β环糊精的羧甲基化及衍生物的保鲜作用研究

β环糊精的羧甲基化及衍生物的保鲜作用研究 β环糊精的羧甲基化及衍生物的保鲜作用研究 陕西科技大学 硕士学位 β-环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 姓名:王瑾 申请学位级别:硕士 专业:有机化学 指导教师:陈均志 20090601 B一环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 摘要 的含有6(1 2个D( + (吡喃型葡萄糖分子多聚化合物。常见的有a(环 糊精、D(环糊精、^r(环糊精，它们分别含有6、7、8个或多个葡萄糖 连接而成的筒状化合物，广泛应用于食品制造、烟草加工、纺织品 制造、美容化妆品、分离、分析、医药等方面。 本文以p(环糊精和一氯乙酸为原料，通过亲核取代反应在碱性 介质中制备了羧甲基(p(环糊精。产品用甲醇三次沉淀纯化，于60? 下真空干燥。产品的取代度为6(06，’产率为46,。对于反应过程中 反应时间、反应温度、反应物质的量等影响因素做了讨论，最终得 出最佳的反应工艺;并用红外光谱、核磁共振、粉末X。射线衍射分 析对其结构进行了征。 杨梅属于呼吸作用较强的水果，在自然条件下极不易贮藏，有 “一日变味，二日变色，三日变质"之说。目前对于杨梅的保鲜方 法多种多样，有化学防腐剂保鲜、天然保鲜剂保鲜、溶菌酶保鲜、 辐射保鲜等，但大都采用气调法再结合低温贮藏法。本文在7m3密 0 闭体积中用1mg??L以1(甲基环丙稀(p(环糊精溶液处理杨梅6h，得到 了较好的效果，能够延缓果实的衰老，延长保鲜期，减缓果实经济 价值的损失。而且1(甲基环丙稀(p(环糊精溶液可以有效抑制果实的 呼吸强度，提高果实的耐藏性，改善果实的品质。研究了将1(甲基 环丙稀(B(环糊精溶液配合浓度为0(5,的羧甲基(p(环糊精溶液对杨 梅果实进行处理，实验证明可以有效抑制杨梅果实的呼吸强度减缓 花青素、维生素C、总糖、总酸、水分含量等生理指标的减低，使营 养成分得到较大程度的保留。 香石竹又名康乃馨，目前对于鲜切花的保鲜研究很多，但大都 是采用化学药剂进行保鲜，不仅对环境有污染，使用也不方便。本 (甲基环丙稀(p(环糊精溶液处理 文对香石竹切花用不同体积浓度的1 不同的时间，观察其外观形态品质和生理生化指标，得知以50 mg,L h 效果最 的1(甲基环丙稀(D(环糊精溶液在7m3的密闭体系中处理8 佳。能极大提高香石竹切花的观赏价值，减少萎蔫程度，延缓开放。 并研究了1(甲基环丙稀(D(环糊精溶液配合浓度为1(O,的羧甲基(p( 环糊精溶液对切花进行处理，实验证明可以有效增加切花瓶插期间 的花枝鲜重，延缓切花的衰老，延迟香石竹切花叶片质膜相对透性 下降，并对叶片叶绿素含量变化有一定的影响。 13-环糊精，制备，杨梅，香石竹，保鲜 关键词:p(环糊精，羧甲基- II oF METHYLATION CARBOXY OF ANDEFFECT p-CYCLODEXTRIN DERIVATIVESONVASE QUALITY ABSTRACT is 1inked CD whichcyclic Cyclodextrin Cyclodextrin，shortname 6-12 bond，containsD一 + 一pyran―type bya(1，4(glycosidic molecule is commonly compounds(There containsormore 6,7，8 glucose B(cyclodextrin，丫(cyclodextrin，which ofseven units composedglucose respectively(13-cyclodextrin p―CD is bond thetube―like bya(1，4 glycosidic linking compound( iS usedinfood widely B(cyclodextrin processing，textile medicineandSOon( The ofthe was preparation of and studied substitutionreaction[3-CD bynucleophilic studied(Products inalkalinemediawas monochloroaceticacid purified three under vacuumdrying methanol times， by precipitation influenceof a of6(06(The 46,andsubstitution ratioisover degree amountofmaterialmaterial reaction timeandthe temperature，reaction tothebest offactorswas come todoSOonthe discussed(Finally impact ofthereaction infrared magnetic process;and diffractionofitsstructurewere X(ray analysis resonance，powder characterized( bestored havea can Chinese rates，it bayberryhighrespiration that“first naturalconditions(We timeunder say day long have seconddiscoloration，third present，we day daymetamorphic”(At for Chinese and kindsofmethods keeping different storing bayberry aschemical fresh(such preservation，natural radiation freshandSOon， butmostlyadoptvapor keeping 10 withlow aricleusesmg。