β-环糊精与克百威包合作用的研究

张 颖, 崔 巍, 程庆红, 周晓婷

(抚顺职业技术学院化工系,辽宁抚顺113006)

β-环糊精与克百威包合作用的研究

张 颖, 崔 巍, 程庆红, 周晓婷

(抚顺职业技术学院化工系,辽宁抚顺113006)

采用固相共研磨法和饱和水溶液法合成β-环糊精和克百威的包合物,通过红外、紫外和荧光光谱对其结构和性质进行了表征;利用紫外光谱研究了不同浓度下β-环糊精溶液对克百威溶解度的影响,绘制出相溶解曲线图以确定β-环糊精和克百威之间形成物质的量比为1∶1的包合物。利用克百威的内源荧光特性,根据包合前后以及在不同温度下荧光强度变化,结合Stern-Volmer方程,获取不同温度下β-环糊精和克百威之间的结合常数Kc;热动力学方法研究温度对包合反应的影响,根据热力学参数得出包合反应是自发熵和焓共同驱动过程。

β-环糊精; 克百威; 相溶解度法; 包合物; 光谱分析; 热力学

克百威(Carbofuran)是一种氨基甲酸酯类高毒杀虫剂,具有环境激素效应,由于它在水中溶解度小,因而在使用时很容易造成环境农药残留问题。如何解决这一问题,是人们关注的热点[1]。环糊精(Cyclodextrin,简称CD)是由6个以上D-吡喃葡萄糖单元以α-1,4-糖苷键连接而成的筒状分子,它内腔疏水和外端亲水的特殊结构使它与许多有机、无机物进行包合反应形成超分子化合物,进而改变这些物质的性能[2-3]。许多研究人员利用环糊精这个特点研究医用药物与环糊精的包合,从而起到改善药效的作用[4-6]。然而,环糊精与农药包合的研究相对较少,如果把这种方法应用到农药的包合上,可以有效增加农药的水溶性,降低它们在环境中的残留。本文在参照药物与环糊精包合物制备和表征方法的基础上,从环境保护角度出发,研究环糊精-克百威的包合物,考察β-CD对克百威的增溶作用,为增大克百威在环境中的稳定性及提高其生物可利用度提供一定的理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Cary Eclipse荧光分光光度计、Cary 5000紫外可见分光光度计、温度控制器,美国瓦里安公司生产;AVA TAR-330傅立叶变换红外光谱仪,美国热电公司生产。

β-环糊精(β-CD),分析纯,北京奥博星生物技术责任有限公司;克百威(质量分数≥98%),沈阳化工研究院提供;标准磷酸盐缓冲剂(p H=6.8),天津市科密欧化学试剂有限公司;实验中所用水均为二次去离子水。

1.2 包合物的合成及表征

按物质的量比为1∶1(质量比约为1∶5)分别称取适量克百威和β-CD,将二者混合于研钵中,均匀研磨24 h,即可形成包合物,用红外光谱进行表征。

1.3 紫外光谱测定

精确称取克百威对照品,用少量乙醇溶解后加入p H=6.8的磷酸盐缓冲液,使介质为体积比为1∶1乙醇-磷酸盐缓冲体系。配制浓度在1.0×10-5～2.0×10-4mol/L的系列溶液,以试剂空白为参比,在波长275 nm处测定吸光度。以吸光度对浓度进行线性回归,绘制标准曲线。

配制p H=6.8的磷酸盐缓冲液,向其中加入不同物质的量的β-CD配制成0,3.16×10-3,6.32×10-3,9.48×10-3,12.64×10-3mol/L的β-CD溶液。将过量的克百威粉末加入上述溶液中,超声30 min,置于恒温加热磁力搅拌器搅拌48 h。待溶液达到平衡,取上清液用0.22μm微孔滤膜过滤,滤液稀释200倍,在275 nm处测吸光度。

1.4 荧光光谱测定

用溶液-搅拌法制备含有不同浓度β-CD(0.4×10-4～3.0×10-4mol/L)的药物包合物,药物浓度均为1.0×10-4mol/L,介质为p H=6.8的磷酸盐缓冲溶液,控制温度分别为293,303,310,318 K,以λ在224 nm和240～450 nm分别测定不同温度下的荧光光谱。

