張麗+王明召

摘要：結(jié)合高中化學(xué)化學(xué)反應(yīng)的方向和限度、分子立體結(jié)構(gòu)、分子間作用力、有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)、單質(zhì)碘等知識，介紹環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)、包合作用的原理以及在藥物領(lǐng)域的應(yīng)用研究實(shí)例，供一線高中化學(xué)教師在教學(xué)實(shí)踐中選用。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；環(huán)糊精；包合；應(yīng)用

文章編號：1005–6629（2014）2–0078–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

自1891年Villiers發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精（Cyclodextrin，簡稱CD）以來，環(huán)糊精的研究取得了很大的成果。目前，環(huán)糊精及其衍生物應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括制藥、食品、化妝品、材料、化工、分析化學(xué)、分子識別和催化等領(lǐng)域。環(huán)糊精的應(yīng)用之所以如此廣泛，主要原因在于它具有特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

1 環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)

環(huán)糊精是一種環(huán)狀化合物，如圖1所示。它具有D-吡喃葡萄糖單元（見圖1右部），單元之間通過α-1，4-糖苷鍵（見圖1左部的虛線方框內(nèi)部分）相連而成環(huán)。環(huán)糊精所含有的葡萄糖單元數(shù)目不等，最常見的是分別含有6、7和8個(gè)葡萄糖單元的α-、β-和γ-環(huán)糊精，常用α-CD、β-CD和γ-CD表示[1]。

環(huán)糊精的形狀像喇叭，一端大、一端小[2]，如圖2所示。圓筒的壁由葡萄糖單元組成，但其中每個(gè)葡萄糖單元的6個(gè)原子并不在同一平面上，糖環(huán)是折疊式的，立體形狀像一把椅子（見圖1右部）。這種椅式糖環(huán)構(gòu)成圓筒的壁，所以圓筒具有一定的厚度。糖環(huán)的C2和C3指向圓筒的一側(cè)，它們上面的羥基向外伸展，組成環(huán)糊精圓筒的大口端。糖環(huán)的C5指向圓筒的另一側(cè)，它上面的CH2OH羥基也向外伸展，組成環(huán)糊精圓筒的小口端。由于羥基都指向分子外側(cè)，因此環(huán)糊精分子外壁具有親水性。雖然小口端也有羥基，但它與糖環(huán)C5之間存在一個(gè)CH2基團(tuán)，所以小口端呈現(xiàn)出一定的疏水性[3]。糖環(huán)的飽和碳原子C3和C5以及糖苷鍵的氧原子彎向筒內(nèi)，連在C3和C5上的氫原子對該氧原子具有屏蔽作用，因此環(huán)糊精空腔內(nèi)部具有較強(qiáng)的疏水性。環(huán)糊精的疏水區(qū)域和親水區(qū)域歸納于圖2右部。

環(huán)糊精分子內(nèi)部，一個(gè)葡萄糖單元上的C2羥基可與相鄰葡萄糖單元上的C3羥基之間形成氫鍵，這會(huì)嚴(yán)重降低環(huán)糊精的水溶性。β-CD大口端的羥基可以全部這樣形成氫鍵，這可能就是它在3種環(huán)糊精中水溶性最差的原因[4]。

環(huán)糊精的籠子大小是有區(qū)別的，3種環(huán)糊精籠子的結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]列于圖3。環(huán)糊精可以利用其空腔包合化合物，通常稱環(huán)糊精為主體（host，H），被包合物為客體（guest，G）。顯然，環(huán)糊精的內(nèi)徑是選擇客體的一個(gè)重要因素。

2 環(huán)糊精的包合作用

在此以β-CD包合對氨基苯甲酸（p-ABA）為例[6]，介紹環(huán)糊精包合作用的原理。p-ABA是一種抗氧化劑，對白癜風(fēng)、硬皮病、皰疹和關(guān)節(jié)炎有一定的治療作用。一個(gè)具體的包合實(shí)驗(yàn)是這樣的[7]：將摩爾比為1：1的β-CD和p-ABA分別溶于二次蒸餾水。將前者逐滴加入后者，在293K下攪拌24h后，277K下放置48h。將白色沉淀物濾出，用二次蒸餾水洗滌，干燥后得到β-CD-p-ABA包合物。

