Cyclodextrine im Überblick

1892 isolierte der Chemiker A. Villiers erstmals Cyclodextrine. Die Molekülstruktur wurde 1936 aufgeklärt. Als man in den fünfziger Jahren entdeckten, dass Cyclodextrine Wirt-Gast-Komplexe bilden können, wuchs das Intersse an der Stoffklasse.

Das Molekül

Chemische Grundstruktur

Cyclische Molekülstruktur von Cyclodextrin

ringförmige Struktur von Cyclodextrin

Cyclodextrine sind nicht reduzierende chirale Zucker. Sie lassen sich äußerlich von Puderzucker nicht unterscheiden.

Die Cyclodextrin-Moleküle bestehen aus mehreren, zu einem Ring verknüpften Glucose-Bausteinen.

Nach der Anzahl der Glucose-Einheiten – damit auch nach der Ringgröße – unterscheidet man:

  • α-Cyclodextrin mit 6 Glucose-Einheiten
  • β-Cyclodextrin mit 7 Glucose-Einheiten
  • γ-Cyclodextrin mit 8 Glucose-Einheiten

Wie in der Stärke sind die Glucose-Einheiten glykosidisch miteinander verknüpft.

Eigenschaften

Lipophile und lipophobe Bereiche des Cyclodextrin Moleküls

Der Innenraum des Moleküls ist lipophil. Der Außenraum hydrophob.

Der Cyclodextrin-Innenraum ist hydrophob, die Außenseite hydrophil.

Cyclodextrine verbinden also hydrophile und lipophile Bereiche. So kann Cyclodextrin wasserunlösliche Substanzen verkapseln und wasserlöslicher machen.

  • gelb: lipophilen Bereiche
  • blau: hydrophile Bereich

Erklärung der Polarität

Stäbchenmodell

Glucoseeinheit im Kugel-Stäbchen-Modell des Cyclodextrin

alpha-d-Glucose-Baustein im Cyclodextrin

Im Stäbchenmodell erkennt man die zyklische Struktur von Cyclodextrin sehr gut.

Beim genaueren Hinsehen sieht man sieben gleiche Bausteine.

Hierbei handelt es sich um alpha-D-Glucose.

Die Hydroxy-Gruppen der einzelnen Glucose-Bausteine befinden sich am oberen oder unteren Rand des Moleküls.

unterschiedliche Teilladungen

Glucoseeinheit im Kugel-Stäbchen-Modell des Cyclodextrin

alpha-d-Glucose-Baustein im Cyclodextrin

Durch die unterschiedlichen Teilladungen des Sauerstoff- und Wasserstoff-Atoms ist die Hydroxy-Gruppe stark polar.

Deshalb sind der obere und untere Rand des Moleküls ebenfalls stark polar. Diese Bereiche sind also hydrophil.

Glykosidische Bindungen ragen in den Hohlraum von Cyclodextrin hinein

Die glykosidischen Bindungen ragen in den Hohlraum hinein.

In der Aufsicht sieht man, wie die gelb markierten Sauerstoff-Atome aus den glykosidischen Bindungen in den Hohlraum hineinragen.

Die Sauerstoff-Kohlenstoff-Bindung ist nicht alleine für die niedrigere Polarität verantwortlich. Auch die zahlreichen C-H-Gruppen, die in das Innere des Ringes ragen, tragen wesentlich dazu bei.

Die Sauerstoff-Kohlenstoff-Bindung ist weit weniger polar als die Sauerstoff-Wasserstoff-Bindung.

Deshalb ist der Innenraum weniger polar. Dieser Bereich ist eher lipophil.

Wirt-Gast-Komplex

Wirt-Gast-Komplex - verschiedene Einschlussvarianten

Einschlussvarianten bei der Bildung von Wirt-Gast-Komplexen

Cyclodextrine verbinden lipophile und hydrophile Bereiche in einem cyclischen Molekül. Deshalb können die Cyclodextrin-Moleküle andere Moleküle in ihren Hohlraum einschließen. Sie bilden einen Wirt-Gast-Komplex.

Die Komplexierung verhindert beispielsweise bei oxidationsempfindlichen Molekülen einen schnellen Abbau.

Herstellung

Cyclodextrine gehören zur Stoffklasse der Kohlenhydrate. Sie werden in einem biotechnologischem Verfahren aus Stärke hergestellt. Dabei wird das spiralförmige Stärke-Molekül durch Enzyme der Familie der Cyclodextrin-Glycosyl-Transferasen (CGTasen) in Segmente zerlegt. Diese cyclisieren dann zu ringförmigen Makromolekülen.

Fließschema zur Herstellung von Cyclodextrin aus Maisstärke

Cyclodextrine werden aus Stärke hergestellt.