微波条件下β-环糊精与间甲酚/赖氨酸的分子识别研究
第一章 序论
一、 β-环糊精包合物简介
1.1 环糊精发展进程
1891年，Villier首次从淀粉杆菌作用过的土豆淀粉里分离出环糊精，当时把它命名为cellulose。
几年后Schardinger分离出两种晶状物质，分别命名为“crystalline dextrinα”和“crystalline dextrinβ”。
20世纪30年代，便对环糊精进行了基础的研究，但发展较慢。后研究逐渐深入，证实了环糊精能形成包埋复合物，并且在一些反应中具有催化作用。
20世纪50年代，对环糊精生成酶、制取方法、环糊精的物理化学性质和研究逐渐增多，提出了许多新见解。特别是F.Cramer首先阐明了环糊精能稳定色素，继而又发现能形成包络物，从而在食品、医药、化妆品、香精等方面的应用不断扩大，其相关领域研究工作也随之活跃起来。环糊精包合物的研究逐渐趋近于成熟，开始在一些领域得到应用。
1960年日本首次进行了环糊精的中试生产，此后三十年内环糊精才真正进入了工业化生产阶段。
1.2 β-环糊精结构与性质 1.2.1 结构
环糊精(cyclodextyin，CD)是葡萄糖聚合物在环糊精葡萄糖残基转移酶
(Cyclodextringlycosyltransferase，CGTase)作用下而形成的，由6-12个D-吡喃葡萄糖基以1，4一葡萄糖苷键连接而成的环状低聚糖，α、β、γ-环糊精分别是6，7，8个D（+）—吡喃型葡萄糖组成的环状低聚物，由于α-CD分子空洞孔隙较小，通常只能包接较小分子的客体物质，应用范围较小；γ-CD的分子洞大，但其生产成本高，工业上不能大量生产，其应用受到限制；β-CD的分子洞适中，应用范围广，生产成本低，是目前工业上使用最多的环糊精产品。
β-CD的疏水性及催化活性有限，使其在应用上受到一定限制。为了克服环糊精本身存在的缺点，研究人员尝试对环糊精母体用不同方法进行改性，以改变环糊精性质并扩大其应用范围。
所谓改性就是指在保持环糊精大环基本骨架不变情况下引入修饰基团，得到具有不同性质或功能的产物，因此也被称为修饰，改性后的环糊精也叫环糊精衍生物。环糊精进行改性的方法有化学法和酶工程法两种，其中化学法是主要的。化学改性是利用环糊精分子洞外表面的醇羟基进行醚化、酯化、氧化、交联等化学反应，能使环糊
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精的分子洞外表面有新的功能团。反应程度用取代度即平均每个葡萄糖单位中羟基被取代的数量表示。酶工程法是利用环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase）或普鲁蓝酶等将
单糖或低聚糖结合到环糊精上，制成支链环糊精(歧化环糊精) 的方法。
图1.2 β-环糊精其结构
主体构像最显著的特征是有一个空腔，外部为两端不封闭且略显锥形的圆筒。环糊精的空腔可以和疏水性有机分子相互作用，形成可逆的主．客体包合物，提高疏水性客体分子在水中的溶解度，使有机反应可以在对环境友好的水中进行。同时，该空腔是富电性的，能够影响客体分子的电性环境，使反应在温和的条件下就能有效地进行。环糊精锥筒上的羟基也可以通过主客体之间的氢键作用使反应朝有利的方向进行。
环糊精的输入性空洞可以嵌入多种不同类别的化合物，形成各种不同类型的包合物，本次论文中也运用了该性质，进行了环糊精与间甲酚与氨基酸的包合研究。形成包合物，并改变被包合物质的物理和化学性质；可以在环糊精分子上交链许多官能团或将环糊精交链于聚合物上，进行化学改性或者以环糊精为单体进行聚合。
1.2.2 性质
表1.2常见环糊精的基本性质
吡喃葡萄糖单元个数
相对分子量 结晶形状 空穴直径（?） 外围直径（?）
α-CD 6 972 针状 4.7-5.2 14.6±0.4
6
