环糊精多轮烷结构在材料领域的应用.docx

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环糊精多轮烷结构在材料领域的应用

环糊精多轮烷结构在材料领域的应用

授课教师：

黄进教授

徐运波

武汉理工大学化学工程学院化工研0601班

摘要：

超分子化学的历史渊源，二十世纪七十年代以后，分子识别、自组装、自组织、自复制等概念逐渐被引入，超分子化学开始兴起，获得了飞速发展。

环糊精多轮烷的结构与性能具有很多优良的特点，如分子形成隧道结构，具有疏水内空腔，可沿客体分子进行往复活塞运动，具有外界刺激响应性，主要依靠物理作用，具有良好的生物相容性及可生物降解性等。

这决定了其可以用于开发纳米通道，分子识别材料，纳米开关，刺激响应材料以及医学组织修复材料等，在国民经济的各个领域都具有广阔的前景。

关键词：

自组装，环糊精多轮烷，纳米通道，刺激相应材料，可生物降解材料

Abstract:

Thesupramolecularchemistryhaslong-termhistory,andsince1970,asmanysignificantconceptionssuchasmoleculerecognition,self-assembly,self-organization,self-replicationwerebroughtin,ithascometoaprosperousstageandallofuswitnesseditsincredibledevelopment.

Cyclodextrinpolyrotaxanespossessadequateadvantagesintheconfigurationandpropertiesaspect.Theycherishthegoodcharacteristicsasfollows:

tunnel-likemolarconfiguration,hydrophobicinnercavities,pistonback-andforwardmotionalongtheguest’spolymerchains,stimulate-sensitivity,biocompatibility,biodegradability,etc.Excellentpropertiesobtained,Cyclodextrinpolyrotaxanesisfullofpotentialintheresearchofnanotunnel,molecularrecognizingmaterial,nanoswitch,stimulate-sensiblematerialaswellastissue-recoverymaterial.Theyareboundtopossesspromisingprospectinalmostallfieldsofourcountry’sGDP．

Keywords:

self-assembly,cyclodextrinpolyrotaxanes,nanotunnel,stimulate-sensiblematerial,biodegradablematerial

1前言

环糊精（CDs）是环糊精转葡萄糖基酶（CGTase）作用于淀粉的大环天然产物。

而轮烷或多聚轮烷是由棒状化合物穿过环状化合物而形成的具有重复单元的链或环型自组装结构1，由于这类化合物可发生状态上的量子化效应，如环状化合物在重复单元中相对位置的移动、因外界条件改变而发生重组，使得它们有可能成为纳米发动机，纳米开关2等；若重复单元数不断增大，则能形成关环的分子项链，开环的一维或多维超分子实体；若选用含复键或芳环的重复单元数，则有可能形成以瓜环为绝缘层的分子导线3等。

CD可以其疏水性空腔包含高分子长链形成包结物。

其分子结构是一根线形高分子长链“轴”上穿着很多环状分子即CD作“转子”4。

如果线状分子两端用大基团封端，则称为多聚轮烷（polyrotaxanes），而当没有对线性分子封端时，所得到的超分子包结物称为多聚准轮烷（pseudo-polyrotaxanes）。

由于该类包结物在形成过程中所表现出的对不同高分子的选择性识别作用，以及形成的包结物表现出的有别于主体CD的特殊性能，使得环糊精多轮烷在分子识别、刺激响应器件、基因传递以及其他生物医学领域得到了及其广泛的应用，环糊精多轮烷正成为超分子化学的热点问题，引起了广泛的关注与兴趣。

环糊精多轮烷的特殊结构使其具有许多优秀的特性，在许多领域具备应用的潜力。

环糊精可以包结多种长链分子形成隧道型结构的晶体，可用作纳米管道，实现分子的传递通路；环糊精主要通过疏水作用包结烷基链状分子和芳香类线性分子形成轮烷，而聚轮烷由于具有长的线性结构，具有成为分子线、纳米管及电子传递体的潜在应用价值5；由于环糊精分子之间存在的静电作用，可使其在外来刺激（如电厂）作用下沿客体大分子做活塞运动，因此具有作为分子开关、分子器件的潜力6；以环糊精为主体的多聚轮烷具有良好的生物相容性，无毒，无生物刺激作用，适合于制备医用材料，更好地应用于组织工程和药物控释等方面；而环糊精可以在多种酶的催化下发生降解，可用作可降解生物材料的制备7。

