Κυκλοδεξτρίνες Φωλιάς Φώτιος Α.Μ. 937 16 Μαΐου 2017 Χημεία Μακροκυκλικών Ενώσεων Καθηγητής:Αθανάσιος Κουτσολέλος Φωλιάς Φώτιος Α.Μ. 937 16 Μαΐου 2017

Εφαρμογές • συστήματα διαλυτοποίησης (αύξηση υδατοδιαλυτότητας) Γενικά Οι κυκλοδεξτρίνες (ή γλυκοαμυλόζες) είναι μια οικογένεια κυκλικών ολιγοσακχαριτών που αποτελούνται από 5 ή περισσότερα τμήματα α-D γλυκοπυρανόζης συνδεδεμένα μεταξύ τους (1→4) σε ένα κυκλικό δακτύλιο. Εφαρμογές • συστήματα διαλυτοποίησης (αύξηση υδατοδιαλυτότητας) • συστήματα σταθεροποίησης (υδρολύσεις, οξειδώσεις ) • ενζυμικά μοντέλα • καταλύτες • συστατικά στατικών και κινητών φάσεων σε χρωματογραφίες για διαχωρισμό χειρόμορφων μορίων • τροποποιητές γεύσης και οσμής (π.χ. κάλυψη δυσάρεστης οσμής) •παράγοντες ελάττωσης ανεπιθύμητων ενεργειών φαρμάκων • παράγοντες ελάττωσης πτητικότητας πτητικών ουσιών

Ιστορικά Η πρώτη αναφορά έγινε από τον Villiers (ως cellulosine) το 1891 Απομόνωσε μια κρυσταλλική ένωση από καλλιέργεια bacillus amylobacter παρουσία αμύλου. Το 1903-1911 ο Schardinger ταυτοποίησε τις φυσικές κυκλοδεξτρίνες -α, -β και απομόνωσε τον bacillus macerans που αποτελεί μέχρι σήμερα το βασικό ένζυμο για την παραγωγή κυκλοδεξτρίνης. Το 1935 απομονώνεται η κυκλοδεξτρίνη γ, με τη δομή της να παραμένει άγνωστη Το 1935 ο Pringsheim παρατήρησε πως οι CDs σχηματίζουν σταθερά υδατικά σύμπλοκα με πολλές χημικές ενώσεις . Το 1948 με κρυσταλλογραφία ακτίνων χ χαρακτηρίζεται η γ-CD Η μεγαλύτερη κυκλοδεξτρίνη που έχει χαρακτηριστεί περιλαμβάνει 32 μόρια γλυκοπυρανόζης σύνθεση και μελέτη μεγάλου αριθμού CDs,η δημοσίευση δεκάδων άρθρων καθώς και η βιομηχανική τους παραγωγή

Με την ενζυμική αποικοδόμηση του αμύλου παράγεται γλυκόζη,μαλτόζη,μαλτοτριόζη και μια σειρά γραμμικών ή διακλαδισμένων αλυσίδων μαλτο-ολιγομερών γνωστά ως δεξτρίνες. Οι δεξτρίνες είναι ετερογενείς ,άμορφες και υγροσκοπικές. Η αποικοδόμηση του αμύλου είναι μια υδρολυτική διαδικασία καθώς ο δεσμός των γλυκοζιτικών δεσμών αντιδρά με ένα μόριο νερού. Ωστόσο όταν η αποικοδόμηση γίνεται με το ένζυμο glycosyltransferase (CGT) επιτυγχάνεται ενδομοριακή αντίδραση χωρίς τη συμμετοχή νερού με αποτέλεσμα την παραγωγή των κυκλοδεξτρινών.

Οι 3 φυσικές κυκλοδεξτρίνες α-CD με 6 μόρια γλυκοπυρανόζης ή Schardinger's α-dextrin β-CD με 7 μόρια γλυκοπυρανόζης ή Schardinger's β-dextrin γ-CD με 8 μόρια γλυκοπυρανόζης ή Schardinger's γ-dextrin δ-CD με 9 μόρια γλυκοπυρανόζης ,καλή διαλυτότητα στο νερό,αλλά δεν απομονώνεται σε κρυσταλλική μορφή και συνεπώς δεν έχει χαρακτηριστεί ικανοποιητικά