Lu recombination storage(This temperature Ill totreatChinese for6hin7mj，and 1(MCP(D(CD bayberry getsgood can Chinese fruit effect，whichdelay bayberry thefruitsoftheeconomicvalueoflosses( down storageperiod(slow And can inhibitfruits increasethe 1-MCP(B(CDeffectively breath，and ofthe thefruits sothe storagecapabilityfruits，improvequality(Al solutionwitha concentrationofO(5, 1(MCP(B(cyclodextrin wasstudiedtodealwiththe solution carboxymethyl(B(cyclodextrin fruitsof Chinese showthat Experiments bayberry( of solutionwitha concentrationO(5, 1(MCP(B(cyclodextrin solutioncan inhibitChinese effectively carboxymethyl-p-cyclodextrin fruit’S downthe indicators rate，slow bayberryrespiration physiological as sugar，totalacid， water reducing，suchanthocyanidin，Vc，total andSO fruitnutrition( contenton，keeping alternateisalsonameddianthus are Carnation freshcutflowersin chemical lotsof on study for not the only agentspreservation，whichpollute adopted butalsodidn’tconvenient(Inthis freshcutflowers paper，carnation volumeconcentrationsof solution withdifferent 1(MCP―p-cyclodextrin at timeswere observethe of treatmentdifferent studied，to appearance andbiochemical morphologicalquality,physiological of solutionat7mjenclosedtreatment mg??L‘1 1(MCP(D(cyclodextrin willbeableto enhancethe for8hisbest(Carnation greatly system ornamentalvalueofcut the flowers，reducewilting studiedthe solutionwitha opening(And 1一MCP―p-cyclodextrin of solutionfor concentration that canbe ofcut fresh treatment flowers，experimentalproved weight increasedvase downcutflowers effectively during period，slow cut(flower1eavesdecreasetherelative carnation senescence(delay ofthe in membrane，andchange plasma permeability hasacertain content impact( KEY caryophllus Preparation，Chinesebayberry,Dianthus ? 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名:亟醢 日 期: 至2生王旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅;本人授权陕西科技大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论 文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名: z生篁旦 垂噬导师签名:隧鱼垒日期:至 B(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 1绪论 1(1环糊精简介 结而成的多聚化合物，是继冠醚之后超分子化学研究的第二代主体化合物。 