方兴未艾的环糊精化学*

李 东 张惠玲

（1西安交通工程学院，陕西西安 710300；2陕西学前师范学院，陕西西安 710100）

环糊精(Cyclodextrin，简称CD)是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，属第二代超分子大环主体化合物。环糊精通常含有6～12个D-吡喃葡萄糖单元，其单元均以1,4-糖苷键形式首尾相连，其结构酷似没有底的圆锥形桶状物。依据苷键的结合方式不同，环糊精还可分为α-环糊精、β-环糊精和γ-环糊精。环糊精类物质是由Villies在1891年首先发现的，其研究在上世纪60年代得到了迅猛发展。由于环糊精较小开口端自由羟基的存在使其具有亲水性，而空腔内由于受C-H键的屏蔽作用形成了疏水区。由于其大小不同的空腔可选择性地络合大小不同的金属离子、无机有机分子及难溶于水的物质，因而在催化科学、分析分离科学、染料科学、日用化工、石油化工、地矿科学、化妆品科学、香精科学、食品科学以及医药学等众多领域得到了广泛的应用，并在21世纪的热点学科如生命科学、环境科学、信息科学、材料科学、纳米科学、航空航天等领域均彰显出广阔的应用前景。同时在工业、农业、国防建设及新时代现代化建设的各个领域也凸显出广泛的应用价值。目前已形成为一门新兴的热门边缘学科—环糊精化学。

1 新型环糊精衍生物的合成及在材料科学中的应用

1.1 新型蒽修饰的γ-环糊精衍生物的合成及应用

研究表明，利用主客体相互作用构筑超分子聚合物是超分子组装研究中的热点问题之一[1]。多金属氧簇作为一种无机纳米分子，其聚合反应也是其难点[2]。吉林大学的关伟明等人认为，当蒽分子与γ-环糊精以1:2结合时具有加速光环合反应的效果。为此，他们设计并合成了一种蒽双侧修饰的Anderson型多金属氧簇物质，并通过离子替换的方式使其具有水溶性。他们在水中加入γ-环糊精后，成功地利用主客体作用构筑了一种新型线性的超分子聚合物，并通过进一步自组装形成了纤维状结构。随后，他们当利用365nm的紫外光照射时，超分子聚合物实现了聚合反应而转化为共价聚合物。光谱学表征证明该蒽修饰的多金属氧簇可以成功地发生光环合反应。他们还通过核磁可以清楚地看出，相比于单体在溶液中的直接聚合，加入了γ-环糊精后光环合效率有显著的提升。这为实现多金属氧簇的高效聚合和获得杂化一维超分子聚轮烷提供了一种新方法[3]。该研究将在超分子化学、有机合成化学、金属有机化学、纳米科学、材料科学及光化学等研究中得到应用。

1.2 新型桥联环糊精与二聚偶氮苯单层二维超分子有机骨架的构筑及应用

溶液态自组装形成结构确定的二维超分子有机骨架是目前超分子化学研究的一个热点[4]。为此，吉林大学的姜凤瑞等人设计合成了一种新型三桥连环糊精与二聚bola型偶氮苯表面活性剂，通过二者之间在水溶液中的主客体相互作用，最终形成第一例以环糊精为主体的二维超分子有机骨架，其环糊精的手性可通过主客体相互作用传递到偶氮苯分子上。他们还通过紫外光照和可见光照，动态调控了有机骨架的组装与解组装行为[5]。该研究丰富了超分子有机骨架的构筑基元，为今后二维骨架材料的合成和应用开辟了新的道路[6]。该研究将在材料科学、有机合成、超分子合成及主客体化学等领域得到应用。

