Строение и физико-химические свойства циклодекстринов

Циклодекстрины представляют собой объемные структуры в виде усеченного конуса или «тора», полого внутри. Особенностью циклодекстринов является наличие двух наборов разных по природе и изолированных друг от друга в пространстве OH-групп: первичные гидроксильные группы, положений 6 глюкозных фрагментов, расположены по окружности меньшего основания «усеченного конуса», а вторичные гидроксильные группы, положений 2 и 3 глюкозных фрагментов, находятся на окружности большего основания конуса (рис. 2) и связаны между собой сильными водородными связями, что делает макроцикл более жестким [6]. Таким образом, внутри циклодекстрины гидрофобны (т.е. не имеют сродства к воде), а по «краям» ? гидрофильны.

Из-за большого количества гидроксильных групп циклодекстрины водорастворимы, причем растворимость б- и г-циклодекстринов составляет при обычных условиях 13.2 и 26.0 % (по весу), соответственно, и для в- циклодекстрина приблизительно 18.8 г/л или 16.6 мМ [7]. Существенно более низкая растворимость в-циклодекстрина, по сравнению с б-циклодекстрином, хотя первый и содержит большее количество ОН-групп, объясняется более прочными водородными связями вторичных гидроксильных групп в- циклодекстрина (по сравнению с таковыми у б-циклодекстрина), а также тем, что более симметричные б- и г-циклодекстрины (содержащие четное количество глюкозных фрагментов) лучше встраиваются в трехмерную решетку водородных связей воды. Метилирование и гидроксиалкилирование гидроксильных групп в-циклодекстрина способствует увеличению растворимости [8].

Из-за особого строения циклодекстрины способны легко образовывать соединения включения типа «гость-хозяин» с различными гидрофобными «гостями» (рис. 2), когда одна из молекул («хозяин») включает в свой состав другую молекулу («гость») [9].

Комплексообразующая, клатратообразующая способность и, соответственно, практическое применение циклодекстринов определяется строением их молекул и размером внутримолекулярной полости. Размер этой полости недостаточно большой для полного самовключения молекул циклодекстрина, но хорошо подходит для включения молекул меньших размеров или их частей, что и определяет их клатратообразующие свойства [10].

Рисунок 2 ? Структурное и схематическое изображения

Основные параметры молекул и физико-химические свойства циклодекстринов, важные в практическом применении, приведены в табл. 1.

Таблица 1 ? Основные свойства циклодекстринов

Все циклодекстрины представляют собой бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся с разложением при температурах 200-300 °C. в-Циклодекстрин имеет более высокую температуру разложения в сравнении с другими циклодекстринами (табл. 1.). Существенно более низкая растворимость в-циклодекстрина в значительной мере определяет устойчивость его клатратов на воздухе вследствие меньшей скорости образования жидкой фазы водного раствора циклодекстрина в результате адсорбции паров воды. Именно у в-циклодекстрина наблюдается наибольший по сравнению с б- и г- циклодекстринами срок хранения клатратов [11].

Высота молекул циклодекстринов определяется «шириной» остатка глюкозы, поэтому, она постоянна и составляет 8 Е (табл. 1.) [12]. Диаметр внутренней полости (рис. 3) 5-8 Е хорошо соответствует размерам молекул большого множества субстратов, что и обусловило широкое применение всех трех циклодекстринов, однако размер полости в-циклодекстрина считается наиболее подходящим для большинства «гостей» и обусловливает большую прочность его комплексов в водных растворах [10].

Рисунок 3 - Схематическое изображение молекулы циклодекстрина

Открытый доступ к полости с двух сторон также облегчает проникновение молекулы «гостя» во внутреннюю полость и делает возможным образование комплексов не только состава 1:1, но и других составов, а также трёхкомпонентных комплексов [13].

Данная полость, образованная углеводородным окружением и гликозидными атомами кислорода, является малополярной и гидрофобной по сравнению с внешней поверхностью [14]. Ван Эттен показал, что по степени гидрофобности окружение внутренней полости б-циклодекстрина схоже с диоксаном [15].