总之，环糊精多轮烷因其具备的结构、性能各方面的特征而备受关注，在医药、生物制剂、农业、食品、化工、器械等领域得到了越来与深入的发展。

本文主要着眼于环糊精多轮烷的结构方面的特点，讨论其具备的各种优良的性质；综合前人的工作，总结国内外文献对于环糊精多轮烷的结构与应用研究和相关进展；并由此探讨其作为超分子化学中的一种主要原料在材料领域的应用。

2不同类型环糊精多轮烷的合成

2.1环糊精与轮烷

环糊精（CD）在1891年即由Viliers在培养淀粉杆菌时发现，目前已发展出成熟的生物发酵法，即由环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase）作用于淀粉而制得。

环糊精分子的外形是一个锥形的圆筒，结构如图1.1a所示，是由n个D-（＋）葡萄糖以α-1,4糖苷键结合而形成的一类环状低聚糖（其中n＝6时称为α-CD，n＝7,时称为β-CD，n＝8时称为γ-CD）8。

环糊精空腔的内部只有醚键和碳氢键，因此是疏水性的，外表面的伯羟基位于空腔的小口端，仲羟基位于空腔的大口端使之具有亲水性，所以环糊精能溶于水中9。

轮烷是由环状分子（轮子组件）串在一个哑铃状的分子（轴组件）上构成的超分子体系10-11，如果将哑铃状分子两端的塞子（stopper）去除，即形成类轮烷。

最简单的轮烷由一个哑铃状分子和一个环状分子组成，称为[2]轮烷，当n－1个环状分子串在一个线性分子上时，形成[n]轮烷。

n较大时，则形成（线性）聚轮烷（图1.1b,c,d）。

聚轮烷还可形成非线性的拓扑结构。

线状分子与大环组成的（类）轮烷体系可以对外界刺激产生响应，形成穿梭－脱梭运动，从而作为二进制逻辑运算的基础。

如果在轮烷合成中，在轴部件引入两个以上的识别位点，轮子部件就有可能在轴上作线性往复运动，形成简单的线性运动的分子机器。

图1.1环糊精与多轮烷

其中：

a-环糊精，b-[2]轮烷；c-准轮烷；d-多聚轮烷

2.2轮烷的分类与主要合成方法

轮烷一般是由环状分子穿在线状分子上而形成的，其中环状分子成为轮烷的主体而线状大分子称之为客体分子。

（类）轮烷可以按选用的主体分子即大环来分类。

大环分子一般应具有较强的包结能力，目前主要包括冠醚（crownether）、环糊精（cyclodextrin）、环璠（cyclophane）、杯芳烃（calixarene）和瓜环（cucurbit[n]uril），其中冠醚和环璠与客体分子通过离子-偶极或π-π作用形成轮烷，环糊精主要通过疏水作用包结烷基链状分子和芳香类线性分子形成轮烷，瓜环分子通过氢键、离子-偶极和静电作用包结烷基胺类分子形成轮烷12。

由于轮烷分子是通过环状分子与线形分子之间的超分子作用力而形成，因此人们就充分利用两者之间超分子作用力把线形分子与环状分子固定在一起组装成轮烷分子。

这些作用力主要包括金属配位作用、π一供体一受体作用、疏水作用、氢键等。

根据组装的顺序不同，合成轮烷分子一般有四种途径（见图1.2）13：

（1）穿线法（threading）：

首先使线形分子（threadlikemolecule）与环状分子（cyclicmolecule）结合成准轮烷（pseudorotaxane），再在线形分子的两端引入封基组装成轮烷分子（rotaxane）；