2 结果与讨论

2.1 β-CD对克百威的增溶实验

2.1.1 紫外标准曲线的绘制 图1为β-CD在不同浓度下,克百威饱和溶液的紫外吸收光谱。根据图1中不同浓度所对应的吸光度值得出以吸光度(A)对浓度(c)的线性回归方程:A=0.027 90c+0.001 66,r=0.999 9。结果表明,克百威浓度为1.0×10-5～2.0×10-4mol/L时,浓度和吸光度具有良好的线性关系。β-CD存在时,克百威吸收强度不受影响,故标准曲线可以用于包合物存在下克百威共存体系的测定[7]。

2.1.2 平衡相溶解度曲线绘制 按外标一点法计算药物浓度,以β-CD浓度为横坐标,药物浓度为纵坐标,绘制平衡相溶解曲线,结果见图2。

Fig.1 UV-spectra of saturated solutions of carbofuran in the presence ofβ-CD图1 克百威饱和溶液的紫外吸收光谱

Fig.2 Phase solubility curves of carbofuran inβ-CD图2 克百威在β-环糊精溶液中的相溶解曲线

由图2可知,克百威的溶解度随着β-CD浓度的增大而显著提高,表明β-CD对克百威有较好的增溶效果。根据Higuchi T等[8]的分类,相溶解度图通常分为A型和B型。A型是药物浓度随包合材料浓度增大而增加,表观为增溶作用,可进一步分为3个亚型:AL,AP,AN。若包合材料对药物以物质的量比为1∶1进行包合,相溶解度图呈线性增加,为AL,而AP,AN分别为线性增加的正偏差和负偏差。B型又分为BS,BL两个亚型,BS为药物随包合材料浓度增大先上升,再经历平台期,最后由于微晶态包合物沉淀而下降,BL型为药物随包合材料物质的量浓度增大而起初浓度不变,然后逐渐下降,表明难溶性包合物的形成。图2中克百威的相溶解度图呈线性增加,所以为AL型,β-CD对克百威是以物质的量比为1∶1进行包合。

2.2 荧光光谱分析

2.2.1 包合物结合常数 克百威具有内源荧光特性,当它与β-CD形成包合物以后,克百威分子包入环糊精的空穴中,分子运动会受到相应的限制,而荧光强度有所增强。图3为293 K时在不同浓度的β-CD溶液中克百威的荧光光谱。从图3中可以看出,在一定浓度的克百威溶液中,随着β-CD浓度的增加,荧光强度成增长趋势。结合Stern-Volmer方程(1)可求得包合物的稳定常数,即

式中,F0和F分别为药物溶液和包合物溶液的荧光强度;cCD是CD总浓度,mol/L;Kc为包合物的稳定常数。采用荧光光谱法测定4个温度下β-CD对克百威的荧光增强情况,获取了包合物的稳定常数,结果见表1。

Fig.3 Fluorescence spectra of carbofuran in the presence ofβ-CD图3 克百威在不同浓度的β-环糊精溶液中的荧光光谱

2.2.2 包合作用 环糊精主、客体分子间包合作用力的主要来源是分子间存在的范德华力、疏水-疏水作用力、氢键作用力等,故可以采用热动力学的方法来分析包合过程。包合反应的形成常数随温度的变化而变化,它是重要的热力学参数之一。在温度变化范围不太大时,可以把反应焓变看作一个常数,根据Van’t Hoff方程,由稳定常数求得反应的ΔG,ΔH和ΔS,结果见表1。由表1可知,当温度从293 K升高到318 K时,稳定常数随着温度的升高而降低,这说明温度升高,包合物可能趋于离解,客体分子又从环糊精腔内重新进入水相,包合物的稳定性降低。ΔH＜0,反应为放热反应,故随着温度的升高,包合过程朝反方向移动。因此,包合反应适宜在低温下进行。ΔG＜0说明包合过程在所研究的温度范围内是一个自发过程。ΔS＞0说明β-环糊精与克百威的包合过程是熵控制的包合过程,熵控制也证实了过程中疏水相互作用发挥着重要的作用[9]。

