1、環糊精第1頁一，定義環糊精(Cyclodextrin， 簡稱 CD)是直鏈淀粉在由芽孢桿菌產生環糊精葡萄 糖基轉移酶作用下生成一系列環狀低聚糖總稱， 通常含有 612 個 D-吡喃葡 萄糖單元。 環糊精是最普遍研究最多，最廉價易得商品化主體分子，是全飽和分子，其剛性依賴于分子內氫鍵結合銳曲率半徑。環糊精作為一類很主要主體化合物，在食品，化裝，藥品等領域也有很主要作用。第2頁二，結構分類常見 環糊精有 -環糊精、-環糊精以及 -環糊精 3 種，分別由 6 個、7 個或 8 個葡萄糖單元以 1，4 糖苷鍵結合而成。環糊精分子形狀為“內疏水，外親水” 略呈錐筒狀空腔結構，如圖（一） 。正是這種特殊結

2、構，使得環糊精能 作 為 “ 宿 主 ” 包 合 不 同 “ 客 體 ” 化 合 物 ， 形 成 特 殊 結 構 包 合 物 (Inclusion Complex)，由此而形成主客體化學，也是當前熱門課題超分子化學一 部分。第3頁其中 -環糊精產率最高，應用也最廣泛。-環糊精分子立體結構 呈圓筒形，一端大，一端小。小端口處是由 C-6 上 7 個伯羥基組成，大端 口處是由 C-2、C-3 14 個仲羥基組成，所以環糊精外壁含有很強親水 性。-環糊精內腔是由 C-3 和 C-5 上氫原子與 C-4 上氧原子組成，由 于 C-3 和 C-5 上氫原子對 C-4 上氧原子覆蓋作用，使得環糊精內腔 含

3、有強烈疏水性，所以能夠利用其疏水空腔包合客體分子(被包合物質:許多無機和有機化合物)， 形成包合物。第4頁環糊精分子中，C-2 處羥基易與相鄰吡喃葡萄糖單元 C-3 位羥基形成 氫鍵。因為分子大小適中，-CD 分子內形成是環形全氫鍵帶，使分子含有 相當剛性，造成其在水中溶解度最低(圖 2-1)；-CD 即使在理論上有六組 氫鍵，但因為其結構中有一個葡萄糖基單元處于扭曲狀態，其圓環結構不完全對稱，六個吡喃葡萄糖單元之間只形成四個氫鍵，空腔內未形成全氫鍵帶，所以在 水中溶解度大于-CD；-CD 屬于非共平面、含有繞性結構分子，溶解度 大于-CD 和-CD。對環糊精水溶液和二甲基亞砜溶液進行研究發覺

4、，環糊 精羥基與溶劑問氫鍵相對較弱；同時 C-6 位羥基幾乎不參加分子內氫鍵形 成。第5頁三，物理性質環糊精物理性質見表 2。三種環糊精為白色結晶粉末，-環糊精水 溶解度最低，易于由水溶液中結晶提純。因為所含葡萄糖單元多少不一樣， 各種環糊精在物理性質上有很大區分。-環糊精溶解度與其它兩種環糊 精差異如此之大，主要是因為環糊精聚集體與周圍水分子相互作用力不一樣 以及在固態下晶格能差異造成。從表 2 中也能夠看出，環糊精在水中 溶解度隨溫度上升而增高，在有機溶劑中，如甲醇、乙醇、丙酮等，環糊精 不溶解。能夠溶解環糊精有機溶劑極少，所以能夠利用此性能來提純環糊 精。環糊精對熱和機械作用都相當穩定，

5、沒有固定熔點，200開始分解。 不一樣環糊精熱穩定次序為：-環糊精-環糊精-環糊精。經大量試驗 證實，環糊精本身無毒性，能夠被人體所吸收。第6頁四，化學性質（1）化學反應 環糊精含有非還原端基，普通在非還原糖判別反應中呈陽性反應。因而，它們與蒽酮呈顯色反應，該法可用于環糊精定量測定。 高碘酸鹽氧化-、-和-CD 時沒有甲酸或甲醛生成，證實環糊精分子 中不含有游離端基。一個葡萄糖單元消耗一摩爾高碘酸鹽。經過起始誘導過 程后，氧化作用速率周期性增加，起始速率按-CD 次序增加。研究 發覺非環狀糊精則沒有該誘導期。環糊精在強堿溶液中電阻與纖維素相同。（2）放射分解 -和-CD 經-射線輻射，分子斷裂

