http://www.hxtb.org 化学通报 2006年 第 69卷 w035 环糊精金属配合物研究进展 顾新波 鲁晓明* (首都师范大学化学系 北京 100037) 摘 要 综述了环糊精及修饰环糊精与过渡金属反应形成的金属配合物，总结了环糊精与配合物 (包合物 )的测试方法，并对今后环糊精化学的发展方向进行了展望。 关键词 环糊精 金属配合物 Progress on Cyclodextrin Metal Complex Gu Xinbo, Lu Xiaoming* (Department of Chemistry, Capital Normal University, Beijing 100037) Abstract Metal complexes of cyclodextrin and transition metals are summarized in this article. Emphasis has been given to the interaction between cyclodextrins and transition metals, and the interaction between functionalized cyclodextrins and transition metals. Test methods of cyclodextrin complexes are also reviewed. The developments in cyclodextrin science offer exciting perspectives which have been depicted in the article. Key words Cyclodextrin, Metal complex 环糊精 (cyclodextrin， CD)是通过 α-(1,4)-糖苷键连接的 D-葡萄糖低聚环状物，其中含 6、 7 和 8个 D-吡喃葡萄糖单元的分别称为 α-、 β-和 γ-环糊精。环糊精的主要特点就是有一个疏水的空腔，由于这一独特的空腔结构，环糊精可作为宿主体分子，与很多客体分子形成包合物或主客复合物。其包合物在催化、医药、仿生、光化学以及光谱测定、电化学分析等方面都有广泛的应用，因此环糊精受到人们的极大关注。环糊精化学在过去的二三十年间发展迅猛，目前已经有很多关于环糊精的专着和长篇综述。环糊精化学已经成为化学领域的一个研究热点。 1 环糊精的结构和性质 环糊精是通过 α-(1,4)-糖苷键连接的 D-葡萄糖低聚环状物 (如图 1 所示 β-环糊精结构 )。 其结构似一截顶圆锥空腔，环糊精分子空腔外侧为亲水性基团；腔内为疏水性基团，腔内有微弱的极性。环糊精的这种特殊结构使得其能与很多有机分子、金属配合物发生作用生成包合物 (inclusion complex)。 α-、 β-和 γ-环糊精的性质如表 1 所示。 β-环糊精的结构图如图 1 所示。 表 1 环糊精的性质[1] Tab.1 Cyclodextrins properties[1] 性质 α-环糊精 β-环糊精 γ-环糊精 葡萄糖单元数 6 7 8 分子质量 /(g/mol) 972 1135 1297 溶解度/ g(25℃，100 g 水溶液) 14.5 18.5 23.2 外直径 /Å 14.6 15.4 17.5空腔直径 /Å 4.7~5.3 6.0~6.5 7.5~8.3孔高 /Å 7.9 7.9 7.9 空腔容积 /Å3 174 262 427 顾新波 男， 26 岁，硕士生，现从事超分子化学研究。 *联系人， E-mail: lu-xiaoming@126.com 北京市自然科学基金资助项目 (2012005) 2005-07-22 收稿， 2005-11-09 接受 http://www.hxtb.org 化学通报 2006年 第 69卷 w035 2 OOHHOOHOOOHHOOHOOHOOHOHOOOHOHOHOOOHOHHOOOOHOHHOOOOHHOHOOβ-cyclodextrin 图 1 β-环糊精的化学结构[2] Fig.1 Chemical structure of β-cyclodextrin[2] 2 环糊精与过渡金属的作用 2.1 环糊精与过渡金属的作用机理 环糊精最显着的性质就是能与很多固体、液体，甚至气体化合物形成分子包合物。在这些包合物中，客体分子被环糊精主体分子包含在其空腔内，因此环糊精包合物可定义为一个或几个具有适当大小和形状的分子 (客体 )通过非共价键作用，部分或全部地插入结构上具有空腔的环糊精分子 (主体 )内而形成的化合物。客体分子尺寸大小必须与环糊精空腔大小相匹配。环糊精分子与客体分子形成包合物的过程中没有共价键的破坏与形成，它们之间的主要作用属于范德华力的范畴，因此这一类的化合物也称为超分子。该过程的主要驱动力是环糊精空腔内富焓 (high enthalpy)的溶剂分子如水分子从空腔中释放出来而被溶液中更加疏水的分子所取代。