（2）夹套法（（clipping）：

环状分子的片段与线性分子形成环状配合物，然后再进行闭环反应形成轮烷；

（3）滑动法（（slippage）：

在较高温度下，使环状分子与带有封基（stopper）的线形分子形成准轮烷，再冷却而成；

（4）对接法（trapping）：

先使分别带有一个封基的两个线形分子片段与环状分子形成环状配合物，然后通过共价作用将线形分子片段连接起来组装成轮烷分子。

无论哪种方法，轮烷一般在溶液中以自组装方式合成。

常用的表征和研究方法则包括紫外可见和荧光光谱、园二色光谱、核磁共振波谱、热分析、质谱、电子显微技术、X射线衍射技术、计算机模拟技术等等。

图1.2轮烷的不同合成路线

其中：

A-穿线法；B-夹套法；C-滑动法；D-对接法

另外，近年来，环糊精与聚合物形成的包结物还存在许多其他的不同的分类标准：

若按主体环糊精（CD）的种类，可分为α-CD，β-CD，γ-CD型多聚（准）轮烷9；若按环糊精在聚合物链上的位置，可分为主链型（CD位于聚合物主链上）和侧链型（CD位于聚合物侧链上）多聚（准）轮烷；若按客体高分子的结构，可分为均聚物型和共聚物型；还可按客体高分子的性质，分为无机高分子型和有机高分子型。

3环糊精多轮烷的结构、性质及应用

由于环糊精多轮烷的特殊的结构赋予了其与众不同的独有的性质，因此被广泛应用于国民经济的各个部门，方方面面，成为超分子科学领域内最为活跃的话题之一。

3.1“隧道结构”与分子的纳米通道

Harada等14-15最先开始基于CD的多聚（准）轮烷研究。

1990年，他们首次报道了α-CD和聚乙二醇（PEG）形成的包结物，研究发现，Mn=400~10000的PEG均能与α-CD形成结晶，其形成速率与Mn有关，Mn=1000的PEG形成结晶包结物（ICs）的速率最快。

由于α-CD是通过与相邻α-CD的氢键作用、空间立体配位及其疏水空腔与聚合物链形成包结物，这种包结物也称为多聚准轮烷。

当包结物中乙二醇结构单元与α-CD的摩尔比为2∶1时，则形成饱和多聚准轮烷。

根据包结物的粉末X射线衍射图，Harada等认为：

α-CD-PEG包结物是“隧道”结构的晶体；其中α-CD按头-头（或尾-尾）方式紧密排列在PEG链上，形成管道式结构。

后来，他们利用化学合成的方法制备出了纳米管道，其结构如图3.1所示，这提供了一种制备纳米管道的新方法16-17，同时也进一步证实了包结物“隧道”结晶的存在。

Mattice等则用分子动力学方法模拟了α-CD与PEG形成的多聚轮烷，也证实了包结物的隧道结构。

图3.1α-CD-PEG多轮烷包结物的隧道结构

赵三平等18采用向丙烯酸酯封端的PEG-b-PCL齐聚物大分子单体中滴加α-CD的水溶液的方法制备了环糊精多轮烷的水凝胶，通过广角X线衍射（WAXD）发现饱和多聚准轮烷的结构也为管道式。

而这种管道式结构为形成分子的纳米通道奠定了基础。

由于管道内部空腔为疏水性空间，容易识别酯溶性的分子，使其形成物质的分子通道。

TooruOoya等19用可水解的多聚轮烷制备了聚乙二醇交联的含有α-CD纳米管道的水凝胶，其制备过程如下：

a-CD穿在用可水解的酯基封端的PEG上后，用另一条PEG链交联，封端的酯基用1N的NaOH溶液水解后，在水凝胶中形成纳米管道。

十二烷基硫酸钠在这种水凝胶中的分配系数是在通常交联的α-CD水凝胶中的两倍。

因而，在水溶液中α-CD的管道结构有利于在其疏水空腔中结合长的烷基链。

Huajiao等20研究了多臂聚乙二醇和环糊精形成的包结物，他们发现，和线性聚乙二醇一样，多臂聚乙二醇不能和β-环糊精形成包结物，在与α-环糊精形成包结物时的化学计量比是2：

