Chương 1. Giới thiệu về cyclodextrin 1. Lịch sử phát hiện cyclodextrin Các cyclodextrin đã được gọi là cellulosine khi lần đầu tiên được Villies phát hiện ra vào năm 1891 [42]. Năm 1904, Bacillus macerans đã được Schardinger phát hiện ra như là một vi khuẩn sản xuất cyclodextrin, các cyclodextrin được gọi là các dextrin Schardinger sau sự kiện này.
Sau đó Tilden và Hudson (1939) đã phát hiện được enzyme cyclodextrin glucosyltransferaza chiết xuất từ môi trường nuôi cấy vi khuẩn Bacillus macerans và đã chứng minh có thể chuyển hoá tinh bột thành cyclodextrin nhờ tác dụng của enzim này trên tinh bột [41]. Sau đó, các phản ứng vòng hoá, kết hợp và trao đổi của enzym đã được Freudenberg và cộng sự (1939) [11], Cori Myrback (1945) [6] và French và cộng sự (1948) [10], Norberg và French, Pazur (1950) [27, 30] tìm ra. Giữa những năm 70, các cyclodextrin đã được xác định các đặc trưng cấu trúc và hoá học và một số phức hợp của chúng cũng được nghiên cứu. Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu về cyclodextrin và các ứng dụng của nó.
Cấu tạo của cyclodextrin Các cyclodextrin thường gặp là α, β và γ-cyclodextrin tương ứng có 6, 7 và 8 đơn vị glucoza trong phân tử. Các đầu khử của các gốc glucose trong vòng cyclodextrin được xắp xếp sao cho các nhóm hydroxyl bậc 2 (C2 và C3) ở một đầu của vòng trong khi các nhóm hydroxyl bậc 1 (C6) ở đầu kia. Kết quả là tạo thành các đường định hình cho phân tử. Các oxi và hydro không cực đính ở C3 và C5 ở phía bên trong và các nhóm hydroxyl hướng ra bên 4 ngoài mạch vòng.
Do đó phân tử có bề mặt bên ngoài háo nước nên có thể hoà tan trong nước đồng thời có một lỗ hang không cực kỵ nước Cấu trúc này cho phép cyclodextrin tạo phức bao bền vững với rất nhiều các phân tử kỵ nước. Động lực của việc tạo phức là hiệu ứng entropy của việc đổi chỗ của các phân tử nước từ môi trường không ưa nước của lỗ hang, tạo ra một trạng thái ổn định hơn, năng lượng thấp hơn. [4] o o HOH2C HOH2C o HOH2C o o o o HOH2C OH OH HOH 2C OH o HOH2C OH OH OH o 2C o OH OH o o OH OH o o OH HOH o OH OH OH o OH OH HOH2C o OH o HO H2C OH OH o o HOH2C o HOH2C OH OH OH HOH2C o OH o OH OH o o OH OH HOH2C OH OH o o HOH2C o OH o o OH OH OH OHOH OH o C HOH2 o OH HOH2C o OH HOH2C o o HOH2C OH o o HOH2C o OH OHOH o HOH2C o H2C o o HO α-Cyclodextrin β-Cyclodextrin γ-Cyclodextrin Hình 1.1: Cấu trúc và kích thước của cyclodextrin [31] 5 1. Tính chất của cyclodextrin 1.
Tính chất vật lý a) Kích thước phân tử Hình 1.1 cho thấy kích thước của các cyclodextrin (ỏ-, õ-, ó- cyclodextrin). Kích thước và thể tích lỗ hang của chúng khác nhau do số phân tử glucoza trong vòng cyclodextrin khác nhau. Kích thước lỗ hang khác nhau cho phép các cyclodextrin có tính chất chọn lọc khi tạo phức với các phân tử có kích thước khác nhau. Chẳng hạn, phân tử phenyl sẽ vừa vặn với vòng của α-cyclodextrin.
Vòng phenyl này cũng khớp với lỗ hang của β-cyclodextrin nhưng vẫn còn trống một khoảng không nhỏ do đó phân tử phenyl có thể lung lay nhẹ bên trong lỗ. Trong lỗ hang lớn hơn của γ-cyclodextrin, phần khoảng không còn trống lớn hơn nên vòng phenyl càng lung lay hơn. Phân tử phenyl này tiếp xúc với thành của lỗ hang của γ-cyclodextrin không nhiều như đối với α- và β-cyclodextrin và do đó liên kết không chặt chẽ bằng. Trong nhiều trường hợp, những phân tử liên kết được với α-cyclodextrin cũng sẽ liên kết với β-cyclodextrin, những phân tử liên kết với γ-cyclodextrin sẽ liên kết với β-cyclodextrin.