2.3 红外光谱分析

图4为β-CD、克百威、β-CD和克百威混合物及β-CD和克百威包合物的红外光谱。由图4可知,克百威上羰基振动吸收峰在1 719.0 cm-1,β-CD和克百威混合物中羰基振动吸收峰没有移动,而在β-CD-克百威包合物中羰基振动吸收峰向长波数方向移动到1 729.5 cm-1,而且强度减弱,这是由于在β-CD克百威包合物中形成氢键的作用[6]。红外光谱进一步证实包合物的形成。

Fig.4 IR spectra of samples图4 样品的红外光谱

表1 不同温度下β-环糊精-克百威包合物的稳定常数和反应的热力学参数Table 1 The binding constantsand the rmodynamic parameters of the inclusion complex of carbofuran-β-CD

[1］Monti S,So rtino S.Photoprocesses of photosensitizing drugs within cyclodextrin cavities[J].Chem.soc.rev.,2002,31(5):287-301.

[2］周海霞,何淼,刘春生,等.表面活性剂和质子酸协同催化合成3,4-二氢嘧啶-2-酮[J].辽宁石油化工大学学报,2006,26(1):16-18.

[3］马明明.丝素肽和β-环糊精包合作用及表面活性剂影响[J].光谱实验室,2009,26(4):970-973.

[4］M ieusset J L,Krois D,Pacar M.Sup ramolecular recognition and structural elucidation of inclusion complexs of an achiral carbene precursor inβ-and permethylatedβ-cyclodextrin[J].O rg.lett.,2004,6(12):1967-1972.

[5］常希俊,黄艳,贺群.铱(IV)离子与人血丙种球蛋白的作用研究[J].化学学报,2005,63(3):223-228.

[6］Villaverde J,Morillo E,Perez-Martinez J I,et al.Preparation and characterization of inclusion complex of no rflurazon andβ-cyclodextrin to imp rove herbicide formulations[J].J.agric.food chem.,2004,52(4):864-869.

[7］Ross P D,Subramanian S.Thermodynamics of p rotein association reactions:forced contributing to stability[J].Biochemistry,1981,20(11):3096-3102.

[8］Higuchi T,Conno rs K A.Phase solubility techniques[J].Adv.anal.chem.instr.,1965,4:117-172.

[9］童林荟.环糊精化学-基础与应用[M].北京:科学出版社,2001.

(Ed.:SGL,Z)

Inclusion Complexes ofβ-Cyclodextrin with Carbofuran

ZHANG Ying,CU IWei,CHENG Qing-hong,ZHOU Xiao-ting
(Department of Chem ical Engineering,Fushun Em p loyee Technique College,Fushun L iaoning113006,P.R.China)

The inclusion compounds of carbofuran withβ-cyclodextrin(β-CD)were prepared by kneading method and aqueous-solution method.The properties of the compound were investigated by FT-IR spectra,UV-vis spectra and Fluorescence spectra.The solubility of carbofuran in aqueous solution increased in the presence ofβ-cyclodextrin due to comp lex using UV-spectrophotometric measurements.The results show that 1∶1 inclusion complexes are formed betweenβ-CD and carbofuran.The intrinsic fluorescence of carbofuran can be enhanced byβ-CD.The binding constants are obtained according to the Stern-Volmer equation.The corresponding thermodynamic parameters ΔH,ΔGand ΔSare calculated.Their values suggested that enthalpy and entropy are the main driving force for the inclusion reaction.

β-Cyclodextrin;Carbofuran;Phase solubility method;Inclusion;Spectral analysis;Thermodynamics

.Tel.:+86-413-7510457;e-mail:zhangying7655585@163.com

TQ316.3;O657.32

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.013

2010-11-08

张颖(1972-),女,山东潍坊市,副教授,硕士。

辽宁省教育厅项目(20060687)。

1006-396X(2011)02-0050-04

Received8November2010;revised28February2011;accepted16M arch2011