張文彬, 趙賀賀

(1.宜春學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院,江西宜春 336000； 2.江西省高校鋰電新能源工程技術(shù)研究中心，江西宜春 336000)

β-環(huán)糊精(β-CD)分子是由7個葡萄糖基連接而成的具有筒狀結(jié)構(gòu)的分子，其內(nèi)部疏水，外部具有親水性能。β-CD可以包絡(luò)有機、無機甚至氣體分子等，形成的包絡(luò)物具備特殊結(jié)構(gòu)及特別功能，并廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、環(huán)境、食品、有機合成及分析等領(lǐng)域[1]。因此，研究環(huán)糊精包絡(luò)物的形成、結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性對這種新材料的應(yīng)用推廣有著重要意義。目前的研究方法主要有熱重法[2]、熒光光譜法[3]、核磁共振法[4]及電化學(xué)方法。其中，電化學(xué)方法因具有簡單易行、重現(xiàn)性好尤受關(guān)注，已經(jīng)用于研究一系列有機物與環(huán)糊精之間的包絡(luò)作用[5-10]。

氮氧自由基在生理pH值水溶液體系中穩(wěn)定，早期主要被當成自旋標記物用來研究藥物與生物大分子配體的相互作用[11]。研究表明，氮氧自由基能夠捕獲體內(nèi)有害自由基，用于減少自由基引起的機體損傷，主要用于抗心肌缺血/再灌注損傷、抗輻射損傷、抗阿爾茲海默病、抗高血壓及肥胖癥等[12,13]。本文利用循環(huán)伏安法主要研究了2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)哌啶氮氧自由基與β-CD的包絡(luò)行為，然后通過電流法和電位法，分別測量了TEMPO與β-CD的包絡(luò)比及包絡(luò)常數(shù)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI650E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)；FST-Ⅲ-10超純水機(上海富詩特儀器設(shè)備有限公司)。

β-CD、2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)、K2HPO4、KH2PO4,均購于上海阿拉丁有限公司；4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基(TP)購自比利時Acros公司，試劑均為分析純，未經(jīng)純化直接使用。實驗用水為超純水。

1.2 電化學(xué)測試

玻碳電極先用Al2O3粉末進行拋光，然后經(jīng)超純水沖洗備用。電化學(xué)測試技術(shù)為循環(huán)伏安法。采用三電極體系:玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，Pt片電極為輔助電極。所有電化學(xué)測試在室溫下進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮氧自由基在玻碳電極上的伏安特征

(1)

如式(1)所示，TEMPO以及TP在pH=7.4的磷酸鹽緩沖溶液中均表現(xiàn)出可逆的電化學(xué)氧化行為(陰、陽極峰值電位相差70 mV左右)，其中TEMPO的平衡電位為503 mV，而TP的氧化電位為593 mV，相對于TEMPO正移了90 mV。對于哌啶氮氧自由基，Baur等[14]的研究表明，4位取代官能團給電子能力越強，氧化電位越往正移。而對于吡咯烷氮氧自由基，Manda等[15]認為，3位取代基團給電子能力越強，電化學(xué)氧化過程反而更易發(fā)生，氧化電位更負。

2.2 β -CD與TEMPO的包絡(luò)

2.2.1伏安特征由圖2可知，當TEMPO水溶液中加入β-CD后，體系循環(huán)伏安圖表現(xiàn)為峰電流減小，當TEMPO與β-CD的比例為1∶60時，電位由503 mV正移至531 mV，這可歸因于TEMPO與β-CD通過疏水作用形成了包絡(luò)物。從TEMPO的結(jié)構(gòu)上看，親水性的氮氧自由基為六元哌啶環(huán)的一部分，同時還被四個甲基圍繞，所以TEMPO表現(xiàn)出較強的疏水性，而對于TP而言對位上的氨基表現(xiàn)出親水性能，阻礙了TP分子進入β-CD內(nèi)腔。自由基分子疏水鏈的存在使得某些氮氧自由基能夠與環(huán)糊精形成包絡(luò)物，這一點得到了電子順磁共振(EPR)及電子自旋共振(ESR)實驗的證實。汪漢卿等[16]通過EPR證明4-羥基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基、4-疊氮基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基及4-苯磺酰氧-2,2,6,6-四甲基哌啶氧自由基能夠與β-CD相互作用而形成包絡(luò)物，Birrell等[17]和Knyazev等[18]利用ESR技術(shù)證明脂肪酸氮氧自由基與CD之間存在包絡(luò)反應(yīng)?？梢哉J為，β-CD與TEMPO形成的包絡(luò)物，由于體積較大，表觀擴散系數(shù)相對于TEMPO減小，所以峰電流減小，峰電位正移說明形成包絡(luò)物后在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)所需要克服的活化能增大。

