環糊精與雙酚A的分子識別研究

閆 靜，李 程，邵 凱，王曉彤（三友（天津）高分子技術有限公司，天津 300211）

環糊精與雙酚A的分子識別研究

閆 靜，李 程，邵 凱，王曉彤
（三友（天津）高分子技術有限公司，天津 300211）

分別利用β-環糊精、2-羥丙基-β-環糊精、γ-環糊精和2,6-二甲基-β-環糊精對環境內分泌干擾素分子雙酚A進行包合，采用Hildebrand-Benesi方程和紫外可見分光光度計測定了環糊精包合雙酚A過程的結合常數；同時利用范特霍夫方程獲得4種環糊精與雙酚A結合的熵變和焓變數據，根據不同環糊精分子與雙酚A分子結合的熱力學信息，明確了環糊精與雙酚A的分子識別機制。結果表明：當常溫（20 ℃）時，包結常數大小順序為β-環糊精＞γ-環糊精＞2-羥丙基-β-環糊精＞2,6-二甲基-β-環糊精，在雙酚A與環糊精的包合過程中，空間位阻效應是主要影響因素，尺寸匹配為次要影響因素；在不同環糊精與雙酚A的包合過程中，其熵變ΔS＞0，其焓變ΔH＜0，升溫不利于包和反應的進行。

環糊精；包合物；分子識別；主客體研究

早在1891年，環糊精就由Villiers首次從淀粉桿菌的淀粉消化液里發現，至今已有一百多年的歷史。這是由環糊精葡萄糖殘基轉移酶（Cyclodextringlycosyltransferase，CGTase）作用于淀粉、糖原和麥芽寡聚糖等葡萄糖聚合物而形成的由6～12個D-吡喃葡萄糖基以α-1、4-葡萄糖苷鍵連接而成的環狀低聚糖［1］。目前工業中所用的環糊精主要是α-、β-和γ-環糊精及其衍生物分別對應于6、7和8個葡萄糖單元，其中尤以β-環糊精應用相對最為廣泛。近年來，聚合度從9到幾百不等的大環糊精（Large-ring cyclodextrins，簡稱LR-CD）也引起了國內外的廣泛關注，對大環糊精的制備、分離純化、結構和性能以及應用也進行了深入的研究。本研究主要通過對β-環糊精、2-羥丙基-β-環糊精、γ-環糊精和2,6-二甲基-β-環糊精對環境內分泌干擾素分子雙酚A進行包合的研究，探討了環糊精與雙酚A的分子識別機制。

1　 試驗部分

1.1試驗原料與儀器

雙酚A（BPA），化學純，國藥集團化學試劑有限公司；β-環糊精，化學純（純度96%），阿拉丁試劑公司；γ-環糊精，化學純（純度98%），阿拉丁試劑公司；2,6-二甲基-β-環糊精，化學純（純度98%），上海晶純試劑有限公司；2-羥丙基-β-環糊精，化學純（純度97%），上海晶純試劑有限公司；無水乙醇，化學純，天津市科密歐化學試劑有限公司；氫氧化鈉，分析純，北京益利精細化學品有限公司。

1 000 W電爐、DGG-9070B型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司；TU-1901型紫外-可見分光光度計，北京普析通用儀器有限公司；其余為一般實驗室儀器。

1.2γ-、β-環糊精及其衍生物與雙酚A包合物的制備及包合量的測定

（1）濃雙酚A儲備液的配制：準確稱取0.125 6 g雙酚A，加熱溶解，置于500 mL容量瓶中定容，定容后濃度為1.1×10-3mol/L。取上述雙酚A溶液20 mL于100 mL容量瓶中，定容，其濃度為2.2×10-3mol/L。

（2）β-環糊精儲備液的配制：準確稱取1.560 6 g β-環糊精，加熱溶解后置于100 mL容量瓶中定容，定容后濃度為1.375×10-2mol/L。

（3）相同雙酚A濃度、不同環糊精濃度的混合液配制：各取濃度為2.2×10-3mol/L的雙酚A溶液10.00 mL分別置于5個250 mL容量瓶中，再向其中分別加入濃度為1.375×10-2mol/L的β-環糊精溶液0、2、4、6、8 mL，定容，后用濃度為0.01 mol/L的NaOH溶液調節pH值為6.0。

