張來新，趙衛(wèi)星

（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013）

綜述

蓬勃發(fā)展的環(huán)糊精化學(xué)*

張來新*，趙衛(wèi)星

（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013）

簡要介紹了環(huán)糊精化學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展、應(yīng)用及結(jié)構(gòu)特征；重點討論了：（1）超分子大環(huán)主體化合物環(huán)糊精的自組裝及應(yīng)用；（2）環(huán)糊精自組裝在醫(yī)藥學(xué)方面的應(yīng)用；（3）環(huán)糊精模擬酶及其選擇性識別作用。并對環(huán)糊精化學(xué)的發(fā)展進行了展望。

環(huán)糊精；自組裝；應(yīng)用

環(huán)糊精（CD）一般是由6,7或8個等單位D-吡喃葡萄糖通過α-1，4糖苷結(jié)合而成的結(jié)構(gòu)形似圓筒的環(huán)狀低聚糖。根據(jù)所含葡萄糖單位的個數(shù)（6，7或8...）分別稱為α-、β-或γ-環(huán)糊精（α-、β-或γ-CD）。與冠醚相似，環(huán)尺寸不同大小的環(huán)糊精可以包合不同大小的分子。環(huán)糊精由于具有疏水的內(nèi)壁空腔和親水性的外壁，使其能夠鍵合各種有機、無機和生物分子,形成主-客體包結(jié)配合物，因此，被廣泛用作超分子體系的受體[1]。天然環(huán)糊精自身作為超分子受體，其鍵合能力存在一定的局限性，而環(huán)糊精被各種修飾基團修飾后的衍生物問世以來，作為合成受體在科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域如藥物載體、分離物質(zhì)、模擬酶、光化學(xué)傳感等方面均得到廣泛的應(yīng)用。其中環(huán)糊精的超分子自組裝作為構(gòu)建分子機器、藥物載體、手性識別、分子催化、酶模擬等領(lǐng)域越來越受到人們的重視[2]。不僅如此，環(huán)糊精在二十一世紀的熱門學(xué)科如環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域也彰顯出巨大的應(yīng)用潛力。同時在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防及醫(yī)藥學(xué)方面也凸現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

1 超分子大環(huán)主體化合物環(huán)糊精的自組裝及其應(yīng)用

1.1 環(huán)糊精自組裝的超分子導(dǎo)電材料的形成及應(yīng)用

導(dǎo)電高分子材料具有重量輕、易成型、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點，在航空航天、抗靜電材料、吸波材料、電磁屏蔽材料以及傳感器等領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用前景，是一類新興優(yōu)良的基礎(chǔ)有機功能材料。但是，與其它高分子材料一樣，導(dǎo)電高分子材料在使用過程中，在光、熱、機械力等環(huán)境因素作用下，容易產(chǎn)生局部損傷或微裂紋，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)損壞失效。受生物體自愈合機制啟發(fā)，近年來，具有自愈合功能的材料研究成為科研工作者關(guān)注的重點。為此，四川大學(xué)的張大麗等人利用表面接枝環(huán)糊精的碳納米管與含有客體基團的有機材料進行復(fù)合組裝，成功制備了兩種具有自愈合功能的超分子導(dǎo)電材料。他們的研究表明：通過環(huán)糊精與客體基團之間的主客體識別，碳納米管與有機分子間形成了交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其材料表現(xiàn)出良好的機械性能。并且，由于碳碳納米管密集堆積形成導(dǎo)電通路，此超分子材料也表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性能。電導(dǎo)率最高可達10s·cm-1。由于環(huán)糊精與客體基團的非共價鍵相互作用力較弱，材料在損傷時，斷面處存在大量游離的主客體基團，二者重新相互作用形成主客體識別導(dǎo)致材料自愈合。自愈合后材料的機械性能和導(dǎo)電性能恢復(fù)90%以上[3]。該研究在材料科學(xué)、信息科學(xué)、航空航天及醫(yī)藥學(xué)中將得到廣泛應(yīng)用。

