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超分子化学第三章

第三章 以环糊精为受体的分子识别和组装 环糊精(Cyclodextrins, Cycloamyloses, 通常简称为 CD),是一类由 D-吡喃葡萄糖单元首尾相连成 环的大环化合物,是继冠醚以后超分子化学研究的第二代主体化合物。自从被发现以来,这一类环 状碳水化合物就日益受到科学工作者的关注,而环糊精及其许多衍生物在科学和技术的诸多领域得 到广泛应用,可能归因于该类化合物的如下几点特征:首先,这类化合物是较易得到的半天然产物, 可以通过淀粉的酶促降解大量制备;其次,对于合成化学家来说,这种化合物化学性质稳定,可以 进行各种选择性修饰;第三,环糊精的空腔可以提供与模型底物结合的空间,当底物分子与环糊精 形成包结配物后,其化学反应性能以及光、电、磁等物理性能在特定情况下有可能发生改变;第四, 环糊精没有毒性(或低毒性) ,并可以在生物体内降解,因此可以作为脂溶性药物载体、食品添加剂、 化妆品填料在工业技术上得到应用。 在本章中,主要阐述环糊精在超分子化学研究中的一些应用,主要包括以下几方面内容:(1) 环 糊精的基本结构特征;(2) 环糊精衍生物的修饰方法;(3) 环糊精及其衍生物的分子识别研究;(4) 环 糊精的模拟酶研究;(5) 以环糊精为受体的超分子组装。 第一节 环糊精的基本结构特征 3.1.1 环糊精研究的历史背景 [1] 第一篇关于环糊精的报道是由 Villiers 在 1891 年发表的 ,在他的报告中描述了淀粉在 Bacillus amylobacter 作用下可以得到结构式为(C H O ) ⋅3H O 的化合物,后来被证明是环糊精。到目前为止, 6 10 5 2 2 环糊精化学的研究已经走过 100 个年头,在这百年的时间里又可以划为三个历史时期,即:(1) 环 糊精的发现期(1891 年~20 世纪 30 年代) ;(2) 系统研究环糊精及其包结配合物(20 世纪 30 年代~70 年代) ;(3) 环糊精进行工业生产和在科学和技术诸多领域的广泛使用期(20 世纪 70 年代~) 。 尽管 Villiers 首先制得了环糊精,但其分离纯化和结构鉴定是由 Schardinger 完成的[2,3],因此早 期的文献中也把环糊精称作 Schardinger 糊精。从 1903 年开始,Schardinger 研究用热处理法防止一 些食品的腐败变质,在某种微生物的作用下,他得到了淀粉降解的两种不同晶型的产物,其中一种 与碘作用变为蓝色(α-环糊精) ,而另外一种与碘形成的配合物则为褐色(β-环糊精) 。Schardinger 还成 功地分离了一种微生物 Bacillus macerans[4,5],现在生产环糊精通常都采用其作为糖基转移酶,因此 可以说 Schardinger 奠定了环糊精研究的基础。二十世纪三十年代,Pringsheim 研究组在环糊精研究 中做了大量工作[6,7],然而不幸的是,他们所使用的环糊精均含有一些杂质,因此他们工作的意义有 限,其中值得一提的是,Pringsheim 发现环糊精及其乙酰基衍生物可以和各种各样的有机化合物形 成包结配合物。 20 世纪 30 年代,Freudenberg 及同事在实验的基础上推断,环糊精由葡萄糖单元构成,其中仅 存在α-1,4-糖苷键[8-10] 。他们首次设计了环糊精的分离纯化程序,并在 1936 年提出了环糊精的环状 结构[11] 。1948 到 1950 年期间,他们还发现了γ-环糊精并阐明了其结构[12] 。从 50 年代起,French 和 Cramer 研究组分别致力于研究酶促降解法制备环糊精、分离纯组分以及它们的真实化学和物理性 能。French 发现存在更大环状结构的糊精[13],而 Cramer 研究组则重点研究了环糊精的包结配位能 力[14,15] 。在这一研究阶段,French 等人在检测环糊精的毒性时,可能在样品中引入了高毒性的有机 物,致使实验所用小白鼠全部死亡,因此得出环糊精有毒的错误结论[13],这在很长一个时期内妨碍 了环糊精产品的应用。总之,环糊精的第二个时期研究中所

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