環糊精(cyclodextrin，簡稱 CD)是澱粉經由酵素 glycosyltransferase 降解後的 產物，其結構為葡萄糖的環狀寡聚物。環糊精是由葡萄糖單元通過α-1，4 鍵環 狀相互連接(α-1, 4-type glycoside linkage)的化合物(如下圖 6-1 所示)，最常見的 有α-、β- 與 γ-環糊精，1 分別具有 6、7、8 個葡萄糖單元。圖 6-2 所顯示是以α-CD 為例的俯視圖及側視圖。因為立體結構障礙的存在，所以少於 6 個葡萄糖單元數 目的環糊精是不存在的。環糊精分子是一個兩端開口的環狀腔體結構，腔體內徑 由其組成的葡萄糖單元數目決定。環糊精分子腔體內壁為烴基(C-H group)與葡萄 醣氧原子(glucosidic oxygens)排列處，因此在整個環糊精分子中的孔洞內屬於較 非極性，呈疏水性(hydrophobic)，因此具有類似冠醚的效果。腔體內壁也因有較 高的電子密度，因此具有路易士鹼(Lewis-base)的性質。1 而兩端開口的部份分別 具 有 一級 羥 基(primary hydroxyl group；位於 C-6 上) 及二級羥基(secondary hydroxyl group ； 在 C-2 、 C-3 上 ) ， 使 得 空 腔 周 圍 與 外 壁 表 面 為 親 水 性 (hydrophilic)。環糊精的腔體在水中可以提供疏水性的剛性環境，因此具有疏水 性質的有機化合物能夠與環糊精系統形成穩定的錯合物(complex)，造成了特殊 的環糊精-分析物之主客關係(guest-host relation)，以環糊精本身的腔體為主體 (host)，分析物為客體(guest)，環糊精會以不同程度的束縛力，錯合不同分析物 於腔體中，而形成非共價鍵結構的內包錯合物(inclusion complexes)或主客錯合物
1. Szejtli, J., Introduction and general overview of cyclodextrin chemistry. Chemical Reviews 1998, 98, (5), 1743-1753.
(host-guest complexes)，也因此在超分子化學、分子辨識或分子元件都有廣泛的
HO OH
n n=6, α -cyclodextrin n=7, β -cyclodextrin n=8, γ -cyclodextrin
圖 6-1 α-、β-、β-環糊精分子化學結構式
2. Harada, A., Cyclodextrin-based molecular machines. Accounts of Chemical Research 2001, 34, (6), 456-464.
從光化學已知，一種發光化合物當改變其所處環境時，可引起其發光行為的 變化，如非輻射躍遷常會因放光化合物所處空間的變窄而不易緩解。由於空間變 窄會迫使化合物的位能停留在 FC 附近的位能面，因此可以降低非輻射緩解的速 率，而改經由放光回到基態。3 另外，當化合物處於受保護的環境內時，也可以 防止外部的雜質引起激發態螢光淬滅。換句話說，阻礙激發態分子結構的改變，
有利於化合物放光行為的改善。這一個現象，很早已前便由 Cramre 所發現。4
α-CD β-CD γ-CD
葡萄糖單體數 6 7 8
分子量 (g/mole) 972 1135 1297
熔點 (K) 551 572 540
密度 (g/cm3) 1.42~1.45 1.42~1.45 1.42~1.45 腔體內徑 (nm) 0.47~0.52 0.60~0.64 0.75~0.83 腔體外徑 (nm) 1.46±0.05 1.54±0.04 1.75±0.04 腔體高度 (nm) 0.79~0.80 0.79~0.80 0.79~0.80 腔體體積 (nm3) 0.176 0.346 0.51
腔體內水分子數 5 11 17
水中溶解度(250c, g/100ml) 14.58 1.85 23.2 醇基 pKa 範圍 12.1~12.6 12.1~12.6 12.1~12.6 表 6-1 環糊精分子特性1,5
3. Balzani, V.; Sabbatini, N.; Scandola, F., "Second-Sphere" Photochemistry and Photophysics of Coordination Compounds. Chem. Rev. 1986, 86, (2), 319-337.
4. Cramer, F.; Saenger, W.; Spatz, H.-C., Inclusion Compounds. XIX. The Formation of Inclusion Compounds of α-Cyclodextrin in Aqueous Solutions. Thermodynamics and Kinetics. J. Am. Chem. Soc.
1967, 89, (1), 14-20.
