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化学工程与工艺毕业论文

大连民族学院本科毕业设计（论文）

微波条件下β-环糊精与间甲酚/赖氨酸的分子识别研究

学院（系）：

生命科学学院

专业：

化学工程与工艺

学生姓名：

协梦

学号：

**********

指导教师：

慧明

评阅教师：

完成日期：

2015年6月日

民族学院

摘要

环糊精是一种环状的低聚葡萄糖。

其结构为部疏水、外部亲水且略呈锥形的空圆筒，则使得环糊精能作为宿主与不同客体化合物形成特殊包合物。

其中β-环糊精应用最为广泛。

微波加热是一种新型的加热方式，具有加热速度快、热能利用率高、反应灵敏、产品质量高等特点，因此在有机合成中得到的频繁使用。

本文主要研究在同等条件下，用微波加热法与饱和水溶液法反应产生的β-环糊精包合物的实质区别。

两种方法下，实验合成β-环糊精与L-赖氨酸、间甲酚的包合物，并对包合物通过核磁共振1H谱及紫外光谱进行检测对比分析。

证实了发生包合反应的可能性及微波反应有更高的效率。

关键词：

β-环糊精；L-赖氨酸；间甲酚；微波加热；包合物

Under the condition of microwave beta cyclodextrins and m-cresol/lysine molecular recognition research

Abstract

Cyclodextrinisakindofannularlowglucose.Thestructureofhydrophobicinternal,hydrophilicexternal andslightlyacone-shapedaircylinder,ismakesthecyclodextrincanbeusedasahostobjectwithdifferentcompoundsformedspecialclathratewithbetacyclodextrinappliedmostwidely.

Microwaveheatingisanewtypeofheatingmode,with?

characteristicsof?

fastheating,highheatenergyutilization,sensitivereactionandhighproductqualitythereforegetfrequentuseinorganicsynthesis.

Inthisresearch,underthesamecondition,synthesisisheatedwithmicrowaveheatingandusingordinarymethodsoftheessenceofthedifferenceofinclusion.Twomethods,theexperimentalsynthesisbetacyclodextrinsandL-lysine,m-cresolinclusioncompound,Todetectandanalyzetheinclusioncompoundbynuclearmagneticresonance（1HNMR）andultravioletspectrum.Itconfirmedthepossibilityofoccurinclusionreactionandmicrowaveheatinghasahigherefficiency.

Keywords:

beta-cyclodextrinL-lysinem-cresolmicrowaveheatinginclusion

前言

环糊精是通过α-（1,4）-糖苷键连接的D-葡萄糖低聚环状物。

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；腔为疏水性基团，腔有微弱的极性。

环糊精的这种特殊结构使其能与很多有机分子、金属配合物发生作用生成包合物（inclusioncomplex）。

与环糊精母体相比.其衍生物具有更多更好的特性可使用修饰的环糊精作为电子受体或给体。

由于这一独特的空腔结构使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。

20世纪30年代，Freudenberg及同事在实验的基础上推断出环糊精由葡萄糖单元构成。

他们还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。

1948年到1950年期间，他们还发现了γ-环糊精并阐明了其结构。

从20世纪50年代起，French和Cramer研究组分别致力于研究酶促降解法制各环糊精、分离纯组分以及它们的真实化学和物理性能。

French发现了存在更大环状结构的糊精，而Cramer研究组则重点研究了环糊精的包结配位能力。

环糊精在有机化学、分析化学等领域占领着不可或缺的重要作用，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著和长篇综述。