該包合反應(yīng)是放熱、熵減過程，由公式可知，溫度是反應(yīng)自發(fā)性的一個(gè)重要影響因素。顯然升溫不利于反應(yīng)自發(fā)，表1所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持這一分析。3個(gè)溫度下反應(yīng)的ΔG都小于零，表明反應(yīng)都可以自動(dòng)發(fā)生。但是，隨著溫度升高，反應(yīng)的ΔG逐漸增大，表明反應(yīng)的趨勢隨溫度升高而逐漸減弱。通過反應(yīng)的平衡常數(shù)Kc與吉布斯自由能的以下關(guān)系式，可以獲得溫度對反應(yīng)趨勢的定量影響：

計(jì)算結(jié)果與3個(gè)溫度下測得平衡常數(shù)Kc逐漸減小的結(jié)果相吻合。

溶液的酸堿度和介質(zhì)（特別是疏水性有機(jī)溶劑）也是影響包合物形成和穩(wěn)定性的重要因素。當(dāng)溶液pH大于12時(shí)，環(huán)糊精的羥基會(huì)解離。有機(jī)溶劑小分子本身也可能成為環(huán)糊精的客體，與p-ABA形成競爭。因此，絕大多數(shù)情況下，特別是當(dāng)需要分離出純包合物時(shí)，包合反應(yīng)都是在水中進(jìn)行[10]。

2.2 包合物的形成原理

在此借用Tabushi提出的α-CD包合模型[11]來理解包合物的形成過程。1 g α-CD大約具有0.1 mL空腔體積，要維持這樣大的空間在水溶液中空曠著不容納水，需要提供270 kJ·mol-1的能量，空腔體積更大的環(huán)糊精則要求更多的能量[12]。事實(shí)上，在水溶液中環(huán)糊精的疏水空腔并非是空著的，而是結(jié)合有水分子的。因此，包合過程的本質(zhì)其實(shí)是非極性客體分子取代空腔內(nèi)水分子的過程，取代的前提條件是客體分子的幾何形狀、尺寸、極性都和環(huán)糊精空腔相匹配。可以用圖4所示假設(shè)來描述一個(gè)具體的包合過程[13]。

（將剛剛被p-ABA取代而釋放出的水分子視為處于“氣態(tài)”，回到大體積水中后，它們“凝結(jié)”為液態(tài)。）

水溶液中，極性水分子在主體β-CD非極性空腔中是不穩(wěn)定的。它們無法像在溶液中那樣大量形成氫鍵，因而具有較高的能量，具有逃逸非極性空腔的趨勢。而非極性客體分子p-ABA在極性水溶液中也是不穩(wěn)定的，也有脫去水殼，逃逸水環(huán)境的趨勢。因此，當(dāng)二者處于同一個(gè)體系時(shí)，非極性p-ABA分子可以自發(fā)地“擠出”β-CD非極性空腔中的高能量水分子，并通過與β-CD之間產(chǎn)生幾種作用力（主要為氫鍵、范德華力以及疏水作用）而穩(wěn)定呆在空腔中，體系的能量得以降低，這就是包合物形成的主要能量根源[14]。水分子的移出使β-CD的環(huán)張力降低，這也有利于包合物的形成。總的結(jié)果是，包合物形成并穩(wěn)定存在。需要指出的是，進(jìn)入空腔的客體分子自身是可以移動(dòng)的，也可以繞籠軸旋轉(zhuǎn)[15]。

3 包合在藥物領(lǐng)域的用途舉例

環(huán)糊精通常用酶催化降解淀粉來大量制備，成本較低。它的化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，在生物體內(nèi)可被微生物代謝。利用它的疏水空腔包合疏水性物質(zhì)，可以增加被包合物的溶解度，同時(shí)對被包合物產(chǎn)生屏蔽、活性保護(hù)、控制釋放等作用。這些特點(diǎn)使得環(huán)糊精得到廣泛應(yīng)用。