1（乙二醇单元：

CD），而和γ-环糊精形成包结物时的化学计量比是4：

1（乙二醇单元：

CD）。

而且，同一多臂聚乙二醇的两条聚乙二醇链可以相互识别，穿在同一个γ-CD的空腔内，由此形成可进行分子识别的分子管。

形成的包结物的示意图如下：

图3.2γ-CD和三臂PEG（A）、四臂PEG（B）和六臂PEG（C）形成的包结物结构示意图

3.2疏水空腔与分子识别管道

环糊精多轮烷的整个分子成锥柱或截顶圆锥状花环。

空腔内部排列着配糖氧桥原子；氧原子的非键合电子对指向中心，使空腔内具有很高的电子密度，因而表现出某些路易斯碱的性质。

毗喃葡萄糖环C-3，C-5氧原子位于空腔内并覆盖了配糖氧原子，使空腔内部成为疏水性空间21。

其结构如图1.1所示。

由于环糊精空腔的疏水性，一般可包结芳香化合物和含高度非极性烃链的脂肪族化合物，一些无机盐和惰性气体也可能被环糊精包结，而且环糊精超分子体系中主客体之间能够形成多种比例的包结物，可以与长链的烷基以及芳香族化合物形成多轮烷，从而形成分子识别管道，达到对疏水性分子的识别作用22。

Cristian等23证明了客体聚合物的疏水性、客体聚合物的分子大小与主体CD的空腔直径的几何匹配性在包结物的形成过程中具有重要的作用。

他们发现α-CD对聚己内醋（PCL）的亲合性大于对聚丙交酯的亲合性，从而得出了主体环糊精分子对疏水性客体的包结能力大于对亲水性客体的包结能力的结论。

在含有α-CD，γ-CD和聚己内酯的摩尔比为1：

1：

1的溶液中，PCL会优先选择和α-CD形成包结物，可见，同一大分子单体对不同的环糊精分子也有识别作用。

3.3环糊精环的活塞运动与纳米开关

一般来说，轮烷或多聚轮烷是由棒状化合物穿过环状化合物而形成的具有重复单元的链或环型自组装结构，由于这类化合物可发生状态上的量子化效应，如环状化合物在重复单元中相对位置的移动、因外界条件改变而发生重组，使得它们有可能成为纳米发动机，纳米开关等。

如果在轮烷合成中，在轴部件引入两个以上的识别位点（station），轮子部件就有可能在轴上作线性往复运动，形成简单的线性运动的分子机器（图3.3）。

这就为纳米开关的实现以及分子线性马达24的制备提供了基础。

图3.3环糊精环相对于客体轴的活塞运动

一个美国科研小组制造出世界上第一个纳米阀门25。

这个阀门可以控制分子的进出，科学家设想将来用它向细胞内输送单个药物分子。

加州大学洛杉矶分校教授杰弗里·青克等人25研制的这个纳米阀门由两部分组成。

一个是人工设计的轮烷分子，是阀门的活动开关“芯”；另一部分是500纳米见方的多孔硅物质，是阀门的固定部分，其小孔尺寸只有几个纳米。

这一成果发表在美国《全国科学院学报》上。

加州大学洛杉矶分校研究人员设计的这种开关轮烷，包括一个哑铃状的长链和一个能在“哑铃”两头之间来回直线移动的分子环，分子之间的电性力就可以驱动这个分子环。

早先，科学家已验证了这种轮烷能作为微电子开关使用。

研究人员将作为阀门“芯”的轮烷，附着在多孔硅的孔口上就构成了阀门。

多孔硅物质的小孔尺寸很巧妙，既能够让分子通过，又足以让轮烷的分子环将孔口堵住。

这样，当轮烷的分子环被电性力驱动向上运动时，阀门就处于“开”的状态，分子可以自由通过小孔；而当轮烷分子环向下运动堵住了小孔，阀门就处于“关”的状态。

相关研究显示，将来可以把这种纳米阀门黏附在细胞膜上，用光控制向细胞内部输送单个药物分子，实现“精确治疗”。

（类）轮烷和聚轮烷在制备纳米材料方面具有良好应用前景，如J.F.Stoddart等人合成的纳米阀门26，通过类轮烷的穿梭－脱梭来控制阀门的开关。

而聚轮烷由于具有长的线性结构，具有成为分子线、纳米管及电子传递体的潜在应用价值27，如刘育等人28制备的以Ni（Ⅱ）桥联的（类）聚轮烷，其透射电镜（TEM）图显示形成了纳米线。

此外，具有拓扑结构29的聚轮烷还用于晶体工程，可以构建如分子项链或其他新奇的二维、三维结构。

3.4刺激响应性与刺激响应材料

此类研究是（类）轮烷最重要的应用之一，已有相当多的文献报道30。

通过巧妙设计，（类）轮烷体系可以对外部刺激产生响应，外部刺激的种类则由要削弱的原体系中的分子间力来决定，如[N－H…O]氢键作用可通过酸碱度（化学刺激）31来调节，[C－H…O]氢键和π电子给/受体作用（电荷转移）则可用氧化还原过程控制，也就可以通过化学（酸碱）、光化学28和电化学32-33刺激来实现。

