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羟丙基环糊精的性质及包合技术的原理

1环糊精的定义及发展近况

环糊精是由淀粉经环糊精葡萄糖转移酶作用环合后得到的由六个以上葡萄糖连接形成的环状低聚化合物。

它是一种白色、结晶粉状，味甜、不吸湿，其稳定性同甘蔗或淀粉相似，可保存数年不变性或降解。环糊

精的分子结构为六个以上葡萄糖以α-1，4-糖苷键连接而成的环状低聚糖。其中常见的是α-环糊精、β-环

糊精和γ-环糊精三种（见图1-1），分别有六个、七个和八个葡萄糖分子结构。

其中β-环糊精生产工艺简单，成本较低，是目前唯一工业上能大量生产且应用广泛的环糊精产品。但是，

由于β-环糊精在C、C羟基之间形成分子内氢键，导致其在水中溶解度较低（1.85g/100ml,20℃），限

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制了β-环糊精的应用。研究者通过化学改性的方法打开环糊精分子内氢键，对其结构进行修饰，使得环糊

精能复合较大分子的客体物质,并改善其功能特性。这些化学改性环糊精被称为第二代环糊精。目前，能

工业级生产且有一定应用的化学改性环糊精主要有甲基-β-环糊精、羟丙基-β-环糊精、硫乙基-β-环糊精和

乙酰基-β-环糊精等。特别是羟丙基-β-环糊精，水溶性大大提高，溶血性更低，可用作注射制剂添加物，

并且已经通过美国食品药品管理局(FDA)的审批，是目前最有应用潜力的环糊精材料。

羟丙基环糊精(Hydroxypropylcyclodextrin,HPCD)是环糊精的一类无定型多组分化学衍生物，由羟丙基取

代环糊精2、3或6位羟基的H原子而得到。由于环糊精主要有α、β和γ三种，羟丙基环糊精也有HP-α-CDs、

HP-β-CDs和HP-γ-CDs三类。环糊精自上世纪末发现以来，由于良好的包合性能，并且基本没有毒性，

价格也逐步降低，其应用领域不断扩大，应用量逐年增加，相关文献的数量也直线上升。

本文将详细介绍羟丙基环糊精的结构、功能和安全性性，分析羟丙基环糊精包合物的形成与客体分子释放

的机理，对其包合产品的目的进行简单阐述及对环糊精的应用进行前景展望。

2羟丙基环糊精的结构与功能

环糊精与环氧丙烷在强碱性环境下反应易形成6位取代物6-羟丙基环糊精，弱碱性条件下则易形成2-羟丙

基环糊精（见图2-1）。

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图2-1羟丙基环糊精结构

在强碱性条件下2、3、6位O都被活化，而6位位阻最小，取代基最容易进入，因此取代反应以6位为

主（见图2-2）；弱碱性条件下，2位酸性最强，最容易活化，因此取代以2位为主。但由于环糊精上羟

基数量众多，例如β-环糊精总共有21个羟基，反应产物是无定形混合物。羟丙基环糊精主要有三种结构

形式，一种是所有的取代基平均分配在每个葡萄糖残基上，一种是取代基倾向于结合在同一个葡萄糖残基

上，另外就是取代基依次相连形成低聚侧链。第一种被认为是最主要的结构形式，因为每个葡萄糖残基相

应羟基的反应活性是相等的，而在同一个葡萄糖残基上连接第二个取代基的机率仅为七分之一，连接第三

个的机率更小。但是当反应中环氧丙烷过量时，会形成更多第三种结构形式的产物。

图2-2羟丙基环糊精的制备

长久以来，人们一直以为环糊精及其衍生物的结构是刚性的，虽然这种假设与它们能轻易的形成包合物的

性质不符合。近来的研究结果更趋向于相信其结构相对柔性，有实验表明环糊精通过非共价键合形成包合

物不仅在溶液里，甚至固体状态下都是柔性的。环糊精及其衍生物的这种相对柔性结构能更好的理解环糊

精包合物的形成和包合反应动力学。

由于环糊精特有的内亲油外亲水的无顶圆锥状空腔结构（见图2-3），易与客体分子形成包合物，从而使

相关客体分子的溶解度、光学特性、反应活性、挥发性和亲水性质等得到改善。经过化学修饰后的羟丙基

环糊精打开了环糊精的分子内氢键，并且是无定形物质，结晶性降低，在水中的溶解度大大提升，形成包

合物的能力也有所上升。有报道说羟丙基基团可能增加了空腔体积，或者与客体分子形成新的氢键增加了

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包合物的稳定性，使得羟丙基环糊精形成包合物的能力上升。但取代度过高可能会产生空间位阻减少进入

空腔的客体分子。合适的取代度和取代基分布是羟丙基环糊精达到最佳复合效果的重要因素。

图2-3环