α-环糊精与二甲氨基查尔酮之间分子识别作用的紫外可见吸收光谱研究

罗春华，董秋静，张晴晴，胡宏来

（阜阳师范学院 a.化学与材料工程学院；b.环境污染物降解与监测安徽省重点实验室，安徽 阜阳 236037）

α-环糊精（α-CD）是由6个葡萄糖分子以α-1,4糖苷键连接而成的大环分子，类似的还有β-环糊精（β-CD）和 γ-环糊精（γ-CD），分别由 7个和 8个葡萄糖分子连接而成。α-CD分子体积最小，是一种两端不封闭的圆筒结构，并且两端开口大小不一，筒的外缘亲水，筒内是一个手性疏水空腔，空腔直径为0.47～0.53 nm，高度为0.79±0.01 nm，近似容积为0.714 nm3，这种圆筒结构也被称作超微囊[1]。通过α-环糊精亲水外缘和疏水空腔中的范德华力、疏水缔合作用和氢键等分子间作用力，一些极性和形状相匹配的客体分子或基团能够与其形成稳定的超分子包结物，进而改变被包结客体分子或基团的理化特性，拓展了环糊精及客体分子的应用领域[2,3]。查尔酮及其衍生物分子中含有1,3-二苯基丙烯酮结构单元，是一种多功能性分子，在自然界中广泛存在于红花、甘草等植物中，在抗癌药物、非线性光学材料、光刻胶材料等各个领域有着广泛的应用[4-15]。如查尔酮能够抑制各种癌细胞如宫颈癌、胰腺癌、肾癌、神经细胞癌细胞的增殖作用，可以作为抗癌药物使用[4-7]。查尔酮分子内具有大的共轭体系和不对称的结构，分子内电子流动性良好，在光计算和储存、激光波长转换等有机非线性光学材料领域应用广泛[8-10]。此外，查尔酮还可用于负性光刻胶、荧光材料、液晶材料和太阳能敏化电池材料等光功能材料领域[11-15]。

由于查尔酮分子尺寸与α-环糊精空腔匹配，通过分子识别形成包结物，有助于提高查尔酮及其衍生物的水溶性；同时，α-环糊精作为一类多糖分子具有无毒能够被人体代谢吸收等特点。通过分子识别形成水溶性包结物，能够大大提高了查尔酮药物的利用率。目前，对α-环糊精和查尔酮之间的分子识别作用还显见报道。本文通过紫外可见分光光度法研究二甲氨基查尔酮小分子客体以及二甲氨基查尔酮端基聚合物（PNIPAMDMAC）客体与 α-环糊精（α-CD）之间的分子识别作用，并通过Hildebrand-Benesi方程测定它们之间的结合类型与结合常数。

1 实验部分

1.1 主要仪器及材料

TU-1901紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司，扫描速度为中速，扫描间隔0.1 nm；JK-100DB型数控超声波清洗器，合肥金尼克机械制造有限公司；PHS-3TC数显pH计，上海天达仪器有限公司；FA1104N电子天平，上海民桥精密科学仪器有限公司。

α-环糊精（α-CD），北京百灵威科技有限公司，97%，直接使用；氢氧化钠，分析纯，汕头市西陇化工有限公司；二次去离子水，4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮[16]和端基含二甲氨基查尔酮的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM-DMAC)[17]为实验室自制。

1.2 紫外可见分光光度法测定包结物结合常数

当主体浓度远远大于客体浓度时（[CD]0＞＞[G]0），若主体与客体形成1∶1包结物，相应的Hildebrand-Benesi方程[1,18-20]为：

若测定波长的变化，则相应的Hildebrand-Benesi方程可改写为：

实验中通常固定客体浓度[G]0不变，改变主体[CD]0的浓度，以[G]0/A对1/[CD]0作图有很好的线性关系，由截距与斜率的比值求得Ka值。或者以1/Δλ对1/[CD]0作图求得Ka值。

若主体与客体形成2∶1包结物，相应的Hildebrand-Benesi方程为：

以[G]0/A对1/作图有很好的线性关系，由截距与斜率的比值求得Ka值。或者以1/Δλ对作图求得Ka值。

在本实验中，分别配置浓度为2.25×10-5mol/L的4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮水溶液和含二甲氨基查尔酮生色团浓度为1.86×10-5mol/L的PNIPAM-DMAC水溶液。在上述水溶液中加入不同质量的α-CD，此时α-CD相对二甲氨基查尔酮是大大过量的。测定在不同的α-CD含量情况下的紫外可见吸收光谱，求得特征波长λ和最大吸光度A，通过上述Hildebrand-Benesi方程求得包结物结合常数Ka。