本文主要讲述β-环糊精与间甲酚及赖氨酸的包合作用，并用紫外分析及核磁共振分析。

第一章序论

一、β-环糊精包合物简介

1.1环糊精发展进程

1891年，Villier首次从淀粉杆菌作用过的土豆淀粉里分离出环糊精，当时把它命名为cellulose。

几年后Schardinger分离出两种晶状物质，分别命名为“crystalline

dextrinα”和“crystallinedextrinβ”。

20世纪30年代，便对环糊精进行了基础的研究，但发展较慢。

后研究逐渐深入，证实了环糊精能形成包埋复合物，并且在一些反应中具有催化作用。

20世纪50年代，对环糊精生成酶、制取方法、环糊精的物理化学性质和研究逐渐增多，提出了许多新见解。

特别是F.Cramer首先阐明了环糊精能稳定色素，继而又发现能形成包络物，从而在食品、医药、化妆品、香精等方面的应用不断扩大，其相关领域研究工作也随之活跃起来。

环糊精包合物的研究逐渐趋近于成熟，开始在一些领域得到应用。

1960年日本首次进行了环糊精的中试生产，此后三十年环糊精才真正进入了工业化生产阶段。

1.2β-环糊精结构与性质

1.2.1结构

环糊精（cyclodextyin，CD）是葡萄糖聚合物在环糊精葡萄糖残基转移酶（Cyclodextringlycosyltransferase，CGTase）作用下而形成的，由6-12个D-吡喃葡萄糖基以1，4一葡萄糖苷键连接而成的环状低聚糖，α、β、γ-环糊精分别是6，7，8个D（+）—吡喃型葡萄糖组成的环状低聚物，由于α-CD分子空洞孔隙较小，通常只能包接较小分子的客体物质，应用围较小；γ-CD的分子洞大，但其生产成本高，工业上不能大量生产，其应用受到限制；β-CD的分子洞适中，应用围广，生产成本低，是目前工业上使用最多的环糊精产品。

β-CD的疏水性及催化活性有限，使其在应用上受到一定限制。

为了克服环糊精本身存在的缺点，研究人员尝试对环糊精母体用不同方法进行改性，以改变环糊精性质并扩大其应用围。

所谓改性就是指在保持环糊精大环基本骨架不变情况下引入修饰基团，得到具有不同性质或功能的产物，因此也被称为修饰，改性后的环糊精也叫环糊精衍生物。

环糊精进行改性的方法有化学法和酶工程法两种，其中化学法是主要的。

化学改性是利用环糊精分子洞外表面的醇羟基进行醚化、酯化、氧化、交联等化学反应，能使环糊精的分子洞外表面有新的功能团。

反应程度用取代度即平均每个葡萄糖单位中羟基被取代的数量表示。

酶工程法是利用环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase）或普鲁蓝酶等将单糖或低聚糖结合到环糊精上，制成支链环糊精（歧化环糊精） 的方法。

