植根深远的环糊精化学*

陈 琦

（宝鸡文理学院 化学化工学院，陕西 宝鸡 721013）

综 述

植根深远的环糊精化学*

陈 琦

（宝鸡文理学院 化学化工学院，陕西 宝鸡 721013）

简要介绍了环糊精化学的产生、发展、性能、应用及结构特征。详细介绍了：（1）新型环糊精包合物的制备及在医药学中的应用；（2）阴、阳离子型环糊精诱导类表面活性剂聚集体研究；（3）环糊精修饰石墨烯对硝基化合物的检测。并对环糊精化学的发展进行了展望。

环糊精；自组装；应用

环糊精（CD）早在1891年就由Villers首次从淀粉杆菌的淀粉消化液中发现，结构分析证明，环糊精是由6-12个D-吡喃葡萄糖通过α-1,4-葡萄糖苷键连接而成的具有略呈锥形的空圆筒立体环状结构，其有α-CD、β-CD、γ-CD之分。由于它们具有“内疏水，外亲水”的特征，故其孔腔可包合各种客体，如有机分子、无机离子、配合物及惰性气体等，它们通过弱相互作用形成包合物，以此来改变客体分子的理化性质及生物学性质。因此，环糊精不仅被广泛应用于医药、食品、染料、化妆品、催化、工业、农业、国防等领域，而且在二十一世纪的热点领域，如生命科学、材料科学、能源科学、环境科学、信息科学、纳米科学、分子机器、分子器件、酶模拟、分子识别、手性分离、药物载体、催化科学等彰显出广阔的应用前景。不仅如此，环糊精在化学、生物化学、生物物理学、仿生学等众多自然科学领域的应用也有目共睹。因此，环糊精的发展促进了上述众多学科的形成和发展，它们之间相互促进，相得益彰。目前，由于人们对环糊精化合物研究的不断深入，现已形成为一门新兴的热门边缘学科-环糊精化学。

1 新型环糊精包合物的制备及在医药学中的应用

1.1 乙酰天麻素环糊精包合物的制备及在医药学上的应用

天麻素[1]是从中草药天麻中提取出来的一种主要活性成分，在此基础上对羟基进行乙酰化得到其衍生物乙酰天麻素。乙酰天麻素是一种白色结晶，具有良好的镇静安眠作用[2，3]。它对神经衰弱、失眠、头痛有缓解作用。为此，云南大学的安坤等人利用冻干，制备了乙酰天麻素/β-CD，乙酰天麻素/γ-CD和乙酰天麻素/HP-β-CD包合，并通过多种测试手段和分析技术对包合物的结构、性质和相互作用进行了表征。Job曲线还表明了乙酰天麻素与环糊精的配位比为1∶1[4]。其包合物的形成可使乙酰天麻素在药品使用上出现缓释作用，从而增强药效和延长药物治疗的耐久性。

1.2 柚皮苷环糊精包合物的制备及在医药学上的应用

柚皮苷是一种天然的黄酮类化合物，是中药骨碎补的主要活性成分[5]。柚皮苷具有较强的抗炎、消除自由基、抗氧化、抗动脉粥样硬化、细胞保护作用，以及具有抗菌、消炎、抗肝炎、护肝、抗肿瘤等多种药理作用[6，7]。但由于其水溶性差，生物利用度低，从而限制了其在临床上的应用。环糊精具有“内疏水，外亲水”的特性，使其能在水溶液中装载柚皮苷形成分子胶囊，从而提高了柚皮苷的溶解度和溶出速度，为其广泛的临床应用创造了条件。为此，云南大学的严辉焕等人通过分子动力学对包合物的相互作用进行了模拟研究，他们利用共蒸法和冷冻干燥法，制备了柚皮苷/羟丙基-环糊精（HP-β-CD）包合物。并用多种测试手段表征了柚皮苷分子与HP-β-CD之间的包结模式。结果表明，柚皮苷/HP-β-CD包合物的水溶性得到提高[8]，从而提高了柚皮苷的利用率，通过缓释作用提高了药效和治疗耐久性。该研究将在生物化学、生命科学及医药学研究中得到应用。

