Соединения включения циклодекстринов

Соединения включения образуются в результате внедрения молекул одного вида в полости кристаллической решётки или молекул другого вида. Первые молекулы получили название «гостей», вторые — «хозяев». Способность вещества образовывать соединения включения определяется наличием в нём полостей молекулярных размеров. Молекулы включаемого вещества должны обладать конфигурацией, соответствующей форме полости. Включенные молекулы удерживаются в соединениях включения силами межмолекулярного взаимодействия. Целочисленного соотношения между включаемым и включающим веществами не существует, так как в соединениях включения связываются друг с другом группы молекул, а не отдельные молекулы.

Различают решётчатые соединения включений, полости которых возникают при образовании кристаллической решётки, иногда только в присутствии включаемого вещества. Такие соединения включения могут быть канальными (полости в форме канала) или клатратными. Молекулярные соединения включения образуются при наличии полостей в единичных молекулах («хозяевах») относительно небольшой молекулярной массы. Высокомолекулярные вещества позволяют получать соединения включения за счёт полостей между цепями макромолекул. Как правило, при смешении компонентов или при растирании, образуются соединения включения. Они нестойки, в растворах обычно распадаются на исходные вещества [25? 27].

Соединения включения иногда называют также клатратными, или просто клатратами. Слово «клатрат» (от лат. clathratus — замкнутый, окруженный со всех сторон, которое, в свою очередь, берет начало от греч. kleiqron, kleiz — замок, ключ) введено Пауэллом в 1948 г. для соединений гидрохинона, имеющего в кристаллическом каркасе полости в виде изометричных клеток, в которых и располагаются молекулы-гости. Первое время термин «клатрат» применялся только для клеточных соединений включения. По форме полости клатраты классифицируются на следующие типы [28]:

• — криптато-клатраты — полость в форме клетки (krupton — скрытность),
• — тубулато-клатраты — канальная полость (tubus — трубка),
• — интеркалато-клатраты — слоистые соединения включения.

Циклодекстрины — природные и модифицированные макроциклические лиганды, обладающие способностью образовывать комплексы включения с различными органическими субстратами с высокой селективностью (избирательностью). Термодинамические характеристики взаимодействия циклодекстринов с различными молекулами имеют большое значение как для разработки теоретических аспектов супрамолекулярной химии, так и для решения ряда важных практических задач. Молекулы циклодекстринов можно рассматривать в качестве моделей центров реакционного связывания ферментов и веществ — каналообразователей, у которых избирательность комплексообразования определяет многие каталитические и биохимические процессы [29].

Как описывалось выше, форма молекул циклодекстринов представляет собой тор, также напоминающий полый усечённый конус. Данная форма стабилизирована водородными связями между OH-группами соседних гликозидных фрагментов, а также б-D-1,4-гликозидными связями. Все ОНгруппы в циклодекстринах находятся на внешней поверхности молекулы, поэтому внутренняя полость циклодекстринов является гидрофобной и способна образовывать в водных растворах комплексы включения с другими молекулами органической и неорганической природы. В комплексах включения кольцо циклодекстрина является «молекулой-хозяином», включённое вещество называют «гостем» [3].

Циклодекстрины образуют комплексы включения с самыми разнообразными веществами? от малых молекул газов и неорганических солей до относительно больших молекул органических красителей и стероидов. Включение не приводит к каким-либо существенным изменениям размера и формы полости молекулы ЦД, за исключением незначительной ее деформации. В то же время образование соединения включения влияет на физические и химические свойства молекулы «гостя»: таким путем можно стабилизировать соединения, чувствительные к действию света, тепла и кислорода воздуха, увеличить растворимость труднорастворимых веществ [4]. Проникновение и расположение органического субстрата внутри макроциклической полости реализуется в соответствии с принципами структурной и энергетической комплементарности и включает в себя следующие этапы:

• 1) изменение конформации ЦД;
• 2) высвобождение молекул воды, изначально располагавшихся в полости ЦД;
• 3) непосредственное проникновение гостя в полость хозяина и образование комплексов за счет ковалентных взаимодействий (вандерваальсовы, гидрофобные, электростатические, водородное связывание, стерические эффекты) [30].

Установлена идентичность комплексов в-циклодекстрина с бензолкарбоновыми кислотами, синтезированных в водных растворах и на поверхности высокодисперсного кремнезема. Доказано, что полученные комплексы относятся к соединениям включения типа «хозяин-гость» и имеют состав 1:1 [21]. Добавление в-циклодекстринов к водным растворам бензолкарбоновых кислот приводит к длинноволновому сдвигу обеих бензольных полос поглощения, что вызвано появлением у молекул кислот гидрофобного окружения. Аналогичная картина наблюдается для растворов бензолкарбоновых кислот в н-гексане. Гидрофобным окружением может быть только внутренняя полость молекулы в-циклодекстрина, так как внешняя ее поверхность гидрофильна [31].

Экспериментальные данные, полученные методом изомолярных серий, в координатах уравнения Бенеши-Гильдебранда хорошо ложатся на прямую линию для комплексов состава 1:1. Невысокие значения констант устойчивости Ks для обоих комплексов «в-циклодекстринбензолкарбоновые кислоты» свидетельствуют о том, что они, скорее всего, образуются посредством неспецифических межмолекулярных взаимодействий. Для бензолкарбоновых кислот возможно образование аксиальных комплексов типа «хозяин-гость» двух типов, карбоксильная группа в которых расположена либо в плоскости малого, либо в плоскости большого диаметра тора циклодекстрина. Однако наиболее вероятным и стабильным является комплекс, в котором карбоксильная группа бензолкарбоновых кислот расположена в плоскости широкого края молекулы в-циклодекстрина [21].

в-Циклодекстрин также образует соединения включения типа 1:2, где на одну молекулу «гостя» приходится две молекулы в-циклодекстрина, с такими соединениями, как, например, 2-(4-изобутилфенил)пропионовая кислота — действующее вещество препарата Ибупрофен, янтарная, адипиновая кислоты и др.