1.2.1 Định nghĩa phức chất thành phần lồng nhau
Phức chất thành phần lồng nhau là một phức chất hóa học, trong đó một phân tử, gọi là phân tử khách, bị bao bọc trong một cấu trúc phân tử khác, gọi là phân tử chủ.32,84,87
Hình 3 Phức chất thành phần lồng nhau chứa p-xylylenediammonium bị giới hạn trong cucurbituril
Trong quá trình tạo phức giữa các phân tử chủ và khách liên kết cộng hóa trị hay ion là không cần thiết. Chỉ có lực Vander Waals yếu hoặc liên kết hydro có thể đóng một vai trò nào đó. Các yêu cầu sau đây là quan trọng trong sự tạo thành phức chất thành phần lồng nhau:84
- Phân tử khách có khả năng hình thành không gian rỗng với kích thước phân tử cố định;
- Phân tử khách phải vừa hoặc ít nhất vừa một phần với các không gian rỗng đó;
- Cấu trúc lập thể và tính phân cực của phân tử khách và chủ thể là quan trọng.
Mặc dù phân tử khách không thay đổi về phương diện hóa học trong phức, nhưng các tính chất lý – hóa sau khi tạo phức thường chịu ảnh hưởng của phân tử chủ.
Một số thuật ngữ khác được sử dụng để mô tả phức chất thành phần lồng nhau là hợp chất bao, phức đóng gói, phức chất, dạng mắt lưới – clathrate.
1.2.2 Phân loại phức chất thành phần lồng nhau
1.2.2.1 Phức chất thành phần lồng nhau đa phân tử84
Không gian giống như máng
Nhóm phân tử chủ này đặc trưng bởi sự thật là chúng hình thành máng trong dãy của các phân tử thích hợp.
Nhóm chất được biết nhiều thuộc loại này là các hợp chất urea, thiourea và selenurea.87 Yếu tố quyết định có hay không phân tử có thể cung cấp như là phân tử khách là khả năng của nó khớp với máng.
Không gian giống như lồng
Trong loại phức này phân tử khách được bao quanh hoàn toàn bởi các phân tử chủ. Ví dụ điển hình của nhóm này được gọi là hydrate khí, trong đó tinh thể nước đánh bẫy các khí hoặc chất lỏng.12 Trong các tinh thể này không có liên kết cộng hóa trị giữa các phân tử khách và nước.
1.2.2.2 Phức chất thành phần lồng nhau đơn phân tử84
Phức chất thành phần lồng nhau đơn phân tử là các chất trong đó mỗi phân tử khách riêng lẻ được bao bởi một phân tử chủ. Tuy nhiên, các hợp chất bao gồm hai, ba hoặc bốn phân tử chủ cho mỗi phân tử khách cũng được xem xét thuộc vào phức chất thành phần lồng nhau loại này. Phức chất cyclodextrin là một trong số biểu diễn chính của phức chất thành phần lồng nhau đơn phân tử. Calixarene8 cũng thuộc loại này.
1.2.2.3 Sản phẩm của phản ứng blue-iodine84
Iodine nổi tiếng hình thành các phức chất thành phần lồng nhau tuyến tính với nhiều phân tử. Những phức này được đặc trưng bằng màu xanh đen của chúng.
Nguyên tử iodine bị polymer hóa vào khuôn tuyến tính xung quanh mà các phân tử chủ đã sắp đặt. Hệ thống được ổn định bởi khả năng chứa electron của chủ, dẫn đến sự
hình thành các phức chuyển điện tử với iodine. Nhiều phân tử chủ có khả năng hình thành phức chất thành phần lồng nhau loại này như là amylose, amylopectin, inulin, flavone, barbituric acid, cortisone, coumarin và cholic acid.
1.2.2.4 Phức chất thành phần lồng nhau đại phân tử84
Loại mới nhất này chứa các phân tử chủ có kích thước đại phân tử. Chúng hình thành ba cấu trúc mạng không gian trong đó các lỗ hổng được hình thành. Dextran là mạng đại phân tử của polysaccharide có khả năng hoạt động như là một rây phân tử.
Silica gel là mạng ba không gian không đều của nguyên tử silicon nối với nguyên tử oxygen. Chúng là các rây phân tử với mức độ chọn lọc rất cao.
1.2.3 Các tính chất của phức chất thành phần lồng nhau
Phức chất thành phần lồng nhau rất đa dạng và bao gồm, chẳng hạn, lực tương tác mạnh thông qua liên kết hóa học giữa các phân tử chủ và các phân tử khách, hoặc các phân tử khách chứa trong không gian hình học của phân tử chủ bằng lực giữa các phân tử yếu.85
Phức chất thành phần lồng nhau có thể được cô lập như là các dạng khác nhau về mặt hóa học, có các đồng phân cấu trúc và đồng phân vị trí (đồng phân đối quang và đồng phân không đối quang).85
1.2.4 Các phương pháp điều chế phức chất thành phần lồng nhau
Nhiều phương pháp đã được áp dụng để điều chế phức β-cyclodextrin/thuốc như phương pháp hòa tan, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp trung hòa, phương pháp nhào, phương pháp huyền phù đặc, phương pháp nghiền.15,19,21,22
1.2.4.1 Đồng kết tủa
Phương pháp này được sử dụng phổ biến nhất trong phòng thí nghiệm.