β-CD 7 1,135 棱柱 6.0-6.4 15.4±0.4
γ-CD 8 1,2297 棱柱 7.5-8.3 17.5±0.4
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空腔深度（?） 空腔近似容积（nm3）
含结晶水数 熔点℃ 碘包含物结晶
状
40℃散射常数
6.7 0.174 6-7.5 295-300（分解）
蓝紫色六方板3.443
7.0 0.262 11-12 290-300（分解）
黄褐色单斜系 3.224
7.0 0.427 13.3 >300
黄色针状或四方板状
3.000
环糊精自身的理化性质在环糊精化学中占有基础性的地位。但是，限于实验技术的发展，很多这方面的参数目前仍然无法测量。其中，环糊精的偶极矩是最为引人注意的一种。
环糊精的溶解度、稳定性、结晶特性等物理性质：环糊精的溶解性：环糊精在水及其他有机溶剂中的溶解度，是一个十分重要的性质。本次试验的试管试验表明，环糊精在水中的溶解度是文都的函数，能溶解环糊精的有机溶剂很少，可以说是屈指可数，因此在包合反应时用去离子水溶解，稍微加热后就可溶解。环糊精没有固定的熔点，大约在200℃时开始溶解，这个时候可以引入修饰集团，对环糊精的侧链进行修饰。环糊精的结晶环糊精与淀粉不同的一个重要物理性质是具有良好的结晶性, α-环糊精由于水中溶解度大,不易得到晶体,但浓α-环糊精水溶液在冰箱中长时间放置能得到无色针状晶体,β-环糊精有两种不同光学性质的晶体。一种有解理纹的晶体，另一种光学性质为表面光洁。
环糊精的化学性质：
环糊精分子中存在大量的伯羟基和仲羟基，分子结构中有输水空腔和亲水边缘，因此环糊精分子具有一定的活性。环糊精可以和多种不同类型的化合物进行包合反应，生产使用价值很高的衍生物。也可以通过很多途径来对环糊精的侧链进行化学修饰，制备CD衍生物：（1）如取代1个或多个伯羟基或仲羟基上的1个或多个氢原子；（2）取代1个或多个伯羟基或仲羟基；（3）消除C5上的—CH2OH中的氢原子，使之变成—COOH基团；氧化断裂1个或多个C2—C3键。通过化学修饰生成的环糊精衍生物，可以改善环糊精本身溶解性，稳定性等特性。环糊精进行改性的方法有化学法和酶工程法两种，其中化学法是主要的。化学改性是利用环糊精分子洞外表面的醇羟基进行醚化、酯化、氧化、交联等化学反应，能使环糊精的分子洞外表面有新的功能团。反应程度用取代度即平均每个葡萄糖单位中羟基被取代的数量表示。酶工程法是利用环糊精葡萄糖基转移酶或普鲁蓝酶等将单糖或低聚糖结合到环糊精上，
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制成支链环糊精(歧化环糊精) 的方法。
环糊精主要的化学性质：输水作用，亲水性环糊精可以通过与客体分子形成超分子结构(通常是包合物) , 把亲油(憎水) 性客体物质通过水相从一个非水溶剂输运到另一个非水溶剂。分子作用识别，环糊精可以不同程度地加合疏水性不同、链长短不同、几何厚薄、宽窄不同的客体分子, 并可区分某些旋光异构体, 从而在多组分体系中有选择地和某些分子形成加合物, 这便是分子识别作用。除了以上两种较为重要的性质外，环糊精还有选择性的催化作用。
由β-环糊精的特殊结构，使得其具有以下性质： a. 空腔内由于受到C—H键的屏蔽作用而具有疏水性。
b. 空腔外部较大开口端(上端)由C2和C3的仲羟基构成，较小开口端(下端)由C6的伯羟基构成，具有亲水性。
c. 在环境中稳定，但在强酸介质中易发生裂解。有较好的热稳定性。 d. 由于其无还原端，没有还原性； e. 容易形成各种稳定的水合物，无吸湿性； f. 能在醇及水溶液中很好地结晶。
g. 可以将环糊精交链于聚合物上以环糊精为单体进行聚合或将官能团交链于环糊精分子上进行化学改性。
1.3 β-环糊精包合物的应用
