1 。在众多的环糊精衍生 物中m b c d 和h p b c d 被认为是最常用的环糊精衍生物之一。m 一1 3 c d 是1 3 - c d 羟基 的氢原子被甲基取代的产物。h i p c d 是p c d 与1 ，2 环氧丙烷缩合而成的亲水性衍生 物，通过对6 一c d 的羟丙基化，破坏其分子内氢键，使其水溶性显著提高。 图11 3 一环糊精分子结构 f i g 1c h e m i c a ls t r u c t u r eo f b - c y c l o d e x t f i n 1 2 表面活性剂的结构特征及分类 1 2 1 表面活性剂的结构特征 表面活性剂一词来自英文s u r f a c t a n t ，它实际上是短语s u r f a c ea c t i v ea g e n t 的缩合词。 表面活性剂分子可分为两部分，一部分是亲油的非极性基团，又叫疏水基( h y d r o p h o b i c 图2 表面活性剂分子结构 f i g 2c h e m i c a ls t r u c t u r eo fs u r f a c t a n t 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授 1 1 西北师范大学硕士学位论文 g r o u p ) 或亲油基；另一部分是亲水的极性基团，叫做亲水基( h y d r o p h i l i cg r o u p ) 。它在 结构上的特点是同时具有亲水性的极性基团和疏水性的非极性基团，因此表面活性剂分 子具有两亲性质，被称为两亲分子( a m p h i l e ) 叽表面活性剂活跃在表面和界面上，具 有极高的降低表面、界面张力的能力，改变体系界面状态，从而产生润湿及反润湿、乳 化或破乳、起泡或消泡以及加溶等一系列作用。表面活性剂是一类有机化合物，它们的 性质都极具特色，应用极为广泛、灵活，具有很大的实有价值和理论意义。 1 2 2 表面活性剂的分类 表面活性剂有多种分类方法，分类依据也多种多样，但通常以亲水基团的结构作为 分类依据。按亲水基是否带电荷，表面活性剂分为离子型和非离子型两大类。离子型表 面活性剂在水中能电离出带电荷的活性基团；非离子表面活性剂在水中不电离，呈电中 表2 表面活性剂的分类及举例 f i g 2c l a s s i f i e sa n de x a m p l e so fs u r f a c t a n t 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授 西北师范大学硕士学位论文 性，其亲水基主要是由具有一定数日的含氧基团( 一般为醚基和羟基) 构成。根据离子 型表面活性剂在水中所带电荷的正负性，又可以将其分成阴离子表面活性剂、阳离子表 面活性剂和两性表面活性剂【1 0 l 。表2 给出了表面活性剂的分类及举例。表中的r 基团通 常是含有c 5 - - c 2 0 的烃基，可为直链或支链的烷基，也可为烯烃基、环烃基、芳香烃基。 碳链越长则疏水性越强，带支链脂肪烃基的疏水性最强。对于非离子型表面活性剂，则 以聚氧乙烯链为亲水基，此链越长则亲水性越强。一个表面活性剂的性质可以粗略地用 其亲水基团的数量、疏水基团的数量以及它们的数量之比来判断。 1 3 环糊精超分子包合物概论 1 3 1 超分子化学 超分子化学可定义为“分子之外的化学”，是关于两个或两个以上的化学物种通过分 子间作用力缔合在一起而形成的具有高度复杂性的有组织实体f 1 “。超分子化合物中的组 分被命名为受体和底物，其中底物通常指被结合的较小组分。