β-环糊精及其修饰体用于液相反应综述

石东坡

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

β-环糊精及其修饰体用于液相反应综述

石东坡

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

β-环糊精修饰体主要分为全取代β-环糊精修饰体和部分取代β-环糊精修饰体2种，β-环糊精修饰体可以用于液相反应的反应模型、液相有机合成反应和液相手性有机合成反应。详细介绍了β-环糊精及其修饰体应用于液相反应研究的最新进展，并对β-环糊精及β-环糊精修饰体的反应底物选择性和催化性能进行阐述。

β-环糊精；修饰体；液相反应

β-环糊精及其修饰体作为一类重要的超分子体系，其研究随着超分子化学的迅猛发展而上升到一个新的水平。β-环糊精具有疏水的内腔和亲水的表面，它可以与有机体、无机体等客体分子形成主-客体包结物或在其表面形成配位修饰体。近年来，有关β-环糊精包结物及修饰体的研究取的了很大的进展，β-环糊精及其修饰体广泛应用于药物、食品、材料等应用领域[1,2]。由于β-环糊精及其修饰体在合适的液相反应体系中具有良好的反应底物选择性和催化性能，与传统的有机合成方法相比，其形成的产物通常具有更高的收率和选择性[3,4]。因此，有关β-环糊精及其修饰体在有机合成领域的研究日益受到人们的重视。

1 β-环糊精及其修饰体

β-环糊精是由7个D-吡喃葡萄糖单元键联而成的圆筒状大分子，其所有的6-OH(伯羟基)位于筒的小口端，所有的2、3-OH(仲羟基)位于筒的大口端。天然的β-环糊精在药物、食品、有机合成等应用领域发挥了重要的作用，为了获得更有实际应用价值的β-环糊精应用模型，有必要对其进行功能化修饰。β-环糊精修饰体主要分为全取代修饰体和部分取代修饰体2种。若对β-环糊精某一个或多个位置的7个-OH全部进行衍生化修饰就形成全取代β-环糊精修饰体[5]。若对β-环糊精某一个或多个位置的7个-OH部分进行衍生化修饰，则获得2、3、6-部分取代的β-环糊精修饰体[6～13]。

2 β-环糊精在液相反应中的应用

β-环糊精具有良好的反应底物选择性能，其“内腔疏水，外部亲水”的特性使其可以在液相反应体系中充当微观反应载体。与采用金属催化剂在有机溶剂中进行合成相比，由于β-环糊精具有良好的催化性能，不仅会加快反应速度，而且会提高目标产物的收率，并且对环境的污染也显著降低。

2.1β-环糊精用于醇类的催化氧化

醇氧化合成醛是有机合成中生成醛类物质的重要方法。文献[4]报道了以水为唯一溶剂，β-环糊精条件下水相中氧化醇合成醛的新方法。与传统的方法相比，β-环糊精条件下水相中氧化醇合成醛具有低污染、低毒害、产物容易分离等优点。β-环糊精条件下水相中氧化醇合成醛具有明显的择形性质，当反应物分子能够进入β-环糊精内腔中，反应物分子就能与氧化剂H2O2充分接触，在β-环糊精催化条件下发生氧化反应，并具有很高的反应收率。Liang[14]和Surendra等[15]也分别报道了β-环糊精条件下醇类的氧化，但是，他们在选择水作为溶剂的同时，还分别选择了有机溶剂CH2Cl2和IBX。

2.2β-环糊精用于硫醚类的催化氧化

Surendra等[16]首次报道了β-环糊精用于硫醚类的液相催化氧化反应，认为在氧化剂NBS存在的条件下，多种硫醚类有机物可以在水相中用β-环糊精作为催化剂氧化生成相应的亚砜。与传统的硫醚合成亚砜工艺相比，β-环糊精用于硫醚类的液相催化氧化反应在室温下即可以进行，并且由于采用水为溶剂，使得产物分离过程变得简单。一般硫醚在被氧化生成亚砜的同时常常伴有副产物砜，而Surendra等报道的β-环糊精用于硫醚类的液相催化氧化反应，可以使硫醚氧化停留在亚砜的阶段，产物亚砜的收率高达92%～95%。而且，β-环糊精用于硫醚类的液相催化氧化反应对环境的污染较传统方法大大降低，是一种新型的绿色合成亚砜工艺。文献[5]报道的苯甲硫醚选择性氧化成苯甲砜或苯甲亚砜，反应产物可以控制在苯甲亚砜阶段，且反应条件温和，采用水为唯一溶剂。

