Комплексы включения циклодекстринов

Структура комплексов. Наиболее интересное и практически значимое свойство циклодекстри­нов — их способность образовывать комплексы включения. Для того, чтобы понять структуру и ме­ханизм возникновения этих молекулярных образований, следует обратиться к рисунку, на котором изображено проникновение молекулы толуола в полость кольца бета-циклодекстрина (рис.

Реакции образования комплексов обычно протекают при молярном соотношении комплекс- гость 1:1. В таком случае константа диссоциации комплекса рассчитывается по формуле:

где [ЦД] — концентрация циклодектрнина («молекул хозяев»); [МГ] — концентрация «молекул- гостей»; [КВ] — концентрация комплекса включения.

В некоторых вариантах, может быть обнаружена стехиометрия комплексообразования 3:2, 2:1 и выше, объясняющаяся ассоциацией нескольких молекул циклодекстринов в растворах и форми­рованием длинных каналов в кристаллах.

Молекула циклодекстрина, находящаяся в водном растворе, имеет соответствующее окруже­ние, (сольватную оболочку), состоящую из полярных молекул воды, которые хорошо совместимы

104

Часть И. Примеры применения биотехнологии БАВ в науке и производстве

с внешней (гидрофильной) поверхностью олигосахаридного кольца, но плохо сочетаются с внут­ренней, гидрофобной частью (рис. 9). Иными словами, молекулы воды, которые все же попадают в полость тора, одновременно выталкиваются оттуда силами молекулярного взаимодействия. В случае, если в раствор циклодекстрина попадает какое-либо гидрофобное неполярное соеди­нение, например бензол, толуол, циклогексан, J2, его молекулы оказываются в энергетически невыгодном полярно-гидрофильном окружении (полярными молекулами воды). Более предпочти­тельной с точки зрения энергетики данной системы оказывается ситуация, когда молекулы непо­лярного соединения (молекулы-гости) проникают в полость колец (молекулы-хозяина) и занимают эту гидрофобную нишу (рис.

Почти все органические вещества (и многие неорганические), обладают той или иной степенью гидрофобности и весьма энергично образуют комплексы включения с циклическими декстринами. В целом же, факторами, приводящими к возникновению клатратов, являются силы Ван-дер- Ваальсовых взаимодействий, и водородные связи. До некоторой степени процессу комплексообра­зования способствует ограничение поступательных и вращательных движений молекулы гостя, а также ослабление конформационных напряжений между отдельными атомами и функциональ­ными группами в самих кольцах циклодекстринов. Следует еще раз подчеркнуть, что процесс «проникновения» не сопровождается возникновением ковалентных или ионных связей. Тем не менее, образующиеся надмолекулярные структуры стабильны и в твердом состоянии, и в виде рас­творов. В последнем случае, включенные молекулы могут покидать полость циклодекстрина, как бы «уходя» в раствор и этот процесс активизируется при повышении температуры. Сила связыва­ния характеризуется константой диссоциации. При кипячении водных растворов (суспензий) koi плексов включения с летучими органическими соединениями, происходит почти полная диссоци­ация клатратов, молекулы-гости отгоняются с водяным паром и в растворе, в конечном счете, остается почти чистый циклодекстрин.

Циклодекстрины весьма охотно включат сильно гидрофобные вещества, к которым относятся парафины, нафтены, ароматические углеводороды, каротиноиды, в том числе, и бета-каротин, ве­щество уникальной гидрофобности, плохо растворимое даже в маслах. Необходимым условием взаимодействия циклодекстрина и комплексанта, которое привело бы к образованию комплекса в растворе, является соответствие геометрических размеров. Очевидно, что размер «молекулы-гос­тя» не должен превышать размер полости соответствующего гомолога «молекулы-хозяина» (табл. 3). Например, молекула пропионовой кислоты слишком мала, чтобы удерживаться в цент­ре колец бета- или гамма-циклодекстринов, а «крупный» антрацен не помещается внутри альфа-

Рис.

Табл. 3 Данные о комплексообразовательной способности гомологов циклодекстринов

в отношении органических соединений имеющих различные молекулярные размеры

Усанов Н. Г.

Циклодекстрины: биотехнология и применение

105

и бета- макроциклических гомологов. Толуол, ксилол и циклогексан в силу очень многих причин являются универсальными «Молекулами-гостями».

Стерическое (геометрическое) соответствие может служить предсказывающим фактором, в отношении возможности получения клатратов с новыми органическими соединениями. Оно легко проверяется методами компьютерного анализа. На рис. 10 показаны примеры соответст­вий и не полных соответствий геометрических размеров «молекул-гостей» комплексообразова- телей с полостями циклодекстринов.

Включенные молекулы координируются в центре колец таким образом, чтобы достигалась макси­мальная степень взаимодействия между гидрофобной частью поверхности молекулы-гостя и поло­стью циклодекстрина. Полярные части «молекул-гостей» (например, карбоксильная группа в моле­куле бензойной кислоты), обычно ориентированы наружу. Гидрофобные выступы, такие, например, как метильные группы молекул толуола, могут выступать, как со стороны первичных гидроксиль­ных остатков, так и снаружи более широкого отверстия образованного первичными гидроксильными группами. Таким образом, для ассимметрично замещенных ароматических веществ возможно суще­ствование двух клатратов с циклодекстринами, между которыми в растворе существует равновесие. Геометрическое соответствие или несоответствие, конечно же, не является единственным фактором стабильности комплексов, образующихся в растворах. Среди прочего, важную роль может играть по­лярность отдельных участков

молекул комплексообразовате- лей, их асимметрия, оптиче­ские свойства и др.

Обобщая сказанное, следует отметить, что до настоящего вре­мени основным и лучшим мето­дом оценки комплексообразую­щей способности неизвестного соединения с циклодекстринами остаются лабораторные испыта­ния. Они должны быть выполне­ны с использованием разных ме­тодических схем, в различных физических условиях и с ис-

пользованием разных ГОМОЛОГОВ Рис. 10. Примеры соответствия и несоответствия молекул гостей

ЦИКЛИЧЄСКИХ ОЛИГОСахаридов. с размерами полости молекул циклодекстринов

106 Часть П. Примеры применения биотехнологии БАВ в науке и производстве

7.