自从被发现以来，CD的研究经历了两个重要发展时期:1970年以前，研 究者主要从事结构和化学性质的研究:1970年以后，则进入应用开发阶段。近 30年来，各种CD及其衍生物已经在医药、化工、农业、日用消费品及生物技 术等诸多领域得到广泛应用[I-61。根据分子中所含的葡萄糖残基的数目不同， CD可以分为不同的类型，其中较为常见的三种环糊精分别含有6，7，8个葡 萄糖单元，称之为a(、p(、丫(环糊精。 CD的形状口宽底窄类似一个圆锥台，里面中空，深度为O(79rim，直径为 0(4(0(9nm，这样形成的空穴恰好可装进其它分子。这种环状空穴结构也称为“分 子胶囊”。由于CD的分子空腔直径不同，不同的CD可以包结不同大小的分子， 因此CD可被用于包结不同的客体分子，优化它们的物理、化学和生物特性。 由7个D一吡喃葡萄糖所组成的分子为B(环糊精，简称p―CD。它由淀粉经高选 择性酶生物降解制得，具有外表面亲水而内表面疏水的空腔结构。这种特殊的 结构提供了D(CD与不同客体分子结合形成包结物的能力，大大减少客体分子 同周围环境的接触，从而起到保持这些物质的稳定性及改变其物理化学性质的 作用【7】。 表1(1a(、p(、T-CD的特性【8J Tabl一IThefeaturesof a-、p一、7-CDt81 "298K水中 p(CD主要应用于以下方面: 1 食品制造、烟草加工方面t9?】，可用于去除异味，改良高档食品及烟草的 口感，增强香味或甜味。 陕西科技大学硕士学位论文 其它家居用品。 对皮肤的刺激，同时p(CD还可广泛的应用于防晒、增白和皮肤用品，作 为稳定剂、乳化剂、定香剂和防腐剂等。 4 应用于分离、分析【I，】中，由于B(CD是手性化合物，可做为色谱柱固定 相、流动相及电泳电解质溶液的添加剂等进行手性异构体的分离和分析。 进药物的吸收，提高生物利用度，降低对胃肠道或眼睛的刺激性，将液体药物 转为微晶粉末，阻止药一药及药一添加剂间相互作用，掩盖药物的不良气味等。 药物应用安全性研究表明人类口服a(，p(和丫(CD没有发现明显的毒性。但对 CD母核的大量研究表明，它们在胃肠道外给药方面仍然存在一定的毒性，其 毒性主要为对肾脏和细胞的毒性It9]。 1(2环糊精的结构和性质 1(2(1环糊精的结构 子，利用0【一1，4(糖苷键环状连结而成的多聚化合物。根据分子中所含的葡萄糖 残基的数目不同，CD可以分为不同的类型，其中较为常见的三种环糊精分 别 含有6，7，8个葡萄糖单元，称之为a(、D(、^r(环糊精，如图1(1。 环糊精分子的外形呈截锥状，分子中的每个葡萄糖单元采取未扭曲的椅式 构象，作为吡喃葡萄糖单元4Cl构象的结果，环糊精分子中所有伯羟基均座落 较于环的一侧，即葡萄糖单元的6位羟基构成了环糊精截锥状结构的主面 窄 端 ，而所有仲羟基座落于环的另一侧，即2位和3位羟基构成了环糊精截锥 状结构的次面 较阔面 。环糊精的内壁由指向空腔的C3和C5上的氢原子以 及糖苷键氧原子构成，使其空腔内部有较高电子云密度l:】，表现出一定的疏水 性。环糊精次面的仲羟基则使其大口端和外壁表现为亲水性。另外，由于6 位 亚甲基的存在，使其主面也表现出一定的疏水性。图1(2为p(环糊精结构的模 型。 2 B(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 a(CD p-环糊精 丫一环糊精 图1(1环糊精的分子结构图 structuerofCDs Figl―IThe 图1-2 p-环糊精的结构图 structure Figl-2Theof[;-cyclodextrin 环糊精的这种疏水空腔结构为大量底物和客体分子提供了结合空间，而且 客体分子与环糊精主体包结配位后，其水溶性、热稳定等化学性质以及光、电、 磁等物理性质在特定情况下有可能发生改变，从而在分子识别、模拟酶、超分 子自组装等方面有重要的研究价值[201。 1(2(2环糊精的物理性质 由于a(、D(、丫(环糊精分子中含有的葡萄糖单元数不同，导致它们在溶解 度、空腔尺寸、旋光度以及结晶形状等物化性质上也不尽相同。表1(2列出了 三种常见环糊精一些基本性质【s(2l】。 a(、B(、丫(环糊精在水中的溶解度不同，特别是B(环糊精反常的低。这可 能是因为环糊精一个葡萄糖单元上的2位仲羟基与相邻的3位仲羟基之间形成 了分子内氢键。由于a(环糊精的一个葡萄糖单元处于扭曲的位置，因此，其第 二面的氢键网络是不完整的，一个分子中只有四个氢键形成。与之相反，B(环 陕两科技大学硕士学位论文 糊精的第二面可以形成完整的氢键带，使其表现出相对刚性结构，这也许可以 解释p一环糊精在水中相对较低的溶解度。丫(环糊精由于环尺寸较大，表 现出一 定的柔性，因此其水溶性在三种常见环糊精中最高1231。随着温度的升高环糊精 在水中的溶解度大大增加，因此环糊精的提纯可通过重结晶方法进行。p(环糊 精在水中的溶解度随温度变化可用下面的经验公式 1(1 表示: ?0(02( 一―3583―+18 lnm 3(88 ‘ 。 2’ 1_1 其中m为p(环糊精在饱和溶液中所占的摩尔分数，T为绝对温度【:】。 表1-2 n(、p(、Y一环糊精的一些基本性质【221 Tabl-2Somebasic of propertiesQ一、B一、y-CDf22】 环糊精水溶液有旋光性，各种报道比旋光[0【】D25值有差异，环糊精水溶液 中的粘度稍高于水的粘度。 