5. Connors, K. A., The stability of cyclodextrin complexes in solution. Chemical Reviews 1997, 97, (5), 1325-1357.
光化學家，N. J. Turro，在 1989 年發表了關於反式二苯乙烯 (trans-stilbene) 嵌入環糊精中的光致順反異構化行為，限制激發態反式二苯乙烯的結構的改變，
使得螢光的衰變行為。6該研究指出，反式二苯乙烯嵌入α-CD 中，其螢光衰減行 為呈現一個單指數的衰減(螢光生命期約 137ps)。該過程類似反式二苯乙烯在高 黏度溶劑中(正辛醇和正癸醇)的螢光衰減行為。另一方面，當反式二苯乙烯嵌入 β-CD 中，則觀測到 2 個指數函數的螢光衰減：分別是 35 和 450 ps。Turro 教授 認為這樣的過程顯示：反式二苯乙烯在β-CD 中具有兩種不同結構，分別是鬆散 與緊密的形式(loose and tight form)，如圖 6-3 所示；其中的 35 ps 螢光衰減行為 符合反式二苯乙烯在低黏度溶劑中的螢光衰減行為。而另一個 450ps 的螢光衰 減行為則是因為受到β-CD 限制雙鍵轉動，影響反式二苯乙烯由激發態回到基態 的過程。
Loose form Tight form K eq
圖 6-3 反式二苯乙烯嵌入β-CD 中的鬆散與緊密結構
6. Duveneck, G. L.; Sitzmann, E. V.; Eisenthal, K. B.; Turro, N. J., Picosecond Laser Studies on Photochemical-Reactions in Restricted Environments - the Photoisomerization of Trans-Stilbene Complexed to Cyclodextrins. Journal of Physical Chemistry 1989, 93, (20), 7166-7170.
S. Monti 利用環糊精具有剛性腔體的構造，試圖將偶氮苯嵌入環糊精中，將 旋轉的機制阻斷。7 根據 J. G. Victor 的估算，二苯乙烯或偶氮苯旋轉機制需要的 空間約為 0.374 nm3，偶氮苯反轉機制所需的空間約為 0.271 nm3。8,9 依據表 6-1，如果偶氮苯嵌入α-CD 跟β-CD 中，轉動的路徑會被限制而無法達到異構化 的目的。偶氮苯則會以另一個機制，反轉，來達成異構化。S. Monti 使用共溶劑 的方法(co-solvent method)來製備偶氮苯與環糊精的錯合物。首先使用甲醇溶解偶 氮苯，再加入大量的高濃度環糊精溶液稀釋偶氮苯溶液，使偶氮苯能均勻分散在 共溶劑中。偶氮苯與環糊精的最終比例為 1:200，並做充分的長時間攪拌以利於 偶氮苯進入環糊精的腔體。
使用共溶劑的方式雖然可以解決偶氮苯不溶於純水的問題，但也可能會造成 偶氮苯溶於共溶劑中的困擾，因此 S. Monti 選擇使用大量的環糊精來跟共溶劑競 爭，好將偶氮苯嵌入環糊精。最後以圓二色性(circular dichroism)光譜鑑定偶氮苯 是否進入環糊精中。最後，他測得的偶氮苯光異構化的量子產率如表 6-2 所示。
這樣的結果與第一章簡介所提到的非旋轉型偶氮苯衍生物順反光異構化量子產 率結果似乎不一致。S. Monti 無法給予一個合理的解釋為什麼會有這樣的差異，
但是偶氮苯確實是會受到環糊精剛性腔體結構的影響，而改變光異構化的產率。
7. Bortolus, P.; Monti, S., Cis Reversible Trans Photoisomerization of Azobenzene Cyclodextrin Inclusion Complexes. Ibid.1987, 91, (19), 5046-5050.
8. Victor, J. G.; Torkelson, J. M., On Measuring the Distribution of Local Free Volume in Glassy Polymers by Photochromic and Fluorescence Techniques. Macromolecules 1987, 20, 2241-2250.
9. Shen, Y. Q.; Rau, H., The Environmentally Controlled Photoisomerization of Probe Molecules Containing Azobenzene Moieties in Solid Poly(Methyl Methacrylate). Makromolekulare
Chemie-Macromolecular Chemistry and Physics 1991, 192, (4), 945-957.
S2(π,π*) S1(n,π*)
表 6-2 S. Monti 測量偶氮苯在不同環糊精中的光致順反異構化量子產率。7
在本實驗中，我們將使用純水作為溶劑，以避免共溶劑複雜的環境效應影 響，試圖以更簡化的方式來研究偶氮苯嵌入環糊精中的動力行為。然而，在測量 時間解析螢光光譜之前，我們必須先區別我們和 S. Mont 製備方法的不同以及比 較量子產率是否一致。