張 穎, 崔 巍, 程慶紅, 周曉婷

(撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系,遼寧撫順113006)

β-環(huán)糊精與克百威包合作用的研究

張 穎, 崔 巍, 程慶紅, 周曉婷

(撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系,遼寧撫順113006)

采用固相共研磨法和飽和水溶液法合成β-環(huán)糊精和克百威的包合物,通過紅外、紫外和熒光光譜對其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了表征;利用紫外光譜研究了不同濃度下β-環(huán)糊精溶液對克百威溶解度的影響,繪制出相溶解曲線圖以確定β-環(huán)糊精和克百威之間形成物質(zhì)的量比為1∶1的包合物。利用克百威的內(nèi)源熒光特性,根據(jù)包合前后以及在不同溫度下熒光強(qiáng)度變化,結(jié)合Stern-Volmer方程,獲取不同溫度下β-環(huán)糊精和克百威之間的結(jié)合常數(shù)Kc;熱動力學(xué)方法研究溫度對包合反應(yīng)的影響,根據(jù)熱力學(xué)參數(shù)得出包合反應(yīng)是自發(fā)熵和焓共同驅(qū)動過程。

β-環(huán)糊精; 克百威; 相溶解度法; 包合物; 光譜分析; 熱力學(xué)

克百威(Carbofuran)是一種氨基甲酸酯類高毒殺蟲劑,具有環(huán)境激素效應(yīng),由于它在水中溶解度小,因而在使用時很容易造成環(huán)境農(nóng)藥殘留問題。如何解決這一問題,是人們關(guān)注的熱點[1]。環(huán)糊精(Cyclodextrin,簡稱CD)是由6個以上D-吡喃葡萄糖單元以α-1,4-糖苷鍵連接而成的筒狀分子,它內(nèi)腔疏水和外端親水的特殊結(jié)構(gòu)使它與許多有機(jī)、無機(jī)物進(jìn)行包合反應(yīng)形成超分子化合物,進(jìn)而改變這些物質(zhì)的性能[2-3]。許多研究人員利用環(huán)糊精這個特點研究醫(yī)用藥物與環(huán)糊精的包合,從而起到改善藥效的作用[4-6]。然而,環(huán)糊精與農(nóng)藥包合的研究相對較少,如果把這種方法應(yīng)用到農(nóng)藥的包合上,可以有效增加農(nóng)藥的水溶性,降低它們在環(huán)境中的殘留。本文在參照藥物與環(huán)糊精包合物制備和表征方法的基礎(chǔ)上,從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā),研究環(huán)糊精-克百威的包合物,考察β-CD對克百威的增溶作用,為增大克百威在環(huán)境中的穩(wěn)定性及提高其生物可利用度提供一定的理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Cary Eclipse熒光分光光度計、Cary 5000紫外可見分光光度計、溫度控制器,美國瓦里安公司生產(chǎn);AVA TAR-330傅立葉變換紅外光譜儀,美國熱電公司生產(chǎn)。

β-環(huán)糊精(β-CD),分析純,北京奧博星生物技術(shù)責(zé)任有限公司;克百威(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98%),沈陽化工研究院提供;標(biāo)準(zhǔn)磷酸鹽緩沖劑(p H=6.8),天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;實驗中所用水均為二次去離子水。

1.2 包合物的合成及表征

按物質(zhì)的量比為1∶1(質(zhì)量比約為1∶5)分別稱取適量克百威和β-CD,將二者混合于研缽中,均勻研磨24 h,即可形成包合物,用紅外光譜進(jìn)行表征。

1.3 紫外光譜測定

精確稱取克百威對照品,用少量乙醇溶解后加入p H=6.8的磷酸鹽緩沖液,使介質(zhì)為體積比為1∶1乙醇-磷酸鹽緩沖體系。配制濃度在1.0×10-5～2.0×10-4mol/L的系列溶液,以試劑空白為參比,在波長275 nm處測定吸光度。以吸光度對濃度進(jìn)行線性回歸,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