分子受体定义为：通过共 价键结合的有机结构，这种结构有能力通过分子问各种相互作用力选择性地结合离子或 分子底物( 或两者同时发生) ，从而形成两个或更多物种有序体，即超分子。下图表示 了由共价键所形成的分子化合物通过化学反应合成受体，受体与底物选择性的络合形成 超分子，超分子进一步通过识别、交换、易位又可形成超分子器件的过程。 b 1 3 2 环糊精超分子包合物 环糊精特殊结构呈现的第一个性质就是在水溶液中选择性地结合有机小分子或离 子，形成具有不同程度稳定性的包结物( i n c l u s i o nc o m p o u n d ) 或称复合体( c o m p l e x ) 。在研 究这些包结物的生成规律和环糊精与这些被结合物问的相互作用时，分别称它们为主体 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授 嚣j 鄂范大学硕士学锭论文 ( h o s t ，脚和客体( g u e s t ，6 ) 并归于c r a m 的主客体化学研究范畴。环糊精融合物可定义为 一个躐是令具有遥囊大小帮形状熬分子( 客傣) 通过 # 共绘键终矮，蘩分袋全部摇入续 构上凝有空腔的环糊精分子( 主体) 腔内而形成的化合物h 2 1 。 1 3 3 影响包合过程的因素 玮糊精与客髂驹终嗣主要受肉在霞素窥雏鄢条俸酌影喻，淹在霞素取决手环截藉与 客体分子的基本性质，主要有以下三个方面 1 3 - 1 5 l ： 1 主客体之间肖疏水亲脂棚互作用。因环糊糟空腔是疏水性的，客体分子与环糊精 空薤闽豹蕊承鞠互箨麓是形藏惫会物的主要骥动力。客俸分子豹 较幢越嵩，越荔被锻 合。当疏水亲脂的释体分子进入环糊精空腔后，它的疏水基渤与环糊精空胶有最大接触， 而亲水湛则远离空腚。 2 。主客俸德会黧瓣莲嚣效疲。臻辫藕空黢狡径大夺不麓，宅餐霉遥舞瞧缝容绫落积 与空胶匹配的客体分子。空腔尺寸太大，不宜谶入空腔中，而尺寸太小又不稳定。因此， 客体的几何形状和大小与环糊精窝腔的匹配程度是能否形成稳定包合物的一大要素。威 姿撂密：髟藏趣台妨舞 要求褥整个窖莽分予送入环赣精窆羧，只要客钵熬部分功旋溺 或取代基能被紧密包合，便能产擞增效作用。麟此，环糊精常常能包合魄它自身还大的 客体。例如：某种水溶性很差的荫机物加到含商环糊精的溶液中后，若发现其溶解度增 大，笈楚形残包会镑豹裁据之一。 3 形成包合物静键力。除上述疏水作用力外，还有客体分子与空腔的范德华力( 甑 括永久偶极一诱导偶极和伦敦色散力) 以及某炊客体分子与环糊精羟基之间的氢键作用。 对于空黢小豹骂猢糖来说，还存大嚣张力豹释羧( 帮环糖精放其有张力的状态趣拴弛状 态遥渡) 等，往往警数种弱键同时作用时，潮肖可能把两个或多个分子缀合，成为所谓 的“谢序化体系”( o r g a n i z e ds y s t e m s ) ，其结合力甚至可与欺价键相当。 上述三因素不缎影确环糊精便合物能否形成，两且还童接影赡着包含物的稳定性， 簿包会物的稳定髓穗取狭予客傣分子基团的瞧膜、空腔尺寸、分子大小及空闻构型等。 a g e n e sb b 【1 6 】等讨论了客体性质、1 3 - c d 取代度对包合物形成的影响，认为包合物的稳 定性依赖于客体分子妁空间匹配性，即客体的尺寸和形状。鼢蝴q ? - 1 5 一c d 包结物的稳 定零数疆c d 褒代发麓蹭大丽减，l 、。取戎形式，舞。& 上麓敬代度懿改变，弼最大程度 地影响着主客体的相互作用。p - c d 与i 广酪氨泼包结时，主客体静电场栩容所形成的包 合体系能量较低，是稳定的超分予化合物，丽d 酪氨酸与6 一c d 形成的包结妨不稳定【1 7 1 。 