Γιακουμάκης Γρηγόρης 797 κυκλοδεξτρινες.

Παρουσίαση με θέμα: "Γιακουμάκης Γρηγόρης 797 κυκλοδεξτρινες."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Γιακουμάκης Γρηγόρης 797 κυκλοδεξτρινες

2 Εισαγωγή Κυκλοδεξτρίνες (ή κυκλοαμυλόζες): μια οικογένεια ενώσεων που αποτελούνται από μόρια ζάχαρης δεσμευμένα σε ένα δακτύλιο (κυκλικοί ολιγοσακχαρίτες). Παράγονται από άμυλο με τη βοήθεια ενζυματικής μετατροπής. Αποτελούνται από 5 ή περισσότερες μονάδες α-D-γλυκοπυρανόζης που συνδέονται 14 , όπως στην αμυλόζη. Το 5-μελές μακροκυκλικό σύστημα δεν είναι φυσικό. Η μεγαλύτερη καλά χαρακτηρισμένη κυκλοδεξτρίνη περιείχε 32 μονάδες 1,4-anhydroglucopyranoside, ενώ είναι επίσης γνωστοί 150-μελής κυκλικοί ολιγοσακχαρίτες. Οι τυπικές κυκλοδεξτρίνες περιέχουν έναν αριθμό μονομερών γλυκόζης από 6 έως 8 μονάδες σε ένα δακτύλιο με σχήμα κώνου: α-κυκλοδεξτρίνη: 6-μελής δακτύλιος σακχάρου β-κυκλοδεξτρίνη: 7-μελή δακτύλιος σακχάρου γ-κυκλοδεξτρίνη: 8-μελή δακτύλιος σακχάρου

3 Οι α- και γ-κυκλοδεξτρίνες χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία τροφίμων.
Η α-κυκλοδεξτρίνη είναι μια διαλυτή διαιτητική ίνα, μπορεί να βρεθεί ως άλφα κυκλοδεξτρίνη (διαλυτή ίνα) στον κατάλογο των συστατικών εμπορικών προϊόντων. Χρησιμοποιούνται σε τρόφιμα, φαρμακευτικά σκευάσματα, για μεταφορά φαρμάκων, χημικές βιομηχανίες καθώς και τη γεωργία και την περιβαλλοντική τεχνολογία. Παραδειγμα: η Hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HPβCD) είναι η κύρια ενεργή ένωση γνωστού αποσμητικού προϊόντος.

4 Ιστορική αναδρομή Περίοδος ανακάλυψης
1891: Το πρώτο άρθρο που αναφέρει την προσεκτική παρατήρηση άγνωστων κρυσταλλικών ουσιών στη ζύμωση του αμύλου. Δεκαπέντε χρόνια αργότερα: ο Αυστριακός μικροβιολόγος Franz Schardinger, μελετώντας μικροοργανισμούς που συμμετέχουν στην αλλοίωση τροφίμων, απομόνωσε τον Bacillus macerans ο οποίος παρήγαγε δύο διακριτές κρυσταλλικές ουσίες σε καλλιέργειες που είχαν άμυλο. Επειδή οι ιδιότητές τους ήταν παρόμοιες με των ήδη γνωστών προϊόντων αποικοδόμησης του αμύλου, των δεξτρινών, ονόμασε τις ουσίες αυτές α- και β-δεξτρίνη. Η χημική δομή τους όμως ήταν ακόμα άγνωστη. 1936: 45 χρόνια μετά ο Freudenberg και οι συνεργάτες του προσδιόρισαν τη χημική δομή των α- και β-δεξτρινών.

5 Ερευνητική περίοδος 1936-1970 στην ενζυμική παραγωγή κυκλοδεξτρινών,
Αρχές της δεύτερης περιόδου: ο Freudenberg και οι συνεργάτες του, με πειράματα τους και παρατηρήσεις των Karrer και Miekeley διαπίστωσαν ότι οι δεξτρίνες του Schardinger αποτελούνται από μονάδες μαλτόζης και περιέχουν μόνο α-1,4-γλυκοζιτικούς δεσμούς. Υπέθεσαν την κυκλική δομή των κρυσταλλικών δεξτρινών. : Ανακαλύφθηκε η γ-κυκλοδεξτρίνη και προσδιορίσθηκε η δομή της. Αρχές δεκαετίας του 50: οι ομάδες των French και Cramer εργάσθηκαν εντατικά στην ενζυμική παραγωγή κυκλοδεξτρινών, στην απομόνωση των καθαρών συστατικών και στον προσδιορισμό των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων τους. Η ομάδα του French ανακάλυψε ότι υπάρχουν ακόμα μεγαλύτερες κυκλοδεξτρίνες, ενώ η ομάδα του Cramer ασχολήθηκε με την ικανότητα των κυκλοδεξτρινών να σχηματίζουν σύμπλοκα.