这种分子与环糊精分子的内腔形成了非极性——非极性的缔合作用，降低了环糊精的张力，从而产生一种能量更低的稳定状态[3]。 2.2 天然环糊精与过渡金属作用 2.2.1 环糊精作为第一圈配体与过渡金属作用 根据 Werner 第一圈第二圈配位概念，环糊精可以作为第一圈配体，即环糊精直接与金属离子配位。由于环糊精只有羟基，因此它们只能在碱性条件下与金属离子配位。 Mstsui 等[4,5]报道了第一个环糊精与金属离子作用的配合物。在碱性条件下，未质子化的 2-、 3-位羟基与铜 (II)离子配位。通过光谱分析、电位分析、电导分析，配合物被推测为双核羟基桥联结构，如图 2 所示。 OOHHOOHOOHOOHOOHOOOHOOOHOHHOOOOOHHOOOOHOHOOOOHHOHOOMOMOHOH 图 2 环糊精铜 (II)配合物结构[4,5] Fig.2 complex of β-cyclodextrin - copper(II) ions[4,5] 每一个铜离子都通过 2-、 3-位羟基与环糊精相连形成一个四元环。有类似结构的 Mn(Ⅱ )配合物也已经有报道[6]。目前具有上述结构的环糊精金属配合物还不多见。 http://www.hxtb.org 化学通报 2006年 第 69卷 w035 3 2.2.2 环糊精作为第二圈配体与过渡金属作用 环糊精也可以作为第二圈配体，其空腔与金属配合物包合形成加合物。环糊精与过渡金属包合物作用包含两种情况： (1)环糊精衍生物与过渡金属离子配位形成金属离子加冠环糊精主体分子，再与有机配体分子包合物发生相互作用； (2)环糊精与过渡金属配合物直接包合。大多数环糊精衍生物与过渡金属的作用属于前一情况，后一种情况文献报道还不多[7]。 1975 年 Siegel[8]最早报道了环糊精的这类化合物。 Siegel 用 β-CD 与环戊二烯铁在 DMF 和DMSO 中生成 11∶的加合物。 1985 年 Harada[9]研究证明 FcH(环戊二烯铁 )与环糊精结晶生成加合物时，有机分子进入到了环糊精空腔内。同时实验还发现 FcH 与 α-CD 和 β-CD 形成加合物非常稳定，即使在真空中加热到 100℃也不释放出 FcH。环糊精分子中羟基向外，形成疏水性空腔，所以进入环糊精空腔中形成超分子的有机金属化合物一般是一些含有疏水基的物质，如含有环戊二烯基、芳基、 二烯基等配体的配合物。 Siegel 认为， 二茂铁分子进入到了环糊精的空腔内。 Harada 和 Takahashi根据圆二色谱探讨了二茂铁在 α-、 β-和 γ-环糊精内空腔中的取向，通过制备二茂铁及其衍生物的环糊精包合物，他们发现 α-环糊精与客体形成 21∶包合物。 1984 年 Ogino 等[10]报道了环糊精、二氯二乙二胺合钴与长链脂肪胺在二甲亚砜中的自组装，长链胺在穿过环糊精内腔后再分别与一个 Co2+配位，由于环糊精开口端有大体积配合物存在，保护了长链不至于脱离空腔。 1986 年 Alston 等[11]利用 X 射线衍射首次得到了过渡金属配合物的环糊精包合物的晶体结构。结果表明配合物中的疏水性配体进入环糊精空腔内，未进入空腔的配体若含有电负性大的原子， 且距离合适， 则可能进一步与环糊精锥形环端羟基形成分子间氢键。 1987 年 Kamitori合成了 γ-环糊精 12-冠 -4K+的 2∶ 2∶ 1 型包合物。晶体中的两个 γ-环糊精各包含一个冠醚， K+被两个冠醚上下夹住， CD 与 CD 之间通过二级羟基形成氢键而使整个分子趋于稳定[12]。 Bünzli 等[13]报道了天然环糊精与 Ln3+和 Tb3+形成的配合物的热力学性质及其晶体结构，该包合过程的热力学参数表明， La3+进入环糊精空腔是一个熵减小的过程，而且与主体分子无关；1H 和13C NMR 光谱显示，Ln3+与 α-环糊精的包合发生在环糊精分子的最窄处，接近于 C5碳原子。 Wang 等[14]合成了部分 CS2修饰的环糊精 Cu2+、 Co2+和 Ni2+配合物，结果表明，官能团化的环糊精有很强的配位能力，形成的金属配合物有特殊的电化学性质和磁性。而且配合物在水中能很快生成，表明官能团化的环糊精可以作为非常好的螯合 -萃取剂将金属离子从溶液中提取出来。 1993 年 Shimad 等[15]报道了 Mn(CO)10与 γ-CD 生成的双核包合物，此化合物在 174℃时仍然稳定。 1995 年第一个杂环过渡金属配合物吡咯及其衍生物三羰基合锰和环糊精包合物被合成出来[16]。此化合物也有很好的热稳定性，在真空中加热到 110℃不失掉客体分子。 2002 年张有明等[17]合成了氯化环戊二烯三羰基钼 (钨 )与 β-CD 超分子化合物。由于 Mo、 W 两种元素具有抑制艾滋病毒逆转录酶的作用[18]，而环糊精作为主体分子与Mo、 W 配合物作用具有无毒、价格低廉、水溶性好等优点。