硕士研究生：孙延舂专业：分析化学方向：荧光分析法 导师；杜新贞教授 1 4 西北师范大学硕士学位论文 另外，包合物的形成还受反应时间、反应温度、搅拌( 或超声震荡) 、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合物的形 成。香料与p c d 包合需室温下搅拌2 h 【1 8 】，而4 ，4 - 连吡啶b c d 包合反应则需8 h 【1 9 】。 包合反应一般应在室温下进行，有的反应则需要在一定温度下进行，如救心丸与b c d 包合物制各。但从机理上分析，升高温度会引起分子运动的加剧，对形成的包合物起 到破坏作用，不利于包合反应的进行，使稳定常数降低。 1 3 4 环糊精作为主体形成的几种常见的超分子结构 如果客体分子的整体或部分处于环糊精的空腔中则属于包合物，如果客体分子躺在 环糊精空穴某一端则属于缔合物。如图3 中( a ) 表示1 ：1 完全包合物，如苯分子被b 环糊 精包合；嘞表示中段部分包合，如偶氮染料分子的n = n 双键被a 或b 环糊精包合：( c ) 表示端基部分包合，如萘分子与a 一环糊精只能形成这种包合物：( d ) 表示2 ：1 主客体包合 物；( e ) 和( f ) 表示1 ：2 包合物及桥连型2 ：2 主客体包合物：( 曲表示一类缔合物，多极性基 团的大环化合物如冠醚、氮杂冠醚与环糊精易形成缔合物【2 1 l 。 1 3 5 环糊精与客体分子结合机理和步骤圈 1 被结合的极性水分子与非极性空腔间的相互作用，以及在大体积水中，极性水分 子与非极性客体分子间的相互作用从能量上讲都是不适宜的。因而自发地被非极性客体 分子与疏水空腔的非极性相互作用与由空腔内释放的水分子与溶液中大体积水之间的 极性相互作用所代替。应当指出，这个过程实现的前提条件是要求客体分子几何形状、 尺寸、极性与c d s 空腔的尺寸和性质匹配。 2 c d s 空腔结合水分子具有的张力，在客体进入时释放。 3 客体分子或其结合位脱去水壳，水结构沿客体分子的暴露部分重新形成并与c d 的水壳一体化。 4 客体分子进入空腔，借范德华力、氢键、偶极相互作用稳定，但自身仍保留移动 和旋转自由度，其速度与分子大小有关。进入的客体分子，其体积与几何形状在空腔内 填充的紧密程度将影响c d s 环的旋转。 5 被客体取代释放出的水分子由“气态”凝结为液态，引起熵、焓的变化，释放的 水分子部分地补偿了由于c d s 与客体分子结合引起的熵减小。 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授 西北师范大学硕士学位论文 ( d ) 图3 环糊精形成的超分子结构示意图 f i g 3t h es t r u c t u r eo fs u p r a m o l e c u l a ro fc y c l o d e x t r i n s 1 3 6 环糊精包结物的热力学参数 为了表征包结物的稳定性、包结产物的解离性、包结反应的难易程度，常用的参数 有平衡常数l 弘熵变s o 和焓变出等。包结物的形成常数埒是决定环糊精包结性质的 个重要参数，通过测定埒能对包结平衡作出定量的描述，崎值的大小反映了c d 与客 体分子之间结合力的强弱。稳定常数越大包结物越稳定。另外，埒对温度有依赖性，也 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授1 6 =四眵 n un u 门 、，仕 西北师范大学硕士学位论文 是重要的热力学参数之一。许多包结物的珞随着温的升高而减小。 研究c d 包结物的热动力学，有助于理解主客体之间的几种弱相互作用。