图1.2β-环糊精其结构

主体构像最显著的特征是有一个空腔，外部为两端不封闭且略显锥形的圆筒。

环糊精的空腔可以和疏水性有机分子相互作用，形成可逆的主．客体包合物，提高疏水性客体分子在水中的溶解度，使有机反应可以在对环境友好的水中进行。

同时，该空腔是富电性的，能够影响客体分子的电性环境，使反应在温和的条件下就能有效地进行。

环糊精锥筒上的羟基也可以通过主客体之间的氢键作用使反应朝有利的方向进行。

环糊精的输入性空洞可以嵌入多种不同类别的化合物，形成各种不同类型的包合物，本次论文中也运用了该性质，进行了环糊精与间甲酚与氨基酸的包合研究。

形成包合物，并改变被包合物质的物理和化学性质；可以在环糊精分子上交链许多官能团或将环糊精交链于聚合物上，进行化学改性或者以环糊精为单体进行聚合。

1.2.2性质

表1.2常见环糊精的基本性质

α-CD

β-CD

γ-CD

吡喃葡萄糖单元个数

6

7

8

相对分子量

972

1,135

1,2297

结晶形状

针状

棱柱

棱柱

空穴直径（Å）

4.7-5.2

6.0-6.4

7.5-8.3

外围直径（Å）

14.6±0.4

15.4±0.4

17.5±0.4

空腔深度（Å）

6.7

7.0

7.0

空腔近似容积（nm3）

0.174

0.262

0.427

含结晶水数

6-7.5

11-12

13.3

熔点℃

295-300（分解）

290-300（分解）

>300

碘包含物结晶

蓝紫色六方板状

黄褐色单斜系

黄色针状或四方板状

40℃散射常数

3.443

3.224

3.000

环糊精自身的理化性质在环糊精化学中占有基础性的地位。

但是，限于实验技术的发展，很多这方面的参数目前仍然无法测量。

其中，环糊精的偶极矩是最为引人注意的一种。

环糊精的溶解度、稳定性、结晶特性等物理性质：

环糊精的溶解性：

环糊精在水及其他有机溶剂中的溶解度，是一个十分重要的性质。

本次试验的试管试验表明，环糊精在水中的溶解度是文都的函数，能溶解环糊精的有机溶剂很少，可以说是屈指可数，因此在包合反应时用去离子水溶解，稍微加热后就可溶解。

环糊精没有固定的熔点，大约在200℃时开始溶解，这个时候可以引入修饰集团，对环糊精的侧链进行修饰。

环糊精的结晶环糊精与淀粉不同的一个重要物理性质是具有良好的结晶性,α-环糊精由于水中溶解度大,不易得到晶体,但浓α-环糊精水溶液在冰箱中长时间放置能得到无色针状晶体,β-环糊精有两种不同光学性质的晶体。

一种有解理纹的晶体，另一种光学性质为表面光洁。

环糊精的化学性质：

环糊精分子中存在大量的伯羟基和仲羟基，分子结构中有输水空腔和亲水边缘，因此环糊精分子具有一定的活性。

环糊精可以和多种不同类型的化合物进行包合反应，生产使用价值很高的衍生物。

也可以通过很多途径来对环糊精的侧链进行化学修饰，制备CD衍生物：

（1）如取代1个或多个伯羟基或仲羟基上的1个或多个氢原子；

（2）取代1个或多个伯羟基或仲羟基；（3）消除C5上的—CH2OH中的氢原子，使之变成—COOH基团；氧化断裂1个或多个C2—C3键。

通过化学修饰生成的环糊精衍生物，可以改善环糊精本身溶解性，稳定性等特性。

环糊精进行改性的方法有化学法和酶工程法两种，其中化学法是主要的。

化学改性是利用环糊精分子洞外表面的醇羟基进行醚化、酯化、氧化、交联等化学反应，能使环糊精的分子洞外表面有新的功能团。

反应程度用取代度即平均每个葡萄糖单位中羟基被取代的数量表示。

酶工程法是利用环糊精葡萄糖基转移酶或普鲁蓝酶等将单糖或低聚糖结合到环糊精上，制成支链环糊精（歧化环糊精）的方法。

环糊精主要的化学性质：

输水作用，亲水性环糊精可以通过与客体分子形成超分子结构（通常是包合物）,把亲油（憎水）性客体物质通过水相从一个非水溶剂输运到另一个非水溶剂。

分子作用识别，环糊精可以不同程度地加合疏水性不同、链长短不同、几何厚薄、宽窄不同的客体分子,并可区分某些旋光异构体,从而在多组分体系中有选择地和某些分子形成加合物,这便是分子识别作用。

除了以上两种较为重要的性质外，环糊精还有选择性的催化作用。

由β-环糊精的特殊结构，使得其具有以下性质：

a.空腔由于受到C—H键的屏蔽作用而具有疏水性。

b.空腔外部较大开口端（上端）由C2和C3的仲羟基构成，较小开口端（下端）由C6的伯羟基构成，具有亲水性。

c.在环境中稳定，但在强酸介质中易发生裂解。

有较好的热稳定性。

d.由于其无还原端，没有还原性；

e.容易形成各种稳定的水合物，无吸湿性；

f.能在醇及水溶液中很好地结晶。

g.可以将环糊精交链于聚合物上以环糊精为单体进行聚合或将官能团交链于环糊精分子上进行化学改性。

1.3β-环糊精包合物的应用

利用这些特性，β-环糊精可与许多有机、无机分子结合成主客体包合物，并能改变被包合物的理化性质，具有保护、稳定、增溶客体分子和选择性定向分子的特性，因而在有机合成、分析化学、医疗食品等领域得到广泛应用。

