α-環(huán)糊精與二甲氨基查爾酮之間分子識(shí)別作用的紫外可見(jiàn)吸收光譜研究

羅春華，董秋靜，張晴晴，胡宏來(lái)

（阜陽(yáng)師范學(xué)院 a.化學(xué)與材料工程學(xué)院；b.環(huán)境污染物降解與監(jiān)測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 阜陽(yáng) 236037）

α-環(huán)糊精（α-CD）是由6個(gè)葡萄糖分子以α-1,4糖苷鍵連接而成的大環(huán)分子，類似的還有β-環(huán)糊精（β-CD）和 γ-環(huán)糊精（γ-CD），分別由 7個(gè)和 8個(gè)葡萄糖分子連接而成。α-CD分子體積最小，是一種兩端不封閉的圓筒結(jié)構(gòu)，并且兩端開(kāi)口大小不一，筒的外緣親水，筒內(nèi)是一個(gè)手性疏水空腔，空腔直徑為0.47～0.53 nm，高度為0.79±0.01 nm，近似容積為0.714 nm3，這種圓筒結(jié)構(gòu)也被稱作超微囊[1]。通過(guò)α-環(huán)糊精親水外緣和疏水空腔中的范德華力、疏水締合作用和氫鍵等分子間作用力，一些極性和形狀相匹配的客體分子或基團(tuán)能夠與其形成穩(wěn)定的超分子包結(jié)物，進(jìn)而改變被包結(jié)客體分子或基團(tuán)的理化特性，拓展了環(huán)糊精及客體分子的應(yīng)用領(lǐng)域[2,3]。查爾酮及其衍生物分子中含有1,3-二苯基丙烯酮結(jié)構(gòu)單元，是一種多功能性分子，在自然界中廣泛存在于紅花、甘草等植物中，在抗癌藥物、非線性光學(xué)材料、光刻膠材料等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4-15]。如查爾酮能夠抑制各種癌細(xì)胞如宮頸癌、胰腺癌、腎癌、神經(jīng)細(xì)胞癌細(xì)胞的增殖作用，可以作為抗癌藥物使用[4-7]。查爾酮分子內(nèi)具有大的共軛體系和不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)電子流動(dòng)性良好，在光計(jì)算和儲(chǔ)存、激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等有機(jī)非線性光學(xué)材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[8-10]。此外，查爾酮還可用于負(fù)性光刻膠、熒光材料、液晶材料和太陽(yáng)能敏化電池材料等光功能材料領(lǐng)域[11-15]。

由于查爾酮分子尺寸與α-環(huán)糊精空腔匹配，通過(guò)分子識(shí)別形成包結(jié)物，有助于提高查爾酮及其衍生物的水溶性；同時(shí)，α-環(huán)糊精作為一類多糖分子具有無(wú)毒能夠被人體代謝吸收等特點(diǎn)。通過(guò)分子識(shí)別形成水溶性包結(jié)物，能夠大大提高了查爾酮藥物的利用率。目前，對(duì)α-環(huán)糊精和查爾酮之間的分子識(shí)別作用還顯見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)紫外可見(jiàn)分光光度法研究二甲氨基查爾酮小分子客體以及二甲氨基查爾酮端基聚合物（PNIPAMDMAC）客體與 α-環(huán)糊精（α-CD）之間的分子識(shí)別作用，并通過(guò)Hildebrand-Benesi方程測(cè)定它們之間的結(jié)合類型與結(jié)合常數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器及材料

TU-1901紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司，掃描速度為中速，掃描間隔0.1 nm；JK-100DB型數(shù)控超聲波清洗器，合肥金尼克機(jī)械制造有限公司；PHS-3TC數(shù)顯pH計(jì)，上海天達(dá)儀器有限公司；FA1104N電子天平，上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司。

α-環(huán)糊精（α-CD），北京百靈威科技有限公司，97%，直接使用；氫氧化鈉，分析純，汕頭市西隴化工有限公司；二次去離子水，4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮[16]和端基含二甲氨基查爾酮的聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM-DMAC)[17]為實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 紫外可見(jiàn)分光光度法測(cè)定包結(jié)物結(jié)合常數(shù)

當(dāng)主體濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于客體濃度時(shí)（[CD]0＞＞[G]0），若主體與客體形成1∶1包結(jié)物，相應(yīng)的Hildebrand-Benesi方程[1,18-20]為：

