β-环糊精/芘包合物的制备与表征研究

王立红，丁克强，赵振华，刘廷凤，杨　凤，郭　光

(1.河海大学环境院，南京　210098；2.南京工程学院环境学院，南京　211167)

β-环糊精/芘包合物的制备与表征研究

王立红1,2，丁克强2，赵振华1，刘廷凤2，杨凤2，郭光2

(1.河海大学环境院，南京210098；2.南京工程学院环境学院，南京211167)

对芘和β-环糊精包合物的制备与表征进行研究，通过饱和水溶液法、超声法以及研磨法进行制备，利用紫外光谱(UV)、红外光谱(IR)、热重分析(TG)以及差热分析(DSC)进行表征。实验表明：研磨法制得包合物的包得率较高(37%)，但其包封率较低；UV分析表明包合物的结构不影响芘的最大紫外吸收波长λmax，但会影响其吸光度值；IR分析表明受包合物结构的影响，包合物中芘的特征峰会减弱、变宽或发生位移；TG及DSC分析表明，包合物的熔点及热稳定性高于芘，芘占据β-环糊精的空腔生成包合物，会导致水分子与β-环糊精腔内的结合作用减少。

芘；β-环糊精；包合物；制备；表征

β-环糊精(cyclodextrin,CD)是7个D-吡喃葡萄糖(Glucopyranose)单元环状排列而成的低聚糖，具有中空圆筒立体环状结构，外腔亲水、内腔疏水，能够选择性的包合多种尺寸匹配的有机分子[1]。这种特殊的筒状结构，能够改变被包合物的化学和物理性质，具有保护、稳定、增溶客体分子和选择性定向分子的特征，因而在药物包结方面有广泛研究[2～4]。近年来，不少研究者将环糊精应用于环境污染物的包合增溶作用，其中用环糊精修复多环芳烃类污染物已成为关注热点[5～7]。多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)通常是指含有两个及以上苯环并且以线状、角状或簇状排列的稠环烃类化合物及其衍生物。这类化合物惰性较强、性质稳定，具有强烈的致癌致畸作用[8]。芘(Pyrene)作为4环PAHs的一种典型代表，其环境行为效应及控制技术是近年来国内外科学界广泛关注的问题。虽然已有研究指出通过β-环糊精对芘的包合能够增加其溶解度[9,10]，使得芘以包合的形态进入土壤水相从而增加其生物利用度，最终被微生物降解消除。但是对于环糊精与芘包合的化学形态及包合机理仅有零星报道。因此，本研究选择β-环糊精与芘进行包合和表征，为环糊精增溶修复PAHs的研究提供理论依据。

1　材料与方法

1.1仪器和试剂

TU1901双束紫外分光光度计，TENSOR27红外光谱仪，SDTQ600同步热分析仪。β-环糊精(β-CD，国药集团化学试剂有限公司)，芘(质量分数≥97%，国药集团化学试剂有限公司)。试剂均为分析纯。

1.2包合物的制备

本实验采用饱和溶液法、超声法以及研磨法3种方法作为包合物的制备方法。

1.2.1饱和溶液法

精密称取β-CD1.85g溶于100mL蒸馏水中，在25℃恒温水浴中搅拌溶解，缓慢滴加含有0.33g芘的丙酮溶液，磁力搅拌2h，取出，冷却后放入冰箱里冷藏24h，使包合物充分析出。抽滤，分别用少量水和乙醚洗涤滤饼，将滤饼放入真空干燥器中干燥，24h即可。

1.2.2超声法

精密称取1.85gβ-环糊精(β-CD)溶于100mL蒸馏水中,超声使之成为澄清透明的饱和溶液，取含0.33g芘(确保β-CD与芘的摩尔比为1∶1)的丙酮溶液，在超声条件下缓慢加入芘的丙酮溶液，经超声1h并冷却后放入冰箱冷藏24h，抽滤，用少量水和乙醚分别洗涤滤饼，将其冷冻干燥，得出包合物。

1.2.3研磨法

精密称取1.85gβ-CD于研钵中，加入少量蒸馏水，磨成糊状物，并将此糊状物研磨均匀，再缓慢加入含0.33g芘的丙酮溶液，继续研磨该糊状物，过程中不断滴加丙酮使之一直保持糊状，研磨2h，抽滤，用少量水和乙醚分别洗涤滤饼，经冷冻干燥，得到包合物。

1.3包合物的表征分析

本实验采用红外、紫外、热重分析、差热分析[11]进行表征。

2　结果与讨论

2.1β-环糊精与芘包合物的包得率

制得包合物的粉末后，称其质量，经以下公式[11]计算，饱和溶液法、超声法以及研磨法对应的包合物的包得率依次为29%，33%和37%。因此，从包合物的收率来看，研磨法较优。