在藥物研究領(lǐng)域，用環(huán)糊精及其衍生物包合藥物，可以改進(jìn)藥物的性能。例如，提高藥物的穩(wěn)定性；將液體藥物粉末化，防止藥物揮發(fā)；掩蓋藥物的不良味道和降低刺激性；調(diào)節(jié)藥物的釋放速率等等。以下列舉2個(gè)環(huán)糊精在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究例子。

第一個(gè)例子是包合大家熟悉的I2。碘單質(zhì)可用作殺菌劑和防腐劑，但它具有易揮發(fā)（45℃升華）的缺點(diǎn)。在此舉一個(gè)通過β-CD包合來改善其性能的研究實(shí)例[16]。向150 mL β-CD溶液（0.0193 mol·L-1，pH為5）中滴加50 mL濃度為0.058 mol·L-1的I2溶液，密封條件下攪拌3h后，冰水浴中放置12h。減壓過濾收集棕色沉淀，分別用100 mL去離子水和KI溶液（1.2×10-3 mol·L-1）洗滌后，45℃下真空干燥24h，即得包合物。對包合物進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)I2開始升華的溫度提高到了79℃，并且升華過程可持續(xù)到近177℃。結(jié)果表明，包合顯著降低了I2的揮發(fā)性。

第二個(gè)例子是包合蛇床子素。蛇床子素是從植物果實(shí)中提取的一種化合物，具有治療高血壓、心律失常、脂肪肝、腫瘤、骨質(zhì)疏松癥等疾病的功效，近年已用于臨床，結(jié)構(gòu)示于圖5。它的一些缺點(diǎn)（例如水溶性差，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，見光易分解[17]）限制了其在臨床上的應(yīng)用。在此介紹一個(gè)包合研究[18]。稱取一定量的蛇床子素加入無水乙醇中，在50℃下攪拌至全溶。將溶于蒸餾水中的等摩爾β-CD分兩次滴入，加蓋攪拌3h后，再去蓋攪拌3h使乙醇揮發(fā)。余液冷藏24h后抽濾。沉淀物依次用少量蒸餾水和乙酸乙酯快速洗滌，除去游離的β-CD和蛇床子素后，低溫（約40℃）干燥即得包合物。整個(gè)制備過程在避光條件下進(jìn)行。對包合物進(jìn)行性能測試發(fā)現(xiàn)，蛇床子素的溶解度提高了約34倍，并且從膠囊里的溶出速度明顯加快，120min時(shí)包合物的累積溶出量達(dá)到原藥的2.5倍。此外，經(jīng)β-CD包合后，蛇床子素對光、熱和濕的穩(wěn)定性顯著提高。包合物光照10d損失率僅為4.46%，而β-CD和蛇床子素的物理混合物損失率為20.97%。包合物60℃放置10d損失率僅為6.52%，物理混合物損失率達(dá)24.14%。90%相對濕度條件下放置10d后，包合物損失率僅為5.81%，而混合物為25.33%。

作為藥物載體，環(huán)糊精也有一些缺點(diǎn)。例如，水溶性不夠好，室溫下β-CD的溶解度為1.8 g/100mL水，用它包合水溶性差的藥物雖然可以提高其溶解度，但有時(shí)仍不能達(dá)到理想效果。又如，它不能用來制備注射液[19]，因?yàn)棣?CD經(jīng)注射給藥后，會(huì)在腎臟中形成不溶性的膽固醇包合物晶體，導(dǎo)致非常嚴(yán)重的腎損傷。為了改善β-CD的性能，人們嘗試對它進(jìn)行修飾。例如，在β-CD中的羥基上引入羥丙基（HP）。在堿催化下，用環(huán)氧丙烷與β-CD反應(yīng)，羥丙基（HP）可取代β-CD中羥基的氫，形成醚鍵，一個(gè)主要反應(yīng)示于圖6。由于β-CD有21個(gè)羥基，反應(yīng)產(chǎn)物為多種取代產(chǎn)物的混合物，統(tǒng)稱羥丙基環(huán)糊精（HP-β-CD）[20]。這種修飾減少了羥基，破壞了分子內(nèi)的氫鍵，因此HP-β-CD的溶解性大大增強(qiáng)，室溫下溶解度增至超過50 g/100mL水，可高達(dá)75g /100mL[21]。由于β-CD羥基眾多，HP-β-CD通常是多種取代物的無定形混合物，不會(huì)形成膽固醇包合物晶體，因此降低了對腎臟的損害[22]，成為美國FDA批準(zhǔn)的第一個(gè)靜脈注射用β-CD衍生物[23]。