配制p H=6.8的磷酸鹽緩沖液,向其中加入不同物質(zhì)的量的β-CD配制成0,3.16×10-3,6.32×10-3,9.48×10-3,12.64×10-3mol/L的β-CD溶液。將過量的克百威粉末加入上述溶液中,超聲30 min,置于恒溫加熱磁力攪拌器攪拌48 h。待溶液達(dá)到平衡,取上清液用0.22μm微孔濾膜過濾,濾液稀釋200倍,在275 nm處測吸光度。

1.4 熒光光譜測定

用溶液-攪拌法制備含有不同濃度β-CD(0.4×10-4～3.0×10-4mol/L)的藥物包合物,藥物濃度均為1.0×10-4mol/L,介質(zhì)為p H=6.8的磷酸鹽緩沖溶液,控制溫度分別為293,303,310,318 K,以λ在224 nm和240～450 nm分別測定不同溫度下的熒光光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 β-CD對克百威的增溶實驗

2.1.1 紫外標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 圖1為β-CD在不同濃度下,克百威飽和溶液的紫外吸收光譜。根據(jù)圖1中不同濃度所對應(yīng)的吸光度值得出以吸光度(A)對濃度(c)的線性回歸方程:A=0.027 90c+0.001 66,r=0.999 9。結(jié)果表明,克百威濃度為1.0×10-5～2.0×10-4mol/L時,濃度和吸光度具有良好的線性關(guān)系。β-CD存在時,克百威吸收強(qiáng)度不受影響,故標(biāo)準(zhǔn)曲線可以用于包合物存在下克百威共存體系的測定[7]。

2.1.2 平衡相溶解度曲線繪制 按外標(biāo)一點法計算藥物濃度,以β-CD濃度為橫坐標(biāo),藥物濃度為縱坐標(biāo),繪制平衡相溶解曲線,結(jié)果見圖2。

Fig.1 UV-spectra of saturated solutions of carbofuran in the presence ofβ-CD圖1 克百威飽和溶液的紫外吸收光譜

Fig.2 Phase solubility curves of carbofuran inβ-CD圖2 克百威在β-環(huán)糊精溶液中的相溶解曲線

由圖2可知,克百威的溶解度隨著β-CD濃度的增大而顯著提高,表明β-CD對克百威有較好的增溶效果。根據(jù)Higuchi T等[8]的分類,相溶解度圖通常分為A型和B型。A型是藥物濃度隨包合材料濃度增大而增加,表觀為增溶作用,可進(jìn)一步分為3個亞型:AL,AP,AN。若包合材料對藥物以物質(zhì)的量比為1∶1進(jìn)行包合,相溶解度圖呈線性增加,為AL,而AP,AN分別為線性增加的正偏差和負(fù)偏差。B型又分為BS,BL兩個亞型,BS為藥物隨包合材料濃度增大先上升,再經(jīng)歷平臺期,最后由于微晶態(tài)包合物沉淀而下降,BL型為藥物隨包合材料物質(zhì)的量濃度增大而起初濃度不變,然后逐漸下降,表明難溶性包合物的形成。圖2中克百威的相溶解度圖呈線性增加,所以為AL型,β-CD對克百威是以物質(zhì)的量比為1∶1進(jìn)行包合。

2.2 熒光光譜分析

2.2.1 包合物結(jié)合常數(shù) 克百威具有內(nèi)源熒光特性,當(dāng)它與β-CD形成包合物以后,克百威分子包入環(huán)糊精的空穴中,分子運動會受到相應(yīng)的限制,而熒光強(qiáng)度有所增強(qiáng)。圖3為293 K時在不同濃度的β-CD溶液中克百威的熒光光譜。從圖3中可以看出,在一定濃度的克百威溶液中,隨著β-CD濃度的增加,熒光強(qiáng)度成增長趨勢。結(jié)合Stern-Volmer方程(1)可求得包合物的穩(wěn)定常數(shù),即

式中,F0和F分別為藥物溶液和包合物溶液的熒光強(qiáng)度;cCD是CD總濃度,mol/L;Kc為包合物的穩(wěn)定常數(shù)。采用熒光光譜法測定4個溫度下β-CD對克百威的熒光增強(qiáng)情況,獲取了包合物的穩(wěn)定常數(shù),結(jié)果見表1。

