环糊精与双酚A的分子识别研究

闫 静，李 程，邵 凯，王晓彤（三友（天津）高分子技术有限公司，天津 300211）

环糊精与双酚A的分子识别研究

闫 静，李 程，邵 凯，王晓彤
（三友（天津）高分子技术有限公司，天津 300211）

分别利用β-环糊精、2-羟丙基-β-环糊精、γ-环糊精和2,6-二甲基-β-环糊精对环境内分泌干扰素分子双酚A进行包合，采用Hildebrand-Benesi方程和紫外可见分光光度计测定了环糊精包合双酚A过程的结合常数；同时利用范特霍夫方程获得4种环糊精与双酚A结合的熵变和焓变数据，根据不同环糊精分子与双酚A分子结合的热力学信息，明确了环糊精与双酚A的分子识别机制。结果表明：当常温（20 ℃）时，包结常数大小顺序为β-环糊精＞γ-环糊精＞2-羟丙基-β-环糊精＞2,6-二甲基-β-环糊精，在双酚A与环糊精的包合过程中，空间位阻效应是主要影响因素，尺寸匹配为次要影响因素；在不同环糊精与双酚A的包合过程中，其熵变ΔS＞0，其焓变ΔH＜0，升温不利于包和反应的进行。

环糊精；包合物；分子识别；主客体研究

早在1891年，环糊精就由Villiers首次从淀粉杆菌的淀粉消化液里发现，至今已有一百多年的历史。这是由环糊精葡萄糖残基转移酶（Cyclodextringlycosyltransferase，CGTase）作用于淀粉、糖原和麦芽寡聚糖等葡萄糖聚合物而形成的由6～12个D-吡喃葡萄糖基以α-1、4-葡萄糖苷键连接而成的环状低聚糖［1］。目前工业中所用的环糊精主要是α-、β-和γ-环糊精及其衍生物分别对应于6、7和8个葡萄糖单元，其中尤以β-环糊精应用相对最为广泛。近年来，聚合度从9到几百不等的大环糊精（Large-ring cyclodextrins，简称LR-CD）也引起了国内外的广泛关注，对大环糊精的制备、分离纯化、结构和性能以及应用也进行了深入的研究。本研究主要通过对β-环糊精、2-羟丙基-β-环糊精、γ-环糊精和2,6-二甲基-β-环糊精对环境内分泌干扰素分子双酚A进行包合的研究，探讨了环糊精与双酚A的分子识别机制。

1　 试验部分

1.1试验原料与仪器

双酚A（BPA），化学纯，国药集团化学试剂有限公司；β-环糊精，化学纯（纯度96%），阿拉丁试剂公司；γ-环糊精，化学纯（纯度98%），阿拉丁试剂公司；2,6-二甲基-β-环糊精，化学纯（纯度98%），上海晶纯试剂有限公司；2-羟丙基-β-环糊精，化学纯（纯度97%），上海晶纯试剂有限公司；无水乙醇，化学纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；氢氧化钠，分析纯，北京益利精细化学品有限公司。

1 000 W电炉、DGG-9070B型电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司；TU-1901型紫外-可见分光光度计，北京普析通用仪器有限公司；其余为一般实验室仪器。

1.2γ-、β-环糊精及其衍生物与双酚A包合物的制备及包合量的测定

（1）浓双酚A储备液的配制：准确称取0.125 6 g双酚A，加热溶解，置于500 mL容量瓶中定容，定容后浓度为1.1×10-3mol/L。取上述双酚A溶液20 mL于100 mL容量瓶中，定容，其浓度为2.2×10-3mol/L。

（2）β-环糊精储备液的配制：准确称取1.560 6 g β-环糊精，加热溶解后置于100 mL容量瓶中定容，定容后浓度为1.375×10-2mol/L。

（3）相同双酚A浓度、不同环糊精浓度的混合液配制：各取浓度为2.2×10-3mol/L的双酚A溶液10.00 mL分别置于5个250 mL容量瓶中，再向其中分别加入浓度为1.375×10-2mol/L的β-环糊精溶液0、2、4、6、8 mL，定容，后用浓度为0.01 mol/L的NaOH溶液调节pH值为6.0。