HP-β-CD應(yīng)用的一個(gè)成功實(shí)例，是美國強(qiáng)生公司用40%HP-β-CD增溶伊曲康唑，成為口服液和靜脈注射液[24]。伊曲康唑（分子式見圖7）具有廣譜抗真菌活性，但其臨床應(yīng)用多年的膠囊劑吸收不穩(wěn)定，因而使用受限。用HP-β-CD包合的伊曲康唑口服劑，溶解度增大，吸收加快，血藥濃度提高。而靜脈注射液則解決了一些治療難題，包括對難以吞咽重癥患者的治療，以及患有侵襲性感染，需盡快達(dá)到最低穩(wěn)定濃度患者的治療。它是含HP-β-CD的第一個(gè)上市靜脈注射液。

在藥物研究領(lǐng)域，用環(huán)糊精及其衍生物包合藥物，可以改進(jìn)藥物的性能。例如，提高藥物的穩(wěn)定性；將液體藥物粉末化，防止藥物揮發(fā)；掩蓋藥物的不良味道和降低刺激性；調(diào)節(jié)藥物的釋放速率等等。以下列舉2個(gè)環(huán)糊精在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究例子。

第一個(gè)例子是包合大家熟悉的I2。碘單質(zhì)可用作殺菌劑和防腐劑，但它具有易揮發(fā)（45℃升華）的缺點(diǎn)。在此舉一個(gè)通過β-CD包合來改善其性能的研究實(shí)例[16]。向150 mL β-CD溶液（0.0193 mol·L-1，pH為5）中滴加50 mL濃度為0.058 mol·L-1的I2溶液，密封條件下攪拌3h后，冰水浴中放置12h。減壓過濾收集棕色沉淀，分別用100 mL去離子水和KI溶液（1.2×10-3 mol·L-1）洗滌后，45℃下真空干燥24h，即得包合物。對包合物進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)I2開始升華的溫度提高到了79℃，并且升華過程可持續(xù)到近177℃。結(jié)果表明，包合顯著降低了I2的揮發(fā)性。

第二個(gè)例子是包合蛇床子素。蛇床子素是從植物果實(shí)中提取的一種化合物，具有治療高血壓、心律失常、脂肪肝、腫瘤、骨質(zhì)疏松癥等疾病的功效，近年已用于臨床，結(jié)構(gòu)示于圖5。它的一些缺點(diǎn)（例如水溶性差，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，見光易分解[17]）限制了其在臨床上的應(yīng)用。在此介紹一個(gè)包合研究[18]。稱取一定量的蛇床子素加入無水乙醇中，在50℃下攪拌至全溶。將溶于蒸餾水中的等摩爾β-CD分兩次滴入，加蓋攪拌3h后，再去蓋攪拌3h使乙醇揮發(fā)。余液冷藏24h后抽濾。沉淀物依次用少量蒸餾水和乙酸乙酯快速洗滌，除去游離的β-CD和蛇床子素后，低溫（約40℃）干燥即得包合物。整個(gè)制備過程在避光條件下進(jìn)行。對包合物進(jìn)行性能測試發(fā)現(xiàn)，蛇床子素的溶解度提高了約34倍，并且從膠囊里的溶出速度明顯加快，120min時(shí)包合物的累積溶出量達(dá)到原藥的2.5倍。此外，經(jīng)β-CD包合后，蛇床子素對光、熱和濕的穩(wěn)定性顯著提高。包合物光照10d損失率僅為4.46%，而β-CD和蛇床子素的物理混合物損失率為20.97%。包合物60℃放置10d損失率僅為6.52%，物理混合物損失率達(dá)24.14%。90%相對濕度條件下放置10d后，包合物損失率僅為5.81%，而混合物為25.33%。