1.3.1在药剂合成中的应用

因其包合能力强、在人体能被吸收、分解且安全无毒，所以作为新型药物包合材料得到广泛应用。

对于药剂的制备使用β-环糊精包合有以下好处：

①增加药物稳定性，掩盖药物本身气味。

例如鱼腥草与β-环糊精的包合作用,鱼腥草其味辛、性凉、入肝、肺两经、具有清热解毒、消痛排脓、利尿通淋等功效，鱼腥草油则具有消炎、杀菌、镇痛、增强免疫力等功效，但其挥发稳定性不高，容易在生产、储藏过程中挥发，且药物中有强烈鱼腥草味。

于是采用其与β-环糊精进行包合。

既能减少油的损失还能掩盖油本身的气味。

不仅如此，还能避免外界环境中的光线、痒等对药物的影响，例如包合当归制剂，增加了制剂稳定性。

②增加药物溶解度及利用度。

这是利用环糊精的亲水性，包合后能提高药物溶解性，增加吸收效果。

例如前列腺素和吡罗喜康等β-环糊精包合物制剂已出现在市场。

正等研究了普罗布考胶囊（采用B-环糊精对普罗布考进行包合）在家犬体的相对生物利用度。

利用高效液相色谱法分析检测，以普通普罗布考片为参照，胶囊中普罗布考的相对生物利用度为（198±90）％。

③靶向和控释给药。

β-环糊精与药物包合后不仅可以很好的储存药物，控制药物释放，还可以提高亲脂性药物在毫微囊中的载药量，从而使制备毫微囊成为可能，达到靶向或控释给药的目的。

β-环糊精与药物包合物还可以使药物在特定区域释放，提高药效。

HirayamaF等实验研究了单取代B-环糊精正丁酸在大鼠体液中的释放。

实验数据显示，大鼠口服6h，胃、小肠、大肠匀浆中均未见明显的正丁酸，而在肓结肠容物中产生大量正丁酸。

这表明β-环糊精正丁酸可在大鼠盲结肠中定位释放正丁酸。

1.3.2在高分子聚合物中的应用

环糊精高分子（Cyclodextrin—containingPolymer，CDP）是以环糊精或经过化学改性的环糊精为基本结构单元的大分子化合物。

近十多年来。

由环糊精介导的新型聚合反应在改进聚合物材料原有合成工艺、调节聚合物结构、提高产物性能等方面独特优势的逐渐显现，越来越引起研究者们的重视。

因环糊精的加入使聚合反应有了一定的改变，例如：

①聚合途径的改变。

目前高分子聚合物合成中使用的有机单体，如苯乙烯、甲基丙烯酸酯系列等，在β-环糊精存在下，不需要引入任何有机溶剂和表面活性剂，就可以直接在水相中进行聚合反应，与传统聚合反应相比，反应速度更快，最终获得的聚合物分子量也更高。

MadisonPH等研究了甲基丙烯酸酯类单体在环糊精存在条件下的自由基聚合反应。

实验表明，甲基丙烯酸酯单体可以直接在水相中聚合得到数均分子量达到140000的高分子聚合物。

此外，体系中使用的p环糊精可以通过简单的离心分离加以回收，回收率高80％～95％。

②聚合产物可设计性的改变。

二、微波合成技术概述

微波化学近几十年刚刚兴起的一门新交叉学科，经过短短几十年的发展，微波化学已经渗透到有机合成、无机合成、分析化学、非均相催化、采油、炼油、冶金、环境污染治理等众多化学研究领域。

