張文彬, 趙賀賀

(1.宜春學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院,江西宜春 336000； 2.江西省高校鋰電新能源工程技術(shù)研究中心，江西宜春 336000)

β-環(huán)糊精(β-CD)分子是由7個葡萄糖基連接而成的具有筒狀結(jié)構(gòu)的分子，其內(nèi)部疏水，外部具有親水性能。β-CD可以包絡(luò)有機(jī)、無機(jī)甚至氣體分子等，形成的包絡(luò)物具備特殊結(jié)構(gòu)及特別功能，并廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、環(huán)境、食品、有機(jī)合成及分析等領(lǐng)域[1]。因此，研究環(huán)糊精包絡(luò)物的形成、結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性對這種新材料的應(yīng)用推廣有著重要意義。目前的研究方法主要有熱重法[2]、熒光光譜法[3]、核磁共振法[4]及電化學(xué)方法。其中，電化學(xué)方法因具有簡單易行、重現(xiàn)性好尤受關(guān)注，已經(jīng)用于研究一系列有機(jī)物與環(huán)糊精之間的包絡(luò)作用[5-10]。

氮氧自由基在生理pH值水溶液體系中穩(wěn)定，早期主要被當(dāng)成自旋標(biāo)記物用來研究藥物與生物大分子配體的相互作用[11]。研究表明，氮氧自由基能夠捕獲體內(nèi)有害自由基，用于減少自由基引起的機(jī)體損傷，主要用于抗心肌缺血/再灌注損傷、抗輻射損傷、抗阿爾茲海默病、抗高血壓及肥胖癥等[12,13]。本文利用循環(huán)伏安法主要研究了2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)哌啶氮氧自由基與β-CD的包絡(luò)行為，然后通過電流法和電位法，分別測量了TEMPO與β-CD的包絡(luò)比及包絡(luò)常數(shù)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI650E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)；FST-Ⅲ-10超純水機(jī)(上海富詩特儀器設(shè)備有限公司)。

β-CD、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)、K2HPO4、KH2PO4,均購于上海阿拉丁有限公司；4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基(TP)購自比利時Acros公司，試劑均為分析純，未經(jīng)純化直接使用。實驗用水為超純水。

1.2 電化學(xué)測試

玻碳電極先用Al2O3粉末進(jìn)行拋光，然后經(jīng)超純水沖洗備用。電化學(xué)測試技術(shù)為循環(huán)伏安法。采用三電極體系:玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，Pt片電極為輔助電極。所有電化學(xué)測試在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮氧自由基在玻碳電極上的伏安特征

(1)

如式(1)所示，TEMPO以及TP在pH=7.4的磷酸鹽緩沖溶液中均表現(xiàn)出可逆的電化學(xué)氧化行為(陰、陽極峰值電位相差70 mV左右)，其中TEMPO的平衡電位為503 mV，而TP的氧化電位為593 mV，相對于TEMPO正移了90 mV。對于哌啶氮氧自由基，Baur等[14]的研究表明，4位取代官能團(tuán)給電子能力越強(qiáng)，氧化電位越往正移。而對于吡咯烷氮氧自由基，Manda等[15]認(rèn)為，3位取代基團(tuán)給電子能力越強(qiáng)，電化學(xué)氧化過程反而更易發(fā)生，氧化電位更負(fù)。

2.2 β -CD與TEMPO的包絡(luò)

2.2.1伏安特征由圖2可知，當(dāng)TEMPO水溶液中加入β-CD后，體系循環(huán)伏安圖表現(xiàn)為峰電流減小，當(dāng)TEMPO與β-CD的比例為1∶60時，電位由503 mV正移至531 mV，這可歸因于TEMPO與β-CD通過疏水作用形成了包絡(luò)物。從TEMPO的結(jié)構(gòu)上看，親水性的氮氧自由基為六元哌啶環(huán)的一部分，同時還被四個甲基圍繞，所以TEMPO表現(xiàn)出較強(qiáng)的疏水性，而對于TP而言對位上的氨基表現(xiàn)出親水性能，阻礙了TP分子進(jìn)入β-CD內(nèi)腔。自由基分子疏水鏈的存在使得某些氮氧自由基能夠與環(huán)糊精形成包絡(luò)物，這一點得到了電子順磁共振(EPR)及電子自旋共振(ESR)實驗的證實。汪漢卿等[16]通過EPR證明4-羥基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基、4-疊氮基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基及4-苯磺酰氧-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基能夠與β-CD相互作用而形成包絡(luò)物，Birrell等[17]和Knyazev等[18]利用ESR技術(shù)證明脂肪酸氮氧自由基與CD之間存在包絡(luò)反應(yīng)?？梢哉J(rèn)為，β-CD與TEMPO形成的包絡(luò)物，由于體積較大，表觀擴(kuò)散系數(shù)相對于TEMPO減小，所以峰電流減小，峰電位正移說明形成包絡(luò)物后在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)所需要克服的活化能增大。