1.2 環(huán)糊精二維雜化自組裝：手性轉(zhuǎn)移與手性放大

環(huán)糊精作為一類典型的超分子主體分子的最突出的結(jié)構(gòu)特性是其疏水空腔和內(nèi)手性。在超分子組裝過程中同時利用主客體識別和手性微環(huán)境，是發(fā)展新的以環(huán)糊精為構(gòu)筑基元的多組分功能超分子組裝體的熱點之一[4]。為此，吉林大學(xué)的岳亮等人利用含有識別客體基團的無機復(fù)合金屬氧族與環(huán)糊精之間的主客體識別作用，同時利用多金屬氧族的多電荷產(chǎn)生的靜電相互作用，將這類無機多陰離子與環(huán)糊精進行共組裝，不僅成功的實現(xiàn)了雜化組裝，而且得到了一類新穎的二維交聯(lián)型環(huán)糊精組裝結(jié)構(gòu)。雖然采用了不同的識別組裝路徑，但都可以形成有機-無機雜化超分子聚輪烷結(jié)構(gòu)。更為巧妙地是，選擇合適的主客體識別方式，可以將環(huán)糊精的內(nèi)手性轉(zhuǎn)移到識別客體，并傳遞到整個組裝體中，形成單一螺旋扭曲方向的手性組裝體。從連接方式上，這種交聯(lián)型超分子聚輪烷也代表了一類新型的超分子聚合物。通過多種相互作用相協(xié)同，能夠?qū)崿F(xiàn)無機多陰離子簇與環(huán)糊精的超分子交聯(lián)。共價作用和靜電作用的結(jié)合使得主客體識別不僅作為結(jié)合力存在于組裝體中，也能把識別所產(chǎn)生的誘導(dǎo)手性放大到二維自組裝結(jié)構(gòu)中。此外，通過對識別作用的調(diào)控，可以實現(xiàn)對手性轉(zhuǎn)移的可逆調(diào)控[5]。該研究將在信息科學(xué)、材料學(xué)科及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

1.3 兩親分子與環(huán)糊精體系的尺度自組裝

近年來，表面活性劑等兩親分子環(huán)糊精相互作用的相關(guān)研究已普遍展開，隨著人們對這兩大類體系認識的逐漸深入，人們逐漸了解了表面活性劑/環(huán)糊精體系相互作用的基本特點，普遍認為表面活性劑的疏水尾鏈會因主客體體系作用被環(huán)糊精的空腔包結(jié)，進而由于二者形成的主客體復(fù)合物不在具有較強的疏水效應(yīng)而難以形成聚集體。因此，在傳統(tǒng)認識中，對環(huán)糊精可以形成有序微納米結(jié)構(gòu)的表面活性劑體系而言，是一個強力的有序結(jié)構(gòu)破壞劑，其可造成體系中聚集結(jié)構(gòu)的解體。為此，北京大學(xué)的蔣凌翔等人經(jīng)過探索研究發(fā)現(xiàn)，在環(huán)糊精和表面活性劑混合體系的中高濃度區(qū)，相關(guān)體系中可形成囊泡、層狀結(jié)構(gòu)、剛性微納米管等豐富的自組裝結(jié)構(gòu)。他們在傳統(tǒng)的環(huán)糊精與表面活性劑體系的研究中發(fā)現(xiàn)了非兩親自組裝的新現(xiàn)象，并進而開展了與無機納米粒子的復(fù)合組裝。利用環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)特點實現(xiàn)了多種自組裝結(jié)構(gòu)的酶促發(fā)調(diào)控。開發(fā)了環(huán)糊精作為兩親分子自組裝結(jié)構(gòu)破壞劑外的結(jié)構(gòu)促進劑、電荷緩沖劑等新特點，從而為環(huán)糊精與兩親分子的尺度組裝研究提供了新的科學(xué)認識[6]。

2 環(huán)糊精自組裝在醫(yī)藥學(xué)方面的應(yīng)用

2.1 甲基-β-環(huán)糊精/CTAB協(xié)同增敏熒光法測定醋酸阿比特龍酯

醋酸阿比特龍酯（ART）是一種口服有效地CY17酶不可逆抑制劑。抑制這種酶可以切斷腫瘤的雄性激素的“燃燒供給”，從而發(fā)揮其殺滅前列腺癌細胞的作用。目前報道的測定ART的方法為LC-MS法，該方法涉及的儀器較貴，操作也比較復(fù)雜。研究表明，超分子化合物（表面活性劑、環(huán)糊精、杯芳烴等）對光譜分析具有增敏作用。熒光光譜法具有靈敏度高、選擇性好、分析速度快等特點，在藥物分析中有著重要的地位。為此，揚州大學(xué)的任秋奕等人利用β-環(huán)糊精與CTAB微乳液協(xié)同增敏熒光法對醋酸阿比特龍酯的熒光具有強烈的增敏作用，提出了分析醋酸阿比特龍酯的新方法，并對實驗條件進行了優(yōu)化，通過測定包合常數(shù)和熒光量子產(chǎn)率，初步探討了體系增敏作用的機理[7]。該法用于樣品中ART的測定，效果優(yōu)良。