CD是电化学、光化学惰性的主体，但可以与许多电化学、光化学活泼的客体形成稳定的轮烷体系，形成电化学或光化学驱动的分子开关或分子梭，利用偶氮苯或苯乙烯的光致顺反异构驱动的以CD为主体的轮烷也已有报道34。

KangMooHuh等35通过改变客体和主体的摩尔比、pH值和水溶液的离子强度等参数，制备了聚赖氨酸（PL）和α-CD包结物。

包结物的形成和溶液的pH值有很大关系，当pH=8.5~12时，可以得到包结物。

可由此构建对pH值敏感的智能生物材料。

JunLi等36首次报道了α-环糊精与聚乙二醇（PEO）和聚丙二醇（PPO）三嵌段共聚物（Pluronic，PEO-PPO-PEO）形成的水凝胶。

加入α-环糊精有助于凝胶的形成，通过试验，他们发现PEO链段含量超过25wt%的Pluronic共聚物和α-环糊精可在室温形成水凝胶，而且形成的水凝胶是触变的，当受到剪切力时水凝胶的粘度大大降低，使其可注射。

这种水凝胶可望用作蛋白质控制释放的基质。

另外，他们还制备了由α-环糊精和PEO组成的多聚准轮烷形成的可注射药物释放体系。

该体系通过超分子自组装引发的物理交联形成，不存在任何化学交联试剂和有机溶剂。

他们发现，药物的释放速度和药物分子的直径大小没有关系，水凝胶通过PEO从CD空腔中抽出进行溶蚀，从而有助于药物的释放。

这个特征使药物的释放速度对药物种类的依赖性降低，因而制得的药物释放体系的应用范围较大。

HakSooChoi等37通过接有β-CD的主体聚赖氨酸（β-CDPL）和客体3-三甲硅丙酸（TPA）的超分子组装来诱导快速的相转变。

在该体系中，包结在环糊精疏水空腔的TPA相当于物理交联剂，温度改变引起相的变化，而且是可逆的。

通过改变环糊精的取代度、投料的摩尔比率和溶液浓度可以很好的控制临界聚集温度。

这种超分子体系不仅在生物系统的分子识别和酶一底物相互作用研究中，而且在药物控释系统、生物技术中的分离和农产品的加工、生物传感器等实际应用中都有很重要作用。

Hiroaki等38-39制备和表征了由β-环糊精与聚乙二醇（PEO）和聚丙二醇（PPO）的三嵌段共聚物（（Pluronic）形成的多聚轮烷。

β-环糊精穿在共聚物上后提高了聚轮烷的溶解性，有助于阻止聚丙二醇链段的聚集。

在缓冲溶液（PBS）中，随着温度的升高，β-CD会向PPG链段移动。

这种多聚轮烷具有温度敏感性，可起到机械活塞的作用，有望用作仿生材料。

KangMooHuh等40在水溶液中制备了基于右旋糖苷接枝PEG和α-CDs的包结物的超分子结构水凝胶。

由接枝右旋糖苷PEG形成的包结物有一个凝胶一溶胶转变温度，溶胶一凝胶转化依靠于超分子的自组装和分离。

通过改变聚合物浓度和接枝共聚物中PEG的含量，以及主客体分子的化学计量比可以控制转变温度，实现人工控制相变。

魏红亮等41致力于环糊精修饰的水凝胶的研究，曾以聚乙二醇一聚ε-己内酯大分子单体为客体分子制备了基于α-环糊精的超分子自组装的水凝胶。

为了进一步研究该体系的自组装特征，用丙交酯代替ε-己内酯进行开环聚合，然后使其与甲基丙烯酸酯反应，制得甲基丙烯酸酯封端的大分子单体。

把大分子单体和环糊精的水溶液按照一定比例混合，搅拌一段时间后意外地观察到伴随着自组装过程，该体系同时出现凝胶化现象。

这是一种新型的基于α-CD超分子自组装的凝胶化现象，凝胶在水中快速形成，不需要任何有机溶剂和交联剂，且凝胶的组份具有良好的生物相容性。

凝胶形成的温度范围较宽，在20℃~40℃之间凝胶快速形成。