利用这些特性，β-环糊精可与许多有机、无机分子结合成主客体包合物，并能改变被包合物的理化性质，具有保护、稳定、增溶客体分子和选择性定向分子的特性，因而在有机合成、分析化学、医疗食品等领域得到广泛应用。
1.3.1 在药剂合成中的应用
因其包合能力强、在人体内能被吸收、分解且安全无毒，所以作为新型药物包合材料得到广泛应用。对于药剂的制备使用β-环糊精包合有以下好处：
①增加药物稳定性，掩盖药物本身气味。例如鱼腥草与β-环糊精的包合作用,鱼腥草其味辛、性凉、入肝、肺两经、具有清热解毒、消痛排脓、利尿通淋等功效，鱼腥草油则具有消炎、杀菌、镇痛、增强免疫力等功效，但其挥发稳定性不高，容易在生产、储藏过程中挥发，且药物中有强烈鱼腥草味。于是采用其与β-环糊精进行包合。既能减少油的损失还能掩盖油本身的气味。不仅如此，还能避免外界环境中的光线、痒等对药物的影响，例如包合当归制剂，增加了制剂稳定性。
②增加药物溶解度及利用度。这是利用环糊精的亲水性，包合后能提高药物溶解性，增加吸收效果。例如前列腺素和吡罗喜康等β-环糊精包合物制剂已出现在市场。张正等研究了普罗布考胶囊(采用B-环糊精对普罗布考进行包合)在家犬体内的相对生物利用度。利用高效液相色谱法分析检测，以普通普罗布考片为参照，胶囊中普罗布
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考的相对生物利用度为(198±90)％。
③靶向和控释给药。β-环糊精与药物包合后不仅可以很好的储存药物，控制药物释放，还可以提高亲脂性药物在毫微囊中的载药量，从而使制备毫微囊成为可能，达到靶向或控释给药的目的。β-环糊精与药物包合物还可以使药物在特定区域释放，提高药效。Hirayama F等实验研究了单取代B-环糊精正丁酸在大鼠体液中的释放。实验数据显示，大鼠口服6h内，胃、小肠、大肠匀浆中均未见明显的正丁酸，而在肓结肠内容物中产生大量正丁酸。这表明β-环糊精正丁酸可在大鼠盲结肠中定位释放正丁酸。
1.3.2 在高分子聚合物中的应用
环糊精高分子(Cyclodextrin—containing Polymer，CDP)是以环糊精或经过化学改性的环糊精为基本结构单元的大分子化合物。近十多年来。由环糊精介导的新型聚合反应在改进聚合物材料原有合成工艺、调节聚合物结构、提高产物性能等方面独特优势的逐渐显现，越来越引起研究者们的重视。因环糊精的加入使聚合反应有了一定的改变，例如：
①聚合途径的改变。目前高分子聚合物合成中使用的有机单体，如苯乙烯、甲基丙烯酸酯系列等，在β-环糊精存在下，不需要引入任何有机溶剂和表面活性剂，就可以直接在水相中进行聚合反应，与传统聚合反应相比，反应速度更快，最终获得的聚合物分子量也更高。Madison P H等研究了甲基丙烯酸酯类单体在环糊精存在条件下的自由基聚合反应。实验表明，甲基丙烯酸酯单体可以直接在水相中聚合得到数均分子量达到140 000的高分子聚合物。此外，体系中使用的p环糊精可以通过简单的离心分离加以回收，回收率高80％～95％。
②聚合产物可设计性的改变。
二、微波合成技术概述
微波化学近几十年刚刚兴起的一门新交叉学科，经过短短几十年的发展，微波化
学已经渗透到有机合成、无机合成、分析化学、非均相催化、采油、炼油、冶金、环境污染治理等众多化学研究领域。随着微波合成技术的不断提高，微波化学已成为目前化学领域最活跃的领域之一。由于微波作用机理的特殊性，微波化学对很多化学领域，特别是有机台成领域带来了冲击。即在微波条件下，利用其加热速度快、反应灵敏、具有选择性、穿透性、均质等优点，应用于现代有机合成研究中的一项技术。
2.1 微波反应的发现
微波是指波长足够短, 能在发射和接收过程中实际应用波导和谐振腔技术的电磁
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