β-Cyclodextrin được hòa tan trong nước và phân tử thuốc được thêm vào trong khi khuấy dung dịch β-cyclodextrin. Trong nhiều trường hợp, dung dịch của β-cyclodextrin và phân tử thuốc phải được làm lạnh và khuấy trước khi kết tủa được tạo thành.19,53,77
Kết tủa được thu bằng cách gạn, ly tâm hoặc lọc. Kết tủa có thể được rửa với một lượng nhỏ nước hoặc hỗn hợp nước và dung môi (như ethanol, methanol hoặc
acetone). Dung môi rửa có thể có hại với một số phức, vì vậy điều này cần được thử nghiệm trước khi nhân rộng.19
Nhược điểm của phương pháp này nằm trong việc nhân rộng. Do độ hòa tan giới hạn của β-cyclodextrin nên phải sử dụng lượng lớn nước. Khả năng chứa, thời gian và năng lượng để nung nóng và làm lạnh có thể trở thành yếu tố chi phí quan trọng. Cách xử lý và sử dụng nước cái sau khi thu phức cũng có thể là một mối quan tâm.19,34,66
1.2.4.2 Sự tạo phức huyền phù đặc
Không cần thiết phải hòa tan hoàn toàn β-cyclodextrin để tạo thành phức. β-Cyclodextrin có thể được thêm vào nước cao tới 50-60% chất rắn và khuấy. Pha nước sẽ được bão hòa với β-cyclodextrin trong dung dịch. Phân tử khách sẽ tạo phức với β-cyclodextrin trong dung dịch, bởi vì phức của β-cyclodextrin bão hoà trong pha nước, phức sẽ kết tinh hoặc kết tủa ra khỏi pha nước. Các tinh thể β-cyclodextrin sẽ hòa tan và tiếp tục giai đoạn bão hòa trong pha nước để tạo thành phức và kết tủa hoặc kết tinh trong giai đoạn dịch nước. Phức này có thể được thu theo cách thức tương tự như với phương pháp đồng kết tủa.19
Ưu điểm chính của phương pháp này là giảm lượng nước cần thiết và kích thước của lò phản ứng.19,77
1.2.4.3 Sự tạo phức dạng bột nhão19,77
Đây là một biến thể của phương pháp huyền phù đặc. Chỉ một lượng nhỏ nước được thêm vào để tạo thành bột nhão, được pha trộn với β-cyclodextrin bằng cách sử dụng một cối giã và chày, hoặc trên một quy mô lớn bằng cách sử dụng một máy nhào bột.
Lượng thời gian cần thiết phụ thuộc vào phân tử khách. Phức tạo thành có thể được sấy khô trực tiếp hoặc rửa sạch với một lượng nhỏ nước và thu được bằng cách lọc hoặc ly tâm. Bột nhão đôi khi sẽ khô tạo thành một khối cứng thay vì dạng bột mịn. Điều này phụ thuộc vào khách và số lượng nước sử dụng trong bột nhão. Nói chung, các khối cứng có thể được sấy khô kỹ và nghiền nhỏ để có được một dạng bột của phức.
1.2.4.4 Trộn ẩm và làm nóng
Phương pháp này sử dụng ít nước hoặc không có nước được thêm vào. Lượng nước có thể là từ lượng nước hydrate hóa của β-cyclodextrin và cho thêm khách thể đến 20-25% nước trên cơ sở khô. Lượng nước này thường được tìm thấy trong miếng lọc từ phương pháp đồng kết tủa hoặc phương pháp huyền phù đặc. Khách thể và β-cyclodextrin được trộn kỹ và đặt trong một hộp kín. Các hộp kín và phần chứa trong nó được nung nóng đến khoảng 100°C và sau đó phần chứa được loại và làm khô. Lượng nước được thêm vào, mức độ trộn và thời gian nung nóng phải được tối ưu hóa cho từng khách thể.19
1.2.4.5 Sự ép trồi19
β-Cyclodextrin, khách thể và nước có thể được trộn trước hoặc trộn khi thêm vào máy đùn. Mức độ pha trộn, lượng nhiệt và thời gian có thể được kiểm soát trong thùng máy đùn. Tùy theo lượng nước, phức ép trồi có thể được làm khô khi nó lạnh hoặc phức có thể được đặt trong một tủ sấy để làm khô.
Sự ép trồi có lợi thế là một quá trình liên tục và sử dụng nước rất ít. Nhưng do sinh ra nhiệt, một số khách không bền nhiệt bị phân hủy khi sử dụng phương pháp này.
1.2.4.6 Trộn khô19,77
Một số khách thể có thể tạo phức bằng cách thêm nó vào β-cyclodextrin và trộn chúng với nhau. Phương pháp này là tốt đối với các khách thể ở dạng dầu hoặc dạng lỏng. Lượng thời gian trộn cần thiết là biến và phụ thuộc vào khách thể. Nói chung, phương pháp này được thực hiện ở nhiệt độ phòng và là một biến thể của phương pháp bột nhão.
Ưu điểm chính của phương pháp này là không cần thêm nước vào, trừ giai đoạn rửa được sử dụng.
Nhược điểm của nó là nguy cơ kết dính trên quy mô lớn, dẫn đến việc trộn không được toàn diện dẫn đến việc tạo phức không đầy đủ và với nhiều khách độ dài của thời gian là cần thiết.
1.2.4.7 Phương pháp chiếu xạ lò vi sóng
Ngoài các phương pháp cổ điển trên, ngày nay người ta còn sử dụng phương pháp khác để tạo phức là phương pháp chiếu xạ bằng cách sử dụng lò vi sóng. Hỗn hợp thuốc và β-cyclodextrin được cho phản ứng trong lò vi sóng để hình thành phức. Đây là một phương pháp mới được sử dụng trong điều chế phức do lợi thế lớn về mặt thời gian phản ứng ngắn hơn.19,62,77