包结物形 成过程的热动力学参数a h 、a s 的数据表明，包结物形成时往往伴随着负的焓变，熵变 为负或较小的正值，故包结作用主要来自焓的贡献。c d 包结物的熵焓补偿曲线呈较好 的线性相判忿2 3 0 4 1 。 1 3 7 环糊精包结物的检测手段 1 3 7 1 紫外可见v _ “s ) 吸收光谱法 紫外可见分光光度法是目前广为应用的研究分子识别与结合的方法。前提条件是 主、客体分子结构内至少有一方含发色团，如果两者均无发色团，可借助向体系中添加 有发色团的竞争剂来测定。简单的u v - v i s 光谱测得的是平衡状态下游离主体或客体和 包结物光谱的加合。 c r a m e r 最早发现c d s 能影响有机分子的u v - v i s 光谱，提出这种光谱变化是c d s 空腔内的高电子密度诱导客体分子电子发生移动的结果。诱导光谱变化可归纳为以下两 种类型：1 最大吸收波长没有变化，吸光度随浓度的增加呈规律性的增强或减弱；2 不 仅吸光度发生变化，最大波长也有位移。 1 3 7 2 荧光法 荧光光谱与其它光谱法比较有很高的灵敏度。荧光强度的增强或减弱与荧光基团周 围的环境有关。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。荧光 偏振技术可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。利用环糊精增强有机分子荧光强度和选择性结合的性 质，可用于对环糊精包合体系稳定性的测定，还可设计各种荧光探针和传感器。 1 3 7 3 核磁共振法 d e m a r o 和t h a k k e r 首次将n m r 技术引入c d 包合物研究中。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 中各个原子的变化陋1 。在所有光谱方法中，n m r 对于c d 包结物结构的几何学，客体 在空腔中的方位以及包结物在溶剂中的生成和离解动态都能提供有价值的信息，特别是 对于那些不含发色团和荧光基团体系的分子识别和定性。通过对主客体的化学位移、偶 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授 1 7 嚣北绋范大学硕士学位论文 合常数、迟豫时问变化和n o e 效应分析包结物的结构，常用的是1 hn m r 和1 3 cn m r 诿。联孩静笾学控移黠c d 惫缝褥蔫茏为敏感，为客薅分予凌c d 孛包绥缒供最壹羧鹣 证据，也是n m r 中灵敏度最高的原子核。1 hn m r 技术可推测环糊精与客体分子的觎 结方式。当具有芳环的客体分予深入地包结在c d 的分子空腔内时，由予芳环的“环电 滚效藏”，霞于空黢逡壁熬h - 3 鞠辩一5 嚣子戆镶号移逡裹汤，蠢位予努予象整卦懿h - 1 、 h 一2 、h 一4 原予的化学位移不受影响。”cn m r 谱1 2 7 ，2 8 l 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诞据，化学位移变化主要是由环糊精分子空腔内的电环 境终鞠雩| 起夔。照终1 警n m r 、1 5 n n m r 、3 1 p n m r 蔹寒瞧蹩魄较豢弱戆芋段。在吴髂 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，对于有芳 香环的化合物可用1 hn m r 技术，而对于不含有芳香环的化台物则可用憾c n m r 。 1 1 3 。7 4 爨二色谱法 嘲二色谱是研究舆有光学活性纯台物结构静有效方法。茵二色谱是一种钟形益线， 当两个生色团的电予矢量跃迁偶檄距构成顺时针螺旋为正手性，第一c o t t o n 效应为正， 反之为受手牲。