Oι πρωτοταγείς υδροξυλομάδες βρίσκονται στην μία άκρη του κώνου Stuart models Oι πρωτοταγείς υδροξυλομάδες βρίσκονται στην μία άκρη του κώνου Οι δευτεροταγείς υδροξυλομάδες βρίσκονται στην αντιδιαμετρική πλευρά Τα μη δεσμικά ζεύγη ηλεκτρονίων βρίσκονται στην εσωτερική πλευρά της κοιλότητας,δημιουργώντας υψηλή ηλεκτρονιακή πυκνότητα και βασικότητα κατά Lewis

H ομάδα C2-OH γλυκοπυρανόζης μπορεί να δημιουργήσει δεσμό υδρογόνου με την ομάδα C3-OH μιας γειτονικής δημιουργώντας μια ζώνη δεσμών υδρογόνου. Στις α-CDs ένα μόριο γλυκοπυρανόζης είναι διεστραμμένο με αποτέλεσμα μόνο 4 από τους 6 δεσμούς υδρογόνου να δημιουργούνται Οι γ-CDs δεν είναι τελείως επίπεδες λόγω του μεγαλύτερου μεγέθους τους, είναι περισσότερο ευέλικτες με αποτέλεσμα να έχουν τη μεγαλύτερη διαλυτότητα Η διαλυτότητα στις β-CDs είναι πολύ μικρή κάτι που οφείλεται στους δεσμούς υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ των υδροξυλομάδων C2-C3 γλυκοπυρανόζης

Ιδιότητες Κακή έως μέτρια διαλυτότητα σε νερό, μεθανόλη και αιθανόλη εύκολα διαλυτές σε ισχυρούς πολικούς απρωτικούς διαλύτες όπως διμεθυλοσουλφοξείδιο (DMSO), διμεθυλοφορμαμίδιο (DMF), Ν, Ν-διμεθυλακεταμίδιο και πυριδίνη Η πλήρης περιστροφή μιας μονάδας γλυκόζης για τους δεσμούς C (1) -Ο-C (4 ') δεν είναι δυνατή λόγω στερικής παρεμπόδισης Ο δακτύλιος σταθεροποιείται με ενδομοριακούς δεσμούς υδρογόνου ωστόσο χαρακτηρίζεται από μεγάλη ευελιξία.

τρόποι πακεταρίσματος των CDs Cage structure Channel structure Κατά τον 2ο τρόπο οι CDs πακετάρονται η μια πάνω στην άλλη,δημιουργώντας κανάλια στα οποία μπορούν να υποδεχτούν τα guest molecules Αυτή η ευθυγράμμιση μπορεί να είναι (head to head) ή (head to tail) Κατά τον 1ο τρόπο (cage type) η κοιλότητα μιας CDs μπλοκάρεται από γειτονικές CDs και από τις 2 πλευρές δημιουργώντας απομονομένες κοιλότητες. Σε αυτό το είδος διευθέτησης οι CDs πακετάρονται σε (herringbone fashion) ή (brick wall fashion)

Διαφορετικοί τύποι κρυσταλλικής μορφής των φυσικών CDs α-CDs [α-cyclodextrin 6H2O (I) , α-cyclodextrin 7.5H2O] β- CDs [β-cyclodextrin 12H2O , β-cyclodextrin 11H2O ] γ- CDs [γ-cyclodextrin 13H2O ] Στην α-CD6Η20 2 μόρια νερού βρίσκονται στην κοιλότητα και 4 στα διάκενα Στην α-CD7.5Η20 2 μόρια νερού στην κοιλότητα και 5.5 στα διάκενα Στη β-CD11Η2Ο 6.12 μόρια νερού στην κοιλότητα και 4.88 στα διάκενα Στη β-CD12Η2Ο 6.5 μόρια νερού στην κοιλότητα και 5.5 στα διάκενα Στη γ-CD13Η2Ο 5.3 μόρια νερού στην κοιλότητα και 7.7 στα διάκενα

Η διαμόρφωση των CDs σε διάλυμα είναι σχεδόν πανομοιότυπη με τη διαμόρφωση που έχουν στην κρυσταλλική τους μορφή α-CD β-CD γ-CD