γ-环糊精与双酚A包合物、2,6-二甲基-β-环糊精与双酚A包合物、2-羟丙基-β-环糊精与双酚A包合物的制备过程同上。

1.3测试或表征

（1）γ-、β-环糊精及其衍生物与双酚A包合物表征及包结常数（Ka） 测定：取上述配置的γ-、β-环糊精及其衍生物与双酚A的混合溶液，分别用190～300 nm 的紫外可见吸收光对1 cm石英比色皿进行扫描，分别测定相对最大吸收波长处的吸光度A。利用［BPA］0/A=1/（Ka×ε）×1/［β-CD］+1/ε进行拟合求得Ka和 ε。

（2）γ-、β-环糊精及其衍生物与双酚A包合物热力学常数的测定：取上述配置的γ-、β-环糊精及其衍生物与双酚A的混合溶液，在不同温度下分别用190～400 nm 的紫外可见吸收光对1 cm石英比色皿进行扫描，分别测定相对最大吸收波长处的吸光度A。求出不同温度下的Ka， 利用-RTlnKa=ΔHTΔS拟合得到ΔH和ΔS（测量温度分别为20、30、40、50、60 ℃）。

2　 分析与讨论

2.1双酚A和环糊精的包结常数测定结果及讨论

BPA 和环糊精形成包结物后，其紫外可见吸收光谱吸光度及拟合曲线如表1和图l所示（其中λex=194 nm，BPA =4.4×10-5mol/L）。由 于 H-B方 程 ［BPA］0/A=1/（ Ka×ε） × 1/［β-CD］+1/ε是在假设BPA和环糊精形成1：1包结物的情况下所拟合出的方程式，而通过图1可看出，BPA与各个环糊精包合物在紫外可见光谱中的拟合曲线相关度均大于0.995，故可推知，其所形成的包合物均为1：1，且Ka分别是β-CD为1.99×105L/mol、γ-CD为1.75×105L/mol，2,6-二甲基-β-CD为3.78×104L/mol以及2-羟丙基-β-CD为1.10×105L/mol。

表1　BPA在20 ℃时分别与γ-CD、β-CD及其衍生物包合后的吸光度Tab.1　Absorbance of BPA staturated with γ-CD、β-CD and their derivatives at 20 ℃

图1　H-B方程拟合图Fig.1　Fitting chart of H-B equation

由表1和图1可知：在室温（20 ℃）下，β-环糊精与双酚A的包合物通过紫外可见吸收光谱测定其Ka=1.99×105L/mol，γ-环糊精与双酚A的包合物Ka=1.75×105L/mol，2,6-二甲基-β-环糊精与双酚A包合物Ka=3.78×104L/mol，2-羟丙基-β-环糊精a与双酚A包合物K=1.10×105L/mol。

通过分析可知，Ka越大，越容易形成包合物，故根据测定结果可知，β-环糊精与双酚A的包合效果相对最好。

通过比较还可知，Ka大小顺序为：β-环糊精＞γ-环糊精＞2-羟丙基-β-环糊精＞2,6-二甲基-β-环糊精。这可能是因为β-环糊精和γ-环糊精均无分支存在，空间位阻相对最小，而2-羟丙基-β-环糊精只含有1个羟丙基，空间位阻相对于含有2个甲基的2,6-二甲基-β-环糊精要小；在双酚A与环糊精的包合过程中，空间位阻效应是主要影响因素；此外虽然β-环糊精和γ-环糊精均无分支，但是β-环糊精和γ-环糊精的内腔尺寸具有一定的差别，尺寸匹配也是影响包合的因素之一，综合两方面的因素，Ka（ β-环糊精）＞Ka（ γ-环糊精）。

2.2环糊精与双酚A结合过程中焓变和熵变的测定及讨论

上述对于环糊精Ka的 测定均是在室温下进行的，而Ka与 温度有一定的关系。本节通过变温控制来测定不同温度下的Ka， 再通过范特霍夫方程拟合得出其热力学常数（熵变和焓变）。

表2和图2分别是在20、30、40、50、60℃时BPA和β-环糊精形成包结物其紫外可见吸收光谱吸光度及拟合曲线（λe x=194 nm，BPA=4.4×10-5mol/L）。根据H-B方程可确定BPA和β-CD形成1：1包结物，且Ka分 别为1.99×105L/mol、1.22×105L/mol、9.05×104L/mol、6.26×104L/mol和4.80×104L/mol。