γ-環糊精與雙酚A包合物、2,6-二甲基-β-環糊精與雙酚A包合物、2-羥丙基-β-環糊精與雙酚A包合物的制備過程同上。

1.3測試或表征

（1）γ-、β-環糊精及其衍生物與雙酚A包合物表征及包結常數（Ka） 測定：取上述配置的γ-、β-環糊精及其衍生物與雙酚A的混合溶液，分別用190～300 nm 的紫外可見吸收光對1 cm石英比色皿進行掃描，分別測定相對最大吸收波長處的吸光度A。利用［BPA］0/A=1/（Ka×ε）×1/［β-CD］+1/ε進行擬合求得Ka和 ε。

（2）γ-、β-環糊精及其衍生物與雙酚A包合物熱力學常數的測定：取上述配置的γ-、β-環糊精及其衍生物與雙酚A的混合溶液，在不同溫度下分別用190～400 nm 的紫外可見吸收光對1 cm石英比色皿進行掃描，分別測定相對最大吸收波長處的吸光度A。求出不同溫度下的Ka， 利用-RTlnKa=ΔHTΔS擬合得到ΔH和ΔS（測量溫度分別為20、30、40、50、60 ℃）。

2　 分析與討論

2.1雙酚A和環糊精的包結常數測定結果及討論

BPA 和環糊精形成包結物后，其紫外可見吸收光譜吸光度及擬合曲線如表1和圖l所示（其中λex=194 nm，BPA =4.4×10-5mol/L）。由 于 H-B方 程 ［BPA］0/A=1/（ Ka×ε） × 1/［β-CD］+1/ε是在假設BPA和環糊精形成1：1包結物的情況下所擬合出的方程式，而通過圖1可看出，BPA與各個環糊精包合物在紫外可見光譜中的擬合曲線相關度均大于0.995，故可推知，其所形成的包合物均為1：1，且Ka分別是β-CD為1.99×105L/mol、γ-CD為1.75×105L/mol，2,6-二甲基-β-CD為3.78×104L/mol以及2-羥丙基-β-CD為1.10×105L/mol。

表1　BPA在20 ℃時分別與γ-CD、β-CD及其衍生物包合后的吸光度Tab.1　Absorbance of BPA staturated with γ-CD、β-CD and their derivatives at 20 ℃

圖1　H-B方程擬合圖Fig.1　Fitting chart of H-B equation

由表1和圖1可知：在室溫（20 ℃）下，β-環糊精與雙酚A的包合物通過紫外可見吸收光譜測定其Ka=1.99×105L/mol，γ-環糊精與雙酚A的包合物Ka=1.75×105L/mol，2,6-二甲基-β-環糊精與雙酚A包合物Ka=3.78×104L/mol，2-羥丙基-β-環糊精a與雙酚A包合物K=1.10×105L/mol。

通過分析可知，Ka越大，越容易形成包合物，故根據測定結果可知，β-環糊精與雙酚A的包合效果相對最好。

通過比較還可知，Ka大小順序為：β-環糊精＞γ-環糊精＞2-羥丙基-β-環糊精＞2,6-二甲基-β-環糊精。這可能是因為β-環糊精和γ-環糊精均無分支存在，空間位阻相對最小，而2-羥丙基-β-環糊精只含有1個羥丙基，空間位阻相對于含有2個甲基的2,6-二甲基-β-環糊精要小；在雙酚A與環糊精的包合過程中，空間位阻效應是主要影響因素；此外雖然β-環糊精和γ-環糊精均無分支，但是β-環糊精和γ-環糊精的內腔尺寸具有一定的差別，尺寸匹配也是影響包合的因素之一，綜合兩方面的因素，Ka（ β-環糊精）＞Ka（ γ-環糊精）。

2.2環糊精與雙酚A結合過程中焓變和熵變的測定及討論

上述對于環糊精Ka的 測定均是在室溫下進行的，而Ka與 溫度有一定的關系。本節通過變溫控制來測定不同溫度下的Ka， 再通過范特霍夫方程擬合得出其熱力學常數（熵變和焓變）。

表2和圖2分別是在20、30、40、50、60℃時BPA和β-環糊精形成包結物其紫外可見吸收光譜吸光度及擬合曲線（λe x=194 nm，BPA=4.4×10-5mol/L）。根據H-B方程可確定BPA和β-CD形成1：1包結物，且Ka分 別為1.99×105L/mol、1.22×105L/mol、9.05×104L/mol、6.26×104L/mol和4.80×104L/mol。