6、主要發生于 l，4-糖 苷鍵。然而，該機理不一樣于酸水解，沒有葡萄糖生成，主要產物是麥芽六糖、丙 二醛和葡萄糖酸，還有氫、一氧化碳和二氧化碳。 在水中環糊精濃度增加時會降低其降解。在稀溶液中降解類似于其酸水 解。脫氧-CD 水溶液經輻射后，在放射分解物中可檢測到葡萄糖、麥芽糖等物 質。 第7頁（4） 酶降解 環糊精有一個值得注意性質是它們對淀粉水解酶有很好抵 抗力。三因為環糊精不包含對-淀粉酶敏感端基，所以它們對-淀粉酶有很 好抵抗力。而-淀粉酶是結合分子內部，不需要自由端基，故它能夠水解環 糊精，不過水解速率很低。 除了個別環糊精，大部分環糊精不會被發酵，不會被酵母利用。關于環糊精 降解酶糊

7、已經有文件報道.。糊精能妨礙谷類-淀粉酶吸附于淀粉粒上，所以它能 妨礙淀粉孺分解作用。它們能有力抑制甜馬鈴薯-淀粉酶、菠菜葉脫支酶、 克雷伯氏菌和馬鈴薯述磷酸化酶。多粘菌素桿菌淀粉酶、米曲霉淀粉酶和豬胰淀粉酶能水解環糊精，但水解速度遲緩。（3）酸水解 部分環糊精酸水解會產生葡萄糖和一系列非環狀麥芽糖類。包 括和原環糊精含有相同數目葡萄糖單元寡聚糖。 含有完整環環糊精對酸水解 穩定性要高于非環狀糊精 2 到 5 倍，這要取決于溫度和酸性。第8頁五，修飾環糊精環糊精修飾目標及路徑 因為環糊精含有一定化學穩定性， 能夠進行立體修飾。近年來對環糊精進行修飾科研工作在國外得到重視， 并取得了突破性進展，

8、而此方面研究工作在我國也開始起步。對環糊精進行 修飾目標主要是使其含有更優良性質，提升應用效果，并開辟新用途， 歸納起來主要有以下幾方面： 引入基團增加水溶性，尤其是包結物或超分子復合體水中溶解 度； 在結合位附近構筑立體幾何關系，形成特殊手性位點； 進行三維空間修飾，擴大結合空腔或者提供有特定幾何形狀空 間，以與底物或客體分子有適宜匹配； 引入特殊基團，構筑有特殊功效超分子和自集成超分子聚集體； 融入高分子結構，取得有特殊性質新材料。第9頁比如 -環糊精進行甲基化后成二甲基-環糊精，二甲基-環糊精含有 高水溶性，在 100ml 水中溶解度達 55g。比原 -環糊精在水中溶解度提升近 30 倍

9、。藥品黃體酮在水中溶解度為 13.2gml，比在水中提升 3.1 倍，而 在二甲基-環糊精水溶液中溶解度為 gml，比在水中提升 150 倍第10頁2. 修飾環糊精種類 -，-和 -三種環糊精中，-環糊精改性研究最為廣泛。改性環糊精 按取代基性質大致可分為水溶性，疏水性及離子性三種。水溶性環糊精衍 生物產品有支鏈環糊精，甲基化環糊精，羥乙基環糊精，羥丙基環糊精，低 分子量 -環糊精聚合物(分子量為 30006000)等。疏水性環糊精衍生物產品 有乙基環糊精，乙酰基環糊精等。離子性環糊精衍生物產品有含氮陽離子性 產品及陰離子性產品，陰離子性產品如羧甲基環糊精，硫酸酯環糊精和磷酸 酯環糊精等。甲基

10、化環糊精特征為環糊精甲基化后增加了其在水中溶解度天然環糊精溶解度是隨溫度升高而增加，但甲基 化環糊精溶解度是隨溫度升高卻急劇下降。甲基化環糊精還含有吸濕性和高 表面活性特征。環糊精甲基化后仍含有大包結特征，包結物在水中溶解 度也顯著增大環糊精分子空腔外表面引入功效團后，不但改變了其原來具 有物理性質，而且還改變了它結構。X-射線結果表明，三甲基-環糊精 與 -環糊精在結構上有很大差異，甲基化后，環糊精分子空腔原來窄開口 變得更窄，而寬開口部則變得更寬。甲基化環糊精還含有立體選擇性，即同一客體分子進入甲基化環糊精分子空腔基團及幾何位置不一樣于進入母 體環糊精分子洞，這是因為甲基化結果使環糊精結構

11、扭曲更厲害，空阻 增大所致。 。第11頁六，環糊精包和特征環糊精包合物制備、結構、性質和應用研究是環糊精化學一個主要 內容。作為一個簡單有機大分子，環糊精含有與范圍極 其廣泛各類客體，比如有機分子、無機離子、配合物甚至惰性氣體，經過 分子間相互作用形成主客體包合物。 環糊精在藥品、 香料和調味劑增溶、 改性以及分子包裝方面，已向世人展示了遼闊應用前景。環糊精與有機客體包合作用 與客體分子形成包合物是環糊精最主要性質之一，所謂“包合”就是主 體與客體經過分子間相互作用，完成彼此間識別過程，最終使得客體分子 部分或全部嵌入主體內部現象。2. 環糊精與過渡金屬配合物包合作用第12頁最早發覺環糊精作為