1.3 β-环糊精修饰的四氧化三铁/聚吡咯纳米药物载体的合成及应用

透明质酸（HA）能在肿瘤组织（如上皮肿瘤组织、卵巢肿瘤组织）中高表达的肿瘤干细胞标记物（CD44）受体特异结合，因此，作为靶向配体对肿瘤治疗具有应用前景。为此，山西大学的洪沙沙等人通过原位聚合反应合成表面是透明质酸的聚吡咯（PPy）包囊四氧化三铁纳米粒子，然后以N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）为活化剂通过酰胺反应将氨基-β-环糊精修饰到HA链上，得到最终的超分子载药系统。以盐酸阿霉素（DOX-HCl）作为模型药物，考察了Fe3O4＠PPy-HA-CD的载药性能，其对DOX的最大负载量为447mg·g-1，负载行为符合多层Freundlich吸附平衡方程。在370C时，药物表现出良好的控制平衡行为[9-11]。Fe3O4＠PPy-HA-CD以环糊精孔腔为药物载体，通过透明质酸的肿瘤靶向作用，可以实现药物的缓释和靶向供药，同时又能够实现磁共振成像的目的。该研究将在分离、检测及生物医学等方面有着潜在的应用价值[12]。

1.4 雷公藤甲素与两种修饰环糊精的超分子体系研究

雷公藤甲素（TPL）是从雷公藤和昆明山海棠植物中提取分离出的活性较高的环氧化二萜内酯化合物，是雷公藤及昆明山海棠的主要药用有效成分之一，具有很强的抗感染、免疫抑制、抗癌、抗肿瘤等多种药理作用[13]，是一类开发前景很好的药物。由于雷公藤甲素不溶于水，故使其生物利用率低。因而在临床应用上受到一定的限制。环糊精及其衍生物的环状孔腔结构和独特的两亲性[14]，可使其作为优良载体来包结药物分子，以改善药物的理化性质，从而提高药效已成为超分子化学领域研究的热点之一。为此，云南师范大学的盘振杰等人研究了两种丙二胺修饰-β-环糊精与TPL的超分子体系。即他们通过混合溶液搅拌法制备了丙二胺单修饰/雷公藤甲素和丙二胺桥联/雷公藤甲素的两种超分子体系。结果表明，形成两种超分子体系后，TPL在水中的溶解度分别增大了48.3倍和60.5倍[15]，该研究为雷公藤甲素在临床药用方面起到了提高药效和生物利用率的作用。

1.5 20（S）-原人参三醇与环糊精超分子体系的制备及应用

20（S）- 原人参三醇（PPT）是从人参、西洋参和三七中提取的皂苷类物质的主要苷元[16]。PPT可以发挥对肿瘤细胞的特异细胞中毒作用，对多种肿瘤细胞的增殖与生长具有明显的抑制作用[17]。但由于PPT的水溶性较差、生物利用度低而限制了其药用价值。环糊精及其衍生物作为具有独特孔腔的分子结构和两亲性能，能够与药物分子包合，包合后对药物具有增溶作用，因此可提高药物的生物利用度。为此，云南师范大学的李志文等人合成了一种新型的主体桥联环糊精衍生物（A），并采用饱和水溶液法制备了主体A与PPT的超分子体系[18]，还测试了其1∶1的包结模式，从而使PPT在水中的溶解度增大，因而提高了PPT在临床应用上的药效和生物利用度。

2 阴、阳离子型环糊精诱导类表面活性剂聚集的研究

2.1 阳离子环糊精诱导类表面活性剂聚集的研究

在多种超分子组装体中，超分子两亲组装体具有功能多样化、生物兼容性强及多重刺激响应等特点，这使得其在生物药物传递上有着很大的应用前景。目前，在诱导聚集构筑超分子两亲组装体中，多聚阳离子大环分子的研究却比较少。为此，南开大学的李中意等人通过实验研究发现有7个甲基咪唑阳离子的环糊精能够通过组装诱导表面活性剂的聚集来降低阴离子客体的临界聚集浓度（CAC），能够形成纳米粒子，且有一定的可调控功能。因此，他们合成了类似阴离子表面活性剂的客体分子，通过多种测试手段来研究带有正电荷的环糊精和有亲水头部、疏水尾部的阴离子客体之间的诱导行为。同时对组装体形成的疏水孔腔进行了深入的研究[19]。该研究将在超分子化学、主客体化学、生物药物传递及材料科学的研究中得到应用。

2.2 阴离子型环糊精诱导类表面活性剂聚集体的应用研究

超分子化学是一门涉及化学、材料、生物、医药、能源、信息、纳米等诸多领域的新兴热门边缘学科，其研究方向为分子间非共价弱相互作用。环糊精是继冠醚之后超分子化学所研究的第二代大环主体化合物，由于其性质比较稳定，孔腔可以对客体进行包合等特性，使其在构筑功能材料、生物医学材料等方面具有广阔的应用前景。-环糊精具有“外亲水，内疏水”的特殊结构，使得-CD具有可与多种客体分子或离子（无机物或有机物）形成包合物的能力。为此，南开大学的梁璐等人以带有磺酸基的阴离子型环糊精为主体，以带有铵基正电荷的阳离子表面活性剂为客体，构筑一类二元超分子两亲性组装体，通过丁达尔效应、紫外-可见光谱、动态光散射、zeta电势、透射电镜等多种手段进行了表征，并研究了两者之间的相互作用[20]。该研究将在化学、材料、生物、医药学、能源、信息、环境、生命等科学领域得到应用。