Σύνθεση κυκλοδεξτρίνης Χρήση CGTase με α-αμυλάση Υγροποίηση του αμύλου με θερμική επεξεργασία ή με την α-αμυλάση Η CGTase προστίθεται για την ενζυματική μετατροπή Οι CGTases μπορούν να συνθέσουν όλες τις μορφές κυκλοδεξτρινών, έτσι το προϊόν της μετατροπής καταλήγει σε ένα μίγμα των τριών κύριων τύπων κυκλικών μορίων, σε αναλογίες που εξαρτώνται αυστηρά από το χρησιμοποιούμενο ένζυμο η β-CD που είναι ελάχιστα υδατοδιαλυτή (18,5 g / l) (στους 25 ° C) μπορεί εύκολα να ανακτηθεί μέσω κρυστάλλωσης Οι πιο διαλυτές α- και γ-CD (145 και 232 g / l αντίστοιχα) καθαρίζονται συνήθως με δαπανηρές και χρονοβόρες τεχνικές χρωματογραφίας Ωστόσο μπορεί να προστεθεί ένας παράγοντας συμπλοκοποίησης κατά τη διάρκεια του σταδίου ενζυματικής μετατροπής (τολουόλιο,ακετόνη,αιθανόλη) σχηματίζοντας ίζημα

Χημικά τροποποιημένες κυκλοδεξτρίνες Η σύνθεσή τους βασίζεται στην αντίδραση χημικών μορίων με τις υδροξυλομάδες των κυκλοδεξτρινών. Οι συνήθεις αντιδράσεις παραγωγής είναι εστεροποιήσεις και αιθεροποιήσεις, οδηγώντας σε κυκλοδεξτρίνες με σημαντικά διαφοροποιημένες ιδιότητες. Η παραγωγή των τροποποιημένων κυκλοδεξτρινών έχει σαν στόχο: Να αυξήσει την υδατοδιαλυτότητα των κυκλοδεξτρινών, αλλά και των ουσιών που συμπλοκοποιούνται Να οδηγήσει σε πιο σταθερά σύμπλοκα ουσιών π.χ. φαρμάκων με τις κυκλοδεξτρίνες. Αυτό οφείλεται στην ανάπτυξη ισχυρότερων δυνάμεων( λόγω της ύπαρξης περισσότερων ομάδων -ΟΗ που μπορούν να αλληλεπιδράσουν με δεσμούς υδρογόνου με υδρόφιλα τμήματα του μορίου) με αποτέλεσμα π.χ. την ελάττωση της ταχύτητας αποικοδόμησης του φαρμάκου. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες είναι οι υδροξυ-αλκυλιωμένες CDs που: είναι πολύ ευδιάλυτες δεν κρυσταλλώνουν είναι οι πλέον ασφαλείς (λιγότερο τοξικές)

Σχηματισμός συμπλόκων εγκλεισμού Οι κυκλοδεξτρίνες μπορεί να εγκλωβίσουν στο εσωτερικό τους το υδρόφοβο τμήμα μορίων (π.χ. φαρμάκων) σχηματίζοντας σύμπλοκα εγκλεισμού. Τα σύμπλοκα εγκλεισμού είναι μοριακές δομές στις οποίες μετέχουν 2 τουλάχιστον μόρια, από τα οποία το ένα (ξενιστής) περικλείει το άλλο (επισκέπτης). Η σταθερότητα του συμπλόκου εξαρτάται από την ισχύ των δυνάμεων που αναπτύσσονται και τέτοιες είναι (στην υδρόφοβη κοιλότητα): Van der Waals υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις δεσμούς υδρογόνου (με τα –ΟΗ της εξωτερικής επιφάνειας) ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις Κατά το σχηματισμό των συμπλόκων εγκλεισμού δεν σχηματίζονται ομοιοπολικοί δεσμοί

Η α-CD έχει μικρό δακτύλιο και μπορεί να φιλοξενήσει μικρά μόρια Σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των συμπλόκων παίζει η απομάκρυνση των μορίων νερού από την υδρόφοβη κοιλότητα της κυκλοδεξτρίνης, δρώντας ως μία ακόμη ‘δύναμη’, ελαττώνοντας την ενέργεια του συστήματος. Συμπλοκοποίηση σαλικυλικού οξέος με β-CD και συμμετοχή των μορίων νερού Η α-CD έχει μικρό δακτύλιο και μπορεί να φιλοξενήσει μικρά μόρια Η β-CD φιλοξενεί ιδανικά ένα βενζολικό δακτύλιο ενώ η γ-CD μπορεί να φιλοξενήσει και μεγαλύτερους δακτυλίους.