Fig.3 Fluorescence spectra of carbofuran in the presence ofβ-CD圖3 克百威在不同濃度的β-環(huán)糊精溶液中的熒光光譜

2.2.2 包合作用 環(huán)糊精主、客體分子間包合作用力的主要來源是分子間存在的范德華力、疏水-疏水作用力、氫鍵作用力等,故可以采用熱動力學(xué)的方法來分析包合過程。包合反應(yīng)的形成常數(shù)隨溫度的變化而變化,它是重要的熱力學(xué)參數(shù)之一。在溫度變化范圍不太大時,可以把反應(yīng)焓變看作一個常數(shù),根據(jù)Van’t Hoff方程,由穩(wěn)定常數(shù)求得反應(yīng)的ΔG,ΔH和ΔS,結(jié)果見表1。由表1可知,當(dāng)溫度從293 K升高到318 K時,穩(wěn)定常數(shù)隨著溫度的升高而降低,這說明溫度升高,包合物可能趨于離解,客體分子又從環(huán)糊精腔內(nèi)重新進(jìn)入水相,包合物的穩(wěn)定性降低。ΔH＜0,反應(yīng)為放熱反應(yīng),故隨著溫度的升高,包合過程朝反方向移動。因此,包合反應(yīng)適宜在低溫下進(jìn)行。ΔG＜0說明包合過程在所研究的溫度范圍內(nèi)是一個自發(fā)過程。ΔS＞0說明β-環(huán)糊精與克百威的包合過程是熵控制的包合過程,熵控制也證實了過程中疏水相互作用發(fā)揮著重要的作用[9]。

2.3 紅外光譜分析

圖4為β-CD、克百威、β-CD和克百威混合物及β-CD和克百威包合物的紅外光譜。由圖4可知,克百威上羰基振動吸收峰在1 719.0 cm-1,β-CD和克百威混合物中羰基振動吸收峰沒有移動,而在β-CD-克百威包合物中羰基振動吸收峰向長波數(shù)方向移動到1 729.5 cm-1,而且強(qiáng)度減弱,這是由于在β-CD克百威包合物中形成氫鍵的作用[6]。紅外光譜進(jìn)一步證實包合物的形成。

Fig.4 IR spectra of samples圖4 樣品的紅外光譜

表1 不同溫度下β-環(huán)糊精-克百威包合物的穩(wěn)定常數(shù)和反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)Table 1 The binding constantsand the rmodynamic parameters of the inclusion complex of carbofuran-β-CD

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(Ed.:SGL,Z)

Inclusion Complexes ofβ-Cyclodextrin with Carbofuran

ZHANG Ying,CU IWei,CHENG Qing-hong,ZHOU Xiao-ting
(Department of Chem ical Engineering,Fushun Em p loyee Technique College,Fushun L iaoning113006,P.R.China)

The inclusion compounds of carbofuran withβ-cyclodextrin(β-CD)were prepared by kneading method and aqueous-solution method.The properties of the compound were investigated by FT-IR spectra,UV-vis spectra and Fluorescence spectra.The solubility of carbofuran in aqueous solution increased in the presence ofβ-cyclodextrin due to comp lex using UV-spectrophotometric measurements.The results show that 1∶1 inclusion complexes are formed betweenβ-CD and carbofuran.The intrinsic fluorescence of carbofuran can be enhanced byβ-CD.The binding constants are obtained according to the Stern-Volmer equation.The corresponding thermodynamic parameters ΔH,ΔGand ΔSare calculated.Their values suggested that enthalpy and entropy are the main driving force for the inclusion reaction.

β-Cyclodextrin;Carbofuran;Phase solubility method;Inclusion;Spectral analysis;Thermodynamics

.Tel.:+86-413-7510457;e-mail:zhangying7655585@163.com

TQ316.3;O657.32

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.013

2010-11-08

張穎(1972-),女,山東濰坊市,副教授,碩士。

遼寧省教育廳項目(20060687)。

1006-396X(2011)02-0050-04

Received8November2010;revised28February2011;accepted16M arch2011