高取代β-环糊精衍生物的合成与自组装：烯基链长度及取代度的影响

β-环糊精衍生物烷基链长度表面活性超分子自组装分子识别药物递送pH响应材料

作者：Heber E. Andrada, R. Darío Falcone, Mariana A. Fernández, O. Fernando Silva 所属机构：Universidade de Franca，地址：Av. Dr Armando Salles Oliveira 201, Franca, SP 14404-600, 巴西

摘要

我们合成了具有高取代度（DS = 5）的两亲性β-环糊精衍生物（CDmod5Cn），并研究了烯基链长度对超分子自组装和界面行为的影响。使用碳酸钠作为有效的非均相催化剂，合成了烯基链长度分别为10、12和14个碳原子的衍生物。通过表面张力测量和显微镜观察等物理化学方法，发现这些衍生物在水介质中表现出不同的分子行为。值得注意的是，表面张力分析显示了复杂的界面动态：含有五个十二碳烃链的CD12衍生物表现出优异的表面活性剂特性，远超长链衍生物。通过动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）证实了这些衍生物能够自发形成直径为130–150纳米、多分散性较低的单一分散颗粒，显示出高度均匀的超分子结构。通过诱导圆二色性（ICD）光谱和荧光测量研究了CDmod5Cn与分子探针之间的相互作用。尽管烯基链部分占据了环糊精的空腔，这些两亲性β-环糊精仍保持形成主客体复合物的能力。ICD光谱显示了有效的分子识别特征，而荧光分析进一步验证了这些结合相互作用。本研究加深了我们对两亲性β-环糊精分子识别能力的理解，并将其视为具有潜在应用价值的pH响应型药物递送系统和超分子传感器的候选材料。

引言

环糊精（CDs）是由葡萄糖单元组成的环状寡糖，具有显著的分子封装能力，在制药和食品科学等领域具有广泛应用。通过战略性引入疏水基团，改性环糊精的功能得到增强，从而改善了其两亲性和自组装性能。疏水链的长度显著影响水溶液中聚集体的形成、稳定性和界面性质。通过改变疏水取代基的长度同时保持取代度（DS，即每个环糊精分子上平均取代的羟基数量）不变，可以显著影响两亲性分子的表面张力。较长的疏水链增强了疏水性并促进了更强的相互作用；实验数据表明，在较低浓度下，较长疏水链需要更少的表面活性剂即可实现相同的表面张力降低效果。这些链长效应还受到取代度的调控，取代度决定了疏水基团的空间排列及其协同的界面行为。近期计算和实验研究表明，化学修饰（如麦芽糖基团）通过调整环糊精的空腔结构和结合能来优化其与客体分子的相互作用。本研究将这些原理应用于烯基取代的β-环糊精，探讨了链长度和取代度对其自组装和界面行为的影响。 取代度对改性环糊精的结构和界面性质有显著影响，尽管其对客体分子结合的影响尚未得到充分研究，但新兴研究强调了其在表面活性剂行为中的关键作用。链长度、取代度和疏水基团共同决定了聚集体的特性，为基于环糊精的高级材料应用提供了重要启示。与小型简单糖基表面活性剂相比，两亲性β-环糊精衍生物（βCD–Cn）的自组装行为更具复杂性；例如，不同长度的脂肪酸链（C8-C14）导致不同的纳米粒子形态。此前我们已合成低取代度的两亲性β-环糊精（CDmod1Cn，并研究了其在胶束形成、单层结构和纳米粒子相互作用中的应用。本研究进一步探讨了高取代度（DS ≈ 5）的β-环糊精衍生物（CDmod5Cn）的分子结构参数（如限制分子面积A_lim）对其两亲性行为的影响。

材料

所有化学化合物均从Sigma-Aldrich购买，纯度最高，无需进一步纯化使用。β-环糊精（Mw = 1135 g/mol，纯度97%）由Sigma Aldrich提供；烯基琥珀酸酐的制备方法如先前报道[39, 40]。

实验方法

两亲性环糊精（CDmod5Cn）的合成遵循之前描述的实验室方法[34]，并进行了一些改进：使用碳酸钠（Na₂CO₃）作为非均相催化剂，反应在回流条件下进行24小时，采用优化的7:1摩尔比以确保达到目标取代度DS = 5。

结论

本研究揭示了高取代度两亲性β-环糊精衍生物中分子结构与自组装行为之间的复杂关系。通过系统研究链长度和取代度的变化，我们确定了控制超分子结构、表面性质和聚集体形态的关键参数。碳酸钠作为催化剂的策略性使用至关重要，促进了环糊精的有效合成。

作者贡献声明

作者分工如下： - Heber E. Andrada：撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、软件应用、方法学设计、实验研究 - R. Darío Falcone：撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、软件应用、实验研究 - Mariana A. Fernández：撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、资源获取、研究经费申请 - O. Fernando Silva：撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、方法学设计、概念框架构建

资助信息

感谢FONDO PARA LA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA（FONCyT，项目编号PICT 2021–00684）的财政支持。R.D·F、M.A.F.和O.F.S.在CONICET担任研究职位。H.E.A.感谢FAPESP提供的博士后奖学金（项目编号：2022/06507–9和2024/10293–0）。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。