蓬勃发展的环糊精化学*

张来新，赵卫星

（宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013）

综述

蓬勃发展的环糊精化学*

张来新*，赵卫星

（宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013）

简要介绍了环糊精化学的产生、发展、应用及结构特征；重点讨论了：（1）超分子大环主体化合物环糊精的自组装及应用；（2）环糊精自组装在医药学方面的应用；（3）环糊精模拟酶及其选择性识别作用。并对环糊精化学的发展进行了展望。

环糊精；自组装；应用

环糊精（CD）一般是由6,7或8个等单位D-吡喃葡萄糖通过α-1，4糖苷结合而成的结构形似圆筒的环状低聚糖。根据所含葡萄糖单位的个数（6，7或8...）分别称为α-、β-或γ-环糊精（α-、β-或γ-CD）。与冠醚相似，环尺寸不同大小的环糊精可以包合不同大小的分子。环糊精由于具有疏水的内壁空腔和亲水性的外壁，使其能够键合各种有机、无机和生物分子,形成主-客体包结配合物，因此，被广泛用作超分子体系的受体[1]。天然环糊精自身作为超分子受体，其键合能力存在一定的局限性，而环糊精被各种修饰基团修饰后的衍生物问世以来，作为合成受体在科学技术的众多领域如药物载体、分离物质、模拟酶、光化学传感等方面均得到广泛的应用。其中环糊精的超分子自组装作为构建分子机器、药物载体、手性识别、分子催化、酶模拟等领域越来越受到人们的重视[2]。不仅如此，环糊精在二十一世纪的热门学科如环境科学、生命科学、能源科学、信息科学、材料科学等领域也彰显出巨大的应用潜力。同时在工业、农业、国防及医药学方面也凸现出广阔的应用前景。

1 超分子大环主体化合物环糊精的自组装及其应用

1.1 环糊精自组装的超分子导电材料的形成及应用

导电高分子材料具有重量轻、易成型、热膨胀系数低等优点，在航空航天、抗静电材料、吸波材料、电磁屏蔽材料以及传感器等领域均有着广阔的应用前景，是一类新兴优良的基础有机功能材料。但是，与其它高分子材料一样，导电高分子材料在使用过程中，在光、热、机械力等环境因素作用下，容易产生局部损伤或微裂纹，导致材料结构损坏失效。受生物体自愈合机制启发，近年来，具有自愈合功能的材料研究成为科研工作者关注的重点。为此，四川大学的张大丽等人利用表面接枝环糊精的碳纳米管与含有客体基团的有机材料进行复合组装，成功制备了两种具有自愈合功能的超分子导电材料。他们的研究表明：通过环糊精与客体基团之间的主客体识别，碳纳米管与有机分子间形成了交联的三维网状结构，其材料表现出良好的机械性能。并且，由于碳碳纳米管密集堆积形成导电通路，此超分子材料也表现出良好的导电性能。电导率最高可达10s·cm-1。由于环糊精与客体基团的非共价键相互作用力较弱，材料在损伤时，断面处存在大量游离的主客体基团，二者重新相互作用形成主客体识别导致材料自愈合。自愈合后材料的机械性能和导电性能恢复90%以上[3]。该研究在材料科学、信息科学、航空航天及医药学中将得到广泛应用。

1.2 环糊精二维杂化自组装：手性转移与手性放大

环糊精作为一类典型的超分子主体分子的最突出的结构特性是其疏水空腔和内手性。在超分子组装过程中同时利用主客体识别和手性微环境，是发展新的以环糊精为构筑基元的多组分功能超分子组装体的热点之一[4]。为此，吉林大学的岳亮等人利用含有识别客体基团的无机复合金属氧族与环糊精之间的主客体识别作用，同时利用多金属氧族的多电荷产生的静电相互作用，将这类无机多阴离子与环糊精进行共组装，不仅成功的实现了杂化组装，而且得到了一类新颖的二维交联型环糊精组装结构。虽然采用了不同的识别组装路径，但都可以形成有机-无机杂化超分子聚轮烷结构。更为巧妙地是，选择合适的主客体识别方式，可以将环糊精的内手性转移到识别客体，并传递到整个组装体中，形成单一螺旋扭曲方向的手性组装体。从连接方式上，这种交联型超分子聚轮烷也代表了一类新型的超分子聚合物。通过多种相互作用相协同，能够实现无机多阴离子簇与环糊精的超分子交联。共价作用和静电作用的结合使得主客体识别不仅作为结合力存在于组装体中，也能把识别所产生的诱导手性放大到二维自组装结构中。此外，通过对识别作用的调控，可以实现对手性转移的可逆调控[5]。该研究将在信息科学、材料学科及分析分离科学中得到应用。