另外，形成的凝胶是触变的，搅拌后成为溶胶，静置后又变为凝胶，因而具有可注射性。

HakSooChoi等42研究了α-环糊精与PEI-b-PEG-b-PEI共聚物所形成的多聚轮烷的性能，研究其作为分子开关的功效。

发现此多聚轮烷具有良好的pH敏感性。

在溶液中轮烷主客体之间的氢键以及静电吸引力随着pH值的改变而变化，从而引发环糊精的活塞运动。

当pH=10时，环糊精主要分布于PEI段上，而体系转变为酸性（pH=4）时，环糊精移动至PEG段上。

从而可以实现刺激相应的分子开关。

图3.4α-环糊精与PEI-b-PEG-b-PEI共聚物的pH敏感性

3.5物理作用对结构的影响

TiejunZhaoandHaskellW.Beckham43在研究中发现，环糊精的环与环之间通过共价键相连接从而形成线性的大分子夹层，而在环糊精多轮烷的内腔之中不存在离子键与共价键，仅仅依靠物理缠结与静电吸引力来结合主客体。

因此改变溶剂的极性，可以导致多聚轮烷的形态发生改变；同样的，升高温度则有利于致多聚轮烷的稳定；同时，采用离子化的方法可以导致其受到外部的静电力而内部没有作用力而导致环糊精轮脱落。

同时，环糊精多轮烷的端基解离亦可引发结构的脱散。

3.6生物降解性与可生物降解材料的制备

环糊精与嵌段共聚物（特别是与可降解的嵌段共聚物）形成包结物的报道较少。

由于环糊精具有嵌段识别作用，它可穿在嵌段共聚物的特定嵌段上，并影响未被包结的嵌段的形态，进而影响材料的降解性和渗透性等行为和特征。

这类包结物是潜在智能生物材料。

1998年，Tooru等44制备了可生物降解的多聚轮烷，这种轮烷的客体大分子两端含有可酶解的多肽，环糊精通过与环氧丙烷反应进行修饰，并研究了其在番木瓜酶（papain）作用下的体外降解的情况。

2000年，他们制备了以寡肽Tyr-Gly-G1y封端的多聚轮烷，对其在氨基酸酶M作用下的体外降解情况进行了研究。

由于氨基酸酶（aminopeptidases）位于体内中枢神经等特定部位来控制肤的活动，因此这种含有多肤的多聚轮烷作为药物载体具有很大的应用潜力。

最近，他们制备了用羰乙酯修饰环糊精的多聚轮烷（Carboxyethylester-polyrotaxanes），研究了其对钙的结合力及对胰岛素的抑制情况，他们发现，随着链上修饰环糊精的数目增多，对钙的结合能力增强，对胰岛素的抑制能力增加。

LiJun45首次报道了环糊精和聚乙二醇和丙二醇的无规共聚物（PEO-PPO）形成的多聚准轮烷[23]，他们发现，尽管有较大的丙二醇（PPO）单元无规地分布在聚合物骨架上，但该无规共聚物仍然能够穿过α-CD较小的空腔以较高的产率形成包结物。

这纠正了人们当时普遍持有的传统观点，即α-环糊精的空腔太小，不能穿过丙二醇单元。

后来，他们制备了聚丙-醇-聚乙二醇-聚丙二醇三嵌段共聚物（PPO-PEO-PPO）和α-环糊精形成的包结物，α-CD可以滑过具有较大侧基的PPO链段，选择中间的PEO链段形成包结物，具有较大侧基的PPO链段不被包结从而形成非晶相。

制备的多聚准轮烷在大量水中慢慢溶解，这说明形成多聚准轮烷的过程是可逆的。

另外，他们还制备了聚乙二醇-聚3-羟基丁酸的两亲三嵌段共聚物（PEO-PHB-PEO）与α-CD形成的包结物46。

经研究发现α-CD倾向于包结两侧的PEO嵌段，而中间的PHB嵌段只是部分被CD包结。

众所周知，聚3-羟基丁酸具有良好的生物相容性和生物降解性，通过形成包结物对其进行改性，