2.3β-环糊精用于氮杂环丙烷的开环催化反应

在pH=4和室温条件下，β-环糊精可以催化氮杂环丙烷的开环反应。反应体系中β-环糊精和反应物形成包结体，这种包结物在反应体系中存在“包结-离解”动态平衡，β-环糊精可以催化包结体中氮杂环丙烷和TBXA反应，生产立体结构的开环产物[17]。文献[17]还研究了反应物的大小、形状以及β-环糊精的包结能力等因素对开环反应的影响，发现分子较小并且能与β-环糊精分子形成稳定包结物的反应物可以有更高的反应收率。这一分析结果对设计其他的β-环糊精催化开环反应提供了参考依据。

3 β-环糊精修饰体用于液相反应的研究

功能化修饰β-环糊精由于具有独特的选择性催化能力，使其在有机合成尤其是合成旋光性物质的体系中占有重要的位置。与未改性的β-环糊精相比，修饰β-环糊精可以针对不同的体系和反应产物有目的的进行功能化修饰，具有更实际的应用价值。

3.1β-环糊精修饰体用于液相反应的反应模型

一般的改性β-环糊精都是将有利于反应进行的催化活性部位或催化剂直接修饰到β-环糊精的-OH上，通过增强β-环糊精的选择性催化反应能力来提高反应收率。Cabou等[18]设计了一个通用的修饰β-环糊精的催化反应模型，它将有机相引入到反应体系中，有机相本身不参与反应，但是可用它来集聚大量的反应底物并且及时萃取出反应产物。合适的有机物反应物分子通过搅拌的传质作用，可以进入到溶于水相中的修饰β-环糊精空腔中，与氧化剂和修饰β-环糊精的催化活性部位进行充分接触，整个反应就可以在水相中进行。反应过程中生成的有机产物通过传质作用可以被及时萃取到有机相中，反应平衡不断地被破坏，使得反应在水相中持续向有利于生成产物的方向进行。

3.2β-环糊精修饰体用于液相有机合成反应

Cabou等[18]还报道了通过修饰的RAME-β-环糊精来进行“水-有机相”二相催化反应。RNHCOOCH2CHCH2和HN(C2H5)2通过RAME-β-环糊精作用，在水相中与溶于水相中的有机金属催化剂相互接触反应，生成产物CH2CHCH2N(C2H5)2。修饰的RAME-β-环糊精与β-环糊精一样都具有底物选择性，对不同分子大小与形状的反应物具有不同的反应收率。虽然RAME-β-环糊精不是反应的直接催化剂，但是在反应体系中RAME-β-环糊精提供了反应场所，并提高了反应的活性。当没有RAME-β-环糊精存在时，反应几乎不能进行。

Blach等[19]在保留了有机相(萃取)-水相(反应)二相催化反应优点的基础上，研究了不同配位比修饰的SBE-β-环糊精对反应体系的影响。通过试验发现，当配位比n=7时，反应具有最大的反应速率并具有良好的选择性催化效果。当配位比较小的时候，水相中少量的助溶有机金属催化剂的TPPTS(P[C6H4SO3Na]3)会进入到环糊精的空腔中，从而占据部分反应场所，使反应减慢。

Rousseau等[20]通过“保护-脱保护”反应制备了6-位修饰β-环糊精(酸化和磺化)，可以用来催化糖类化合物的水解反应。Rousseau等还研究了反应各种条件并给出了可能的反应机理，发现当pH值在6～8范围内，反应能顺利进行，具有很高的转化率和收率。

3.3β-环糊精修饰体用于液相手性有机合成反应

功能化修饰β-环糊精的另一个重要作用是用于手性有机物的合成。Chan等[21]将丙二酮基键合到β-环糊精6-OH上,制备了修饰β-环糊精。通过修饰β-环糊精的选择性催化,使得改性后的β-环糊精在催化氧化环烯烃体系中产生了不能完全外消光的旋光性产物。

甲氧基丙二酮具有开环氧化环己烯类有机物的能力，但是其氧化产物包含着几乎完全外消旋的一对对映体，通过修饰β-环糊精将活性基团丙二酮基键合到β-环糊精的6-OH上，使β-环糊精和丙二酮基共同作用，成功的合成了具有旋光性质的产物，这是传统的合成方法难以达到的。

4 结 语

β-环糊精及其修饰体用于有机合成反应具有低污染、反应条件温和、常温下容易分离反应产物、反应产物具有更高的收率等优点。目前，合成特殊功能的修饰β-环糊精及将其应用于选择性催化有机反应的研究处于初步阶段，由于这一研究课题具有重要的实际应用价值，因此需要在理论和实践上进一步探索。

[1]赵彦利, 刘育.β-环糊精和α-氨基吡啶包结配合物及其自组装行为[J].中国科学(B), 2004, 34(1): 68～73.

[2]Reynaldo V，Robert C，Alex F，etal.Supramolecular assembly of -cyclodextrin-modifiedgold nanoparticles and Cu, Zn-superoxide dismutase on catalase[J].J Mol Cat B, 2005, (35): 79～85.