Các phân tử nhỏ với ít hơn hoặc bằng 4 nguyên tử cácbon liên kết tốt nhất với α-cyclodextrin, còn các phân tử lớn hơn sẽ liên kết tốt nhất với γ-cyclodextrin. Để tạo thành một phức bền vững, phân tử khách thể cần phải vừa với lỗ hang cyclodextrin và tiếp xúc với thành của lỗ hang [47. Một số thông số vật lý của cyclodextrin được trình bày trong bảng 1. Một số tính chất vật lý của cyclodextrin [48, 50].
α-CD β-CD γ-CD + Khối lượng phân tử 972 1135 1297 + Số đơn vị glucoza 6 7 8 + Số phân tử H2O trong lỗ 6 11 17 + Đường kính trong (A0) 4,7 - 5,3 6,0 - 6,6 7,5 - 8,3 + Đường kính ngoài (A0) 14,6 15,4 17,5 + Chiều cao (A0) 79 79 79 + Thể tích lỗ hang • (ml/mol) 174 262 472 • (ml/g) 0,1 0,14 0,2 • (nm3) 0,174 0,262 0,472 + Độ tan trong nước 14,2 1,85 23,2 (g/100ml, 25°C) + Điểm nóng chảy (°C) 255 - 260 255 - 265 240 - 245 + PKa 12,33 12,2 12,08 b) Khả năng tan trong nước Trong phân tử cyclodextrin, các nhóm hydroxyl đều hướng ra bên ngoài, do đó cyclodextrin có khả năng tan trong nước. Khi nhiệt độ tăng, độ tan của cyclodextrin tăng. Các cyclodextrin khác nhau có độ tan trong nước khác nhau. Do sự khác nhau về sức căng trong vòng của α-, β-, γ-cyclodextrin, hướng quay và mức độ của liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl tại nguyên tử C2 và C3 của các đơn vị glucoza kề nhau là khác nhau trong mỗi cyclodextrin.
Các nhóm hydroxyl tại C1và C3 của các đơn vị glucoza kề nhau trong β-cyclodextrin quay theo hướng làm cho tương tác giữa chúng rất chặt chẽ. Do đó, chúng 7 không tương tác với các phân tử nước ở dung môi bên ngoài để solvat hoá phân tử cyclodextrin. Tuy nhiên, với lực căng vòng lớn hơn ở α-cyclodextrin, các nhóm hydroxyl này tương tác với nhau yếu hơn, do đó chúng có thể tương tác tốt hơn với phân tử nước. Chính vì vậy mà α-cyclodextrin hoà tan trong nước tốt hơn so với β-cyclodextrin.
Phân tử γ-cyclodextrin cũng có lực căng trong vòng lớn với tương tác giữa các nhóm hydroxyl của các phân tử glcoza liền kề trong vòng yếu, nên các nhóm hydroxyl này tự do đối với các phân tử nước hơn các nhóm hydroxyl ở α- và β-cyclodextrin. Do đó γ-cyclodextrin tan trong nước hơn tốt hơn α- và β-cyclodextrin. Các phân tử khách thể có ảnh hưởng đáng kể đến độ hoà tan của cyclodextrin. Một số hợp chất có thể tạo phức không tan với cyclodextrin trong khi đó số khác có thể tạo phức có khả năng hoà tan cao, thậm chí tan tốt hơn cyclodextrin khi chưa tạo phức.
Đó là do các phân tử khách thể có khả năng quay và tương tác khác nhau với các cyclodextrin khác nhau nên độ hoà tan của phức có thể rất khác với cyclodextrin, ví dụ như phức của một khách thể với γ-cyclodextrin có thể kém tan hơn phức cũng của khách thể đó với α- hay β-cyclodextrin. Độ hoà tan của các cyclodextrin trong nước (g/100ml) Nhiệt độ (oC) α-CD β-CD γ-CD 0,5 6,8 0,80 9,1 15,0 8,6 1,35 18,4 20,0 10,1 1,55 23,2 25,0 13,0 1,85 30,0 30,0 16,0 2,25 38,5 40,0 25,6 3,52 63,5 45,0 32,6 4,45 77,2 50,0 43,5 5,62 93,8 60,0 66,2 9,02 129,2 70,0 87,6 15,30 163,7 80,0 109,3 25,30 198,0 90,0 131,6 39,70 - Khi cyclodextrin bị biến đổi, độ hoà tan có thể tăng hoặc giảm. Việc biến đổi các nhóm 2- hoặc 3-hydroxyl của cyclodextrin có thể làm phá vỡ liên kết hydro ở mép vòng cyclodextrin, cho phép các nhóm hydroxyl này tương tác tốt hơn với nước do đó độ hoà tan của cyclodextrin tăng lên [47]. 9 c) Khả năng tan trong các dung môi hữu cơ Nhìn chung, cyclodextrin không tan trong phần lớn các dung môi hữu cơ, tuy nhiên chúng tan trong một số dung môi hữu cơ phân cực.3 thể hiện độ hoà tan của các cyclodextrin trong một số dung môi hữu cơ.
