方興未艾的環(huán)糊精化學*

李 東 張惠玲

（1西安交通工程學院，陜西西安 710300；2陜西學前師范學院，陜西西安 710100）

環(huán)糊精(Cyclodextrin，簡稱CD)是直鏈淀粉在由芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉移酶作用下生成的一系列環(huán)狀低聚糖的總稱，屬第二代超分子大環(huán)主體化合物。環(huán)糊精通常含有6～12個D-吡喃葡萄糖單元，其單元均以1,4-糖苷鍵形式首尾相連，其結構酷似沒有底的圓錐形桶狀物。依據(jù)苷鍵的結合方式不同，環(huán)糊精還可分為α-環(huán)糊精、β-環(huán)糊精和γ-環(huán)糊精。環(huán)糊精類物質是由Villies在1891年首先發(fā)現(xiàn)的，其研究在上世紀60年代得到了迅猛發(fā)展。由于環(huán)糊精較小開口端自由羥基的存在使其具有親水性，而空腔內由于受C-H鍵的屏蔽作用形成了疏水區(qū)。由于其大小不同的空腔可選擇性地絡合大小不同的金屬離子、無機有機分子及難溶于水的物質，因而在催化科學、分析分離科學、染料科學、日用化工、石油化工、地礦科學、化妝品科學、香精科學、食品科學以及醫(yī)藥學等眾多領域得到了廣泛的應用，并在21世紀的熱點學科如生命科學、環(huán)境科學、信息科學、材料科學、納米科學、航空航天等領域均彰顯出廣闊的應用前景。同時在工業(yè)、農業(yè)、國防建設及新時代現(xiàn)代化建設的各個領域也凸顯出廣泛的應用價值。目前已形成為一門新興的熱門邊緣學科—環(huán)糊精化學。

1 新型環(huán)糊精衍生物的合成及在材料科學中的應用

1.1 新型蒽修飾的γ-環(huán)糊精衍生物的合成及應用

研究表明，利用主客體相互作用構筑超分子聚合物是超分子組裝研究中的熱點問題之一[1]。多金屬氧簇作為一種無機納米分子，其聚合反應也是其難點[2]。吉林大學的關偉明等人認為，當蒽分子與γ-環(huán)糊精以1:2結合時具有加速光環(huán)合反應的效果。為此，他們設計并合成了一種蒽雙側修飾的Anderson型多金屬氧簇物質，并通過離子替換的方式使其具有水溶性。他們在水中加入γ-環(huán)糊精后，成功地利用主客體作用構筑了一種新型線性的超分子聚合物，并通過進一步自組裝形成了纖維狀結構。隨后，他們當利用365nm的紫外光照射時，超分子聚合物實現(xiàn)了聚合反應而轉化為共價聚合物。光譜學表征證明該蒽修飾的多金屬氧簇可以成功地發(fā)生光環(huán)合反應。他們還通過核磁可以清楚地看出，相比于單體在溶液中的直接聚合，加入了γ-環(huán)糊精后光環(huán)合效率有顯著的提升。這為實現(xiàn)多金屬氧簇的高效聚合和獲得雜化一維超分子聚輪烷提供了一種新方法[3]。該研究將在超分子化學、有機合成化學、金屬有機化學、納米科學、材料科學及光化學等研究中得到應用。

1.2 新型橋聯(lián)環(huán)糊精與二聚偶氮苯單層二維超分子有機骨架的構筑及應用

溶液態(tài)自組裝形成結構確定的二維超分子有機骨架是目前超分子化學研究的一個熱點[4]。為此，吉林大學的姜鳳瑞等人設計合成了一種新型三橋連環(huán)糊精與二聚bola型偶氮苯表面活性劑，通過二者之間在水溶液中的主客體相互作用，最終形成第一例以環(huán)糊精為主體的二維超分子有機骨架，其環(huán)糊精的手性可通過主客體相互作用傳遞到偶氮苯分子上。他們還通過紫外光照和可見光照，動態(tài)調控了有機骨架的組裝與解組裝行為[5]。該研究豐富了超分子有機骨架的構筑基元，為今后二維骨架材料的合成和應用開辟了新的道路[6]。該研究將在材料科學、有機合成、超分子合成及主客體化學等領域得到應用。