[3]Wei Y L, Ding L H, Dong C,etal.Study on inclusion complex of cyclodextrin with methyl xanthine derivatives by fluorimetry[J].Spect Act A，2003, (59): 2697～2703.

[4]Ji H B, Shi D P, Shao M.Transition metal-free and substrate-selective oxidation of alcohols using water as an only solvent in the presence of beta-cyclodextrin[J].Tetrahedron Lett，2005, 46(14): 2517～2520.

[5]戴荣继, 傅若农.全取代β-环糊精衍生物的合成[J].化学试剂, 1997, 19(2): 65～67.

[6]郝爱友, 童林荟, 金道森.亲脂类分子增溶剂单2-氧-(2-羟基丙基)-β-环糊精(单2-HP-β-CD)的制备及其NMR表征[J].合成化学, 1995, (3): 208～214.

[7]Rao C T, Lindberg B,Lindberg J,etal.Substitution in .beta.-cyclodextrin directed by basicity: preparation of 2-O- and 6-O-[(R)- and (S)-2-hydroxypropyl] derivatives[J].J Org Chem, 1991, 56(3): 1327～1329.

[8]Fujita K T, Yamamura H, Imoto T,etal.Specific preparation and structure determination of 3A,3C,3E-tri-O-sulfonyl-beta-cyclodextrin[J].J Org Chem, 1990, 55(3): 877～880.

[9]Rong D, Ye H P, Boehlow T R,etal.Artificial redox enzymes.1.Synthetic strategies[J]. J Org Chem, 1992, 57(1): 163～167.

[10]Ye H P, Tong D,Souza V T.Efficient catalysis of a redox reaction by an artificial enzyme[J].J Am Chem Soc,1992, (14): 5470～5472.

[11]Ashton P R, Ellwood P, Staton I,etal.Per-3,6-anhydro-.alpha.-cyclodextrin and per-3,6-anhydro-.beta.-cyclodextrin[J].J Org Chem, 1991, 56(26): 7274～7280.

[12] Kawaguchi Y, Harada A.An Electric Trap: A New Method for Entrapping Cyclodextrin in a Rotaxane Structure[J].J Am Chem Soc，2000, 12(2): 379～382.

[13]Schmitz S, Ritter H.Unusual Solubility Properties of Polymethacryl-amides as a Result of Supramolecular Interactions with Cyclodextrin[J].Angew Chem Int Ed,2005, (44): 5658～5661.

[14]Liu R H, Liang X M, Dong C Y,etal.Transition-Metal-Free: A Highly Efficient Catalytic Aerobic Alcohol Oxidation Process[J].J Am Chem Soc, 2004, 126(13): 4112～4113.

[15]Krishnaveni N S, Surendra K, Rao K R.A simple and highly selective biomimetic oxidation of alcohols and epoxides with N-bromosuccinimide in the presence of beta-cyclodextrin in water[J].Adv Synth C, 2004, 346(2-3): 346～350.

[16]Surendra K, Krishnaveni N S, Kumar V P,etal.Selective and effcient oxidation of sulfides to sulfoxides with N-bromosuccinimide in the presence of β-cyclodextrin in water[J].Tetrahedron Lett, 2005,(46): 4581～4583.

[17]Narender M，Surendra K, Krishnaveni N S,etal.Afacileregioselective ringopeningofaziridines tohaloaminesusing tetrabutylammonium halides in the presence of β-cyclodextrin in water[J].Tetrahedron Lett, 2004, (45): 7995～7997.

[18]Cabou J, Bricout H, Hapiot F,etal.Methylated-β-cyclodextrins: useful discriminating tools for substrate-selective reactions in aqueous organometallic catalysis[J].Catalysis Communications, 2004, (5): 265～270.

[19]Blach P, Landy D, Fourmentin S,etal.Sulfobutyl Ether——Cyclodextrins: Promising Supramolecular Carriers for Aqueous Organometallic Catalysis[J].Adv Synth Catal, 2005, 347(9): 1301～1307.

[20]Rousseau C, Fernando O C, Nordstrom L U,etal.Artificial Glycosyl Phosphorylases[J].Chem Eur J, 2005, 11(17): 5094～5101.

[21] Chan W K, Yu W Y ,Che C M,etal.A Cyclodextrin-Modified Ketoester for Stereoselective Epoxidation of Alkenes[J].J Org Chem, 2003, 68: 6576～6582.

[编辑] 李启栋

O643；TQ032

A

1673-1409(2009)03-N041-03

2009-05-10

国家自然科学基金资助项目(200776053)；长江大学博士科研启动基金项目(801090010116)。

石东坡(1981-)，男，2003年大学毕业，博士，讲师，现主要从事绿色化学化工方面的研究工作。