表2　β-CD在不同溫度下的吸光度及KaTab.2　Absorbance and inclusion constants of β-CD at different temperatures

圖2 β-CD的H-B方程擬合圖Fig.2　Fitting chart of β-CD for H-B equation

依據測定的β-環糊精與雙酚A的包合物于不同溫度下在相對最大吸收波長處的吸光度A，利用-RTlnKa=ΔH-TΔS擬合可得到其ΔH=-28 560 J，ΔS=3.596 J/K。如表3和圖3所示。

同理，γ-環糊精形成包結物后，擬合得其ΔH=-193 30 J，ΔS=34.153 J/K；2，6-二甲基-β-環糊精形成包結物后，擬合得其ΔH=-3 368.7 J，ΔS=76.105 J/K；2-羥丙基-β-環糊精形成包結物后，擬合得其ΔH=-259 62 J，ΔS=7.783 8 J/K。

表3　β-CD的范特霍夫方程擬合數據Tab.3　Van't Hoff equation fitting data of β-CD

圖3 β-CD的范特霍夫方程擬合圖Fig.3　Fitting chart of β-CD for Van't Hoff equation

由試驗結果可知：不同環糊精與雙酚A的包合過程中，其熵變ΔS＞0，且焓變ΔH＜0，故可知，本研究中所有環糊精均可與雙酚A分子自發進行主-客體包合。對于每一種環糊精所進行的變溫測定結果也說明，升溫，平衡向逆反應方向移動，環糊精與雙酚A分子的結合常數減小，不利于主-客體包合的發生。對于4種環糊精，其熵變和焓變大小依次都是β-環糊精＜2-羥丙基-β-環糊精＜γ-環糊精＜2,6-二甲基-β-環糊精。由此說明，該包合反應是焓變占主導地位的自發放熱反應，且β-環糊精相對最易與雙酚A發生包合反應，且變溫對其反應影響相對最大；2,6-二甲基-β-環糊精相對最不容易與雙酚A發生包合反應，且變溫對其反應影響相對最小。

3　 結論

（1）常溫（20 ℃）下，Ka大 小順序為：β-環糊精＞γ-環糊精＞2-羥丙基-β-環糊精＞2,6-二甲基-β-環糊精。在雙酚A與環糊精的包合過程中，空間位阻效應是其主要影響因素，尺寸匹配也有一定影響。

（2）不同環糊精與雙酚A的包合過程中，其熵變ΔS＞0，且β-環糊精＜2-羥丙基-β-環糊精＜γ-環糊精＜2,6-二甲基-β-環糊精，且反應均為自發反應。

（3）不同環糊精與雙酚A的包合過程中，其焓變ΔH＜0，且β-環糊精＞2-羥丙基-β-環糊精＞γ-環糊精＞2,6-二甲基-β-環糊精。升高溫度，平衡向逆反應方向移動，Ka減 小，不利于反應發生。

（4）β-環糊精相對最易與雙酚A發生包合反應，且變溫對其反應影響相對最大；2,6-二甲基-β-環糊精相對最不易與雙酚A發生包合反應，且變溫對其反應影響相對最小。

［1］王福民.環糊精及其包合物的研究與應用［J］.化工時刊,2003,17（7）：4-9.

［2］Staples C A,Dom P B,Klecka G M.A review of the environment alfate,effects,and exposures of bisphenol A［J］.Chemosphere,1998,36（10）：2149-2174.

［3］方世杰,徐明霞,黃衛友.納米TiO2對光催化降解甲基橙［J］.硅酸鹽學報,2001,29（5）：439-442.

［4］劉奪奎,董振禮.環糊精包合客體分子機理的研究［J］.染料與染色,2004,24（3）：155-157.

［5］童林薈.環糊精化學-基礎與應用［M］.北京：北京科學技術出版社,2001,158-186.

［6］劉奪奎,張瑩.環糊精-染料包合物的制備工藝及其應用［J］.北京紡織,2003,（4）：40-42.

［7］陶樹青,陶倩瑋.淺談β-環糊精在巾藥制劑中的應用及其作用機制［J］.中醫藥學報,2002,30（03）：49-50.