1.3 新型三橋聯(lián)環(huán)糊精二維骨架超分子膜的構筑及應用

研究表明，橋聯(lián)環(huán)糊精具有水溶性好、生物相容性優(yōu)良、可結合并增溶有機客體分子等優(yōu)點，故是一種優(yōu)秀的結構構筑基元[7]。由于Anderson型多金屬氧簇具有易于修飾、結構穩(wěn)定、水溶性好及抑制客體基團聚集等特點[8]，為此，吉林大學的高博等人設計合成了以三苯基苯為中心，通過CuAAC點擊反應與環(huán)糊精相連的三橋聯(lián)環(huán)糊精。將橋聯(lián)環(huán)糊精與偶氮苯修飾的多金屬氧簇相結合獲得雙頭客體雜化體。將雙頭客體組分通過與三橋聯(lián)環(huán)糊精的主客體相互作用，獲得二維骨架結構超分子組裝體。他們還通過核磁等方法對水溶液中主客體結合作用力進行了確認，通過透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡等實驗手段，觀察到了水溶液中二維組裝體結構的存在，從而表明應用橋聯(lián)環(huán)糊精和多金屬氧簇的橋接，成功地制備了一種二維結構材料。該材料將在納米尺寸生物分離、自修復等領域得到良好應用[9]。該研究將在材料科學、主客體化學、超分子合成、有機合成及分析分離科學中得到應用。

2 新型環(huán)糊精衍生物的合成及在醫(yī)藥學中的應用

2.1 環(huán)糊精參與的甲基乙烯基醚馬來酸交替共聚物超分子水凝膠的制備及其生物醫(yī)學應用

實驗表明，甲基乙烯基醚馬來酸交替共聚物(P(MVE-alt-MA）)是一種具有良好生物相容性的高分子材料，已經(jīng)廣泛應用于健康保健和醫(yī)藥領域[10-11]。為此，東南大學的馬曉娥等人應用β-環(huán)糊精（β-CD）和偶氮苯(Azo)（或金剛烷Ad）之間的主客體相互作用合成了P(MVE-alt-MA)超分子凝膠，并研究了其外界刺激響應性和應用。首先他們分別制備了主體大分子鏈（H-P），即β-環(huán)糊精接枝的P(MVE-alt-MA)（P(MVE-alt-MA)-g-β-CD），和客體大分子鏈（G-P），即偶氮苯(Azo)（或金剛烷Ad）接枝的P(MVE-alt-MA)（P(MVE-alt-MA)-g-Azo或P(MVE-alt-MA)-g-Ad），然后將H-P和G-P按照一定濃度和比例混合即 可 形 成 P(MVE-alt-MA) 超分子 凝 膠 ，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,并應用二維核磁（2D-NOESY）證實了超分子凝膠的形成。該類P(MVE-alt-MA)超分子凝膠不僅對光刺激響應有反應、而且對pH和溫度均具有敏感性，并且有一定的自修復性能。故所獲得的超分子凝膠具有良好的細胞相容性，因而適合作為三維細胞培養(yǎng)支架[12]。該研究將在醫(yī)藥學、材料科學、分析分離科學、生命科學及超分子化學的研究中得到應用。

2.2 新型長鏈分子與修飾過的β-環(huán)糊精自組裝超分子雙親物的構筑及應用

近年來，超分子兩親物的囊泡被廣泛用于體內或體外的抗腫瘤藥物靶向輸送引起了人們濃厚的研究興趣。超分子雙親物囊泡可以在體內或體外刺激響應性于pH離子、谷胱甘肽、精胺等，這些刺激與腫瘤細胞緊密相關，從而使超分子囊泡可以很好地實現(xiàn)腫瘤的靶向治療[13]。目前，對于超分子囊泡的研究靶向性單一、毒性也大、裂解后的產(chǎn)物不能被生物降解而在體內停留時間較長。為此，昆明理工大學的李凡結等人利用一條無毒易代謝的長鏈分子與修飾過的β-環(huán)糊精通過自組裝形成了一個新型超分子雙親物。其中設計的長鏈可以在弱酸性、谷胱甘肽刺激下斷裂，這樣可以有效自主的控制超分子囊泡的形成與裂解。由于腫瘤細胞的微環(huán)境呈現(xiàn)弱酸性，故將抗腫瘤藥物封裝在該超分子囊泡中，可以將藥物靶向運輸?shù)侥[瘤細胞處并釋放出來。該研究表明其藥物載體能高效地運輸抗腫瘤藥物，且具有細胞毒性很低等優(yōu)點。通過pH值的改變還可以實現(xiàn)該藥物載體的自解/組裝及降解功能。由于該藥物載體具有諸多優(yōu)點，故可用于腫瘤靶向治療中[14]。