Το μόριο που έχει εγκλεισθεί στην κοιλότητα της CD μπορεί να απομακρυνθεί από αυτή μόνο από ένα άλλο μόριο με μεγαλύτερη συγγένεια από το ίδιο. Εφόσον δεν υπάρχει ομοιοπολικός δεσμός, είναι σαφές ότι υπάρχει μία δυναμική ισορροπία μεταξύ συμπλόκου, ελεύθερου φαρμάκου και ελεύθερης CD. Η σταθερά σχηματισμού του συμπλόκου (Κst) εξαρτάται: από την συμβατότητα μοριακού όγκου της CD και του δραστικού μορίου ή του τμήματος του δραστικού μορίου την ιοντική κατάσταση του φαρμάκου (που είναι συναρτήσει του pH) τη λιποφιλία του φαρμάκου ή του τμήματος που εγκλείεται τη λιποφιλία του διαλύτη που τα περιβάλει τη θερμοκρασία την παρουσία επιφανειοδραστικών ή και άλλου διαλύτη

Το πιο σύνηθες προϊόν εγκλεισμού έχει στοιχειομετρική αναλογία φαρμάκου-κυκλοδεξτρίνης 1:1 Παρόλα αυτά είναι δυνατόν να σχηματιστούν σύμπλοκα 1:2, 2:1 ή και άλλων στοιχειομετρικών αναλογιών τα οποία όμως θα είναι ασθενέστερα. Δομή συμπλόκου της πυροξικάμης με β-κυκλοδεξτρίνη (ΒΡΕΧΙΝ) 2:4

Παρασκευή των συμπλόκων Στοιχειομετρία συμπλόκου 2:1 Στοιχειομετρία συμπλόκου 1:3 σύνδεση του ketoprofen με την β-κυκλοδεξτρίνη σταθεροποιείται από την παρουσία του δευτέρου μορίου σε κάθετη διάταξη σύμπλοκο του terpyridine με HP-β-κυκλοδεξτρίνη Παρασκευή των συμπλόκων Η παρασκευή των συμπλόκων γίνεται με διαδικασίες όπως: η συγκαθίζηση η λειοτρίβηση η λυοφιλοποίηση

Η συγκαθίζηση περιλαμβάνει: α) τη διάλυση του φαρμάκου σε οργανικό διαλύτη, β) τη διάλυση της κυκλοδεξτρίνης σε υδατικό διάλυμα, ώστε να προκύψει μεγαλύτερη συγκέντρωση από την αντίστοιχη του φαρμάκου, γ) την προσθήκη του διαλύματος του φαρμάκου στο διάλυμα της κυκλοδεξτρίνης με συνεχή ανακίνηση, δ) την ψύξη για την καταβύθιση του συμπλόκου υπό μορφή κρυστάλλων, ε) την έκπλυση των κρυστάλλων με οργανικό διαλύτη και στ) ξήρανση των κρυστάλλων για την απομάκρυνση του διαλύτη και τη λήψη κόνεως του συμπλόκου Η λειοτρίβηση αποτελεί μία μέθοδο που βασίζεται στην προσθήκη του φαρμάκου σε υδατικό εναιώρημα της κυκλοδεξτρίνης (υπέρκορο διάλυμα) και λειοτρίβηση σε ιγδίο για το σχηματισμό πάστας μέχρι την πλήρη ξήρανσή της. Η λυοφιλοποίηση είναι μία μέθοδος ξήρανσης με την οποία η υγρασία που περιέχεται σε ένα υλικό μετατρέπεται σε πάγο με κατάψυξη του διαλύματος, ο οποίος στη συνέχεια απομακρύνεται με εξάχνωση μέσω μίας ελεγχόμενης θέρμανσης υπό κενό.

Σταθερότητα φαρμάκων Η ιδέα της σταθεροποίησης μέσω του συμπλόκου εγκλεισμού έγκειται στην προστασία του ‘αδύνατου σημείου’ του μορίου, δηλαδή εκείνου του μέρους που υφίσταται την προσβολή του νερού, του οξυγόνου ή του φωτός Μέσω της στερεοχημικής παρεμπόδισης που παρέχεται με τη συμπλοκοποίηση, καθίσταται δυσκολότερη π.χ. η προσέγγιση του ύδατος (ή H + , OH-) με συνέπεια την ελάττωση της ταχύτητας υδρόλυσης του μορίου και συνακολούθως την αύξηση του χρόνου ζωής του προϊόντος.