2.2 環(huán)糊精自組裝的刺激響應(yīng)納米聚集體在醫(yī)藥學(xué)上的應(yīng)用

近年來，科學(xué)家利用環(huán)糊精與客體分子的響應(yīng)性自組裝包合作用，構(gòu)筑了多種響應(yīng)材料，如響應(yīng)性膠束、凝膠、囊泡及樹枝狀聚集體等，并將該系列納米聚集體應(yīng)用到生物醫(yī)藥及仿生材料。為此，四川大學(xué)的李幫經(jīng)等人利用環(huán)糊精修飾的金納米和客體分子修飾的聚合物，得到了一類新穎的具有優(yōu)異生物相容性的聚乙二醇（PEG）和聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）同時修飾的納米囊泡，該囊泡可以首先將藥物運送至癌癥位點后，通過簡單的冰敷降溫或冷凍探針方法控制釋放DOX和AuNP/Dox，然后AuNP/Dox被癌細胞攝入并發(fā)揮類似“集束炸彈”的治療效果。實驗表明，通過對溫度或氧化劑的調(diào)控和加入可以實現(xiàn)包封了抗癌藥物的大分子膠束的形成與瓦解，以便用來進行藥物的可控釋放[8]。結(jié)果表明，通過環(huán)糊精自組裝制備的納米聚集體具有良好的生物相容性能，而且制備方法簡單、高效，在生物醫(yī)用材料、仿生材料、傳感及催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 原人參三醇/修飾環(huán)糊精超分子配合物的合成及應(yīng)用

20（S）-原人參三醇（PPT）是人參、三七、西洋參和絞股藍等藥用植物中皂苷類物質(zhì)的主要苷元。PPT在血液系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和抗腫瘤方面與三七皂苷具有相同的生理活性。PPT可以顯著地抑制多種腫瘤細胞的增殖與生長，是一種有應(yīng)用前景的癌細胞分化誘導(dǎo)劑。但由于PPT的水溶性差、生物利用度低等不足，云南師范大學(xué)的李進等人研究和解決了修飾β-環(huán)糊精與PPT自組裝的超分子配合物的水溶性問題，他們通過混合溶液攪拌法制備了HP-β-CD（1）、SBE-β-CD（2）和DM-β-CD（3）與PPT的超分子配合物，其水溶性研究表明，其（1）、（2）和（3）式的超分子配合物相比較于PPT其水溶性分別增大1357、670和725倍，其增溶效果顯著[9]。該研究將通過增加其水溶性，提高了藥用生物醫(yī)學(xué)利用度，極大地提高了治療癌癥的藥理效能。

3 環(huán)糊精模擬酶及其選擇性識別作用

3.1 環(huán)糊精兩親體系模擬酶的選擇性識別催化作用

分子聚集體，特別是由兩親分子構(gòu)成的聚集體在生命體內(nèi)廣泛存在并發(fā)揮著重要的作用。因此，多種具有生物催化活性及生物響應(yīng)性的分子聚集體被設(shè)計合成出來。其中，由于環(huán)糊精的兩親分子聚集體擁有獨特的優(yōu)點：環(huán)糊精具有疏水空腔可以識別并結(jié)合作為反應(yīng)底物的分子；同時環(huán)糊精上的羥基可以進一步修飾得到具有多種催化反應(yīng)功能的、具有活性的人工酶。在此基礎(chǔ)上，兩親分子的引入能將分散的小分子模擬酶進行誘導(dǎo)組裝、在局部形成與天然酶類似的多反應(yīng)位點。為此，南開大學(xué)的胡平等人利用修飾有二乙烯三胺與雙吡啶甲基氨基的環(huán)糊精金屬離子配合物與表面活性劑如十二烷基苯磺酸鈉進行組裝，并在此基礎(chǔ)上研究了該類體系對乙酸對硝基苯酯（NA）的羧酸酯鍵和雙（對硝基苯基）磷酸酯（BNPP）的磷酸二酯鍵的催化水解能力。實驗結(jié)果表明，在加入表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉之后，二乙烯三胺環(huán)糊精與雙吡啶甲基氨基環(huán)糊精水解NA的反應(yīng)速率分別提高2.4倍和7.2倍[10]。該研究在分子識別和分子催化方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 兩性離子環(huán)糊精衍生物的合成及其對膽酸分子的識別

可水解的陽離子型兩性離子酯類化合物通過隱藏部分電荷，可以達到殺菌、凝聚基團、或改變其溶解度的特定目的。它們可以通過水解逐漸改變其電性轉(zhuǎn)化為環(huán)保和生物相容性的兩性離子化合物。由于其獨特的性質(zhì)，這些材料被廣泛應(yīng)用于環(huán)?？咕苛虾透咝У幕騻鬟f載體。另一方面β-環(huán)糊精由于易于制備、價格低廉、水溶性良好，低毒性并且其疏水空腔可以包結(jié)各種無機和有機分子離子，在水溶液和固態(tài)時對各種客體的大小和形狀都具有高的選擇性，因此，在離子分子的識別方面將得到廣泛應(yīng)用。為此，南開大學(xué)的陳麗霞等人設(shè)計并成功合成了兩性離子型環(huán)糊精衍生物，且通過酯基的水解來調(diào)控對離子的識別能力。通過實驗進一步表征了可水解的環(huán)糊精類兩性離子酯在不同pH值范圍的存在形式，并優(yōu)化了其水解的pH條件[11]。同時研究了兩性離子型環(huán)糊精衍生物水解前后對膽酸分子的識別行為及鍵合模式。該研究將在催化科學(xué)、分析分離科學(xué)及生命科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

