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.
Cyclodextrine im Überblick
Das Molekül
Chemische Grundstruktur
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
Der Innenraum des Moleküls ist eher lipophil. Der Außen-/Oberseite ist hydrophil.
Der Cyclodextrin-Innenraum ist lipophil, die Außen-/Oberseite eher lipophob.
Cyclodextrine verbinden also hydrophile und lipophile Bereiche. So kann Cyclodextrin wasserunlösliche Substanzen verkapseln und wasserlöslicher machen.
- gelb: lipophile Bereiche
- blau: hydrophile Bereich
Erklärung der Polarität
Stäbchenmodell
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
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.
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
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.
Cyclodextrine werden aus Stärke hergestellt.