若測(cè)定波長(zhǎng)的變化，則相應(yīng)的Hildebrand-Benesi方程可改寫為：

實(shí)驗(yàn)中通常固定客體濃度[G]0不變，改變主體[CD]0的濃度，以[G]0/A對(duì)1/[CD]0作圖有很好的線性關(guān)系，由截距與斜率的比值求得Ka值。或者以1/Δλ對(duì)1/[CD]0作圖求得Ka值。

若主體與客體形成2∶1包結(jié)物，相應(yīng)的Hildebrand-Benesi方程為：

以[G]0/A對(duì)1/作圖有很好的線性關(guān)系，由截距與斜率的比值求得Ka值?；蛘咭?/Δλ對(duì)作圖求得Ka值。

在本實(shí)驗(yàn)中，分別配置濃度為2.25×10-5mol/L的4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮水溶液和含二甲氨基查爾酮生色團(tuán)濃度為1.86×10-5mol/L的PNIPAM-DMAC水溶液。在上述水溶液中加入不同質(zhì)量的α-CD，此時(shí)α-CD相對(duì)二甲氨基查爾酮是大大過(guò)量的。測(cè)定在不同的α-CD含量情況下的紫外可見(jiàn)吸收光譜，求得特征波長(zhǎng)λ和最大吸光度A，通過(guò)上述Hildebrand-Benesi方程求得包結(jié)物結(jié)合常數(shù)Ka。

2 結(jié)果與討論

2.1 α-環(huán)糊精與4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮之間的分子識(shí)別作用

圖1是不同α-CD濃度下4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮水溶液的紫外可見(jiàn)吸收光譜圖，溶液的pH值為9.55。從圖中可知，隨著α-CD濃度的增加，4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮水溶液的特征吸收波長(zhǎng)由421.7 nm紅移到426.8 nm，吸光度由0.626增加到0.784。這是由于加入α-CD后，客體4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮以反式結(jié)構(gòu)通過(guò)分子識(shí)別鉆入到α-CD空腔內(nèi)形成包結(jié)物。在水溶液中4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮主要以反式結(jié)構(gòu)存在，也存在少量的順式結(jié)構(gòu)，與α-CD形成包結(jié)物后，順式結(jié)構(gòu)異構(gòu)化為反式結(jié)構(gòu)，分子共軛長(zhǎng)度增加，特征吸收波長(zhǎng)紅移，而吸光度的增加可能是由于α-CD對(duì)客體的增溶作用引起的。進(jìn)一步采用α-CD大大過(guò)量的紫外可見(jiàn)吸收光譜數(shù)據(jù)，以[G]0/A對(duì) 1/[α-CD]作圖或者以 1/Δλ對(duì) 1/[α-CD]作圖呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系見(jiàn)圖2，說(shuō)明α-CD和4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮通過(guò)分子識(shí)別形成1∶1的包結(jié)物，由公式（1-2）的Hilebrand-Benesi方程得到α-CD在pH=9.55時(shí)與客體4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮形成包結(jié)物的結(jié)合常數(shù)Ka分別為1.1×105M-1和 8.5×103M-1。通過(guò)吸光度 A獲得的結(jié)合常數(shù)要比通過(guò)特征波長(zhǎng)λ的變化求得的結(jié)合常數(shù)大很多，這可能是由于α-CD對(duì)4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮的增溶作用引起的。由于水溶液中4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮主要以反式結(jié)構(gòu)存在，反式結(jié)構(gòu)可以直接與α-CD形成包結(jié)物而特征波長(zhǎng)沒(méi)有變化，因此通過(guò)特征波長(zhǎng)確定的結(jié)合常數(shù)Ka比實(shí)際值偏小。

圖1 不同α-CD濃度下4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮水溶液的紫外可見(jiàn)吸收光譜圖（溶液pH=9.55）