Παράγωγα κυκλοδεξτρινών Η μεθυλο-β-κυκλοδεξτρίνη (Mβ-CD) αφαιρεί τη χοληστερόλη από τα καλλιεργημένα κύτταρα. H υδατοδιαλυτή ΜβCD είναι γνωστό ότι σχηματίζει διαλυτά σύμπλοκα εγκλεισμού με χοληστερόλη, χρησιμοποιείται για την παρασκευή προϊόντων απαλλαγμένων από χοληστερόλη Η (2-HP-β-CD) χρησιμοποιείται ως παράγοντας για τη σταθεροποίηση και διαλυτοποίηση πρωτεινικών φαρμάκων και προορίζεται ως παρεντερικός φορέας λόγω της ασθενούς αιμολυτικής δραστικότητας H heptakis (2,6-di-O-methyl)-β-CD αλληλεπιδρά με μικύλλια προκαλώντας τους ρήξη και χρησιμοποιείται ως ενισχυτής διείσδησης κυττάρων H hexakis (2,3,6-tri-O-acetyl)-α-CD χρησιμοποιείται για τριχοειδείς ηλεκτροφορήσεις όπως και η succinyl-β-cyclodextrin Heptakis (2,6-di-O-methyl)-β-CD hexakis (2,3,6-tri-O-acetyl)-α-CD

Αμινώσεις ,εστεροποιήσεις ή εθεροποιήσεις 1ο ταγών και 2ο ταγών υδροξυλομάδων των CDs Με τις ηλεκτρονιόφιλες προσβολές στις ΟΗ- προκύπτουν αιθέρες και εστέρες από αλκυλαλογονίδια,αλογονίδια και ισοκυανικά Πυρηνόφιλες προσβολές από ενώσεις όπως ιόντα αζιδίου, ιόντα αλογονιδίων, θειόλες, θειουρία και αμίνες (κάτι που απαιτεί την ενεργοποίηση του ατόμου οξυγόνου)

cyclodextrin necklace / molecular necklace Έχει δομή πολυροταξανίου Μόρια CDs διαπερνούνται από μια αλυσίδα πολυαιθυλενογλυκόλης (PEG) Η είσοδος της αλυσίδας μέσα από τις CDs επιτυγχάνεται από τις ελκτικές αλληλεπιδράσεις (PEG-CD) όπως δυνάμεις van der Waals Εκτός των αλληλεπιδράσεων (PEG-CD) προκύπτει αλληλεπίδραση μεταξύ των γειτονικών CDs Είναι αδιάλυτα στο νερό,όμως διαλύονται σε 0.1Μ NaOH

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ΟΗ- της αλυσίδας PEG με τις α-CD δεν καθορίζουν το σχηματισμό του συμπλόκου αλλά οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των CDs. Κατά τη σύνθεση του συμπλόκου οι CDs προστίθενται μια προς μια από την άκρη του PEG Καθώς όμως οι CDs έχουν 2 διαφορετικές υδροξυλομάδες στα 2 άκρα τους ,προκύπτουν 3 διαφορετικοί τρόποι σύνδεσης

Για το χαρακτηρισμό των molecular necklaces λαμβάνονται STM (scanning tunneling microscope) images Ο αριθμός των α-CDs που βρίσκονται πάνω στο PEG υπολογίζεται από τα φάσματα NMR Στις STM λήψεις τα δείγματα τοποθετούνται πάνω σε γραφίτη ή MoS2

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Phatsawee Jansook, Thorsteinn Loftsson, CDs as solubilizers: Effects of excipients and competing drugs, International Journal of Pharmaceutics 379 (2009) 32–40 Villiers A., Sur la transformation de la fécule en dextrine par le ferment butyrique, Compt. Rend. Fr. Acad. Sci. 1891:435-8 Biwer A, Antranikian G, Heinzle E. Enzymatic production of cyclodextrins. Appl Microbiol Biotechnol 2002;59:609-17. M. Raoov ,S. Mohamad and M.Abas, Synthesis and Characterization of β-Cyclodextrin Functionalized Ionic Liquid Polymer as a Macroporous Material for the Removal of Phenols and As(V), Int. J. Mol. Sci. 2014, 15 Sergey V. Kurkov, Thorsteinn Loftsson, Cyclodextrins Review, International Journal of Pharmaceutics 453 (2013) 167– 180 E.M. Martin Del Valle, Cyclodextrins and their uses: a review, Process Biochemistry 39 (2004) 1033–1046 https://books.google.gr/books?hl=el&lr=&id=DZbpCAAAQBAJ&oi=fnd&pg=PR7&dq=cyclodextrin+scientific+papers&ots=rhf-YjYBZ9&sig=j_6ds7qQ-e3sT_3ay7_g6q6VsZw&redir_esc=y#v=onepage&q=cyclodextrin%20scientific%20papers&f=false http://www.chemicalbook.com/ProductCatalog_EN/201273.htm