6 Τέλος της δεκαετίας του 60: είχε διευκρινιστεί
1953: Το πρώτο ουσιαστικό άρθρο για τις κυκλοδεξτρίνες απο τον Freunch. Ακολούθησαν οι μονογραφίες των Thoma και Stewart το 1965 και του Caesar το 1968. Μια λανθασμένη δημοσίευση του Freunch σχετικά με την τοξικότητα των κυκλοδεξτρινών στον άνθρωπο αποθάρρυνε πολλούς επιστήμονες από την παρασκευή προϊόντων με κυκλοδεξτρίνη για ανθρώπινη χρήση. Τέλος της δεκαετίας του 60: είχε διευκρινιστεί η παρασκευή κυκλοδεξτρινών στο εργαστήριο οι φυσικές και χημικές ιδιότητες τους οι ιδιότητες σχηματισμού συμπλόκων.

7 Η περίοδος εκμετάλλευσης: 1970-σήμερα
Μετά από τοξικολογικές μελέτες που απέδειξαν την ασφάλεια των κυκλοδεξτρινών για θεραπευτική χρήση στον άνθρωπο, οι δημοσιεύσεις παρουσίασαν θεαματική αύξηση, με τον αριθμό τους να φτάνει στις το 2003! Ο αριθμός των δημοσιεύσεων που σχετίζονται με τις κυκλοδεξτρίνες σε διάφορα ερευνητικά πεδία ανά χρόνο, από το 1985 έως το 2002.

8 Σύμφωνα με τα δεδομένα της CycloLab ο ολικός αριθμός των δημοσιεύσεων σήμερα φτάνει τις και ο μέσος αριθμός τους ανά ημέρα αυξήθηκε από 2,2 το 1990 σε 4,4 το 2004. Ο αριθμός των δημοσιεύσεων που σχετίζονται με τις κυκλοδεξτρίνες από το 1980 έως σήμερα.

9 Το πρώτο παγκόσμιο συνέδριο κυκλοδεξτρινών έγινε το 1981 και από τότε μέχρι σήμερα επαναλαμβάνεται κάθε δύο χρόνια.

10 Το 1973, 1 Kg β-CD κόστιζε 2000 $, ενώ σήμερα κοστίζει μόλις μερικά $.

11 Παραγωγή των κυκλοδεξτρινών
Μία σχετικά απλή διεργασία. Περιλαμβάνει κατεργασία του αμύλου με μία σειρά ενζύμων. Το βασικότερο είναι η γλυκοσυλο-τρανσφεράση των κυκλοδεξτρινών (CGTase). Παράγεται από μικροοργανισμούς, όπως ο Bacillus macerans, η Klebsiella oxytaca και o Bacillus circulans. Σήμερα, με τη γενετική μηχανική έχει παραχθεί μία σειρά ενζύμων για βιομηχανική παραγωγή κυκλοδεξτρινών. Γλυκοσυλο-τρανσφεράση κυκλοδεξτρινών