1.3 新型三桥联环糊精二维骨架超分子膜的构筑及应用

研究表明，桥联环糊精具有水溶性好、生物相容性优良、可结合并增溶有机客体分子等优点，故是一种优秀的结构构筑基元[7]。由于Anderson型多金属氧簇具有易于修饰、结构稳定、水溶性好及抑制客体基团聚集等特点[8]，为此，吉林大学的高博等人设计合成了以三苯基苯为中心，通过CuAAC点击反应与环糊精相连的三桥联环糊精。将桥联环糊精与偶氮苯修饰的多金属氧簇相结合获得双头客体杂化体。将双头客体组分通过与三桥联环糊精的主客体相互作用，获得二维骨架结构超分子组装体。他们还通过核磁等方法对水溶液中主客体结合作用力进行了确认，通过透射电子显微镜、原子力显微镜等实验手段，观察到了水溶液中二维组装体结构的存在，从而表明应用桥联环糊精和多金属氧簇的桥接，成功地制备了一种二维结构材料。该材料将在纳米尺寸生物分离、自修复等领域得到良好应用[9]。该研究将在材料科学、主客体化学、超分子合成、有机合成及分析分离科学中得到应用。

2 新型环糊精衍生物的合成及在医药学中的应用

2.1 环糊精参与的甲基乙烯基醚马来酸交替共聚物超分子水凝胶的制备及其生物医学应用

实验表明，甲基乙烯基醚马来酸交替共聚物(P(MVE-alt-MA）)是一种具有良好生物相容性的高分子材料，已经广泛应用于健康保健和医药领域[10-11]。为此，东南大学的马晓娥等人应用β-环糊精（β-CD）和偶氮苯(Azo)（或金刚烷Ad）之间的主客体相互作用合成了P(MVE-alt-MA)超分子凝胶，并研究了其外界刺激响应性和应用。首先他们分别制备了主体大分子链（H-P），即β-环糊精接枝的P(MVE-alt-MA)（P(MVE-alt-MA)-g-β-CD），和客体大分子链（G-P），即偶氮苯(Azo)（或金刚烷Ad）接枝的P(MVE-alt-MA)（P(MVE-alt-MA)-g-Azo或P(MVE-alt-MA)-g-Ad），然后将H-P和G-P按照一定浓度和比例混合即 可 形 成 P(MVE-alt-MA) 超分子 凝 胶 ，P(MVE-alt-MA)-g-β-CD/P(MVE-alt-MA)-g-Azo和 P(MVE-alt-MA)-g-β-CD/P(MVE-alt-MA)-g-Ad,并应用二维核磁（2D-NOESY）证实了超分子凝胶的形成。该类P(MVE-alt-MA)超分子凝胶不仅对光刺激响应有反应、而且对pH和温度均具有敏感性，并且有一定的自修复性能。故所获得的超分子凝胶具有良好的细胞相容性，因而适合作为三维细胞培养支架[12]。该研究将在医药学、材料科学、分析分离科学、生命科学及超分子化学的研究中得到应用。

2.2 新型长链分子与修饰过的β-环糊精自组装超分子双亲物的构筑及应用

近年来，超分子两亲物的囊泡被广泛用于体内或体外的抗肿瘤药物靶向输送引起了人们浓厚的研究兴趣。超分子双亲物囊泡可以在体内或体外刺激响应性于pH离子、谷胱甘肽、精胺等，这些刺激与肿瘤细胞紧密相关，从而使超分子囊泡可以很好地实现肿瘤的靶向治疗[13]。目前，对于超分子囊泡的研究靶向性单一、毒性也大、裂解后的产物不能被生物降解而在体内停留时间较长。为此，昆明理工大学的李凡结等人利用一条无毒易代谢的长链分子与修饰过的β-环糊精通过自组装形成了一个新型超分子双亲物。其中设计的长链可以在弱酸性、谷胱甘肽刺激下断裂，这样可以有效自主的控制超分子囊泡的形成与裂解。由于肿瘤细胞的微环境呈现弱酸性，故将抗肿瘤药物封装在该超分子囊泡中，可以将药物靶向运输到肿瘤细胞处并释放出来。该研究表明其药物载体能高效地运输抗肿瘤药物，且具有细胞毒性很低等优点。通过pH值的改变还可以实现该药物载体的自解/组装及降解功能。由于该药物载体具有诸多优点，故可用于肿瘤靶向治疗中[14]。