表2　β-CD在不同温度下的吸光度及KaTab.2　Absorbance and inclusion constants of β-CD at different temperatures

图2 β-CD的H-B方程拟合图Fig.2　Fitting chart of β-CD for H-B equation

依据测定的β-环糊精与双酚A的包合物于不同温度下在相对最大吸收波长处的吸光度A，利用-RTlnKa=ΔH-TΔS拟合可得到其ΔH=-28 560 J，ΔS=3.596 J/K。如表3和图3所示。

同理，γ-环糊精形成包结物后，拟合得其ΔH=-193 30 J，ΔS=34.153 J/K；2，6-二甲基-β-环糊精形成包结物后，拟合得其ΔH=-3 368.7 J，ΔS=76.105 J/K；2-羟丙基-β-环糊精形成包结物后，拟合得其ΔH=-259 62 J，ΔS=7.783 8 J/K。

表3　β-CD的范特霍夫方程拟合数据Tab.3　Van't Hoff equation fitting data of β-CD

图3 β-CD的范特霍夫方程拟合图Fig.3　Fitting chart of β-CD for Van't Hoff equation

由试验结果可知：不同环糊精与双酚A的包合过程中，其熵变ΔS＞0，且焓变ΔH＜0，故可知，本研究中所有环糊精均可与双酚A分子自发进行主-客体包合。对于每一种环糊精所进行的变温测定结果也说明，升温，平衡向逆反应方向移动，环糊精与双酚A分子的结合常数减小，不利于主-客体包合的发生。对于4种环糊精，其熵变和焓变大小依次都是β-环糊精＜2-羟丙基-β-环糊精＜γ-环糊精＜2,6-二甲基-β-环糊精。由此说明，该包合反应是焓变占主导地位的自发放热反应，且β-环糊精相对最易与双酚A发生包合反应，且变温对其反应影响相对最大；2,6-二甲基-β-环糊精相对最不容易与双酚A发生包合反应，且变温对其反应影响相对最小。

3　 结论

（1）常温（20 ℃）下，Ka大 小顺序为：β-环糊精＞γ-环糊精＞2-羟丙基-β-环糊精＞2,6-二甲基-β-环糊精。在双酚A与环糊精的包合过程中，空间位阻效应是其主要影响因素，尺寸匹配也有一定影响。

（2）不同环糊精与双酚A的包合过程中，其熵变ΔS＞0，且β-环糊精＜2-羟丙基-β-环糊精＜γ-环糊精＜2,6-二甲基-β-环糊精，且反应均为自发反应。

（3）不同环糊精与双酚A的包合过程中，其焓变ΔH＜0，且β-环糊精＞2-羟丙基-β-环糊精＞γ-环糊精＞2,6-二甲基-β-环糊精。升高温度，平衡向逆反应方向移动，Ka减 小，不利于反应发生。

（4）β-环糊精相对最易与双酚A发生包合反应，且变温对其反应影响相对最大；2,6-二甲基-β-环糊精相对最不易与双酚A发生包合反应，且变温对其反应影响相对最小。

［1］王福民.环糊精及其包合物的研究与应用［J］.化工时刊,2003,17（7）：4-9.

［2］Staples C A,Dom P B,Klecka G M.A review of the environment alfate,effects,and exposures of bisphenol A［J］.Chemosphere,1998,36（10）：2149-2174.

［3］方世杰,徐明霞,黄卫友.纳米TiO2对光催化降解甲基橙［J］.硅酸盐学报,2001,29（5）：439-442.

［4］刘夺奎,董振礼.环糊精包合客体分子机理的研究［J］.染料与染色,2004,24（3）：155-157.

［5］童林荟.环糊精化学-基础与应用［M］.北京：北京科学技术出版社,2001,158-186.

［6］刘夺奎,张莹.环糊精-染料包合物的制备工艺及其应用［J］.北京纺织,2003,（4）：40-42.

［7］陶树青,陶倩玮.浅谈β-环糊精在巾药制剂中的应用及其作用机制［J］.中医药学报,2002,30（03）：49-50.

［8］赵娥,吴刚,王允亭.β-环糊精包合技术应用研究进展［J］.山东医药工业,2002,21（1）：32-33.