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。在a(、13(、 Y一环糊精中B(环糊精最易制各成晶体，浓水溶液 如20(60, 在室温或冰箱 中放置，特别是当用玻璃棒搅动时迅速生成大量白色粉末状晶体。在2(5,以 体。在旋光显微镜加上偏光情况下，观察到彩色消光现象。a(环糊精由于水中 4 13(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 溶解度大，不易得到晶体，但浓溶液 12,左右 在冰箱中长时间放置能得到 无色针状晶体。显微镜观察晶形是判断样品是否为环糊精以及哪一种环糊精的 快速、简便方法。常用试剂是碘液 12"KI ，将欲鉴定的环糊精水溶液1滴涂 到载片上，在滴加的样品上再加1滴碘液于室温下放置，当液滴边缘水分蒸发 干时，于显微镜下观察生成的晶体，晶体的形状随浓度变化。a(CD-12"KI包结 物晶体在低浓度时为蓝一黑色板状正六边形，而高浓度时则为黑色长针状。 这至今仍是判断环糊精种类的最快速、可靠的方法。值得注意的是如果发现有 不同晶形存在，则说明样品不纯【11。 1(2(3 B一环糊精的化学性质【24J 筒状化合物，环糊精的外形呈截锥状，其中的葡萄糖结构单元采取未扭曲的椅 式构象。作为吡喃葡萄糖单元Cl构象的结果，环糊精所有伯羟基均座落于环 的一侧，即葡萄糖单元的6位羟基构成了环糊精截锥状结构的主面或称第一面 较窄端 ，而所有仲羟基座落于环的另一侧，即2位和3位羟基构成了环糊 精截锥状结构的次面或称第二面 较阔面 。环糊精的内壁由指向空腔的C3和 C5上的氢原子以及糖苷键氧原子上的孤对电子指向空腔内部，使环糊精空腔 内部产生较高电子云密度，从而表现出一些Lewis碱的特征。由于以上特点， 环糊精第二面的仲羟基使其大口端和外壁表现出亲水性而其空腔内部则为疏 水性。尽管环糊精的主面也由羟基构成，但由于6位亚甲基的存在，使其第一 (2表示。 面也表现出一定的疏水性，环糊精的疏水性和亲水性区域可用图1 环糊精像淀粉一样，可以储存多年不变质，环糊精在碱乃至强碱性溶液中 都是稳定的，但是酸可以使环糊精部分水解成葡萄糖和系列非环麦芽糖，产物 可以用纸色谱等方法证实。环糊精由于没有还原端，对酸的稳定性比线性状糊 精高2(5倍，可见环状分子配糖键的开裂是,个慢的过程，而且初始阶段的水 解速率比终了阶段要慢的多[251。 环糊精没有熔点，当温度升至200"C时开始分解。环糊精的热性质用热分 按降解初始温度Ti和降解50,温度Th来排列，它们的稳定性顺序是: TC―p―CD IB―CD a―CD DM―p―CD 'I―CD TA―p―CD。 B(环糊精两个面上的21个羟基是环糊精分子中重要的活性基团，也是进 行修饰B(环糊精的对象，环糊精上3类21个羟基的性质各不相同，位于基面 5 陕西科技大学硕士学位论文 上6位羟基的活性最强，但是其酸性最弱。位于第二个面上的2位羟基活性远 比6位上的羟基要低，但是其酸性最强。位于3位上的羟基活性和酸性都很低。 1(2(4 p一环糊精的生物学性质【24】 了解和掌握B(环糊精的生物学性质，不仅对于在化学和生物学领域内的研 究和应用是必要的，更重要的是在医药、诊断、食品等方面的应用。研究不同 的生物酶对环糊精降解行为，对于环糊精的应用特别是与生物学有关的应用方 面至关重要。环糊精完全不被B(淀粉酶水解，因为环糊精不含容易接触这种酶 的末端基团。然而a一淀粉酶由于进攻分子内部，不要求游离端基，因而能水解 环糊精，只是水解的速度较低。除特殊的情况，环糊精不为酵母菌利用。各种 a(淀粉酶对环糊精的水解作用各异，如高峰淀粉酶能容易地分解B(、Y(环糊精 (环糊精容易受到各种a(淀粉酶分解，如但对伍(环糊精作用却很弱。T 猪胰脏淀 粉酶、唾液淀粉酶都能分解Y(环糊精。 环糊精的吸收、代谢与毒副作用是环糊精一个重要的生物化学性质，为开 拓环糊精在药剂与食品工业中的应用，一个决定性的前提条件是考察它在哺乳 动物体内的走向。药物或调味品的环糊精包结物在胃肠系统中的生理条件下 快 速解离，因此应查明生物体对游离环糊精的吸收、代谢以及由此产生的毒副作 用【2??。2S’29】。 1(3环糊精的修饰 由于B(CD本身的水溶性小、组织刺激性大等缺点限制了其更广泛的应用。 D(CD衍生物因具有与天然p(CD不同的理化性质和包结行为而引人瞩目。近二 十年来，人们对p(CD进行了各种结构修饰并对其衍生物进行了各方面的应用 研究。对B(CD进行化学修饰的方法很多，主要包括烷基化、羟烷基化、分支 化等。功能基团的引入能改善B(CD的某些理化性质和包结能力。经过化学 修 饰的B(CD衍生物可以分为亲水性衍生物、疏水性衍生物、离子型衍生物三类 【7】o 人们之所以将目光投向修饰环糊精的结构和实施方略，是因为环糊精 具有一定的化学稳定性，可以进行立体修饰。母体环糊精 如图1-1 尽管具 备一个空腔，可以作为结合底物或客体分子的位点，但有一定的局限性，因此， 如何用环糊精分子作为骨架建筑各种分子，成为环糊精化学的一个重要研究课 6 13(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 题。归纳起来，通过修饰可以达到下述目的【30，3I】: ?取代羟基，降低母体极性，增加脂溶性; ?引入基团增加水溶性，特别是包结物或超分子复合体的水中的溶解度; ?在结合位附近构筑立体几何关系，形成特殊的手性位点; ?