2.3 新型环糊精雷公藤甲素包合物的形成及应用

研究表明，雷公藤甲素（Tri）具有显著的抗肿瘤、抗炎、抗生育、免疫抑制、止痛、抗菌等多种生理活性，但由于其毒副作用较大、水溶性较差且生物利用度较低，因而使其开发和应用受到了限制[15]。基于环糊精的聚轮烷具有毒性低、尺寸可控和独特的结构特征，故把药物键接到环糊精聚轮烷上，可以增大药物的细胞渗透性、有效控制药物的释放，并改善其水溶性差、载药量低和生物利用度低等缺点[16]，因而使得环糊精聚轮烷键合药物活性分子在药物研究方面得到广泛关注[17]。为此，云南师范大学的赵丽娟等人将乙二胺修饰β-环糊精与聚醚胺（PPG2000）构筑成聚轮烷结构，再键合上具有靶向功能的叶酸（FA）分子，最后将抗肿瘤活性分子Tri接到环糊精的边臂上，制备出了雷公藤甲素聚轮烷的组装体，期望其成为一种优良的雷公藤甲素载体。他们的表征实验和抗肿瘤活性研究仍在进行中[18]。该研究将在医药学、材料科学、超分子化学及生命科学的等领域得到应用。

3 新型环糊精衍生物的合成及在分析分离科学中的应用

3.1 由环糊精参与的新型无机有机复合材料的合成及应用

环糊精作为一种纳米尺寸的超分子大环主体分子，一方面可以与尺寸匹配的疏水有机基团形成稳定的主客体准轮烷，同时也是优异的纳米组装单元。为此，吉林大学的王佳旭等人利用他们设计合成的双头型阳离子表面活性剂与环糊精预组装为阳离子准轮烷，在此基础上，他们还引入多金属氧簇组分并通过其与双头阳离子客体的静电组装，将环糊精分子封闭在多金属氧簇阴离子作为结点封端的超分子框架内。由于环糊精对客体分子间相互作用的屏蔽效应，得到的离子骨架组装体只在二维方向上延展。他们通过组装结构表征可知，这种新型二维离子骨架很容易得到单层厚约为1.4nm的组装复合材料。该新型无机有机复合材料将在粒子分离、催化、医药等领域得到应用[19]。

3.2 新型羟丙基-β-环糊精修饰的三维石墨烯基纳米复合材料的合成及应用

研究表明，手性作为生命体的重要特征之一，其识别在医药、生命科学、食品科学及材料科学等领域具有重要的应用价值[20]。三维石墨烯（3D-G），因其独特的网状多孔结构，具有更好的电子传导能力、更大的比表面积、更多的活性位点以及较好的生物兼容性等特性，故被广泛地应用于超级电容器[21-22]、环境修复[23]以及传感器构建等领域。为此，山西大学的戎艳琴等人首先构建了一种羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD）修饰的三维石墨烯基纳米复合材料（3D-G/HP-β-CD），实验结果表明，羟丙基-β-环糊精功能化的三维石墨烯拥有良好的水溶性、导电性和稳定性。他们进一步通过将该复合材料修饰在玻碳电极表面，基于环糊精对手性小分子的选择性识别能力，构建了一种对色氨酸（Trp）对映异构体具有识别能力的电化学传感器，并利用差分脉冲伏安法（DPV）对色氨酸对映异构体进行了检测。该方法与已报道的类似方法相比，具有较宽的检测范围和较低的检出限量，故展现出良好的灵敏度和选择性。由此可见，在3D-G优异的电化学性能和HP-β-CD独特的手性空腔结构的协同作用下，色氨酸（Trp）对映异构体可以通过电化学传感的方法被快速有效地识别检测[23]。该研究将在医药学、生命科学、食品科学及材料科学等领域得到应用。

4 结语

综上所述，环糊精化学作为一门植根深远的新兴热门边缘学科，其应用无处不有，实例难以尽举。故环糊精作为第二代超分子大环主体化合物目前已有了长足的发展，但仍方兴未艾。今后环糊精研究的重点主要将集中在以下五个方面：（1）环糊精在非热门领域的研究，如农业生产和地质勘探领域；（2）环糊精及其衍生物在对反应系统的控制和影响方面的研究；（3）如何高效回收使用过的环糊精；（4）新型环糊精衍生物的合成、主客体超分子的自组装及应用；（5）在国内实现环糊精的大规模工业化生产，变环糊精进口国为出口国。不过我们坚信，随着我国对环糊精化学研究的不断深入，环糊精化学这把“万能钥匙”将会启开更多的应用“锁”，从而更好地造福于人类。