随着微波合成技术的不断提高，微波化学已成为目前化学领域最活跃的领域之一。

由于微波作用机理的特殊性，微波化学对很多化学领域，特别是有机台成领域带来了冲击。

即在微波条件下，利用其加热速度快、反应灵敏、具有选择性、穿透性、均质等优点，应用于现代有机合成研究中的一项技术。

2.1微波反应的发现

　微波是指波长足够短,能在发射和接收过程中实际应用波导和谐振腔技术的电磁波,其波长围在1—1000mm之间,对应的频率围为3×105MHz—300MHz.1936年,波导传输试验在美国取得成功,随后,微波技术在通信、广播、电视领域中得到了广泛的应用.在使用微波的过程中,人们发现微波会引起热效应,于是在全世界围开始了对微波加热技术的应用研究.1945年,美国人SpencerPL申请了微波加热技术的第一个专利.1955年,美国泰公司向市场推出了世界上第一台微波炉.20世纪70年代初期,我国开始研究和利用微波加热技术,首先是在连续微波磁控管的研制方面取得重大进展,特别是大功率磁控管的研制成功,为微波加热技术的应用提供了先决条件.20世纪80年代,我国开始生产微波炉,到目前为止,已经发展有家用微波炉、工业微波炉等系列产品,产品质量接近或达到世界先进水平。

2.2微波加热原理

由直流电源提供微波发生器的磁控管所需的直流功率,使微波发生器产生交变电场,该电场作用在处于微波场的物体上,由于电荷分布不平衡的小分子迅速吸收电磁波而使极性分子产生25亿次/s以上的转动和碰撞,从而极性分子随外电场变化而摆动并产生热效应;；又因为分子本身的热运动和相邻分子之间的相互作用,使分子随电场变化而摆动的规则受到了阻碍,这样就产生了类似于摩擦的效应,一部分能量转化为分子热能,造成分子运动的加剧,分子的高速旋转和振动使分子处于亚稳态,这有利于分子进一步电离或处于反应的准备状态,因此被加热物质的温度在很短的时间得以迅速升高。

2.3微波加热特点

2.3.1微波加热的即时性

用微波加热介质物料时,加热非常迅速.只要有微波辐射,物料即刻得到加热.反之,物料就得不到微波能量而立即停止加热,它能使物料在瞬间得到或失去热量来源,表现出对物料加热的无惰性.根据德拜理论,极性分子在极化弛豫过程中的弛豫时间τ与外加交变电磁场极性改变的角频率ω有关,在微波段时有ωτ=1的结果.我国工业微波炉加热设备常用的微波工作频率为915MHz和2450MHz,根据计算,其τ约为10-11—10-10s数量级.因此,微波能在物料转化为热能的过程具有即时特征.

2.3.2　微波加热的整体性

微波是一种穿透力强的电磁波,如频率为915MHz的电磁波,其波长为32cm,它能穿透物体的

部,向被加热材料部辐射微波电磁场,推动其极化水分子的剧烈运动,使分子相互碰撞、摩擦而生热.因此其加热过程在整个物体同时进行,升温迅速,温度均匀,温度梯度小,是一种“体热源”,大大缩短了常规加热中热传导的时间.除了特别大的物体外,一般可以做到表里一起均匀加热.这符合工业连续化生产和自动化控制的要求.

2.3.3　微波加热的选择性

并非所有材料都能用微波加热,不同材料由于其自身的介电特性不同,其对微波的反应也不相同,

根据材料对微波的不同反应,我们可将材料分为:

微波反射型、微波透明型、微波吸收型和部分微波吸收型.因此,我们可以利用微波加热的选择性对混合物料中的各组分或零件的不同部位进行选择性加热.如:

利用微波加热对物料进行胶合加工时,其发热和温升集中在胶层,避免了胶缝周围物料因高温而造成的热损坏.