圖 2 1/[α-CD]分別與[G]0/A（a）和 1/Δλ（b）的關(guān)系圖（溶液 pH=9.55）

2.2 α-環(huán)糊精與端基含二甲氨基查爾酮的聚N-異丙基丙烯酰胺之間的分子識(shí)別作用

進(jìn)一步，研究了將二甲氨基查爾酮引入到水溶性聚合物聚N-異丙基丙烯酰胺的末端（PNIPAM-DMAC），考察α-CD對(duì)聚合物中的二甲氨基查爾酮基團(tuán)的相互作用。由圖3可知，隨著α-CD濃度的增加，PNIPAM-DMAC聚合物水溶液的特征吸收波長(zhǎng)由434.4 nm紅移到441.9 nm，而吸光度基本保持0.469不變。此處水溶液中的紫外可見(jiàn)吸收來(lái)自于PNIPAM-DMAC聚合物中端基二甲氨基查爾酮基團(tuán)的吸收，由于4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮通過(guò)酯基連接到聚合物末端，其特征吸收波長(zhǎng)由421.7 nm（二甲氨基查爾酮酚鈉鹽形式）紅移至434.4 nm。與4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮和α-CD間的作用類似，α-CD的加入，使得PNIPAM-DMAC聚合物水溶液的紫外可見(jiàn)特征波長(zhǎng)紅移。通過(guò) 1/λ對(duì) 1/[α-CD]作圖（圖 4），呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，說(shuō)明α-CD和PNIPAM-DMAC聚合物中二甲氨基查爾酮端基形成1∶1的包結(jié)物，其結(jié)合常數(shù) Ka為 4.2×103M-1。4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮以小分子狀態(tài)溶解在水中，存在著部分締合狀態(tài)，導(dǎo)致α-CD的加入與其形成1∶1的包結(jié)物，促進(jìn)其解締合和增溶，吸光度會(huì)隨著α-CD的增加而增加；而將二甲氨基查爾酮引入到水溶性聚合物中后，賦予其良好的水溶性，不存在小分子狀態(tài)下的締合狀態(tài)，α-CD的加入不會(huì)引起其在水中濃度的變化，所以隨著α-CD的加入其吸光度基本保持不變。與4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮相比，α-CD與PNIPAM-DMAC聚合物的結(jié)合常數(shù)減小，這可能由于α-CD與二甲氨基查爾酮基團(tuán)形成包結(jié)物時(shí)，二甲氨基查爾酮基團(tuán)只能從α-CD大口端，以體積較大的二甲氨基這一端部分鉆入空腔中，與α-CD空腔不十分匹配，存在著一定的空間阻礙，形成的包結(jié)物不穩(wěn)定，引起結(jié)合常數(shù)減小。

圖3 不同α-CD濃度下PNIPAM-DMAC聚合物水溶液的紫外可見(jiàn)吸收光譜圖

圖 4 1/[α-CD]與 1/Δλ 的關(guān)系圖

3 小結(jié)

通過(guò)紫外可見(jiàn)吸收光譜對(duì)α-環(huán)糊精（α-CD）與二甲氨基查爾酮之間分子識(shí)別作用研究表明，α-CD與二甲氨基查爾酮基團(tuán)之間通過(guò)分子識(shí)別形成1:1的包結(jié)物。分別以吸光度和特征波長(zhǎng)的變化求得α-CD與4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮包結(jié)物的結(jié)合常數(shù)Ka分別為1.1×105 M-1和8.5×103 M-1。通過(guò)特征波長(zhǎng)獲得α-CD和端基含二甲氨基查爾酮的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAMDMAC）聚合物的結(jié)合常數(shù) Ka為 4.2×103M-1。4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮溶解在水中，存在著部分締合狀態(tài)，包結(jié)物的形成，促進(jìn)其解締合和產(chǎn)生增溶作用，吸光度增加；而將二甲氨基查爾酮基團(tuán)引入到水溶性的PNIPAM-DMAC聚合物中后，賦予其良好的水溶性，不存在小分子狀態(tài)下的締合狀態(tài)，形成包結(jié)物后其吸光度也保持不變。在α-CD與PNIPAM-DMAC聚合物分子識(shí)別中，二甲氨基查爾酮基團(tuán)只能從α-CD大口端，以體積較大的二甲氨基這一端部分鉆入空腔中，與α-CD空腔不十分匹配，存在著一定的空間阻礙，形成的包結(jié)物不穩(wěn)定，導(dǎo)致結(jié)合常數(shù)減小。而4-羥基-4’-二甲氨基查爾酮分子可以從α-CD大口端完全鉆入空腔中，形成的包結(jié)物穩(wěn)定，結(jié)合常數(shù)高。

參考文獻(xiàn)：

[1]童林薈.環(huán)糊精化學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[2]Lehn J M.Supramolecular chemistry[M].Weinheim:VCH Verlagsgesellschaft mbH,1995.