3 环糊精修饰石墨烯对硝基类化合物的检测

六苯并蔻类化合物被认为是最小结构单元的石墨烯，它是由13个苯环组成的大平面共轭芳香稠环，其分子尺寸约为1.3nm，因此，又被称为纳米石墨烯。六苯并蔻类化合物由于其自身特殊的分子结构与理化性质，不仅能够自组装形成多种纳米结构（如纳米粒子，纳米线，纳米管等），而且在纳米电子器件，化学传感检测，生物成像，纳米药物传递等领域具有广泛的应用前景。为了进一步拓展纳米石墨烯在化学传感检测方面的应用，南开大学的喻杰等人合成了环糊精修饰的六苯并蔻类化合物，并利用主客体键合等非共价作用方式，研究了其在水溶液中对硝基类化合物的选择性传感检测[21]。该研究将在分析分离科学、环境科学、纳米药物传递科学、纳米电子器件科学、化学传感检测、生物成像等领域得到应用。

综上所述，作为植根深远的环糊精化学近年来有了长足的发展，故蓬勃发展的环糊精化学无论在工业、农业、国防、医药学等实际生产生活中，还是在自然科学的各个领域其应用都无处不有，难以尽举。特别是作为酶模拟、分子机器、分子器件、自组装与分子识别的一类非常有用的大环主体化合物将有着不可估量的发展前景。目前，日本在环糊精生产与应用方面居世界领先水平，是环糊精的最大出口国，我国则是其进口国之一。近年来，由于环糊精制取酶被逐渐发现以及工业技术、工艺的不断完善和应用领域的扩大，其已成为紧俏的化工产品。为此，我们今后研究的重点应朝着以下几个方面发展：（1）如何更好的完成大规模工业化生产，变环糊精进口国为出口国；（2）解决环糊精应用过程中的回收问题；（3）研究将其更多的应用于农业生产、国防建设、地质勘探及航空航天等领域；（4）更多的研究环糊精及其衍生物对反应系统控制和影响、分子识别、分子器件、分子机器、自组装等领域的应用问题。我们坚信，随着人们对环糊精化学研究的不断深入，环糊精化学这朵盛开的灿烂之花必将为人类的文明进步、可持续发展创造新的辉煌，结出丰硕成果。

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［19］ 李中意,陈湧,刘育.阳离子环糊精诱导类表面活性剂聚集的研究［C］.全国第十八届大环化学暨第十届超分子化学学术讨论会论文集（中国化学会）.长沙：湖南师范大学,2016年8月:92-93.

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新型聚氨酯化学发泡剂专利卖出5亿元天价

4月10日，山东省淄博市政府新闻办公室举行新型聚氨酯化学发泡剂重大发明专利实施项目新闻发布会。山东理工大学毕玉遂教授团队发明的新型聚氨酯化学发泡剂项目，打破欧美对我国和全球相关行业技术垄断，为我国参与相关产业规则制定和提升话语权提供坚实的技术和知识产权支撑。

据悉，该聚氨酯化学发泡剂项目作为发明专利，于近期授予补天新材料技术有限公司20年专利独占许可使用权(美国、加拿大市场除外)得以转化实施，并获得专利独占许可费5亿元人民币，创造了山东省转让专利独占许可使用费额度的最高纪录。

新型聚氨酯化学发泡剂的生产过程以及产品本身均不含氯氟元素，解决了国内外重大技术难题，且生产成本更低，性能优良、节能环保，其应用将对聚氨酯泡沫材料行业彻底淘汰氯氟烃和氢氟碳物质，对于保护大气臭氧层，降低碳排放具有重大意义。

Flourishing development in cyclodextrin chem istry*

CHEN Qi
（Chemistry&Chemical Engineering Department,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji,721013，China）

This paper briefly introduces the generation,development,properties,applications,and structure features of cyclodextrin chemistry.Emphases are put on three parts:①preparations of new cyclodextrin inclusion compounds and their applications in medicine;② research on anion-cation cyclodextrin induced surfactant aggregates;③detection of cyclodextrin modified grapheme on nitro compounds.Future developments of cyclodextrin chemistry are prospected in the end.

cyclodextrin;self-assembly;application

TQ463.3.O 621

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170444

2016-12-14

陕西省重点实验室科研计划项目（2010JS7）；陕西省教育厅自然科学基金资助课题（04JK147）；宝鸡文理学院自然科学基金资助课题（zk12014）

陈 琦（1973-）,女，安徽霍邱人，硕士、讲师，从事化学工程研究工作。