环糊精的性质和应用
The Properties and Applications of Cyclodextrins
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黄淮学院化学化工系
主要内容
环糊精的结构和主要性质 环糊精在分析分离中的应用
环糊精的结构和主要性质
环糊精（cyclodextrin，CD）的研究历史
1891年Villiers从淀粉杆菌（Bacillus amylobacter）的淀粉消化液 中分离出环糊精（木粉），但没有确证其结构 1903年，Schardinger用软化芽孢杆菌（Bacillus macerans）消 化淀粉，并用KI3鉴别，区分开α-环糊精（蓝灰色晶体）和β-环糊 精（红棕色晶体） 1932年，Pringshem发现环糊精具有识别客体分子的能力 1935年，Freudenberg和French表征了环糊精的结构，确定了环 糊精分子中只含α-1,4糖苷键 1971年，Szejtli对环糊精在医药、食品、化妆品、分析化学等领 域做了大量研究
超分子
多分子体系
自组装 自组织 有序聚集体 分子和超 分子器件
环糊精的结构和主要性质
环糊精空腔的性质 —— 包合作用
与客体分子形成包结复合物（简称包合物）是环糊精 最重要的性质之一 包合，即主体与客体通过分子间的相互作用和相互识 别，使得客体分子部分或全部嵌入主体内部的现象
CH3
CH3
+
CH3 CH3
环糊精的结构和主要性质
基于环糊精的超分子体系
超分子是基于分子间非共价相互作用而形成的有序的 分子聚集体 构成超分子结构的分子间作用力主要有氢键、配位键、 范德华力、静电相互作用以及亲水－疏水相互作用等
分子
A B 合成 受体 共价键 C D 底物 易位 功能组分 相互作用 分子间键 超分子 识别 转换
环糊精在分析分离中的应用
环糊精在对映体分离中的应用
方法 色谱方法 气相色谱 液相色谱 超临界流体色谱 电迁移方法 毛细管区带电泳 胶束电动色谱 电色谱法 毛细管凝胶电泳 等速电泳 CZE MEKC EC CGE IPT 添加进背景电解质 带电荷修饰CDs作迁移剂 ， 添加进胶束电解质体系 作迁移剂 带电荷修饰 化学键合到毛细管内壁 组合进凝胶材质中 添加前导电解质 GSC GLC HPLC TLC SFC 化学键合或固载静止相 沉淀在惰性载体上，或固相化（化学键合） 沉淀在惰性载体上，或固相化（化学键合） 液体静止相，液体修饰 液体静止相，液体修饰CDs或化学键合的选择性组分 或化学键合的选择性组分 化学键合静止相，移动相添加剂 化学键合静止相， 体系 体系中应用CDs的模式 的模式 体系中应用
环糊精的吸收、代谢与毒副作用
环糊精由于分子较大，在人体内吸收较困难，大部分 以原形排出；吸收的主要部位是小肠 环糊精的代谢主要由结肠中的菌群完成，终产物是 CO2和H2O；α-CD代谢最慢，γ-CD代谢最快 环糊精对生物的毒性轻微，经口服几乎不产生毒性； 非肠道施用时，CDs能与细胞膜组分发生作用，从而对 细胞产生伤害 环糊精在人体内长期积累会加重肾脏的负担
对热稳定，无固定熔点，加热到约200 oC开始分解； 在常温下可长期保存 CD对碱稳定，在高pH下可以成盐 CD对酸的稳定性较差，在强酸中可发生水解，水解速 率明显慢于淀粉；但在常温下的稀酸中较稳定 CD不被β-淀粉酶水解，但可被α-淀粉酶缓慢水解；一 般CD的环越大，水解速率越快
环糊精的结构和主要性质
hydrophilic surface
环糊精的结构和主要性质
环糊精的计算机模拟结构
环糊精的结构和主要性质
β-环糊精的X-射线衍射图谱解析
环糊精的结构和主要性质
环糊精分子内的氢键
成环形的全氢键带，因此分子具有较强的刚性
β-CD分子大小适中，分子内C2—OH和C3—OH之间形 α-CD中一个葡萄糖环处于扭曲构象，只形成4组氢键 γ-CD不是严格的平面型结构，分子柔性较大
环糊精的结构和主要性质
环糊精包合物稳定性的影响因素
主客体分子尺寸的匹配性：α-、β-、γ-环糊精具有不同 的空腔直径，可以选择相应大小的分子进行包合 客体分子的几何形状：即客体分子的立体效应，如不 同的取代基，以及空间位置不同的构型异构体 极性与电荷：通常强亲水性离子化客体与环糊精形成 包合物的能力较弱；弱极性的分子才能有效地与环糊 精的空腔包合 溶剂或介质：通常需要强亲水性溶剂，水是最常用的 溶剂 氢键形成：有助于提高包合物的稳定性
环糊精的结构和主要性质
环糊精在水中的溶解度
T（
oC
）
溶解度/mg CD·g -1 水 溶解度
α-CD
90 127 165 204 242 285 347 — — — — — —
β-CD
16.4 18.8 22.8 28.3 34.9 44.0 52.7 60.5 72.9 101.8 120.3 148.0 196.6
O HO HO
OH O HO