12、主體能夠對過渡金屬配合物產生識別作用形成第 二配位層化合物是 Breslow1975 年 Breslow 報道二茂鐵及其衍生物與 -CD 作用形成了 11 型主-客體包合物， 并聲稱二茂鐵分子插入了環糊精分 子內腔。深入研究結果證實環糊精確實對二茂鐵有很強識別能力， Harada 和 Takakashi 依據園二色譜探討了二茂鐵在 -、 和 -CD 內腔中 -、 取向，經過制備二茂鐵及其衍生物環糊精包合物，他們發覺 -CD 與客體 形成 21 型包合物，茂基平面幾近與 -CD C-6 軸垂直；-和 -CD 與客 體形成 11 型包合物，前者茂基平面差不多與 -CD C-7 垂直，而后者 茂基平

13、面則幾乎與 -CD C-7 軸平行。這表明三種環糊精二茂鐵包合物 有著不一樣空間構型第13頁七，環糊精應用環糊精是由環糊精葡糖基轉移酶作用于淀粉所產生一組環狀低聚糖， 薛定諤（Schardinger)完成了確定 CD 結構研究，因為 CD 含有“內疏水， 外親水”分子結構，又因 CD 是手性化合物，這種特殊分子結構賦予 CD 與 各種客體化合物形成包合物能力，由此而形成主客體分子化學，從而使 CD 在食品工業，藥品工業，分析化學，日用化學品，農業，環境保護等領域有著非常廣泛應用。第14頁（2） 用于光譜分析 -CD 對顯色反應含有一定作用。研究結果表明，-CD 對顯色反應 主要特點20有： a

14、. 吸收光譜波長普通改變不大； b. 增敏作用：增敏作用主要原因是 -CD 與顯色配合物形成包合物， 抑制金屬離子水解，增強其反應活性； c. 有增溶、增穩作用； d. 對一些顯色體系， 能提升選擇性， 這是因被測金屬離子顯色配合物 和干擾離子配合物被 CD 包合難易和包合程度不一樣緣故。環糊精在分析化學上應用 （1） 用于色譜分析 CD 包合物形成，因為其包合物穩定性及對客體結構和大小依賴 性，造成了 CD 在色譜分離中應用所產生高選擇性。因為 CD 是手性化合 物，可進行分離異構體，其伎倆包含薄層色譜、氣相色譜、高效液相色譜、親和色譜、超臨界流體色譜及毛細管電泳色譜，就使用方法而言，可做固

15、定 相(包含被交聯固定化固定相)、流動相及電泳電解質溶液添加劑。 比如用 2，6-二戊基-3-三氟乙酰化(DP-TFA) -，-和 -CD 制備手性毛細管氣相 色譜柱，并用來拆分了 150 多對映體，在高效液相色譜上，CD 作為流動組 分或固定相。第15頁（4） 用于電化學分析 一是用電化學方法來研究 CD 包合物電化學性質，另外，在電化學分析中，應用 CD 主要致力改進體系選擇性。電化學分析諸方法中 CD 應用相對集中于極譜和伏安法。（3） 用于熒光和磷光分析 -CD 環糊精與被檢測分子形成包合物，可增加被檢測分子熒光或磷 光強度，這對提升熒光或磷光分析靈敏度含有十分主要意義。但 -CD 環

16、糊精熒光增強作用受到其溶解度限制，若改用水溶性 -CD 環糊精， 將大大提升熒光分析靈敏度。第16頁2，環糊精在藥品改性中應用CD無毒、無味、對人體無害，是最為適當一個藥品載體，所以在藥品改性 上應用較廣。藥品經過與CD形成包絡物來提升藥品溶解度和穩定性，以增強其,生物利用度，緩減藥品對胃腸刺激，消除一些藥品異味。（1）增加藥品溶解度，提升藥品生物利用度。 一些藥品如灰黃霉素 ， 安體舒通， 苯巴比妥， 4一聯苯醋酸等， 單獨用藥時， 因為其在水中溶解度小， 生物利用度低， 但當它們和CD形成水溶性包絡物時， 溶解度大大提升。如4一聯苯醋酸形成CD包絡物后，其溶解度提升42倍，溶解 速度提升18倍,物利用度也因之太為提升。第17頁（3）降低藥品刺激性、毒性、副作用、掩蓋苦味及特殊氣味 降低藥品刺激性 等大蒜油含有廣泛藥理作用，是一個很有發展前途中藥。因為大蒜油含有 不良氣味，對胃腸道刺激性大且易揮發，遇光和熱不穩定。用一CD對大蒜油進 行包