1.3 两亲分子与环糊精体系的尺度自组装

近年来，表面活性剂等两亲分子环糊精相互作用的相关研究已普遍展开，随着人们对这两大类体系认识的逐渐深入，人们逐渐了解了表面活性剂/环糊精体系相互作用的基本特点，普遍认为表面活性剂的疏水尾链会因主客体体系作用被环糊精的空腔包结，进而由于二者形成的主客体复合物不在具有较强的疏水效应而难以形成聚集体。因此，在传统认识中，对环糊精可以形成有序微纳米结构的表面活性剂体系而言，是一个强力的有序结构破坏剂，其可造成体系中聚集结构的解体。为此，北京大学的蒋凌翔等人经过探索研究发现，在环糊精和表面活性剂混合体系的中高浓度区，相关体系中可形成囊泡、层状结构、刚性微纳米管等丰富的自组装结构。他们在传统的环糊精与表面活性剂体系的研究中发现了非两亲自组装的新现象，并进而开展了与无机纳米粒子的复合组装。利用环糊精的结构特点实现了多种自组装结构的酶促发调控。开发了环糊精作为两亲分子自组装结构破坏剂外的结构促进剂、电荷缓冲剂等新特点，从而为环糊精与两亲分子的尺度组装研究提供了新的科学认识[6]。

2 环糊精自组装在医药学方面的应用

2.1 甲基-β-环糊精/CTAB协同增敏荧光法测定醋酸阿比特龙酯

醋酸阿比特龙酯（ART）是一种口服有效地CY17酶不可逆抑制剂。抑制这种酶可以切断肿瘤的雄性激素的“燃烧供给”，从而发挥其杀灭前列腺癌细胞的作用。目前报道的测定ART的方法为LC-MS法，该方法涉及的仪器较贵，操作也比较复杂。研究表明，超分子化合物（表面活性剂、环糊精、杯芳烃等）对光谱分析具有增敏作用。荧光光谱法具有灵敏度高、选择性好、分析速度快等特点，在药物分析中有着重要的地位。为此，扬州大学的任秋奕等人利用β-环糊精与CTAB微乳液协同增敏荧光法对醋酸阿比特龙酯的荧光具有强烈的增敏作用，提出了分析醋酸阿比特龙酯的新方法，并对实验条件进行了优化，通过测定包合常数和荧光量子产率，初步探讨了体系增敏作用的机理[7]。该法用于样品中ART的测定，效果优良。

2.2 环糊精自组装的刺激响应纳米聚集体在医药学上的应用

近年来，科学家利用环糊精与客体分子的响应性自组装包合作用，构筑了多种响应材料，如响应性胶束、凝胶、囊泡及树枝状聚集体等，并将该系列纳米聚集体应用到生物医药及仿生材料。为此，四川大学的李帮经等人利用环糊精修饰的金纳米和客体分子修饰的聚合物，得到了一类新颖的具有优异生物相容性的聚乙二醇（PEG）和聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）同时修饰的纳米囊泡，该囊泡可以首先将药物运送至癌症位点后，通过简单的冰敷降温或冷冻探针方法控制释放DOX和AuNP/Dox，然后AuNP/Dox被癌细胞摄入并发挥类似“集束炸弹”的治疗效果。实验表明，通过对温度或氧化剂的调控和加入可以实现包封了抗癌药物的大分子胶束的形成与瓦解，以便用来进行药物的可控释放[8]。结果表明，通过环糊精自组装制备的纳米聚集体具有良好的生物相容性能，而且制备方法简单、高效，在生物医用材料、仿生材料、传感及催化领域具有广阔的应用前景。

2.3 原人参三醇/修饰环糊精超分子配合物的合成及应用

20（S）-原人参三醇（PPT）是人参、三七、西洋参和绞股蓝等药用植物中皂苷类物质的主要苷元。PPT在血液系统、心脑血管系统、神经系统和抗肿瘤方面与三七皂苷具有相同的生理活性。PPT可以显著地抑制多种肿瘤细胞的增殖与生长，是一种有应用前景的癌细胞分化诱导剂。但由于PPT的水溶性差、生物利用度低等不足，云南师范大学的李进等人研究和解决了修饰β-环糊精与PPT自组装的超分子配合物的水溶性问题，他们通过混合溶液搅拌法制备了HP-β-CD（1）、SBE-β-CD（2）和DM-β-CD（3）与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较于PPT其水溶性分别增大1357、670和725倍，其增溶效果显著[9]。该研究将通过增加其水溶性，提高了药用生物医学利用度，极大地提高了治疗癌症的药理效能。