［8］趙娥,吳剛,王允亭.β-環糊精包合技術應用研究進展［J］.山東醫藥工業,2002,21（1）：32-33.

［9］趙曉斌,何炳林.具有包絡辨識特性的功能高分子進展［J］.高分子通報,1993,6（02）：98-103.

［10］葉素芳.環糊精和環糊精包合物［J］.化工時刊,2002,16（8）：1-8.

［11］李里特,孫艷.生淀粉生產環糊精的研究［J］.食品與發酵工業,2000,26（4）：22-25.

［12］周應學,范曉東,任杰,等.環糊精―藥物復合納米粒子的制備及其控制釋放研究進展［J］.材料導報,2010,24（5）：136-140.

［13］Wang Y,Zhou S L,Xia J R.Trapping and degradation of volatile nirtrosamines on cyclodextrin and zeolites［J］.Microporous and Mesoporous Materials,2004,75（4）：247-254.

［14］邱立勤,耿安利,賈培世.化學領域的前沿—超分子化學［J］.化學世界,1997,（4）：171-177.

［15］葉文虎,張勇.環境管理學［M］.北京：高等教育出版社,2006,12-31.

［16］Pringsheim H.Chemistry of the Saccharides ［M］.Mc-Graw-Hill：New York,1932,25-46.

［17］Rapp W,Freudenberg K.Advances in carbohydrate chemistry［J］.Ber Dtsch Chem Ges,1936,69：2041.

［18］Freudenberg K,Cramer F.Z.Analysis of Choral Organic Molecules：Methodology and Applications［J］.Naturforsch,1948,3b：464.

［19］Cramer F.Einschlussverbindungen（Inclusion Compounds）［M］.Springer-Verlag：Berlin,1954,189.

［20］Freudenberg K,Cramer F,Plieninger H. Cyclodextrin Technology［J］.Ger,1953,12：1564-1571.

［21］EHPD Andrea.Cyclodextrins and Their Complexes ：Chemistry,Analytical Methods,Applications［J］. Chirality,2007,19（2）：162-162.

［22］P Bortolus,G Marconi,S Monti,et al. Interaction of 4-Hydroxybiphenyl with Cyclodextrins：Effect of Complex Structure on Spectroscopic and Photophysical Properties［J］.Chemistry,2000,6（9）：1578-91.

［23］宋樂新.環糊精化學進展［J］.蘇州大學學報（自然科學）,1996,12（4）：90-95.

［24］劉瀟,余浩然,沈青.基于環糊精的新材料的研究進展［D］.廣州化學,2011,36（3）：44-57.

［25］周應學,范曉東,任杰.環糊精―藥物復合納米粒子的制備及其控制釋放研究進展［J］.材料導報,2010,24（05）：136-140.

A study on molecular recognition of cyclodextrin and bisphenol A

YAN Jing, LI Cheng, SHAO Kai, WANG Xiao-tong
（Sanyou（Tianjin）Macromolecular Technology Co., Ltd., Tianjin 300211, China）

In this paper, β-cyclodextrin （β-CD）, 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin （HP-β-CD）, γ-cyclodextrin （γ-CD） and 2,6-dimethyl-β-cyclodextrin （DM-β-CD） were used to encapsulate the environmental endocrine disruption molecule of bisphenol A. Hildebrand-Benesi （H-B） equation and UV spectra-photometer were used to determine the binding constant of cyclodextrin and bisphenol A. Meanwhile, by regression of van't Hoff plot, the thermodynamic parameters （ △H° and △S°） of these complexes' formation were obtained. Based on the thermodynamic information of molecular combinations of different cyclodextins and bisphenyl A, the recognition mechanism between cyclodextrin and bisphenol A was revealed. At room temperature （20℃）, the binding affinity between cyclodextrin and bisphenol A was descended as the order of β-CD, γ-CD, HP-β-CD and DM-β-CD, it revealed that the steric-hinerance effect was the main influence factor, and the effect of dimension matching was the second. During encapsuating bisphenol A with different cyclodextrins, the entropy change was above zero, while the enthalpy change was below zero, raising the temperature was adverse to the encapsulation.

cyclodextrin； inclusion compound； molecular recognition

O636.1

A

1001-5922（2016）08-0058-04

2016-06-03

閆靜（1989-），女，本科雙學位。研究方向：化工材料。E-mail：yanjingsummer@sina.com。