12 Ρευστοποίηση αμύλου με θέρμανση ή με προσθήκη α-αμυλάσης.
Προσθήκη CGTάσης. Η CGTάση συνθέτει όλες τις φυσικές κυκλοδεξτρίνες  το προϊόν είναι μείγμα α-, β- και γ-CD σε αναλογία που εξαρτάται από το ένζυμο (κάθε CGΤάση έχει τη δική της αναλογία). Διαχωρισμός των τριών φυσικών κυκλοδεξτρινών λόγω διαφορετικής υδατοδιαλυτότητας: Η β-CD έχει μικρή υδατοδιαλυτότητα και μπορεί να ανακτηθεί με κρυστάλλωση. Οι περισσότερο διαλυτές α-CD και γ-CD διαχωρίζονται με χρωματογραφικές τεχνικές. Μπορεί επίσης να προστεθεί ένας «παράγοντας συμπλοκοποίησης» για σχηματισμό συμπλόκου με την επιθυμητή κυκλοδεξτρίνη, το οποίο καθιζάνει. Ο σχηματισμός συμπλόκου κατευθύνει την μετατροπή του αμύλου προς τη σύνθεση της επιθυμητής κυκλοδεξτρίνης, αυξάνοντας την περιεκτικότητα αυτής στο τελικό μείγμα. Η κυκλοδεξτρίνη ανακτάται με φυγοκέντρηση και διαχωρίζεται από τον «παράγοντα συμπλοκοποίησης». Οι κυριότεροι παράγοντες: τολουένιο, ακετόνη και δεκανόλη. Το τολουενίου κατευθύνει τη μετατροπή προς β-CD, η 1-δεκανόλη προς α-CD και η κυκλοεξαδεκανόλη προς γ-CD. H τελική καθαρότητα των προϊόντων είναι της τάξης του 99%.

13 Εκλεκτικά ένζυμα χρησιμοποιούνται για τη βιομηχανική παραγωγή των α-, β- και γ-κυκλοδεξτρινών

14 Τύποι βακτηρίων που παράγουν γλυκοσυλο-τρανσφεράσες για την παραγωγή των κυκλοδεξτρινών

15 Δομή Κυκλικοί ολικοσακχαρίτες αποτελούμενοι από μόρια α-D-γλυκοπυρανόζης που συνδέονται με α-1-4 γλυκοζιτικούς δεσμούς. Το σχήμα τους δεν είναι κυλινδρικό αλλά προσομοιάζει το σχήμα κόλουρου κώνου λόγω έλλειψης ελεύθερης περιστροφής των δεσμών που συνδέουν τις μονάδες γλυκοπυρανόζης.

16 Κάθε μονάδα γλυκοπυρανόζης έχει 3 υδροξυλομάδες
Κάθε μονάδα γλυκοπυρανόζης έχει 3 υδροξυλομάδες. Οι 2 είναι δευτερεύουσες στον C-2 και 3 και 1 είναι πρωτεύουσα στον C-6. Οι υδροξυλομάδες καθιστούν υδρόφιλη την εξωτερική επιφάνεια και είναι υπεύθυνες για την διαλυτότητά στο νερό. Οι πρωτεύουσες υδροξυλομάδες εντοπίζονται στο στενό άκρο του κώνου, ενώ οι δευτερεύουσες στο ευρύτερο άκρο. Το εσωτερικό των κυκλοδεξτρινών είναι υδρόφοβο, λόγω της παρουσίας των αιθερικών οξυγόνων στο Ο-4 και των υδρογόνων που είναι προσαρτημένα στους άνθρακες C-3 και C-5  δημιουργείται μια κοιλότητα για τον εγκλωβισμό υδρόφοβων μορίων.

17

18 Η χημική δομή και η δομή του κόλουρου κώνου της α-κυκλοδεξτρίνης

19 Φυσικές κυκλοδεξτρίνες
Φυσικές κυκλοδεξτρίνες Οι πιο γνωστές φυσικές κυκλοδεξτρίνες είναι οι α-, β-, γ- κυκλοδεξτρίνη. Η α-CD αποτελείται από 6 μόρια γλυκοπυρανόζης η β-CD από 7 μόρια η γ-CD από 8 μόρια

20 Έχουν επίσης παρασκευασθεί κυκλοδεξτρίνες με 9, 10, 11, 12 και 13 μονάδες γλυκοπυρανόζης που ονομάζονται δ, ε, ζ, η, θ κυκλοδεξτρίνες, αντίστοιχα. Κυκλοδεξτρίνες με λιγότερες από 6 μονάδες γλυκοπυρανόζης δεν μπορεί να υπάρξουν λόγω των παραπάνω στερεοχημικών περιορισμών.