包得率W(%)=m包合物/(m芘+mβ-CD)×100%

2.2β-环糊精与芘包合物的表征

2.2.1β-环糊精对芘最大紫外吸收波长的影响

分别对芘的甲醇溶液(以甲醇做参比)以及β-CD水溶液(以水做参比)、包合物的水溶液(以水做参比)在200nm～400nm范围内进行紫外光谱扫描。

图1表明，研究温度下芘的最大紫外吸收波长λmax为240nm，包合物的最大吸收波长也是240nm，经测定，β-环糊精的水溶液在240nm处并没有吸收峰，说明形成包合物并没有改变芘在紫外光谱里的最大吸收波长，包合物仍具有紫外吸收能力，这样在利用β-环糊精对芘进行增溶修复时，β-环糊精的存在不影响客体分子芘的高效液相色谱检测的波长设定。可能是由于包合物主要是通过分子间作用力形成的，对电荷跃迁的影响并不大[3]。

图1　不同物质的紫外光谱图Fig.1　UV spectrum of different substances

2.2.2不同浓度β-环糊精对芘的紫外吸收的影响

分别在浓度为2g/L、4g/L、6g/L、8g/L以及10g/L的β-环糊精水溶液中加入0.02g的芘，超声振荡40min后置于120r/min，25℃的摇床上振荡20h，离心后精确移取2mL上清液到5mL比色管中，分别用水以及甲醇/水(1∶1)溶液定容，测定其吸光度。其中甲醇/水溶液的添加是为了研究包合物的结构是否会影响芘的紫外吸光度值。

图2　包合物溶液的紫外吸光度Fig.2　UV absorbance of the inclusion compound solution

由图2可知，在研究范围内，芘的吸光度随着β-环糊精浓度的增大由0.15增至0.212，表明提高β-环糊精浓度有利于包合物的生成[12]。甲醇存在条件下，芘在λ240nm处的吸光度分别增至0.158、0.169、0.213、0.227、0.334，表明包合物对芘的紫外吸收有影响，这一结果可能是由于甲醇对包合物具有破坏作用，使环糊精内腔中的芘释放出来。此结果与文献[13～16]一致。

2.2.3β-环糊精与芘包合物的红外表征

采用KBr压片法。分别对芘、β-环糊精、β-环糊精与芘的物理混合物以及芘与β-环糊精的包合物分别进行IR测试。

红外表征结果如图3所示，芘和β-环糊精有各自的特征吸收峰，β-环糊精与芘形成包合物时，由于彼此相互影响，某些基团的振动频率出现了变化，可以根据此变化来判断β-环糊精与芘的包合物是否形成以及包合物的包合方式。

由图3可以看出，芘的特征峰主要分散在3个频区，3400～3000cm-1是芳环C-H碳氢伸缩振动，1650～1450cm-1是芳环的C=C骨架振动，828～708cm-1是C-H面外弯曲振动[17]。β-环糊精的主要红外特征吸收峰为：3385cm-1处的多缔合体-OH的伸缩振动；2928cm-1处为CH2的反对称伸缩振动；1647cm-1处的为结合水振动以及1157cm-1、1027cm-1、945cm-1和855cm-1处的其他特征吸收峰。β-环糊精与芘的物理混合物特征峰只是β-环糊精、芘特征峰的简单叠加关系。通过包合物与物理混合物的红外谱图对比，发现两者明显不同。包合物中芘的芳环骨架振动(1637～1597cm-1)消失或产生了较大的位移(1643～1702cm-1)，在828～747cm-1处的C-H面外弯曲振动也产生了较大的位移(939～755cm-1)，而且峰形均变宽。由此可知，芘已经进入β-环糊精的腔体内，且包合物主客体间发生了相互作用，芘分子所处的环境变化导致芘的峰强度减弱或变宽。总的来说，包合物的谱图更接近于β-环糊精的谱图。

根据红外和紫外的表征结果可知，包合物的生成并没有改变芘的最大紫外吸收波长，但对芘的紫外吸光值有影响。由此可以推测，芘进入β-环糊精的疏水腔中，主客体分子间相互作用由于相互匹配性、范德华力、色散力、静电作用力、氢键、疏水等因素的影响[18]，包合物没有形成新的化学键。

图3　不同物质的红外光谱图Fig.3　IR spectra of different substances

2.2.4热重(TG)及差热(DSC)表征

分别对芘、β-环糊精、β-环糊精与芘的物理混合物以及芘与β-环糊精的包合物进行热重、差热分析，升温速率10℃/min，检测温度0℃～400℃。

如图4(a)所示，芘有两个失重阶段：第一阶段为0℃～146.24℃，失重10.41%，为芘的受热脱水过程；第二阶段为146.24℃～260.8℃，失重89.5%，为受热熔融分解过程。图4(a)表明，芘在69.17℃有一个吸热峰，失重6.351%，这是芘分子结合水分子的释放峰。在146.24℃处出现一个强吸热峰，这与芘的熔点[19]一致。

β-环糊精也有两个失重阶段：第一阶段为0℃～90.36℃，失重11.22%，为受热失去结晶水的过程；第二阶段为90.6℃～362.7℃，失重69.08%，为β-环糊精的熔融分解阶段。β-环糊精与芘的物理混合物有3个失重阶段，第一阶段为0℃～88.21℃，失重10.37%，对应88.21℃处有β-环糊精的一个强吸热峰；第二阶段为88.21℃～239.33℃，失重17.22%；第三阶段为239.33℃～360.55℃，失重56.794%。由图4(c)可以看出，物理混合物的失重过程与芘及β-环糊精的失重过程均不相同，但却同时出现了芘和β-环糊精分别在146.24℃以及90.36℃的吸热峰。