进行三维空间修饰，扩大结合空腔或者提供有特定几何形状的空间，以 与底物或客体分子有适宜的匹配; ?引入特殊基团，构筑有特殊功能的超分子和自集成超分子聚集体; ?引入特殊原子或基团，构筑研究弱作用力模型: ?融入高分子结构，获得有特殊性质的新。 母体环糊精和一些经过修饰的环糊精均无毒，且价格适中，在应用领域有 广阔的前景。从构成环糊精的基本单元吡喃葡萄糖环的结构和键的化学性质出 绝大多数修饰环糊精都是在(OH处引入基团，这种修饰在化学上的意义远大于 其它修饰。 a环糊精的修饰 1 羟基 一on 从化学反应性考虑，环糊精分子中3种(OH的反映活性顺序是 C(2和C(3位羟基的活性也有明显的差别，C(3位羟基活性要比C(2位低得多， 由于互相处于邻位，影响C(2位羟基的取代反应不完全，但C(3位羟基磺酰化 后，在碱性条件下也易与C(2位羟基生成2，3(脱水环糊精。大体积的反 映试剂 易选择性地去质子，进而与亲电试剂反应C一3(OH反应性最低，在C(2，C(6 位羟基己被封锁之后才能选择性地进行反应。羟基可以直接与烷基卤化物、环 氧化物、烷基或芳基酰卤、异氰酸酯以及无机酸的卤化物反应生成酯或醚130川。 C(OH键断裂，消去(OH基，需要一个拉电子基团活化氧原子。常用的方 法是将(OH磺酰化生成环糊精磺酸酯，作为中间体可以进行下一步反应，如: 对甲苯磺酰氯 TsC0与6位羟基反应制备环糊精单对甲苯磺酸酯 醇类、胺硫脲等反应，得到相应的去氧衍生物。Tosyl化环糊精也可以在碱性 水溶液中继续进行亲核取代反应，脱水生成环氧化环糊精。环糊精吡喃葡萄糖 单元所有6位(OH都能被氧化为C02Ht30,3q。 2 C―o―C 7 陕西科技大学硕士学位论文 环糊精分子在还原剂存在时受到路易氏酸进攻，可以容易地断裂C―O(C键 而不涉及吡喃葡萄糖单元上的取代基，但它对于环糊精修饰没有什么实际意义 【lJ o 3 C一2一C一3 C(2一C(3键可以被多碘酸或多碘酸盐氧化断裂，得到多醛大环化合物，醛 基还可以进一步还原为醇基，或进行其它反应，此时的大环是柔性的。 环糊精可以通过上述反应引入各种基团，但是由于分子是有6，7，8个具 有相同结构、构型和反应性的毗喃葡萄糖单元组成，在实验中遇到的难题是取 代基如何选择定位以及产物的分离纯化[30，，11。 b达到选择定位目的的有效途径【30川 1 控制反应条件 在不同的溶剂中，取代基可以选择地与不同羟基反应。典型的反应例子是 3 中多数情况选择进入C(2，C(3位。如在选择修饰 时， 碱性水溶液 pH 12(1 仔细调控pH、修饰剂、溶剂 水、水(乙醇、水(DMF 和反应时间，可以在。a(， p(，丫(CD的C(2和C(3位之间选择定位磺酰基，从而可以选择定位转化后基团 的位置。酰化剂,CDs摩尔比小、降低加入速度都有利于生成单取代物，大于1 或超过7得到多取代产物。 2 中间体定位 环糊精对甲苯磺酸酯，再与亲核试剂反应，在此活化位引入取代基得到定位去 在有亲核试剂进攻时生成新的衍生化环糊精。 3 利用保护基选择定位 系列母体环糊精中研究得最多的a(，p(环糊精，相同羟基的反应不同，p( 环糊精仲羟基一侧存在很强的氢键网络，在进行选择多磺酰化时没有发现仲羟 质上的差别，在合成C(6位选择修饰B(环糊精时，可以采用在伯羟基处首先生 成全取代的三苯基磷醚进行活化，随后在C(6位进行亲核取代的方法，得到预 定的修饰环糊精。对于a一环糊精则适于采用首先将吡喃葡萄糖单元的全部羟基 苯甲酰化，而后用2(丙醇钾在2(丙醇一苯溶液中选择脱去全部C(6取代基，在 位的苯甲酞基。 8 13(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 4 配糖键断裂 高收率的麦芽低聚糖，修饰后的非环低聚糖很易进行分子内成环反应，生成新 的单修饰环糊精。 所列举的各种修饰途径，以通过羟基反应引入修饰基的方案最为重要。因 此必须考虑它的亲核性和空腔与试剂生成包结物的能力。环糊精中3个不同位 置的羟基以C(6位碱性最大，最具亲核性。C(2位酸性最大而C(3位最难接近。 在一般情况下，亲核试剂进攻C(6位，当试剂反应活性很大的时候，选择性就 低，更强的反应试剂不仅进攻C(6位且同时在仲羟基处反应，而反应性最低的 试剂在C(6位反应性最高。能说明这一性质的实例是，活性较低的特丁基二甲 基氯硅烷选择地在C(6反应，更具反应活性的三甲基氯硅烷无区别地在所有羟 基处反应。弱碱性的吡啶溶液中难以形成环糊精包结物，在C一6位进行非包结 性亲电反应。同样，在强碱性溶液中，最具酸性的C(2位羟基去质子形成氧阴 离子，比未去质子的C(6位轻基更具亲核性，在空腔边缘出现多个氧阴离子的 情况下不利于形成包结物，所进行的亦属非包结型亲电反应。实际上在强碱性 溶液中反应，生成的产物是两种异构体的混合物。如在碱性溶液中tosyl化反 应，时间短也能得到相当量的C(6位单取代物。可以经过重结晶或炭柱得到纯 样品。碱性水溶液中生成C(6位单取代物是由于在反应前形成了包结物导致的 定位效应。 用引入保护基方法可以避免反应产物的复杂性。如将C(2位保护起来，j亲 电试剂将进入C(6位。当将C(2，C(3位羟基通过酯化反应保护起来时，卤代 烷只与伯羟基反应。最有价值的保护基是TBDMS，它易于引入也易于脱去。 三苯基氯甲烷也是常用的保护基，其在中等酸性下即可脱去。 1(4环糊精及其衍生物的应用[221 近年来，环糊精及其衍生物的应用研究已经在医药、食品、日用化工、环 境保护、农业以及化学工业等诸多领域广泛展开m(，3J，并且已经取得了令人瞩 目的研究成果。