作為藥物載體，環(huán)糊精也有一些缺點(diǎn)。例如，水溶性不夠好，室溫下β-CD的溶解度為1.8 g/100mL水，用它包合水溶性差的藥物雖然可以提高其溶解度，但有時(shí)仍不能達(dá)到理想效果。又如，它不能用來制備注射液[19]，因?yàn)棣?CD經(jīng)注射給藥后，會(huì)在腎臟中形成不溶性的膽固醇包合物晶體，導(dǎo)致非常嚴(yán)重的腎損傷。為了改善β-CD的性能，人們嘗試對它進(jìn)行修飾。例如，在β-CD中的羥基上引入羥丙基（HP）。在堿催化下，用環(huán)氧丙烷與β-CD反應(yīng)，羥丙基（HP）可取代β-CD中羥基的氫，形成醚鍵，一個(gè)主要反應(yīng)示于圖6。由于β-CD有21個(gè)羥基，反應(yīng)產(chǎn)物為多種取代產(chǎn)物的混合物，統(tǒng)稱羥丙基環(huán)糊精（HP-β-CD）[20]。這種修飾減少了羥基，破壞了分子內(nèi)的氫鍵，因此HP-β-CD的溶解性大大增強(qiáng)，室溫下溶解度增至超過50 g/100mL水，可高達(dá)75g /100mL[21]。由于β-CD羥基眾多，HP-β-CD通常是多種取代物的無定形混合物，不會(huì)形成膽固醇包合物晶體，因此降低了對腎臟的損害[22]，成為美國FDA批準(zhǔn)的第一個(gè)靜脈注射用β-CD衍生物[23]。

HP-β-CD應(yīng)用的一個(gè)成功實(shí)例，是美國強(qiáng)生公司用40%HP-β-CD增溶伊曲康唑，成為口服液和靜脈注射液[24]。伊曲康唑（分子式見圖7）具有廣譜抗真菌活性，但其臨床應(yīng)用多年的膠囊劑吸收不穩(wěn)定，因而使用受限。用HP-β-CD包合的伊曲康唑口服劑，溶解度增大，吸收加快，血藥濃度提高。而靜脈注射液則解決了一些治療難題，包括對難以吞咽重癥患者的治療，以及患有侵襲性感染，需盡快達(dá)到最低穩(wěn)定濃度患者的治療。它是含HP-β-CD的第一個(gè)上市靜脈注射液。

在藥物研究領(lǐng)域，用環(huán)糊精及其衍生物包合藥物，可以改進(jìn)藥物的性能。例如，提高藥物的穩(wěn)定性；將液體藥物粉末化，防止藥物揮發(fā)；掩蓋藥物的不良味道和降低刺激性；調(diào)節(jié)藥物的釋放速率等等。以下列舉2個(gè)環(huán)糊精在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究例子。

第一個(gè)例子是包合大家熟悉的I2。碘單質(zhì)可用作殺菌劑和防腐劑，但它具有易揮發(fā)（45℃升華）的缺點(diǎn)。在此舉一個(gè)通過β-CD包合來改善其性能的研究實(shí)例[16]。向150 mL β-CD溶液（0.0193 mol·L-1，pH為5）中滴加50 mL濃度為0.058 mol·L-1的I2溶液，密封條件下攪拌3h后，冰水浴中放置12h。減壓過濾收集棕色沉淀，分別用100 mL去離子水和KI溶液（1.2×10-3 mol·L-1）洗滌后，45℃下真空干燥24h，即得包合物。對包合物進(jìn)行加熱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)I2開始升華的溫度提高到了79℃，并且升華過程可持續(xù)到近177℃。結(jié)果表明，包合顯著降低了I2的揮發(fā)性。

