自1891年由Villiers发现以来,环糊精(cyclodextrins, CDs)已经发展成为超分子化学中最重要的主体物质之一,它与多种客体物质间的主-客体分子相互作用是当今的研究热点之一。　　环糊精是由六个或者六个以上D-吡喃葡萄糖单元以alpha-1,4-糖苷键连结而成的一类非还原性低聚糖。它们具有特殊的―外亲水,内疏水‖的环状圆台型分子结构,这种分子结构赋予环糊精独特的包合性能,可与多种客体(如某些有机分子、无机离子、配合物甚至惰性气体)通过弱相互作用形成包合物(inclusion complex),从而可以改变或保护客体物质的物理、化学和生物学等性质。例如,环糊精在食品加工和制药上可以用来掩盖辛辣、苦涩、恶臭等不良味道,减少药物对肠胃或者血管等的刺激作用,降低药物的毒性和副作用等;在化工生产上可以用于增加被包合客体物质的溶解度,防止产品的降解和氧化,用作化学反应的催化剂以及化学合成的中间体等。因此,环糊精以及它们的衍生物被广泛地应用于食品、化妆品、农业、制药、化学分析和催化反应等领域。但是,由于目前实验条件的限制,人们对环糊精包合物的研究仍存在许多未知的认识。而分子模拟的方法可以摆脱实验条件的限制,直观地模拟出环糊精包合物的几何构型,预测包合物的稳定性,分析包合物形成的驱动力,并能解释实验上的各种化学现象,帮助人们以较具体的概念来了解、分析观察到的结果等。因此,利用量化计算软件对环糊精体系进行计算模拟,预测其性质,理所当然地成为当今的研究热点之一。　　计算化学中常用的软件有HyperChem、Quanta、MS以及Gaussian等。其中, Gaussian计算软件在计算化学界中的应用非常广泛,可以做很多方面的性质研究,具体包括:热化学性质研究、分子能量和结构、过渡态的能量和结构研究、化学键以及反应的能量、反应途径、分子轨道、原子电荷和电势、偶极矩和多极矩、红外和拉曼光谱、核磁和极化率等。大量的文献报道证明,Gaussian软件是研究环糊精体系的热力学性质和结构最有力的工具之一。　　因此,本课题在文献调研的基础上,利用Gaussian98软件包,对多种抗肿瘤药物分子与环糊精分子在气态以及溶液中的相互作用进行研究,计算得到了反应体系的焓变、熵变、吉布斯自由能变等热效应；通过对包合过程的模拟,找出了最稳定包合物的几何构型以及包合过程的驱动力。此外,运用等温滴定量热方法,还测定了药物与环糊精分子相互作用的热力学参数，并与计算结果进行比较，进一步理解了其反应的机理。　　具体说来，本论文工作包括如下几个方面:　　1.β-环糊精与丹皮酚及其两种同分异构体(4-羟基-3-甲氧基苯乙酮和2-羟基-5-甲氧基苯乙酮)的相互作用　　在298.15 K和1 atm下,化学计量比都为1:1时,应用Gaussian软件分别计算了β-环糊精与丹皮酚(2-羟基-4-甲氧基苯乙酮)及其两种同分异构体(4-羟基-3-甲氧基苯乙酮和2-羟基-5-甲氧基苯乙酮)相互作用的热效应,模拟了主-客体分子间的包合过程。计算结果表明,包合过程是焓驱动过程,客体分子从β-环糊精大口进入其空腔所形成的包合物要比从小口进入形成的包合物更稳定,主客体分子间存在着电荷转移。通过比较丹皮酚及其两种同分异构体与β-环糊精相互作用的焓效应及结合能的较大差别,我们可以得出结论:β-环糊精具有分子识别功能,可以用于区分丹皮酚和它的两种同分异构体。　　2.微量热法和理论计算方法研究a-,β-,g-环糊精与布洛芬(异丁基苯丙酸)分子的相互作用　　在298.15 K和1 atm下,化学计量比都为1:1时,分别计算了a-,β-,g-环糊精与布洛芬相互作用的热效应,模拟了主-客体分子间的包合过程。计算结果表明,气态条件下,a-,β-, g-环糊精与布洛芬的包合过程都是焓驱动过程;但在水溶液中,通过微量热仪测得的结果表明a-和β-环糊精与布洛芬的包合过程是焓驱动过程,而g-环糊精与布洛芬是熵驱动过程。这说明在计算环糊精与客体小分子相互作用时,溶剂效应是不可忽略的重要因素。此外,布洛芬分子都易于从环糊精大口进入其空腔形成包合物,氢键在包合物稳定性方面起着非常重要的作用。通过分析包合物的几何构型发现,布洛芬分子的叔丁基和部分苯环被包结在环糊精的疏水性空腔内,这与1H-NMR分析结果一致。　　3.β-环糊精与5-氟尿嘧啶(5-氟-2,4-(1H,3H)-嘧啶二酮)及替加氟(1-(四氢-2-呋喃基)-5-氟-2,4-(1H,3H)-嘧啶二酮)的相互作用　　在298.15 K和1 atm下,化学计量比为1:1时,计算了5-氟尿嘧啶及其衍生物-替加氟与β-环糊精的相互作用。结果发现5-氟尿嘧啶与β-环糊精之间作用很弱,难以形成包合物。微量热实验结果也表明β-环糊精与5-氟尿嘧啶间的热效应非常弱。通过电荷分析发现:环糊精疏水性空腔富含电子,而5-氟尿嘧啶上的N原子上的电子密度也非常高,二者间的静电排斥作用很强,故而难以形成包合物。然而,作为5-氟尿嘧啶的衍生物-替加氟,却能够与β-环糊精形成稳定的包合物,而且在包合物的结构中,只有替加氟的呋喃环被包合在环糊精的空腔内,嘧啶环被排出在空腔外,原因仍然是静电相互作用。　　4.β-环糊精与反式白藜芦醇((E)-5-[2-(4-羟基)-乙烯基]-1,3苯二酚)相互作用的理论研究　　在298.15 K和1 atm下,化学计量比为1:1时,计算了β-环糊精、甲基修饰β-环糊精及羟甲基修饰β-环糊精与白藜芦醇的相互作用。通过计算得出:三种环糊精分子都能和白藜芦醇分子形成稳定的包合物,且修饰后的环糊精与白藜芦醇形成的包合物更稳定。这表明修饰环糊精与天然环糊精相比,包合能力更强,在应用领域具有更为广阔的前景。