这些研究总体上都是利用环糊精及其衍生物的手性空腔结构， 通过范德华力、疏水相互作用、主客体间分子匹配等作用，进行客体分子的选 择识别或者改变客体分子的光、电、热稳定性等物理特性以及化学活性，以达 到不同的应用目的。 医药方面:为了得到生物利用度更高，稳定性更好的药物制剂，环糊精包 合技术已经成为药学工作者所使用的重要手段之一，目前已有大量文献报道 了 9 陕西科技大学硕士学位论文 环糊精包合技术在药剂学上的应用„】。例如:氯丙嗪、苯甲醇等药物可引起溶 血，用B(环糊精包合后可防止溶血现象发生。水杨酸、消炎痛、保泰松、阿司 匹林、水合氯醛等药物对胃刺激性较强，易引起胃炎，甚至胃出血，制成p( 环糊精包合物可明显减小或消除其对胃的刺激性051。何仲贵等人研究发现，饱 研究证明羧甲基(B(环糊精溶血作用小;对槲皮素的增溶作用显著，可在药物 制剂中作为一种新辅料广泛应用。 食品方面:章道道等【39】首次在国内开展了p(环糊精降低糖果的吸潮性研 究，通过对比研究发现p(环糊精对不同类的糖果均有一定的防潮效果，特别是 棕子糖、水果糖、椰子糖等硬糖的防潮效果最佳。 化工方面:环糊精及其衍生物分子中含有众多手性碳原子，作为一种良好 手性选择分离，目前已成功运用于药物手性分子和生物活性手性分子的拆分方 面[404:1。陈治春等【”1采用羧甲基聚合(B(环糊精为手性选择剂对酪氨酸对映体 以毛细管区带电泳形式进行了手性拆分。Biechi等?】利用全甲基化B(环糊精分 离了薄荷醇等130种风味化合物的对映异构体，取得了很好的分离效果。 环境方面:弱极性有毒有机化合物对土壤和含水层的污染已成为严重的问 题。针对这类土壤污染的修复孔德洋等?l以萘为代表污染物，采用不同浓度的 羧甲基(B(环糊精溶液作为淋洗液，结果表明209??L‘1的羧甲基(B(环糊精溶液 的洗脱率可达90,以上。大量使用农药，对地下水造成了严重污染，而利用p( 环糊精包结物的方式，采用适宜配方，施用一种杀虫剂结果表明，对目标生物 体的作用增加，而对环境和地下水没有不利影响H6 。 1(5环糊精及其衍生物在食品和保鲜方面的应用研究 1(5(1改性p(CD在食品工业中的应用前景 B(CD作为食品添加剂，具有无毒、无味、在人体内易水解为葡萄糖分 子 的特点。在食品加工和保存过程中，p(CD与食品中的某些成分形成的包合物， 增加了这些成分的抗氧化、抗光照、及热稳定性。如防止香料挥发，色素光照 变色，多不饱和脂肪酸或维生素氧化等。13-CD还用于去除食品中的不良味道 或有害成分。如鱼、肉腥味，蛋黄、奶油中的胆固醇等等【”】。 由于包合作用是在水溶液中进行的可逆过程，主客体分子包合的摩尔比大 于或等于1。反应过程可表示为: 10 B(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 B(CD+客体分子一包合物 20? 不利 p(CD的低水溶性决定了其在水溶液中有低浓度 1(6x10五mol,L 于包合反应正向进行。而水溶性p(CD在水相中具有很高的溶解度，反应中可 包合的客体分子浓度也相应增高，从而得到更高的收率以及好的包合效果。目 前已有许多水溶性p(CD的应用实例，例如: 1 去除不良成分。控制果蔬汁在加工和储存中发生酶促褐变是果蔬汁生产 质量控制的一个重要问题。近年来限制二氧化硫使后用，改用Vc及其衍生物 防止果汁发生酶促褐变。 化硫、Vc等防止果汁发生酶促褐变的化合物。实验表明:2(羟丙基(p(CD具有 更好的包合效果。在同样储存条件下通过调整其在果汁中的浓度可以完全阻止 或减缓酶促褐变的发生。果蔬汁中的绿原酸被多酚氧化酶氧化为多醌类色素是 包合物，从而阻止多酚氧化。 2 保护易挥发组分。对易挥发组分进行微胶囊化处理以达到抗氧化、抗光 照和长期保存的目的。明胶、糊精等多种化合物作为微胶囊壁材被广泛采用。 13-CD及其衍生物是最有潜力的一类化合物。 反应。不溶性香料的水溶性显著增加。2(羟丙基(p(CD代替表面活性剂起到了 合物。 3 食品中手性化合物的分析。食品中手性化合物的分析是一项很有意义的 工作。由于对映体之间结构上的区别很小，因此必须用手性固定相才能实现分 离。改性p(CD作为多手性中心化合物，利用对映体与手性试剂包合反应速度 的不同，在气相色谱、液相色谱、毛细管电泳上进行对映体分析【?1。食品分析 等用改性IB-CD手性柱分离了生姜、柠檬、柑橘等物质精油中的单萜、倍半萜 p(环糊精分离了薄荷醇等130种风味化合物的对映异构体，取得了很好的分离 效果。 1(5(2环糊精及其衍生物在保鲜方面的应用研究 环糊精包合的l-MCP作为乙烯抑制剂可以有效的减少乙烯释放量，延缓 陕西科技大学硕士学位论文 果蔬、花卉的保鲜期。 1(6本课题研究方向 (6(1研究意义和目的 1 随着农业科技水平的提高及交通运输的发展，促进了物品的快速流通，市 场提供给人们的瓜果、蔬菜品种琳琅满目。特别是反季节农产品的栽培和供应， 更丰富了人们的日常生活。同时随着科普知识的宣传和人们对保健、食品安全 意识的增强，对水果，蔬菜的质量要求也越来越高。新鲜、无公害的水果和 蔬 菜已经是人们的首选。但是由于一些水果成熟的季节性很强，要保证一季收获， 全年或较长时间的供应，就需要对果蔬进行储藏保鲜。在果蔬保鲜过程中，容 易发生褐变、变黑、变软，严重的还要腐烂变质，这不仅造成大量资源的浪费， 直接损害农民的利益，同时也造成市场中果蔬供应不稳定。