环糊精(cyclodextrins, CDs)作为继冠醚之后的第二代超分子受体,自被发现以来,就越来越受到科研和技术工作者的重视。CDs"内疏水、外亲水”的结构特性,使其可以包络尺寸适宜的客体分子形成主客体复合物,在食品、药学、环境、分离、化工等领域应用广泛。在色谱分离中,环糊精常作为色谱配基或者流动相添加剂来实现对目标产物的有效分离和纯化。对环糊精色谱分离机理的深入研究,有助于开发高效的色谱分离介质和纯化方法。本论文从环糊精作为色谱配基分离黄酮类天然产物出发,利用分子动力学模拟方法,并结合色谱实验,揭示了环糊精(主体分子)对黄酮类(客体分子)药物分子的识别作用机理,在分子水平上解释了其色谱分离机制,为水相和非水相体系下基于环糊精的超分子识别和分子自组装行为提供了理论指导。论文的主要工作如下：1.β-CD和葛根黄酮(葛根素和大豆苷)主客体复合物的形成过程以及溶剂(水和醋酸)和键合介质(琼脂糖凝胶)对复合物稳定性的影响。分子动力学模拟动态地观测到了环糊精与客体分子之间两种包络复合物的形成过程,复合物构型与分子对接结果一致。模拟结果显示葛根黄酮骨架位于CD空腔内,其葡萄糖取代基位于CD大口端的结合构象在能量上占优,这与NMR实验观测结果一致。另外,从主客体构象诱导效应、氢键、客体在CD空腔内的穿梭行为三个方面揭示了β-CD作为固定相配基对葛根黄酮的色谱分离机理。β-CD的空腔受客体分子的诱导,在一个方向收缩,而在另一个方向拉伸,葛根素的诱导效应强于大豆苷。β-CD键合琼脂糖单体后,其构象受客体分子的诱导有所减弱。随着醋酸浓度的增加,主客体间作用力随之减弱,客体分子在高浓度的醋酸溶液中可从CD空腔中脱离,这体现了醋酸对色谱分离的洗脱效应。葛根素在β-CD配基色谱柱上的保留弱于大豆苷是由于葛根素与溶剂的作用较强而与配基的作用较弱。2.短链醇(甲醇、乙醇、异丙醇和正丙醇)作为流动相添加剂对β-CD配基色谱柱分离葛根素和大豆苷的影响。分析了游离β-CD以及β-CD/葛根素和β-CD/大豆苷复合物体系中β-CD在不同浓度的短链醇类溶液中构象的刚柔性变化,从醇分子在β-CD空腔的停留、溶剂围绕β-CD质心的分布以及客体分子对β-CD构象的诱导效应出发,为葛根素和大豆苷在键合β-CD配基介质上的色谱保留实验提供了结构上的机理解释。高浓度的醇溶剂中,β-CD构象的刚性较强,在低浓度的甲醇和乙醇溶剂中,β-CD构象的柔性大于在异丙醇和正丙醇中的情形。与葛根素作用时,β-CD构象比与大豆苷作用时较刚性,三元复合物β-CD/葛根素/醇的稳定性低于β-CD/大豆苷/醇,部分水分子也参与了三元复合物的形成。高浓度的醇溶剂中CD空腔几乎全部被醇分子占据,黄酮分子较难进入CD空腔内部。而在低浓度的醇溶液中,客体分子更易进入CD空腔内部,提供疏水保留作用力。随着醇浓度的降低,葛根素在大豆苷在色谱柱上的保留明显增加,且二者的保留对流动相的浓度变化比较敏感。在50% MeOH、29% EtOH、20% i-PrOH和15% n-PrOH条件下,二者在色谱柱上的保留差别较大,较易分离。3.有机溶剂对p-CD大口端氢键取向以及p-CD二聚体(head-to-head)稳定性的影响。p-CD大口端的氢键主要有两种取向：type A(2)OH→O(3’)H和type B H(2)O←HO(3’)。探讨了p-CD单体在10种溶剂(水、甲醇、乙醇、二甲基亚砜、N,N-甲基乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮、四氢呋喃、乙腈和氯仿)中的氢键取向及其成因。两类氢键之间的交换速率在水溶剂中较快,而在其它溶剂中较慢,甚至不发生交换。氢键供体能力(HBD)较强的极性溶剂更易于干扰β-CD分子内以及二聚体分子间的氢键作用,导致二聚体的稳定性降低。在极性较高的溶剂(例如水溶剂)中,通道型二聚体构型不稳定,趋向于形成笼型和层状型结构。包络客体分子后二聚体的稳定性有所增加,尤其是在极性溶剂中增加比较明显。因此,二聚体的稳定性具有溶剂依赖性并受客体分子的调控。二聚体的结合自由能与溶剂性质参数(例如介电常数)的相关性有限,这表明采用隐式溶剂模型将不能准确的预测二聚体的结合自由能。4.溶剂化对环糊精超分子复合物稳定的贡献。采用拉伸动力学、平均力势和熵计算,评估了模型主体分子β-CD和四种药物客体分子(葛根素、大豆苷、大豆苷元和萘丁美酮)之间所有可能的键合模式,建立了一种间接计算溶剂化对非共价键复合物体系结合稳定性贡献的方法。从结合自由能(AG),焓变(AH)和熵变(AS),以及各个组分对△H和△S的贡献,准确并详细地描述了键合体系的热力学参数。环糊精与药物客体分子之间的键合主要为焓驱动,熵的损失会在一定程度上削弱焓的获得。主客体的构象匹配效应,使得价键作用(键角和二面角势能)倾向于阻碍主客体的结合,而非键作用(范德华和静电势能)则有利用于主客体的结合。主客体键合时,主体和客体之间的作用焓增加,同时主客体分子发生去溶剂化作用。去溶剂化释放了之前参与溶剂化的溶剂分子,致使溶剂焓和溶剂熵相应增加,有利于主客体的结合。客体分子包络在主体空腔内,其运动受限,导致客体的熵损失,同时,构象匹配效应也导致主体分子的熵损失。熵变主要发生在客体分子的柔性基团位于环糊精空腔内或者与环糊精表面相互作用的情形。该方法可应用于其它的非共价键结合超分子体系。5.环糊精二聚体对黄酮类化合物的协同键合。与CD单体相比,两个CD空腔对葛根素的协同键合能力并无明显提高,而其与大豆苷和大豆苷元的结合自由能(△G0)分别增加了～30%和60%。与头对尾(HT)和尾对尾(TT)二聚体相比,头对头(HH)二聚体对所研究黄酮客体分子的包络能力最强,故HH构型是最理想的受体模型,且在合成基于CD纳米结构过程中是较为理想的构建模块单元。在模板分子的选择上,计算结果表明棒状的分子(例如大豆苷和大豆苷元)优于分枝状的分子(例如葛根素)。另外,二聚体的质心位置被相邻环糊精的羟基所包围,自由能计算得出其质心位置具有一定的亲水特性。因此推测,中心带有亲水基团的棒状分子在CD协同键合方面是较为理想的模板客体分子。