3 环糊精模拟酶及其选择性识别作用

3.1 环糊精两亲体系模拟酶的选择性识别催化作用

分子聚集体，特别是由两亲分子构成的聚集体在生命体内广泛存在并发挥着重要的作用。因此，多种具有生物催化活性及生物响应性的分子聚集体被设计合成出来。其中，由于环糊精的两亲分子聚集体拥有独特的优点：环糊精具有疏水空腔可以识别并结合作为反应底物的分子；同时环糊精上的羟基可以进一步修饰得到具有多种催化反应功能的、具有活性的人工酶。在此基础上，两亲分子的引入能将分散的小分子模拟酶进行诱导组装、在局部形成与天然酶类似的多反应位点。为此，南开大学的胡平等人利用修饰有二乙烯三胺与双吡啶甲基氨基的环糊精金属离子配合物与表面活性剂如十二烷基苯磺酸钠进行组装，并在此基础上研究了该类体系对乙酸对硝基苯酯（NA）的羧酸酯键和双（对硝基苯基）磷酸酯（BNPP）的磷酸二酯键的催化水解能力。实验结果表明，在加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠之后，二乙烯三胺环糊精与双吡啶甲基氨基环糊精水解NA的反应速率分别提高2.4倍和7.2倍[10]。该研究在分子识别和分子催化方面有着广阔的应用前景。

3.2 两性离子环糊精衍生物的合成及其对胆酸分子的识别

可水解的阳离子型两性离子酯类化合物通过隐藏部分电荷，可以达到杀菌、凝聚基团、或改变其溶解度的特定目的。它们可以通过水解逐渐改变其电性转化为环保和生物相容性的两性离子化合物。由于其独特的性质，这些材料被广泛应用于环保抗菌涂料和高效的基因传递载体。另一方面β-环糊精由于易于制备、价格低廉、水溶性良好，低毒性并且其疏水空腔可以包结各种无机和有机分子离子，在水溶液和固态时对各种客体的大小和形状都具有高的选择性，因此，在离子分子的识别方面将得到广泛应用。为此，南开大学的陈丽霞等人设计并成功合成了两性离子型环糊精衍生物，且通过酯基的水解来调控对离子的识别能力。通过实验进一步表征了可水解的环糊精类两性离子酯在不同pH值范围的存在形式，并优化了其水解的pH条件[11]。同时研究了两性离子型环糊精衍生物水解前后对胆酸分子的识别行为及键合模式。该研究将在催化科学、分析分离科学及生命科学的研究中得到应用。

综上所述，环糊精是迄今所发现的类似于酶的理想主客体分子，并且其本身就有酶的特性。因此在催化、分离、食品以及药物等领域中有着广阔的应用前景。工业上，不少染料都是以环糊精作基体；而不少有医疗功效的药用植物，如芦荟都含有环糊精复合物。总而言之，环糊精在医药业、分析分离科学、日用化工、环保、农业等方面的应用难以尽举。如农业上用改性环糊精浸种可改变作物生长特性和提高产量；不溶性环糊精可应用于环境监测和废水处理。特别值得提出的是其作为酶模型以及自组装与分子识别的主体将对科学发展、人类文明进步有着不可估量的发展和应用前景。

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［3］张大丽,郭坤,张晟,等.基于环糊精自组装的超分子导电材料［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延吉：延边大学,2014年8月:17-18.

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［8］李帮经,康泽,李建虎,等.基于环糊精自组装的刺激响应纳米聚集体设计、制备和应用［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延吉：延边大学,2014年8月：30-31.

［9］李进,邵大钊,李彦,等.原人参三醇?修饰环糊精分子配合物的研究［C］.吉林延吉:延边大学,2014年8月。全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.2014年8月：308-309.

［10］胡平，陈湧，刘育.基于环糊精两两亲体系模拟酶的研究［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延吉:延边大学,2014年8月：244-245.

［11］陈丽霞，张瀛溟，刘育.两性离子环糊精衍生物的合成及其对胆酸分子的识别［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.2014年8月：238-239.

综述

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

陕西省植物化学重点实验室基金资助项目（09JS066）；陕西省教育厅自然科学基金资助课题（04JK147）；宝鸡文理学院自然科学基金资助课题（zk12014）

张来新（1955-），男，汉族，陕西周至人，宝鸡文理学院化学化工学院教授，硕士生导师，主要从事大环化学研究及天然产物分离提取。