因此选择不同配体与 Mo、 W 两种金属作用，再与环糊精反应生成包合物在药学上将可能有很大的应用价值。 2.3 修饰环糊精与过渡金属的作用 由于天然环糊精与金属配合物的作用大部分都属于范德华力、氢键、疏水性相互作用等，因此得到的包合物往往不稳定。将环糊精化学修饰不仅能提高其配位能力，而且也能增加生成的金属配合物的稳定性。 目前对化学修饰环糊精配合物研究最多的是其在分子识别和生物仿生酶方面的应用。 “ Breslow 酶” 是第一个化学修饰环糊精金属酶模型。 其中 CD 的空腔作为结合位点 (binding site)与底物作用。化学修饰基团与金属离子发生配位。金属离子起着桥连结合位点与催化位点 (catalytic site)的作用[19]。 1977年 Tabushi 等[20]报道了多胺修饰环糊精的金属配合物。 其中的金属离子为 Zn(Ⅱ )。Zn(Ⅱ )与空腔内的分子一起产生协同识别作用。多胺修饰环糊精铜的配合物是研究比较多的一类http://www.hxtb.org 化学通报 2006年 第 69卷 w035 4 [21~27]。这类配合物研究主要集中在其分子识别作用上。例如刘育[27]等研究了多胺修饰 β-CD 铜配合物对吖啶黄、罗丹明、亮绿等几种染料分子的识别作用。研究发现多胺体系中引入 Cu2+后，主体分子对几种染料分子的键合能力得到扩展， 原因一方面可能是 Cu2+引入后主体化合物的构象相对稳定；另一方面则可能由于客体与配位铜离子的静电相互作用。研究还发现，环糊精主体的键合能力和分子选择性受多种因素的影响。在 pH=7.2 时，主 -客体间的尺寸匹配、疏水作用和范德华力决定所形成配合物的稳定性。在 pH=2.0 时，主客体间的静电相互作用和疏水作用成为超分子配合物形成的主要驱动力。 Reetz 等[28]合成了 Au(Ⅰ )与硫代膦修饰的 β-环糊精形成的化合物。金的化合物已经广泛用作抗关节炎的药物，而且在抗癌方面的应用已经开始，因此研究环糊精衍生物与金的配合物将可能有广泛的医学应用前景。 3 环糊精包合物的检测方法 环糊精包合物不仅能以固体状态存在，也能存在于水以及某些有机溶剂中。用于表征固体包合物的检测手段很多，例如 X 射线粉末衍射是一种快速而简捷的方法；差热、热重分析[29]则能很好地反映包合物的形成；红外光谱、薄层色谱[30]和固体 NMR 等也是鉴定包合物的常用方法。溶液中环糊精与客体分子的相互作用可以用吸收光谱[31]、荧光光谱 (包括荧光光谱法[32]、荧光探针法[33])、核磁共振谱、微量量热、电化学、毛细管电泳、高效液相色谱和圆二色谱[34]等多种方法进行分析。其中最主要的方法是荧光光谱法和核磁共振法。 荧光光谱法是最为普遍的一种方法 ,适用于能够发荧光的客体分子，方法简便、灵敏、快速；核磁共振法是所有方法中最有效研究包合物空间构象及包合位点的方法，1H NMR 技术可推测 CD 与客体分子的包合方式。 4 环糊精化学的发展前景 环糊精能与许多分子形成包合物的这种性质使人们对它们产生越来越浓厚的兴趣。环糊精及其衍生物在药物载体、食物、香料、化妆品、包装、纺织、分离、环保、发酵以及催化等方面都有重要的用途。环糊精化学也会在今后有很大的发展。 4.1 环糊精配合物的分子识别特性 环糊精的手性内腔早已引起人们的注意 ,并成功地应用在对映体化合物的色谱手性拆分、 模拟酶反应和选择性催化反应等领域[35,36]。环糊精的分子识别过程涉及到范德华力、疏水作用力、偶极 -偶极、诱导偶极 -偶极、静电力和氢键等多种非共价键力的协同作用[37]。然而，母体环糊精的识别能力是有限的，因此，目前设计和合成具有功能性基团的新型环糊精衍生物作为超分子主体，探讨主 -客体分子的相互识别作用规律及其功能性基团的特性已成为近年来化学、生物学和药学领域的一个新的研究热点。 4.2 环糊精配合物的生物酶模拟 生物酶具有高效专一催化生化反应的能力，首先在于酶对底物的精确的分子识别。利用 CD 的分子识别功能， CD 仿酶已成为 CD 化学的研究热点，已有诸多综述[38~40]和报道[41~44]。合成具有酶功能的各类主体分子是仿生化学的重要目标，通过对环糊精的修饰和聚合，改变 CD 结构和理化性能，利用其多重疏水结合与识别功能，可望开发更多更好 CD 仿酶体系，这方面研究前景诱人。 4.3 环糊精作为药物载体在医学上的应用 环糊精作为药物载体在医学上的应用具有无毒性、水溶性好等特点，因此将药物分子如前文介绍的抗关节炎金 (Ⅰ )的化合物与环糊精包合，将在医学上有很大的应有价值。合成其它一些金属的http://www.hxtb.org 化学通报 2006年 第 69卷 w035 5 配合物与环糊精的包合物，如具有抗癌抗艾滋病活性的钼钨配合物[18]的环糊精包合物也可能有较大的医学应用价值。 参考文献 [1] D Valle, E M Martin. 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