綜上所述，環(huán)糊精是迄今所發(fā)現(xiàn)的類似于酶的理想主客體分子，并且其本身就有酶的特性。因此在催化、分離、食品以及藥物等領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。工業(yè)上，不少染料都是以環(huán)糊精作基體；而不少有醫(yī)療功效的藥用植物，如蘆薈都含有環(huán)糊精復(fù)合物。總而言之，環(huán)糊精在醫(yī)藥業(yè)、分析分離科學(xué)、日用化工、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用難以盡舉。如農(nóng)業(yè)上用改性環(huán)糊精浸種可改變作物生長特性和提高產(chǎn)量；不溶性環(huán)糊精可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和廢水處理。特別值得提出的是其作為酶模型以及自組裝與分子識別的主體將對科學(xué)發(fā)展、人類文明進步有著不可估量的發(fā)展和應(yīng)用前景。

［1］Harada A,Li J,Karmachi M.Preparation and Characterization of a PolyrotaxaneConsistingofMonodisperse Poly（ethylene glycol）and. alpha.-Cyclodextrin［sJ］.J.Am.Chem.Soc.,1994,116（8）:3192-3196.

［2］Liu Y,Yu H M,Chen Y,ZhaoYL.Synthesis ofBridged and Metallobridged Bis（β-cyclodextrin）s Containing Fluorescent Oxamidobisbenzoyl Linkers and Their Selective Binding towards Bile Salts［J］.Chem.Eur.J.,2006,12（14）:3858-3868.

［3］張大麗,郭坤,張晟,等.基于環(huán)糊精自組裝的超分子導(dǎo)電材料［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月:17-18.

［4］DongShengyi,ZhengBo,WangFeng,HuangFeihe.Supramolecular Polymers Constructed fromMacrocycle-Based Host-Guest MolecularRecognitionMotifs［J］.Acc.Chem.Res.2014,47（7）:1982-1994.

［5］岳亮,張斌,吳立新.環(huán)糊精二維雜化自組裝:手性轉(zhuǎn)移與手性放大［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月：7-8.

［6］蔣凌翔,閻云,黃建濱.兩親分子與環(huán)糊精體系的多尺度組裝［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延：:延邊大學(xué),2014年8月：10-11.

［7］任秋奕,朱霞石.甲基-環(huán)糊精/CTAB協(xié)同增敏熒光法測定醋酸阿比特龍酯［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集：吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月：81-82.

［8］李幫經(jīng),康澤,李建虎,等.基于環(huán)糊精自組裝的刺激響應(yīng)納米聚集體設(shè)計、制備和應(yīng)用［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月：30-31.

［9］李進,邵大釗,李彥,等.原人參三醇?修飾環(huán)糊精分子配合物的研究［C］.吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月。全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.2014年8月：308-309.

［10］胡平，陳湧，劉育.基于環(huán)糊精兩兩親體系模擬酶的研究［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月：244-245.

［11］陳麗霞，張瀛溟，劉育.兩性離子環(huán)糊精衍生物的合成及其對膽酸分子的識別［C］.全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.2014年8月：238-239.

綜述

Flourishing development in cyclodextrin chemistry*

ZHANG Lai-xin*，ZHAO Wei-xing
（Chemistry&Chemical Engineering Department,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721013，China）

This paper briefly introduces the generation,development,applications,and structure features of cyclodextrin chemistry.Emphases are put on three parts:①self-assembly and applications of supramolecular macrocyclic host cyclodextrin compounds;②applications of self-assembly of cyclodextrin in medicine;③selective recognition of mimetic enzyme of cyclodextrin.Future developments of cyclodextrin chemistry are prospected in the end.

cyclodextrin；self-assembly；application

O624

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tg.20150342

2014-11-23

陜西省植物化學(xué)重點實驗室基金資助項目（09JS066）；陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助課題（04JK147）；寶雞文理學(xué)院自然科學(xué)基金資助課題（zk12014）

張來新（1955-），男，漢族，陜西周至人，寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事大環(huán)化學(xué)研究及天然產(chǎn)物分離提取。