Mặc dù độ tan của cyclodextrin trong một số dung môi lớn hơn trong nước nhưng sự tạo phức vẫn không thể xảy ra trong dung môi không có nước do ái lực của các chất khách thể với dung môi lớn hơn ái lực của chúng với nước. Vì vậy người ta chỉ sử dụng các dung môi hữu cơ khi cần phân tán hay hoà tan phức cyclodextrin và giải phóng khách thể [47].3: Độ hoà tan của các cyclodextrin trong một số dung môi hữu cơ Tại 25oC α-CD β-CD γ-CD Nước/dung môi 50/50 0/100 50/50 0/100 50/50 0/100 Methanol 1,2 <0,1 0,3 <0,1 2,8 <0,1 Ethanol 0,9 <0,1 1,3 <0,1 2,1 <0,1 Propanol 0,8 <0,1 1,1 <0,1 0,7 <0,1 Isopropanol 4,7 <0,1 2,6 <0,1 0,6 <0,1 Acetone 1,9 <0,1 0,3 <0,1 0,5 <0,1 d) Độ bền nhiệt Các cyclodextrin khá bền nhiệt [bảng 1.2 dưới đây chỉ ra ảnh hưởng của nhiệt độ lên β-cyclodextrin. Các đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ lên α- và γ- cyclodextrin cũng giống như vậy. Người ta thu được hai peak.
Peak đầu tiên xuất hiện tại 100oC, khi năng lượng được hấp thụ và nước bay hơi từ tinh thể. Peak thứ hai xuất hiện tại 300oC, tại đó, các tinh thể nóng chảy và sự phân huỷ của cyclodextrin bắt đầu xảy ra. Sự nóng chảy và sự phân huỷ không thể tách rời khỏi nhau. Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ lên β-cyclodextrin e) Khả năng hút ẩm Hàm ẩm cân bằng của α-, β- và γ-cyclodextrin ở 30°C, với độ ẩm tương đối của môi trường 85% tương ứng là 12; 13,5 và 17%.
Cyclodextrin duy trì ở trạng thái bột mịn và không bị hoá lỏng ngay cả khi để lâu ở môi trường có độ ẩm tương đối cao [47]. Tính chất hoá học a) Độ bền hoá học - Bền với axit: So với các oligosacarit mạch thẳng thì các cyclodextrin là những phân tử rất bền. Các axít mạnh như axít hydrocloric có thể thuỷ phân cyclodextrin để tạo thành một loạt hoặc hỗn hợp các oligosacarit khác nhau (thay đổi từ vòng cyclodextrin mở cho đến glucoza). Tốc độ thuỷ phân bởi axit phụ thuộc vào nhiệt độ, tốc độ này tăng khi nhiệt độ tăng (nhưng chậm hơn 3 - 5 lần so với các oligosacarit mạch thẳng tương ứng [2].
Trong môi trường axít yếu như các axít hữu cơ, sự thuỷ phân bị hạn chế hoặc hầu như không xảy ra. 11 - Bền với Bazơ: Cyclodextrin không bị thuỷ phân bởi bazơ, thậm chí ở nhiệt độ cao. Khi cho cyclodextrin vào trong dung dịch Natri hydroxit 0,35N ở 70°C không thấy có hiện tượng thuỷ phân cyclodextrin. - Bền với tác nhân ôxy hoá Các tác nhân oxy hoá có thể làm mở vòng glucoza của cyclodextrin nhưng không tạo ra formaldehyt hay axit formic do cyclodextrin không có tính khử.
b) Phân huỷ bởi enzym α- và β-cyclodextrin khá bền trước các enzim thuỷ phân amylolytic, trong khi γ-cyclodextrin lại dễ dàng bị thuỷ phân hơn bởi α-amylaza. Nói chung, các α-amylaza từ nấm mốc thuỷ phân cyclodextrin tốt hơn các α- amylaza từ vi khuẩn. Các enzim như β-amylaza và glucoamylaza không thuỷ phân cyclodextrin.