从营养角度分析， 贮藏保鲜不得当、不成功，直接影响果蔬中的维生素分解，新鲜程度下降，尽 管果蔬并没有腐烂，但品质已远远不如采摘初期，这种果蔬对于人体健康已没 有多大帮助。为解决果蔬贮藏保鲜和延长水果在市场上供货期的问题，近年来 国内外都积极开展了对果蔬保鲜的研究，并取得了明显的成绩。 目前的保鲜贮藏主要采用冷藏法、冷冻法、化学药品处理法，气调贮藏、 减压贮藏也有见报道。冷藏和冷冻法都需要投入较多资金购置设备和建冷库， 难以普及，低温和气调贮藏也必须有防腐保鲜剂的配合，如果没有防腐保鲜剂 的配合，许多果品也很难有理想的保鲜效果，因此化学保鲜剂的应用最为普遍。 然而化学保鲜剂具有不同程度的毒性和残留量，使消费者甚为担忧。因而，天 然无毒、高效的保鲜剂研制开发已成为当前果蔬保鲜剂中最为关注的一个热点 问题。B(环糊精是一种天然的环糊精，它的衍生物对人体无毒副作用，对环境 没有污染，在果蔬保鲜上有很大的用途，具有很大的市场前景。 本课题是根据原与陕西环糊精生产企业的前期合作成果推广及温州和青 天农产品加工企业的要求，进行B(环糊精及其衍生物的应用研究。 1(6(2研究内容和创新点 a研究内容 1 目前对环糊精改性最多的是羟烷基化和羧甲基化，以此来改变环糊精的 某些理化性质，羧甲基化相对价格较低，工艺易于实现。 2 环糊精还可应用于食品添加剂、和药物等方面，以达到长效、增溶、保 12 B(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 护、防腐等作用，故此将研究p(环糊精及其衍生物作为保鲜剂在鲜花，平菇， 香菇，虾等方面的应用以及机理。 b创新点 1 目前国内外关于p(环糊精的研究改性很多，最多的是羟烷基化和羧甲基 化，但大都是对通过改性使其水溶性发生改变。本课题则是从其抗菌、防腐、 保鲜性进行研究，应用氯乙酸使其结构和化学性质得到改变。从而开拓p(环糊 精及其衍生物的应用领域。 z 13(环糊精价格较低，如作为保鲜剂可以得到普及，将具有很大的市场前 景。其衍生物对人体无毒副作用，对环境没有污染，可以取代传统的化学物 质 保鲜剂，消费者易于接受，具有很大的市场前景，将带来较大的经济效益。 陕西科技大学硕士学位论文 2 p一环糊精的改性研究 2(1羧甲基??13-环糊精的制备及检测 2(1(1羧甲基-P一环糊精的制各 a仪器 DZF(3030A真空干燥箱，上海一恒科技有限公司 JJ(1精密定时电动搅拌器，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司 HH一4数显恒温水浴锅，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司 SH2―95B循环水真空泵，巩义市予华仪器有限公司 Spctruml00傅立叶红外光谱仪，美国PE D, 2000PC型X(射线衍射分析仪，日本理学 b试剂 D(环糊精，纯度990,,，陕西礼泉化工有限实业公司生产 一氯乙酸，分析纯，西安化学试剂厂 氢氧化钠，分析纯，天津市化学试剂三厂 乙酸，分析纯，西安化学试剂厂 甲醇，分析纯，天津市东丽区天大化学试剂厂 c制备方法 加入一定量D(环糊精于圆底烧瓶中，移取适量饱和氢氧化钠溶液， 60"C下 值为7，低温放置12h，用甲醇沉淀，过滤后再用水溶解，再加入甲醇洗涤产 物。反复3次，过滤，60?真空干燥。 2(1(2产品的分析测试 a产品取代度的测定 参照周叶红1501等提出的取代度的测定方法进行测定，测得产品的取代度为 6(06。 b产品溶解度的测定 室温下称取O(50 mL水搅拌溶解，如仍有固体末溶解， g的产物，加入1 则再加lmL水继续溶解，如此反复，当固体快要完全溶解时改用滴管逐滴滴 14 13(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 入水，直至固体完全溶解，按20滴约lmL计，即可大概求出其溶解度。平行 测定3次，测得羧甲基(B(环糊精的溶解度为30(59,L，而室温下B(环糊精的 溶解度为1(859,mL。可见羧甲基(B环糊精的溶解度远远高于B(环糊精。可广 泛应用于医药?((，l、土壤修复清洗【”】等领域。 c产品的核磁共振谱分析 移，说明产品发生了羧甲基化。 表2??113-CD和CM-B(CD的NMR数据 Tab2(1Dataof and aboutNMR 13-CDCM(B-CD 名称 CD中葡萄糖结构单元上氢的化学位移 d产品的红外图谱分析 9 cmo处出糊精醇羟基的伸缩振动吸收峰，在2928cm‘1处出现C―H键的伸缩振 动吸收峰，在1645、137I、1157、1082和1017 cm。等处出现B(环糊精葡萄糖 单元的C―O键对称与不对称伸缩振动吸收峰。而羧甲基(D(环糊精谱图 a 在 3419 cmo醇羟基的伸缩振动吸收峰和2928cm以处的C―H键吸收峰强度均减 小了，这是由于B(环糊精分子中的羟基被羧甲基取代影响的结果;与谱线 b CIII以吸收峰，这些谱带 比较，谱线 a 新增加了1604cm, vc:o ，1423和1325 为醚键吸收峰，说明B(环糊精被羧甲基化了。 15 陕西科技大学硕士学位论文 筇 ? 岱 ? 努 ? 45 40 Wr 箝 30 ? ? 蝤 m 5” 3200 2000 4000D，?O 2?O 2?? 