2 结果与讨论

2.1 α-环糊精与4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮之间的分子识别作用

图1是不同α-CD浓度下4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮水溶液的紫外可见吸收光谱图，溶液的pH值为9.55。从图中可知，随着α-CD浓度的增加，4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮水溶液的特征吸收波长由421.7 nm红移到426.8 nm，吸光度由0.626增加到0.784。这是由于加入α-CD后，客体4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮以反式结构通过分子识别钻入到α-CD空腔内形成包结物。在水溶液中4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮主要以反式结构存在，也存在少量的顺式结构，与α-CD形成包结物后，顺式结构异构化为反式结构，分子共轭长度增加，特征吸收波长红移，而吸光度的增加可能是由于α-CD对客体的增溶作用引起的。进一步采用α-CD大大过量的紫外可见吸收光谱数据，以[G]0/A对 1/[α-CD]作图或者以 1/Δλ对 1/[α-CD]作图呈现出较好的线性关系见图2，说明α-CD和4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮通过分子识别形成1∶1的包结物，由公式（1-2）的Hilebrand-Benesi方程得到α-CD在pH=9.55时与客体4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮形成包结物的结合常数Ka分别为1.1×105M-1和 8.5×103M-1。通过吸光度 A获得的结合常数要比通过特征波长λ的变化求得的结合常数大很多，这可能是由于α-CD对4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮的增溶作用引起的。由于水溶液中4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮主要以反式结构存在，反式结构可以直接与α-CD形成包结物而特征波长没有变化，因此通过特征波长确定的结合常数Ka比实际值偏小。

图1 不同α-CD浓度下4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮水溶液的紫外可见吸收光谱图（溶液pH=9.55）

图 2 1/[α-CD]分别与[G]0/A（a）和 1/Δλ（b）的关系图（溶液 pH=9.55）

2.2 α-环糊精与端基含二甲氨基查尔酮的聚N-异丙基丙烯酰胺之间的分子识别作用

进一步，研究了将二甲氨基查尔酮引入到水溶性聚合物聚N-异丙基丙烯酰胺的末端（PNIPAM-DMAC），考察α-CD对聚合物中的二甲氨基查尔酮基团的相互作用。由图3可知，随着α-CD浓度的增加，PNIPAM-DMAC聚合物水溶液的特征吸收波长由434.4 nm红移到441.9 nm，而吸光度基本保持0.469不变。此处水溶液中的紫外可见吸收来自于PNIPAM-DMAC聚合物中端基二甲氨基查尔酮基团的吸收，由于4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮通过酯基连接到聚合物末端，其特征吸收波长由421.7 nm（二甲氨基查尔酮酚钠盐形式）红移至434.4 nm。与4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮和α-CD间的作用类似，α-CD的加入，使得PNIPAM-DMAC聚合物水溶液的紫外可见特征波长红移。通过 1/λ对 1/[α-CD]作图（图 4），呈现出较好的线性关系，说明α-CD和PNIPAM-DMAC聚合物中二甲氨基查尔酮端基形成1∶1的包结物，其结合常数 Ka为 4.2×103M-1。4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮以小分子状态溶解在水中，存在着部分缔合状态，导致α-CD的加入与其形成1∶1的包结物，促进其解缔合和增溶，吸光度会随着α-CD的增加而增加；而将二甲氨基查尔酮引入到水溶性聚合物中后，赋予其良好的水溶性，不存在小分子状态下的缔合状态，α-CD的加入不会引起其在水中浓度的变化，所以随着α-CD的加入其吸光度基本保持不变。与4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮相比，α-CD与PNIPAM-DMAC聚合物的结合常数减小，这可能由于α-CD与二甲氨基查尔酮基团形成包结物时，二甲氨基查尔酮基团只能从α-CD大口端，以体积较大的二甲氨基这一端部分钻入空腔中，与α-CD空腔不十分匹配，存在着一定的空间阻碍，形成的包结物不稳定，引起结合常数减小。

图3 不同α-CD浓度下PNIPAM-DMAC聚合物水溶液的紫外可见吸收光谱图

图 4 1/[α-CD]与 1/Δλ 的关系图

3 小结

通过紫外可见吸收光谱对α-环糊精（α-CD）与二甲氨基查尔酮之间分子识别作用研究表明，α-CD与二甲氨基查尔酮基团之间通过分子识别形成1:1的包结物。分别以吸光度和特征波长的变化求得α-CD与4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮包结物的结合常数Ka分别为1.1×105 M-1和8.5×103 M-1。通过特征波长获得α-CD和端基含二甲氨基查尔酮的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAMDMAC）聚合物的结合常数 Ka为 4.2×103M-1。4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮溶解在水中，存在着部分缔合状态，包结物的形成，促进其解缔合和产生增溶作用，吸光度增加；而将二甲氨基查尔酮基团引入到水溶性的PNIPAM-DMAC聚合物中后，赋予其良好的水溶性，不存在小分子状态下的缔合状态，形成包结物后其吸光度也保持不变。在α-CD与PNIPAM-DMAC聚合物分子识别中，二甲氨基查尔酮基团只能从α-CD大口端，以体积较大的二甲氨基这一端部分钻入空腔中，与α-CD空腔不十分匹配，存在着一定的空间阻碍，形成的包结物不稳定，导致结合常数减小。而4-羟基-4’-二甲氨基查尔酮分子可以从α-CD大口端完全钻入空腔中，形成的包结物稳定，结合常数高。

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