［9］赵晓斌,何炳林.具有包络辨识特性的功能高分子进展［J］.高分子通报,1993,6（02）：98-103.

［10］叶素芳.环糊精和环糊精包合物［J］.化工时刊,2002,16（8）：1-8.

［11］李里特,孙艳.生淀粉生产环糊精的研究［J］.食品与发酵工业,2000,26（4）：22-25.

［12］周应学,范晓东,任杰,等.环糊精―药物复合纳米粒子的制备及其控制释放研究进展［J］.材料导报,2010,24（5）：136-140.

［13］Wang Y,Zhou S L,Xia J R.Trapping and degradation of volatile nirtrosamines on cyclodextrin and zeolites［J］.Microporous and Mesoporous Materials,2004,75（4）：247-254.

［14］邱立勤,耿安利,贾培世.化学领域的前沿—超分子化学［J］.化学世界,1997,（4）：171-177.

［15］叶文虎,张勇.环境管理学［M］.北京：高等教育出版社,2006,12-31.

［16］Pringsheim H.Chemistry of the Saccharides ［M］.Mc-Graw-Hill：New York,1932,25-46.

［17］Rapp W,Freudenberg K.Advances in carbohydrate chemistry［J］.Ber Dtsch Chem Ges,1936,69：2041.

［18］Freudenberg K,Cramer F.Z.Analysis of Choral Organic Molecules：Methodology and Applications［J］.Naturforsch,1948,3b：464.

［19］Cramer F.Einschlussverbindungen（Inclusion Compounds）［M］.Springer-Verlag：Berlin,1954,189.

［20］Freudenberg K,Cramer F,Plieninger H. Cyclodextrin Technology［J］.Ger,1953,12：1564-1571.

［21］EHPD Andrea.Cyclodextrins and Their Complexes ：Chemistry,Analytical Methods,Applications［J］. Chirality,2007,19（2）：162-162.

［22］P Bortolus,G Marconi,S Monti,et al. Interaction of 4-Hydroxybiphenyl with Cyclodextrins：Effect of Complex Structure on Spectroscopic and Photophysical Properties［J］.Chemistry,2000,6（9）：1578-91.

［23］宋乐新.环糊精化学进展［J］.苏州大学学报（自然科学）,1996,12（4）：90-95.

［24］刘潇,余浩然,沈青.基于环糊精的新材料的研究进展［D］.广州化学,2011,36（3）：44-57.

［25］周应学,范晓东,任杰.环糊精―药物复合纳米粒子的制备及其控制释放研究进展［J］.材料导报,2010,24（05）：136-140.

A study on molecular recognition of cyclodextrin and bisphenol A

YAN Jing, LI Cheng, SHAO Kai, WANG Xiao-tong
（Sanyou（Tianjin）Macromolecular Technology Co., Ltd., Tianjin 300211, China）

In this paper, β-cyclodextrin （β-CD）, 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin （HP-β-CD）, γ-cyclodextrin （γ-CD） and 2,6-dimethyl-β-cyclodextrin （DM-β-CD） were used to encapsulate the environmental endocrine disruption molecule of bisphenol A. Hildebrand-Benesi （H-B） equation and UV spectra-photometer were used to determine the binding constant of cyclodextrin and bisphenol A. Meanwhile, by regression of van't Hoff plot, the thermodynamic parameters （ △H° and △S°） of these complexes' formation were obtained. Based on the thermodynamic information of molecular combinations of different cyclodextins and bisphenyl A, the recognition mechanism between cyclodextrin and bisphenol A was revealed. At room temperature （20℃）, the binding affinity between cyclodextrin and bisphenol A was descended as the order of β-CD, γ-CD, HP-β-CD and DM-β-CD, it revealed that the steric-hinerance effect was the main influence factor, and the effect of dimension matching was the second. During encapsuating bisphenol A with different cyclodextrins, the entropy change was above zero, while the enthalpy change was below zero, raising the temperature was adverse to the encapsulation.

cyclodextrin； inclusion compound； molecular recognition

O636.1

A

1001-5922（2016）08-0058-04

2016-06-03

闫静（1989-），女，本科双学位。研究方向：化工材料。E-mail：yanjingsummer@sina.com。