O OH O HO OH O OH O
OH O OH O
α-cyclodextrin
β-cyclodextrin
γ-cyclodextrin
环糊精的结构和主要性质
环糊精的结构
羟基—OH构成环糊精的亲水表面 碳链骨架构成了环糊精的疏水内空腔
hydrophobic cavity
环糊精在分析分离中的应用
环糊精在胶束电动书目
金征宇，徐学明等著，环糊精化学——制备与应用，化学工业出版社， 2009 童林荟编著，环糊精化学——基础与应用，科学出版社，2001 Harada A., et al., Chem. Soc. Rev., 2009, 38: 875 Davis M. E., & Brewster M. E., Nature Rev., 2004, 3: 1023 Mocanu G., et al., J. Bioactive. Compatible Polym., 2001, 16: 315 Crini G., & Morcellet M., J. Sep. Sci., 2002, 25: 789 Solms J., & Egli R. H., Helv. Chim. Acta, 1965, 48: 1225 Armstrong D. W., US 4 539 399, 1985
环糊精的结构和主要性质
环糊精的主要结构参数
参数 葡萄糖单元数 分子量 室温下水中溶解度（g/100ml） 室温下水中溶解度（ ） 空腔直径（ 空腔直径（Å） 高 （ Å） 外圆周直径（ 外圆周直径（Å） 空腔大致体积（ 空腔大致体积（Å3 ） 水中结晶形状 结晶水（wt.%） 结晶水（ ）
α-CD
环糊精在分析分离中的应用
添加环糊精改进对映体分离的主要机理
分别结合被分离溶质的一对对映体，形成不同结构和 性质的包合物 环糊精的羟基，主要是C2—OH和C3—OH，或环糊精 修饰基团与对映体以氢键形成不同结构、不同性质的 复合体 待分离对映体在环糊精空腔内应当有紧密适宜的填充， 通过短程范德华力稳定形成的包合物
6 972 14.5 4.70~5.30 7.9±0.1 ± 14.6±0.4 ± 174 六角板状 10.2
β-CD
7 1135 1.85 6.00~6.50 7.9±0.1 ± 15.4±0.4 ± 262 单斜晶平行四边形 13.2~14.5
γ-CD
8 1297 23.2 7.50~8.30 7.9±0.1 ± 17.5±0.4 ± 427 方形棱柱体 8.13~17.7
α-CD
i 0.3 i >0.1 i i i 7 i 54 2 9 1 i
β-CD
i 0.3 i 1.3 i i i 37 i 32 35 21 2 4.3
γ-CD
>0.1 208.0 >0.1 2.1 >0.1 >0.1 >0.1 — — — — — — —
环糊精的结构和主要性质
环糊精对热、酸、碱、酶的耐受性
环糊精在分析分离中的应用
环糊精在对映体分离中的应用
环糊精在对映体的分离方法上主要集中于色谱和电泳， 而且几乎覆盖了所有色谱和电泳技术 改进对映体分离主要通过两种方式
作为手性选择剂（chiral selector）添加到移动相中，这时的 移动相称为手性移动相（chiral mobile phase，CMP） 合成含环糊精的材料作为固定相或将其涂覆于载体上，或作 为毛细管内壁涂膜，这种情况下的材料称为手性固定相 （chiral static phase，CSP）
环糊精的结构和主要性质
环糊精的结构
环糊精是由环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase）作用 于淀粉而产生的一类环状低聚糖
α-1,4糖苷键相互连接 常见的环糊精主要有α-、β-和γ-CD
OH HO O O HO OH OH O HO OH O OH O HO OH OH OH O O O HO OH O OH O HO OH O HO HO OH OOH OH OH O O OH HO O OHOHO HO OH HO O OH O HO O OH O OH OH O HO HO O OH O OH O HO O OH O HO O OH O OH OH OH O OH OH O OH O O OH OH OH O O OH
环糊精在分析分离中的应用
手性色谱（HPLC）固定相
CSP的制备方法
将间隔基（spacer）接枝到硅胶上，CDs与间隔基的活性端 基反应 含间隔基的CDs，间隔基上的反应性基团与硅胶表面的硅醇 基反应 间隔基的一端键合到硅胶上，另一端键连到CDs分子上，通 过这两部分反应实现固载化
R1 R2 R3 Si O O
γ-CD
185 256 320 390 460 585 — — — — — — —
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80