圖1 1 mmol/L TEMPO(a)和TP(b)在pH=7.4磷酸鹽緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of 1 mmol/L TEMPO(a) and TP(b) in pH=7.4 phosphate buffer solution scan rate:50 mV/s.

圖2 TEMPO及其CD包絡(luò)物在掃描速度50 mV/s時循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of TEMPO and its cyclodextrin inclusion complex with scan rate 50 mV/s a:2.0×10-4 mol/L TEMPO;b:a+1.2×10-2 mol /L CD.

2.2.2包絡(luò)比及包絡(luò)常數(shù)測量董紹俊等[5]指出，可以根據(jù)電位或者電流的變化來計算包絡(luò)比及包絡(luò)常數(shù)。對于TEMPO體系，可用以下方程式表示：

(2)

(3)

其中，m為包絡(luò)比，令解離常數(shù)Kd為：

(4)

當(dāng)[CD]?[TEMPO]時，[CD]≈[CD]0，上式(4)結(jié)合能斯特方程有：

(5)

其中,DT-CD為TEMPO-CDm包絡(luò)物擴(kuò)散系數(shù)，DT為TEMPO的擴(kuò)散系數(shù)，二者可以通過以峰值電流ip對掃描速度平方根v1/2作圖而得。如圖2(a)所示，TEMPO/CD體系表現(xiàn)出良好的可逆行為，滿足下式：

ip=(2.69×105)AD1/2v1/2c0

(6)

其中,A為電極表面積，c0為電活性物質(zhì)濃度。

圖3為β-CD濃度為0 mol/L及12 mmol/L時ip與v1/2關(guān)系圖，從圖中可以看出，ip與v1/2表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。根據(jù)式(6)，TEMPO-CDm包絡(luò)物擴(kuò)散系數(shù)與TEMPO的擴(kuò)散系數(shù)比值DT-CD/DT可由線性擬合斜率值計算而得，有DT-CD=0.85DT，這也證明了前文所述峰值電流值減小是因為電活性物擴(kuò)散系數(shù)變化導(dǎo)致。圖4表明，對于TEMPO體系，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)△Ep與ln[CD]0呈良好線性關(guān)系，線性回歸方程為：△Ep=127+20ln[CD]0，結(jié)合式(5)計算可得包絡(luò)比m=0.78，可近似為1。Kd計算為6.47×10-3，包絡(luò)常數(shù)Ks=1/Kd為154 L/mol。

圖3 不同濃度β -環(huán)糊精時掃描速度平方根v1/2與陽極峰值電流ipc關(guān)系Fig.3 Relationship between square root of scan rate v1/2 and cathodic peak current ipc at different concentration of β -cyclodextrin a:[CD]=0 mol/L;b:[CD]=12 mmol/L.

圖4 TEMPO/CD水溶液體系中△Epa與ln[CD]0關(guān)系Fig.4 Relationship between△Epa and ln[CD]0 in the TEMPO/CD aqueous solution system

對于包絡(luò)比為1∶1的β-CD/TEMPO體系，表觀擴(kuò)散系數(shù)Dobs可表示為：

(7)

圖5 TEMPO的β -CD包絡(luò)物與關(guān)系Fig.5 Relationship between and of cyclodextrin inclusion complex containing TEMPO

結(jié)合式(6)可推導(dǎo)得

(8)

3 結(jié)論

作為一種常用的電化學(xué)技術(shù)，循環(huán)伏安法證明了可以用來研究β-CD與TEMPO的包絡(luò)行為。結(jié)果表明β-CD與TEMPO可以形成超分子包絡(luò)物，利用峰電流和峰電位的變化可以求出包絡(luò)物的包絡(luò)比和包絡(luò)常數(shù)。通過電位法即△Epa與ln[CD]0關(guān)系式計算出β-CD與TEMPO的包絡(luò)比為1∶1，包絡(luò)常數(shù)為154 mol/L，接近于電流法計算的164 mol/L的結(jié)果。本文工作將為拓寬氮氧自由基在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用提供有益參考。