2.3.4　微波加热能量利用的高效性

在常规加热中,设备预热、辐射热损失和高温介质热损失在总的能耗中占据较大的比例,而微波进行加热时,介质材料能吸收微波,并转化为热能,而设备壳体金属材料是微波反射型材料,它只能反射而不能吸收微波（或极少吸收微波）.所以,组成微波加热设备的热损失仅占总能耗的极少部分.再加上微波加热是部“体热源”,它并不需要高温介质来传热,因此绝大部分微波能量被介质物料吸收并转化为升温所需要的热量,形成了微波能量利用高效率的特性.与常规电加热方式相比,它一般可以节电30%—50%.

2.3.5　微波加热安全、卫生、无污染,具有很强的杀菌能力

常规加热一般采用矿物燃料作为能源,其燃烧产生的二氧化碳被称为产生“温室效应”的主要成分.而微波加热所用能源为电能,对环境没有污染.用微波辐射生物体时,除了产生微波热效应外,微波还能使生物体的生物活性得到抑制或激励,即微波的非热效应或生物效应.在相同温度条件下,微波对细菌的致死率远高于常规加热.除此之外,微波加热还具有加热质量高、营养破坏少、加热设备紧凑、节省空间等优点.

2.4　微波加热的应用与研究

由于微波加热技术具有许多常规加热技术所不具备的优点,国外从20世纪60年代起就将微波加热技术应用于许多行业.我国从20世纪70年代开始研究并应用微波加热技术,目前它已被广泛应用于纺织与印染、造纸与印刷、烟草、药物和药材、木材、皮革、瓷、煤炭、橡胶、化纤、化工产品、医疗等行业.其应用主要反映在微波加热与解冻,微波改性,微波干燥,微波灭菌与杀虫等方面.

2.4.1　微波加热与解冻

由于微波加热具有即时性的特点,我们可以使用微波在很短的时间将物料加热到所要求的温

度.目前微波纯加热技术已被广泛应用于工业生产、家庭民用中.据估计,全世界有超过8000万台家用微波炉在使用着[5],它为人们的生活提供了巨大的方便.

2.4.2微波干燥

微波干燥是把固体湿物料作为一种电介质,置于微波交变电磁场中,在频繁交变电磁场的作用下,物料中的极化水分子迅速旋转,相互摩擦,产生热量,从而加热和干燥物料.用微波对物料进行干燥时,一般物料表面温度低于芯层温度,形成“负温度场”（一般加热方式为正温度场）,且物料产生较高的蒸汽压力,与环境形成较大的静压力差,使物料中的自由水和水蒸气形成渗透流.负温度场和物料外静压力梯度的存在,使微波干燥完全不同于传统的物料干燥方法,形成了微波干燥的独特机理.它具有干燥速度快、质量好的优点.

2.4.3　微波改性

进等用微波加热技术对米糠进行处理,分析了微波处理时间、料层厚度、米糠原始水分、贮藏时间对米糠稳定性的影响.工艺试验表明,当含水率为15.8%—21%,料层厚度为30—70mm,微波处理时间为150—200s时,可产生较好的稳定效果.实验结果表明,微波处理可以明显地提高米糠的稳定性,且微波加热处理时间是对稳定化效果影响最大的工艺参数.

2.4.4　微波烧结

微波烧结技术是一门新的烧结工艺.相对于传统的烧结方法,微波烧结具有突出的优势:

材料部结晶结构更加均匀,致密度更高,改善了材料的性能;实现选择性烧结,产生具有新的微观结构和优良性能的材料.作为前沿跟踪技术,我国也于1988年将微波烧结技术列入国家高技术研究发展计划（“863”计划）,取得了可喜的成绩.不仅烧结出了Al2O3瓷舟,而且还成功地烧结出不开裂、组织均匀的发动机增压器涡轮转子.其坯体直径为96mm,最终致密度为理论致密度的97%.

2.5　微波加热技术的应用前景

加热过程几乎涉及到国民经济的各个部门,广泛应用于国民生产和人民的日常生活中.微波加热作为是一项新技术,它具有众多其他加热方法无法比拟的优点,无疑将会在各部门得到大力推广和应用.但我们也应认识到微波加热一项新技术、新方法