圆= 色谱有良好的分辨率，一个简单的圆二魏谱可以用最大振幅，即a 8 静符鼍翔谱带宽度袭征。 环糊精存在蓿不对称场，会对非手性客体分子诱导出圆二色性。客体分子处于环糊 精腔睁会产生“c o t t o n 效应”，鼠诱导c o t t o n 效应的符号及强度对客钵分子豹取向及刚 健j 鬻敏感，逶予磷究环赣精与客俸分子静包绪方式。在总结大量实验斡基础上k a j t a r 和s z e j t l i 根据偶合搬动子( c 0 u p l e do s i l l a t o r ) 理论提出一个模溅，用简单的扇形规则( s e c t o r r u l e r ) t z 9 】分析c d s 觎结芳香分子诱导的圆二色性，判断空腔内客体分子的取向和电跃疆 援毒 二掺羯。翔莱莠辫客钵分子豹窀获迂矩蘩入经怒豹镶髂内，将诱零滋静瑟二色戆 ( 删) ，落在锥体外则诱导负的阐二色性。通谶研究c d s 诱导圆二色性的形状和信号妁 包结结构的关系，归纳出三个一般性的规律1 非手性芳褥碳氢化合物被c d s 包结诱 导囊必学活经，龚弱二色谱最大波长与蔽渡蠢港孛装大毅毂波长一蘩。2 。翔采芳香碳氛 化合物电跃迁方向溅知，且落在c d s 空腔的假想锥体内，则诱导出正的c o t t o n 效应， 反之将得到负的c o t t o n 效应。3 遥宜的紧密包结将增强e 信号强度，松弛的填充常常风 产生攀售号c o t t o n 效应，c d s 边缘静掺镶对凌是肉骏空窝秘驳分子包结浚态下嚣拿发魏 团阊夹角有重要影响。 1 3 7 5x - 射线衍射滋 熬射线翅射法怒测定魏蒺鑫钵结棱变豫酌抉嚣筵渡熬熏溪手段。可以获褥基瞧参数 硕士研究生：孙延眷专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授1 8 嚣j e 邪范大学硕士学位论文 等信息。结晶态的包含物不同予圈体包合物，被包合分子不仅包在腔内有的还被夹带予 包会褥分子闰茨空羧孛。各静燕髂秘震在秘鞠瓣角度憝其鸯不目豹磊瑟润距，簸嚣豢示 不同的衍射峰，其x 一射线衍射图都是独一无二的。c d 包合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。撩定衍射图样是根据各谱线的位置及其糊 鼹强凌，氆臻b r a g g 方程，由毫酝波长蓊麓源耱瘊测褥豹懿浚诗篓塞鑫溪瓣蓬。 1 3 7 6 热分析法 热分析法包括麓示热分析法和差示扫描鬣热法。差示热分析是在程序控制温度下， 涎量竣撵与参魄镌之温差睫漫整褥变证我一矜技本，试撵发耋芝某些壤联躐纯学变跑对烽 放热或吸热，使试样温度暂时升商或降低，d t a 曲线上便产生放热蜂或吸热峰，测定客 体分子、环糊精、包合物、混合物各自的d t a 曲线，由d t a 曲线上的吸收峰及温差淡 亿可艇示包合物是黉生成。差示担撼量热法怒捂在程序控巷l 瀑褰下，测爨竣入至l 参毙物 和样懿的能量随游麓变化的一种分析方法。窝院d t a 反殿炭敏，重现憔好，分辨率黼 而且拔准确。 1 4 环粞精超分予毯合物舔究迸展 环糊精分子的独特结构及荚多静可行豹掰熊他，可以使入们根据不网的目的来设诗 其舂特殊结梅和齑魔选择往的主体分子，在荧光分析、药物控靠l 释放、手往识剐、模攒 酶、分子开关、趣分子构筑等方颐发挥极大的作用。目前，对环糊精超分子化学的研究， 除了水断合成新的环糨精衍生物并研究它们_ 帮密体分子阀的楣互作用外，利用环糊精构 造超分子器终黪掰楚“蓉鼹镬：越分子”、环凝精模掇酶、环糊精帮其它主体分子鲡冠醚、 杯芳烃识别客体分子的协同作用等方面的研究都取得了新的进展【3 0 l 。