第二個(gè)例子是包合蛇床子素。蛇床子素是從植物果實(shí)中提取的一種化合物，具有治療高血壓、心律失常、脂肪肝、腫瘤、骨質(zhì)疏松癥等疾病的功效，近年已用于臨床，結(jié)構(gòu)示于圖5。它的一些缺點(diǎn)（例如水溶性差，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，見光易分解[17]）限制了其在臨床上的應(yīng)用。在此介紹一個(gè)包合研究[18]。稱取一定量的蛇床子素加入無水乙醇中，在50℃下攪拌至全溶。將溶于蒸餾水中的等摩爾β-CD分兩次滴入，加蓋攪拌3h后，再去蓋攪拌3h使乙醇揮發(fā)。余液冷藏24h后抽濾。沉淀物依次用少量蒸餾水和乙酸乙酯快速洗滌，除去游離的β-CD和蛇床子素后，低溫（約40℃）干燥即得包合物。整個(gè)制備過程在避光條件下進(jìn)行。對包合物進(jìn)行性能測試發(fā)現(xiàn)，蛇床子素的溶解度提高了約34倍，并且從膠囊里的溶出速度明顯加快，120min時(shí)包合物的累積溶出量達(dá)到原藥的2.5倍。此外，經(jīng)β-CD包合后，蛇床子素對光、熱和濕的穩(wěn)定性顯著提高。包合物光照10d損失率僅為4.46%，而β-CD和蛇床子素的物理混合物損失率為20.97%。包合物60℃放置10d損失率僅為6.52%，物理混合物損失率達(dá)24.14%。90%相對濕度條件下放置10d后，包合物損失率僅為5.81%，而混合物為25.33%。

作為藥物載體，環(huán)糊精也有一些缺點(diǎn)。例如，水溶性不夠好，室溫下β-CD的溶解度為1.8 g/100mL水，用它包合水溶性差的藥物雖然可以提高其溶解度，但有時(shí)仍不能達(dá)到理想效果。又如，它不能用來制備注射液[19]，因?yàn)棣?CD經(jīng)注射給藥后，會(huì)在腎臟中形成不溶性的膽固醇包合物晶體，導(dǎo)致非常嚴(yán)重的腎損傷。為了改善β-CD的性能，人們嘗試對它進(jìn)行修飾。例如，在β-CD中的羥基上引入羥丙基（HP）。在堿催化下，用環(huán)氧丙烷與β-CD反應(yīng)，羥丙基（HP）可取代β-CD中羥基的氫，形成醚鍵，一個(gè)主要反應(yīng)示于圖6。由于β-CD有21個(gè)羥基，反應(yīng)產(chǎn)物為多種取代產(chǎn)物的混合物，統(tǒng)稱羥丙基環(huán)糊精（HP-β-CD）[20]。這種修飾減少了羥基，破壞了分子內(nèi)的氫鍵，因此HP-β-CD的溶解性大大增強(qiáng)，室溫下溶解度增至超過50 g/100mL水，可高達(dá)75g /100mL[21]。由于β-CD羥基眾多，HP-β-CD通常是多種取代物的無定形混合物，不會(huì)形成膽固醇包合物晶體，因此降低了對腎臟的損害[22]，成為美國FDA批準(zhǔn)的第一個(gè)靜脈注射用β-CD衍生物[23]。

HP-β-CD應(yīng)用的一個(gè)成功實(shí)例，是美國強(qiáng)生公司用40%HP-β-CD增溶伊曲康唑，成為口服液和靜脈注射液[24]。伊曲康唑（分子式見圖7）具有廣譜抗真菌活性，但其臨床應(yīng)用多年的膠囊劑吸收不穩(wěn)定，因而使用受限。用HP-β-CD包合的伊曲康唑口服劑，溶解度增大，吸收加快，血藥濃度提高。而靜脈注射液則解決了一些治療難題，包括對難以吞咽重癥患者的治療，以及患有侵襲性感染，需盡快達(dá)到最低穩(wěn)定濃度患者的治療。它是含HP-β-CD的第一個(gè)上市靜脈注射液。