[3]劉 育，尤長(zhǎng)城，張衡益.超分子化學(xué):合成受體的分子識(shí)別與組裝[M].天津：南開(kāi)大學(xué)出版社，2001.

[4]張彥文.查爾酮類化合物的藥理作用和構(gòu)效關(guān)系[J].國(guó)外醫(yī)學(xué):藥學(xué)分冊(cè)，1996，23（4）：218-223.

[5]Ren B Z,Ablise M,Yang X C,et al.Synthesis and biological evaluation of alpha-methyl-chalcone for anticervical cancer activity[J].Medicinal Chemistry Research,2017,26(9):1871-1883.

[6]Dimmock J R,Elias D W,Beazely M A,et al.Bioactivities of chalcones[J].Current Medicinal Chemistry,1999,6(12):1125-1149.

[7]Coskun D,Erkisa M,Ulukaya E,et al.Novel 1-(7-ethoxy-1-benzofuran-2-yl)substituted chalcone derivatives:synthesis,characterization and anticancer activity[J].European Journal of Medicinal Chemistry,2017,136:212-222.

[8]趙 波，仇立干，費(fèi)正皓.4-溴查爾酮的二階非線性光學(xué)性質(zhì)研究[J].南京師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000，23（4）：67-70.

[9]Kar S,Adithya K S,Shankar P,et al.Nonlinear optical studies and structure-activity relationship of chalcone derivatives with in silico insights[J].Journal of Molecular Structure,2017,1139:294-302.

[10]Ekbote A,Patil P S,Maidur S R,et al.Structural,thirdorder optical nonlinearities and figures of merit of(E)-1-(3-substituted phenyl)-3-(4-fluorophenyl)prop-2-en-1-one under CW regime:New chalcone derivatives for optical limiting applications[J].Dyes and Pigments,2017,139:720-729.

[11]Muthusamy T,Arumugam P,Boreddy S R R,et al.Synthesis,characterization and properties of photoresponsive polymers comprising photocrosslinkable pendantchalcone moieties[J].PolymerInternational,2007,56:104-111.

[12]Si Z K,Zhang Q,Xue M Z,et al.Novel UV-sensitive bis-chalcone derivatives:synthesis and photocrosslinking properties in solution and solid PMMA film[J].Research on Chemical Intermediates,2011,37(6):635-646.

[13]Jain B B,Patel R B.Synthesis,characterization and study of liquid crystal properties of new homologous chalcone series[J].Molecular Crystals and Liquid Crystals,2016,638(1):27-34.

[14]Teo K Y,Tiong M H,Wee H Y,et al.The influence of the push-pull effect and a pi-conjugated system in conversion efficiency of bis-chalcone compounds in a dye sensitized solar cell[J].Journal of Molecular Structure,2017,1143:42-48.

[15]Wang X Y,Niu C G,Hu L Y,et al.A fluorescent ratiometric sensor based on covalent immobilization of chalcone derivative and porphyrin Zinc for detecting water content in organic solvents[J].Sensors and Actuators B-chemical,2017,243:1046-1056.

[16]董秋靜，羅春華，殷榕燦，等.具有溫度敏感和熒光特性的側(cè)鏈查爾酮共聚物的研究[J].高分子學(xué)報(bào)，2010（6）：776-781.

[17]羅春華，董秋靜，余 麗，等.具有智能熒光特性的含二甲氨基查爾酮端基的PNIPAM研究[J].高分子學(xué)報(bào)，2012（11）：1248-1256.

[18]Benesi H A,Hildbrand J H.A Spectrophotometric investigation of the interaction of iodine with aromatic hydrocarbons[J].Journal of the American Chemical Society,1949,71:2703-2707.

[19]Gramer F,Saenger W,Spatz H C.Inclusion compounds.XIX.1a The formation of inclusion compounds of α-cyclodextrin in aqueous solutions.Thermodynamics and kinetics[J].Journal of the American-Chemical Society,1967,89,14-20.

[20]續(xù) 浩，陳 亮，馬麗花.水溶液中環(huán)糊精包結(jié)物的包結(jié)常數(shù)的測(cè)定方法[J].分析測(cè)試技術(shù)與儀器，2002，8（2）：72-80.