2.3 新型環(huán)糊精雷公藤甲素包合物的形成及應用

研究表明，雷公藤甲素（Tri）具有顯著的抗腫瘤、抗炎、抗生育、免疫抑制、止痛、抗菌等多種生理活性，但由于其毒副作用較大、水溶性較差且生物利用度較低，因而使其開發(fā)和應用受到了限制[15]。基于環(huán)糊精的聚輪烷具有毒性低、尺寸可控和獨特的結構特征，故把藥物鍵接到環(huán)糊精聚輪烷上，可以增大藥物的細胞滲透性、有效控制藥物的釋放，并改善其水溶性差、載藥量低和生物利用度低等缺點[16]，因而使得環(huán)糊精聚輪烷鍵合藥物活性分子在藥物研究方面得到廣泛關注[17]。為此，云南師范大學的趙麗娟等人將乙二胺修飾β-環(huán)糊精與聚醚胺（PPG2000）構筑成聚輪烷結構，再鍵合上具有靶向功能的葉酸（FA）分子，最后將抗腫瘤活性分子Tri接到環(huán)糊精的邊臂上，制備出了雷公藤甲素聚輪烷的組裝體，期望其成為一種優(yōu)良的雷公藤甲素載體。他們的表征實驗和抗腫瘤活性研究仍在進行中[18]。該研究將在醫(yī)藥學、材料科學、超分子化學及生命科學的等領域得到應用。

3 新型環(huán)糊精衍生物的合成及在分析分離科學中的應用

3.1 由環(huán)糊精參與的新型無機有機復合材料的合成及應用

環(huán)糊精作為一種納米尺寸的超分子大環(huán)主體分子，一方面可以與尺寸匹配的疏水有機基團形成穩(wěn)定的主客體準輪烷，同時也是優(yōu)異的納米組裝單元。為此，吉林大學的王佳旭等人利用他們設計合成的雙頭型陽離子表面活性劑與環(huán)糊精預組裝為陽離子準輪烷，在此基礎上，他們還引入多金屬氧簇組分并通過其與雙頭陽離子客體的靜電組裝，將環(huán)糊精分子封閉在多金屬氧簇陰離子作為結點封端的超分子框架內。由于環(huán)糊精對客體分子間相互作用的屏蔽效應，得到的離子骨架組裝體只在二維方向上延展。他們通過組裝結構表征可知，這種新型二維離子骨架很容易得到單層厚約為1.4nm的組裝復合材料。該新型無機有機復合材料將在粒子分離、催化、醫(yī)藥等領域得到應用[19]。

3.2 新型羥丙基-β-環(huán)糊精修飾的三維石墨烯基納米復合材料的合成及應用

研究表明，手性作為生命體的重要特征之一，其識別在醫(yī)藥、生命科學、食品科學及材料科學等領域具有重要的應用價值[20]。三維石墨烯（3D-G），因其獨特的網(wǎng)狀多孔結構，具有更好的電子傳導能力、更大的比表面積、更多的活性位點以及較好的生物兼容性等特性，故被廣泛地應用于超級電容器[21-22]、環(huán)境修復[23]以及傳感器構建等領域。為此，山西大學的戎艷琴等人首先構建了一種羥丙基-β-環(huán)糊精（HP-β-CD）修飾的三維石墨烯基納米復合材料（3D-G/HP-β-CD），實驗結果表明，羥丙基-β-環(huán)糊精功能化的三維石墨烯擁有良好的水溶性、導電性和穩(wěn)定性。他們進一步通過將該復合材料修飾在玻碳電極表面，基于環(huán)糊精對手性小分子的選擇性識別能力，構建了一種對色氨酸（Trp）對映異構體具有識別能力的電化學傳感器，并利用差分脈沖伏安法（DPV）對色氨酸對映異構體進行了檢測。該方法與已報道的類似方法相比，具有較寬的檢測范圍和較低的檢出限量，故展現(xiàn)出良好的靈敏度和選擇性。由此可見，在3D-G優(yōu)異的電化學性能和HP-β-CD獨特的手性空腔結構的協(xié)同作用下，色氨酸（Trp）對映異構體可以通過電化學傳感的方法被快速有效地識別檢測[23]。該研究將在醫(yī)藥學、生命科學、食品科學及材料科學等領域得到應用。

4 結語

綜上所述，環(huán)糊精化學作為一門植根深遠的新興熱門邊緣學科，其應用無處不有，實例難以盡舉。故環(huán)糊精作為第二代超分子大環(huán)主體化合物目前已有了長足的發(fā)展，但仍方興未艾。今后環(huán)糊精研究的重點主要將集中在以下五個方面：（1）環(huán)糊精在非熱門領域的研究，如農業(yè)生產(chǎn)和地質勘探領域；（2）環(huán)糊精及其衍生物在對反應系統(tǒng)的控制和影響方面的研究；（3）如何高效回收使用過的環(huán)糊精；（4）新型環(huán)糊精衍生物的合成、主客體超分子的自組裝及應用；（5）在國內實現(xiàn)環(huán)糊精的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，變環(huán)糊精進口國為出口國。不過我們堅信，隨著我國對環(huán)糊精化學研究的不斷深入，環(huán)糊精化學這把“萬能鑰匙”將會啟開更多的應用“鎖”，從而更好地造福于人類。