1800 1600 1400 1200 l 咖800商???D cII?I 图2一l a 羧甲基-p一环糊精红外图谱 of Fi92??1 a InfraredCM-p-CD spectrum 70 60 50 40 卜- 零 30 20 10 0 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 crn(1 图2(1 b fl一环糊精红外图谱 spectrum Fi92―1 b Infraredof[ -CD eX衍射图谱 13(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 CM―p―CD呈无定型，这是因实验所得到的是随机取代产物所致。 1000 印0 ?O 口 叱 × 幻O 趵0 O O 10 20 30 40 50 20 图2-2 a p-环糊精粉末X-衍射图 Fi92―2 a PowderdiffractionofB-CD X-ray diaaram 300 250 200 150 a 臣 R loo 50 O 如 加 ? 4O 5 ? 伯 图 扣孔"奸基 醐纛禾 X衍射 图 巾 diffractionof X-ray CM―B―CD Fi92-2 b Powder diagram f热重分析 图2(3为D。环糊精及羧甲基(p(环糊精的TG曲线。由图可以看出B(环糊精 的失重起始温度为267(83?，温度升至399(7?时总失重为84(16,，在267(83? 17 陕西科技大学硕士学位论文 衍生物的热稳定性没有p一环糊精的热稳定性好，表明改性成功。 Sample:CD 图2-3 a p一环糊精的TG曲线 TGcurveof Fi92??3 a The B-CD Sample:HCD 图2??3 b 羧甲基-p一环糊精的TG曲线 TGcurveof Fi92-3 b TheCM-p―CD 18 B(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 2(2结果及分析讨论 2(2(1反应原理 p(CD和一氯乙酸在碱性介质中发生SN2取代反应，得到醚化产物 CM―p―CD，基于下述反应，环糊精分子的反应位点是其环上的羟基: B―CD―OH+NaOH_-―?B―CD―O。+H20+Na+ B(CD(O‘+CI(CH’_COOH二二与卜B(CD(O(CH，COO。+C1‘ p(CD为7个葡萄糖结构单元由a(1，4(糖苷键结合而成，每个结构单元可发 生反应的羟基处于仲羟基和伯羟基上，CM(B(CD取代基分布情况的文献表明 ?1，取代基羧甲基的分布与碱的浓度有关。仲羟基较伯羟基酸性强，当碱浓度 低时，仲羟基部分易于变成烷氧负离子，而碱浓度较高时，伯羟基也发生离子 化，显示出反应活性。 2(2(2各因素对产品取代度和产量的影响 a氯乙酸与p(环糊精的摩尔比对CM(p(CI 的取代度和产率的影响 由图2(4可见，随着一氯乙酸和[3-CD摩尔比的增加，取代度和产率呈现 的波动比较大。曾有文献【52】报道，氯乙酸的用量越大，产物取代度越高。但由 图可以看知随着一氯乙酸用量的增加产物取代度呈现先下降再上升，随后又下 降的趋势。由于氯乙酸的量增至一定程度，能中和体系中的一部分碱，从而不 利于亲核试剂的进攻，使SN2反应受到一定影响，故过量的氯乙酸会使取代 度 下降。整体而言，在一氯乙酸和p(CD的摩尔比为8(5:1时，取代度和产率最 高。 b氢氧化钠与氯乙酸的摩尔比对CM[邛(CD的取代度和产率的影响 当一氯乙酸与p(CD的摩尔比为8(5:1时，改变氢氧化钠与一氯乙酸的摩 尔比。由图2(5可以看出随着氢氧化钠摩尔量的增加，产物的取代度和产率呈 先上升后下降的趋势。在2(5:1处产物的取代度和产率都出现了峰值，因此证 明在此处氢氧化钠和一氯乙酸的配比是最佳配比。 随着碱用量的增加取代度出现下降趋势是因为在更高的碱浓度下产生了 副反应: ,氯乙酸与氢氧化钠反应生成羟基乙酸钠的速度快于B(环糊精的醚化反 应，影 响反应效率，取代度也因此而降低。同时增高一氯乙酸钠和氢氧化钠的浓度 可 19 陕西科技大学硕士学位论文 以提高取代度但是会降低反应效率。 4 35 30 3 毋 口 糌25 倒 L , 20 2甾 15 10 6(5:l 7(5:l 8(5:l 9(5:l 10(5:l11(7:l 氯乙酸:13-cD 图2-4氯乙酸与p(环糊精的摩尔比对CM(p(CD的取代度和产率的影响 ofchloroaceticacidand molarratioOn ofsubstitutionand Fi92―4Effect 13-CD’s degree yield about CM一13-CD 40 35 30 4-5，、 盆25 、e,q 蜊 茬20 , 3(5甾 15 10 5 2(5 1(5:l Z(O:l Z(5: l 3(O:l 3(5: l 氢氧化钠:一氯乙酸 图2(5氢氧化钠与氯乙酸的摩尔比对CM(13一CD的取代度和产 率的影响 on ofsodium andehloroaceticacid’Smolarratio of Fi92―5Effect hydroxide degree and substitutionabout yield CM-p-CD c反应时间对CM(p(CD的取代度和产率的影响 一氯乙酸与p―CD的摩尔比为8(5:1，氢氧化钠与一氯乙酸的摩尔比为2(5:1 为最佳比例，反应温度为60"C，改变反应时间，观察反应时间对产物取代度的 影响。由图2-6可知反应4h和6h的取代度以及反应效率相差不大，考虑到成 本问题，所以反应时间为4h是最佳的反应时间。 13(环糊精的羧甲基化及其衍生物的保鲜作用研究 50 7 45 6 40 5 3