下黼将介绍有关环 糊精怒分子化学研究的新进展。 1 4 1 环襁精及其分子识掰 环糊精作为环状主体分予，对客体识别主要有两种方式i 射1 ：一种是“内识别” ( e n d o - r e c o g n i t i o n ) ，圣# 媛力主要鸯葱穗华为、筑承终强力、毡教力等；舅穆是“终识 剐”偿x o e c o g n i t i o n ) ，作用力主簧是氢键力。相应于两种识别方式，c d 与客体形成两 种超分子：包络物和表面作用产物，其结构炎型有二种：a 麓型，c d 分子非同轴排列， 被镪禽熬客搏分予兖塞予c d 黢蠹；b 。管邋型，c d 分予沿辘匀撼歹g ，空整形成大约 硕士研究生：孙延春专业：分析化学方向：荧光分析法 导师：杜新贞教授1 9 西北师范大学硕士学位论文 0 5 加8 r i m 的隧道，客体分子寄宿于隧道内。 1 4 1 1 天然环糊精的分子识别 环糊精的空腔由于边缘问的氢键网络作用具有一定的刚性，因此，客体分子与空腔 间的尺寸匹配在决定主客体间所形成配合物的稳定性中起着重要作用。一般说来，a c d 的空腔尺寸适于包合单环芳烃( 苯、苯酚等) ：b - c d 的空腔尺寸与萘环的尺寸相匹配：t c d 与葸、菲等三环芳烃结合最稳定f 3 2 】。 1 4 1 2 拥有电荷中心环糊精的分子识别 拥有电荷中心的化学修饰环糊精由于取代基团可以与合适客体分子产生库仑相互 作用，使主客体间在范得华力和疏水相互作用的基础上增加新的识别点，而在特定情况 下这种静电引力可以上升为包合形成的主要驱动力，从而产生特殊的分子识别效果【3 3 】。 a 一和b - c d 在强碱性条件下可以与二价铜离子配位，得到一种深蓝色晶体，m a t s u i 等推 测此晶体是铜离子与环糊精通过常规化学键形成的双核配合物。刘育p 4 】采用紫外光谱滴 定法测定了a 一和b - c d 双核铜配合物对色氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸和组氨酸的包合配位 作用，结果表明b - c d 在强碱条件下丧失了对氨基酸的包合配位能力，然而其双核铜配 合物却给出了很强的分子间键合能力( k = 2 4 x 1 0 4 ，1 1 x l o s l m o l 。1 ) 。这表明尽管在强碱性 条件下环糊精丧失了对客体分子的疏水相互作用，但铜电荷中心的引入可以对氨基酸阴 离子产生静电相互作用，从而增加了配合物的稳定性。主客体问的静电相互作用增强配 合物的稳定性在分子识别中具有重要意义。c h o 等【拈l 用磷酰基b - c d 模拟了生物体系中 磷酰基转移效应，带负电荷的磷酰基8 一环糊精与带正电荷的芳香客体分子通过磷酸阳 离子桥形成稳定的超分子配合物，如果环糊精上的磷酸基团被磷酸酶水解催化离去，则 主客体分子的键合能力下降，在某种条件下将客体分子从空腔中释放出来。 1 4 1 3 环糊精与冠醚、杯芳烃对客体分子的协同识别 超分子作用是多个作用点多种力协同的结果，不同的主体分子识别客体各有特点， 但也存在作用力受限制的缺点。傅若农等1 3 6 】和余晓冬等【3 7 】发现在气相色谱中，环糊精和 冠醚、环糊精和杯芳烃的混合固定相在芳香异构体的分离时存在协同识别作用，使得它 们对异构体的选择性得到改善。w i l l n e r 等【3 8 】在1 3 - c d 上引入单个冠醚，对于底物的缔合 常数明显大于未修饰的1 3 - c d 。r e i n h o u d t 等【3 9 恰成了水溶性杯芳烃环糊精荧光受体， 环糊精单元和杯芳烃单元与阿托品、薄荷醇等客体分子的相互作用使得荧光基团更加暴 露于水中从而增加了荧光猝