图4　芘(a)、β-CD(b)、芘和β-CD的物理混合物(c)、饱和溶液法(d)、超声法(e)以及研磨法(f)制得包合物的TG-DSC图Fig.4　The TG-DSCof Pyrene(a), β-CD (b), pyrene and β-CD physical mixture (c), compound solution prepared by saturated solution of method (d), the ultrasonic method (e) and grinding method (f)

包合物(以研磨法制得为例)在0℃～400℃有3个失重阶段，第一阶段为0℃～217.51℃，失重20.05%；第二阶段为217.51℃～305.87℃，失重5.786%；第三个阶段为305.87℃～359.74℃，失重62.08%，失重过程与物理混合物有着明显的差异，说明包合物已形成。

从图4(d)～(f)可以看出，β-环糊精原本在90.36℃处的吸热峰降低到50℃左右，说明水与β-环糊精腔内的结合作用减弱，推测原因为芘占据了β-环糊精的空腔，减少了水分子与β-环糊精腔内的结合作用。正是由于芘分子进入到了β-环糊精的空腔，游离芘分子减少，与水分子结合减少，因此69.17℃处的芘与水分子的吸热峰消失。不同于芘在146.24℃开始熔融分解，包合物在300℃左右才开始快速失重，熔融分解，表明生成的包合物热稳定性强于芘。而包合物在146.24℃处并无吸热峰或吸热峰减弱，其中，研磨法制得包合物表现出的芘的吸热峰比较明显，证明芘已经进入β-环糊精的腔体，但没有被完全包合，而超声法以及饱和溶液法在146.24℃处的吸热峰几乎消失，表明研磨法制得包合物的包得率较高，但其包封率较低[20]。

3　结　论

本文采用饱和溶液法、超声法以及研磨法制备包合物，以包合物的包得率、包封率、紫外吸收、红外吸收、热稳定性等为考察指标。结论如下:

3.1UV、IR、TG及DSC表征分析表明，饱和溶液法、超声法以及研磨法均能制得β-环糊精与芘的包合物，其中，研磨法的包得率最高(37%)，饱和溶液法、超声法的包得率分别为29%、33%，但研磨法的包封率最差；

3.2UV表征表明包合物的结构不影响芘的最大紫外吸波长(λ240nm)，芘在λ240nm处的吸光度，随环糊精浓度的增加由0.15增至0.212，表明β-环糊精能够增强芘的溶解度，但对芘的紫外吸收有影响。甲醇的添加使包合物的吸光度值分别增至0.158、0.169、0.213、0.227、0.334，表明甲醇对包合物具有破坏作用，可以使环糊精内腔中的芘释放出来；

3.3IR、TG及DSC表征给出了不同于芘的光谱特征，芘的熔点为146.24℃，而包合物在300℃左右才开始快速失重，熔融分解，表明包合物已经生成，且其热稳定性强于芘。IR分析表明受包合物结构的影响，包合物中芘的芳环骨架振动(1637～1597cm-1)消失或产生了较大的位移(1643～1702cm-1)，在828～747cm-1处的C-H面外歪曲振动也产生了较大的位移(939～755cm-1)，而且峰形均变宽。

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Study of the Preparation and Characterization of Pyrene and β- cyclodextrin Inclusion Compound

WANG Li-hong1,2,DING Ke-qiang2,ZHAO Zhen-hua1,LIU Ting-feng2,YANG Feng2,GUO Guang2

(1.CollegeofEnvironmental,HoHaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.CollegeofEnvironmental,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167,China)

Pyrene and β-cyclodextrin inclusion compound were prepared by saturated aqueous solution method, ultrasonic method and grinding method, and were characterized by ultraviolet spectroscopy(UV), infrared spectroscopy(IR), thermal gravimetric analysis(TG) and differential thermal analysis (DSC). The results showed: among these three methods of preparation, the inclusion efficiency of grinding method was higher(37%) but the encapsulation efficiency was lower; through UV analysis, the structure of the inclusion compound had no effect on maximum UV absorption wavelength of pyrene(λmax), but can affect the absorbance values; through IR analysis, peaks of pyrene were weakened, widen or displaced by the influence of inclusion compound structure; through TG and DSC analysis, the thermal stability of the inclusion compound was higher than pyrene, which was caused by the intracavitary combination reduction of hydrone and β-cyclodextrin.

Pyrene;β-cyclodextrin; inclusion compound; preparation;characterization

2015-06-09

国家自然科学基金(41271329)；南京工程学院校级课题(QKJB2010021)。

王立红(1991-)，女，江苏徐州人，河海大学环境科学与工程专业2013级在读硕士研究生，主要从事研究土壤有机物污染的生物修复。

丁克强，dinkg@njit.edu.cn。

X17

A

1001-3644(2015)06-0005-05