超分子化学导论：环糊精.pdf

环糊精 环糊精(Cyclodextrins ，通常简称为CD)，是一类由D- 吡喃葡萄糖单元首尾相连成环的大环化合物，是继冠醚 以后超分子化学研究的第二代主体化合物。 特点及应用 • 首先，这类化合物是较易得到的半天然产物，可 以通过淀粉的酶促降解大量制备； • 其次，对于合成化学家来说，这种化合物化学性 质稳定，可以进行各种选择性修饰； • 第三，环糊精的空腔可以提供与模型底物结合的 空间，当底物分子与环糊精形成包结配物后，其 化学反应性能以及光、电、磁等物理性能在特定 情况下有可能发生改变； • 第四，环糊精没有毒性(或低毒性)，并可以在生 物体内降解，因此可以作为脂溶性药物载体、食 品添加剂、化妆品填料在工业技术上得到应用。 环糊精的结构 环糊精的修饰 对环糊精的修饰可以采取以下基本策略进行：(1)从羟基直接进行修饰； (2)将环糊精分子的羟基选择性地转变为亲核性更高的基团，然后与亲电 性分子缩合；(3)将环糊精分子的羟基选择性地转化为可离去基团，与亲 核性分子反应；(4)利用其他特殊化学反应进行修饰。环糊精主面和次面 上的羟基活性不同，因此在某种情况下可以利用羟基活性差异进选择性 修饰。 6位单取代环糊精的制备 3.2．2位和3位单取代环糊精的制备 环糊精上羟基的反应活性顺序为6-OH，2-OH，3- OH，而酸性顺序则为2-OH，3-OH＞＞6-OH 。因此， 适当控制反应条件可以得到有特定选择性的环糊精修 饰产物。以吡啶作为溶剂时，环糊精分子上各羟基的 反应次序由相应羟基的反应活性顺序决定，与亲电试 剂反应所得的产物主要为6位修饰物：而以碱性溶液作 反应溶剂时，环糊精分子上各羟基的反应次序由相应 羟基的酸性强弱顺序决定，所得产物主要为2位及3位 衍生物。 多取代环糊精的制备 双取代衍生物的重要中间体 环糊精的客体识别方式 • 一种是“内识别”(Endo-recognition) 作用力主要有范德华力、疏水作用力、色散力等。 • 另一种是“外识别”(Exo-recognition) 作用力主要是氢键。 环糊精与客体分子包接配合物的形成，使环糊精空腔内水分子的释放，主-客体间 弱键的形成，客体分子的脱溶剂化及溶剂分子重组的协同过程。 环糊精与水分子包结物 天然环糊精的包结配位作用 1、尺寸效应：环糊精的空腔由于边缘羟基间的氧键网络作用而具有一定的 刚性，因此，客体分子与空腔间的尺寸匹配在决定主-客体间所形成配合物的 稳定性中起重要作用。α-环糊精的空腔尺度适于包结单环芳烃(苯、苯酚 等)，β-环糊精的空腔尺度与萘环的尺度相匹配，γ-环糊精与蒽、菲等三环 芳烃结合最稳定。 溶剂对环糊精包结配位作用的影响 已经有很多实验结果表明溶剂影响环糊精对客体分子的 包结配位能力，在某些情况下还可以改变主-客体间的包 结配位模式。 在环糊精超分子体系中，随着溶剂极性的降低，常常可以观察到主-客体间 所形成配合物的稳定性也随之下降 介质酸碱性的影响 修饰环糊精的特殊识别功能 D-色胺酸的构型与主体匹配，可以形成更稳定的超分子配合物 酸碱性的影响 主-客体间的静电相互作用增强配合物的稳 定性在分子识别中有重要意义 手性识别 当化合物的生色基为一非手性分子(或外消旋体)的一部分时，该分子的 不对称性可以由一个外部的介质所诱导，而这种介质在同一光谱区域 并无吸收，这时可以产牛诱导的圆二色谱(ICD)。环糊精的空腔具有一 定的手性，当客体分子或取代基的非手性生色基团包结进入环糊精空 腔时，也可以在相应的跃迁带产生ICD光谱，根据ICD光谱的形状可以 初步推断生色基相对于环糊精空腔的位置以及修饰环糊精的构象。 Hatano等总结出一条环糊精诱导客体分子产生圆二色信 号的经验规则：当客体与环糊精形成包结配合物后，生色 基的跃迁偶极项如果平行于环糊精的对称轴(即环糊精空 腔的轴线) ，则该跃迁的诱导园二色cotton效应信号为正 值；而如果跃迁项垂直于环糊精的轴线，则相应的cotton 效应信号为负值。 环糊精包结芳香碳氢化合物的扇形规则 处于环糊精空腔外的生色团的ICD与腔内的情况相反 分子识别的机理