圖1 1 mmol/L TEMPO(a)和TP(b)在pH=7.4磷酸鹽緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of 1 mmol/L TEMPO(a) and TP(b) in pH=7.4 phosphate buffer solution scan rate:50 mV/s.

圖2 TEMPO及其CD包絡(luò)物在掃描速度50 mV/s時循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of TEMPO and its cyclodextrin inclusion complex with scan rate 50 mV/s a:2.0×10-4 mol/L TEMPO;b:a+1.2×10-2 mol /L CD.

2.2.2包絡(luò)比及包絡(luò)常數(shù)測量董紹俊等[5]指出，可以根據(jù)電位或者電流的變化來計算包絡(luò)比及包絡(luò)常數(shù)。對于TEMPO體系，可用以下方程式表示：

(2)

(3)

其中，m為包絡(luò)比，令解離常數(shù)Kd為：

(4)

當[CD]?[TEMPO]時，[CD]≈[CD]0，上式(4)結(jié)合能斯特方程有：

(5)

其中,DT-CD為TEMPO-CDm包絡(luò)物擴散系數(shù)，DT為TEMPO的擴散系數(shù)，二者可以通過以峰值電流ip對掃描速度平方根v1/2作圖而得。如圖2(a)所示，TEMPO/CD體系表現(xiàn)出良好的可逆行為，滿足下式：

ip=(2.69×105)AD1/2v1/2c0

(6)

其中,A為電極表面積，c0為電活性物質(zhì)濃度。

圖3為β-CD濃度為0 mol/L及12 mmol/L時ip與v1/2關(guān)系圖，從圖中可以看出，ip與v1/2表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。根據(jù)式(6)，TEMPO-CDm包絡(luò)物擴散系數(shù)與TEMPO的擴散系數(shù)比值DT-CD/DT可由線性擬合斜率值計算而得，有DT-CD=0.85DT，這也證明了前文所述峰值電流值減小是因為電活性物擴散系數(shù)變化導(dǎo)致。圖4表明，對于TEMPO體系，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)△Ep與ln[CD]0呈良好線性關(guān)系，線性回歸方程為：△Ep=127+20ln[CD]0，結(jié)合式(5)計算可得包絡(luò)比m=0.78，可近似為1。Kd計算為6.47×10-3，包絡(luò)常數(shù)Ks=1/Kd為154 L/mol。

圖3 不同濃度β -環(huán)糊精時掃描速度平方根v1/2與陽極峰值電流ipc關(guān)系Fig.3 Relationship between square root of scan rate v1/2 and cathodic peak current ipc at different concentration of β -cyclodextrin a:[CD]=0 mol/L;b:[CD]=12 mmol/L.

圖4 TEMPO/CD水溶液體系中△Epa與ln[CD]0關(guān)系Fig.4 Relationship between△Epa and ln[CD]0 in the TEMPO/CD aqueous solution system

對于包絡(luò)比為1∶1的β-CD/TEMPO體系，表觀擴散系數(shù)Dobs可表示為：

(7)

圖5 TEMPO的β -CD包絡(luò)物與關(guān)系Fig.5 Relationship between and of cyclodextrin inclusion complex containing TEMPO

結(jié)合式(6)可推導(dǎo)得

(8)

3 結(jié)論

作為一種常用的電化學(xué)技術(shù)，循環(huán)伏安法證明了可以用來研究β-CD與TEMPO的包絡(luò)行為。結(jié)果表明β-CD與TEMPO可以形成超分子包絡(luò)物，利用峰電流和峰電位的變化可以求出包絡(luò)物的包絡(luò)比和包絡(luò)常數(shù)。通過電位法即△Epa與ln[CD]0關(guān)系式計算出β-CD與TEMPO的包絡(luò)比為1∶1，包絡(luò)常數(shù)為154 mol/L，接近于電流法計算的164 mol/L的結(jié)果。本文工作將為拓寬氮氧自由基在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用提供有益參考。