21 Τα βασικά χαρακτηριστικά της α-, β- και γ- κυκλοδεξτρίνης

22 Τροποποιημένες κυκλοδεξτρίνες (modified cyclodextrins)
Παράγονται με αντίδραση χημικών μορίων με τις υδροξυλομάδες των κυκλοδεξτρινών. Οι υδροξυλομάδες στον C-6 έχουν την μεγαλύτερη ικανότητα αντίδρασης, ενώ οι υδροξυλομάδες στον C-3 έχουν την μικρότερη. Μεταβάλλοντας τις συνθήκες της αντίδρασης (pH, θερμοκρασία και αντιδραστήρια) κατευθύνουμε την αντίδραση προς εκλεκτική υποκατάσταση μίας συγκεκριμένης ομάδας. Κάθε μονάδα γλυκοπυρανόζης έχει 3 ελεύθερες υδροξυλομάδες: η α-κυκλοδεξτρίνη έχει 18 ελεύθερες υδροξυλομάδες η β-κυκλοδξτρίνη έχει 21 η γ-κυκλοδεξτρίνη έχει 24 Με υποκατάσταση του υδρογόνου ή της υδροξυλομάδας από διάφορες ομάδες (άλκυλο-, υδροξυάλκυλο-, καρβοξυλοάλκυλο-, άμινο-, θείο- γλυκόσυλο- κα.) παράγεται μια σειρά από παράγωγα με χημικές αντιδράσεις.

23 Ονοματολογία τροποποιημένων κυκλοδεξτρινών
Η ονοματολογία πρέπει να περιλαμβάνει τουλάχιστον την πρόδρομη κυκλοδεξτρίνη και τον τύπο και αριθμό των υποκαταστατών. Οι υποκαταστάτες δηλώνονται με 1 συντόμευση πριν την κυκλοδεξτρίνη. Στη συντόμευση μπορεί να φανεί και η ακριβής θέση του υποκαταστάτη. Πχ. η ΟΗ του υδροξυπρόπυλο υποκαταστάτη μπορεί να βρίσκεται σε ένα από τους τρεις άνθρακες της προπυλικής αλυσίδας. Αν ενωθεί με τον C-2, το παράγωγο θα συμβολίζεται 2HP-β-CD.

24 Για τον αριθμό των υποκαταστατών που συνδέονται με την κυκλοδεξτρίνη, ο αριθμός ακολουθεί τον υποκαταστάτη. Πχ. HP4-β-CD: μία β- κυκλοδεξτρίνη με 4 υδροξυπρόπυλο ομάδες. Ο αριθμός αυτός ονομάζεται μοριακός βαθμός υποκατάστασης (molar degree of substitution, MS) και εκφράζει το μέσο αριθμό αλκυλομάδων στο δακτύλιο της κυκλοδεξτρίνης. Στο παράδειγμα της ΗP4-β-CD, 4 υδρόξυπρόπυλο υποκαταστάτες μπορεί να έχουν συνδεθεί σε 4 διαφορετικές υδροξυλομάδες στη β-κυκλοδεξτρίνη ή 1 υδροξυλομάδα μπορεί να έχει υποκατασταθεί από 1 αλυσίδα με 4 υδροξυπρόπυλο ομάδες. Ένας άλλος όρος που χρησιμοποιείται είναι ο βαθμός υποκατάστασης (degree of substitution, DS) που εκφράζει το μέσο αριθμό των υποκατεστημένων υδροξυλομάδων των μονάδων γλυκοπυρανόζης. Μπορεί να πάρει τιμές από 0 έως 3.

25 Οι βασικές τροποποιημένες κυκλοδεξτρίνες που χρησιμοποιούνται ως έκδοχα στις φαρμακομορφές είναι όλες παράγωγα της β-κυκλοδεξτρίνης: Τυχαία μεθυλιωμένα παράγωγα με μέσο MS 14 (Μ14-β-CD). Δύο διαφορετικά υδροξυπρόπυλο παράγωγα, το ένα με μέσο μοριακό βαθμό υποκατάστασης 3 ((2ΗP)3-β-CD) και το άλλο με μέσο μοριακό βαθμό υποκατάστασης 7 ((2ΗP)7-β-CD). Σουλφο-βούτυλο αιθερικά παράγωγα με μέσο MS 7 (SBE7-β-CD). Γλυκόσυλο και μαλτόσυλο κυκλοδεξτρίνες, οι οποίες περιέχουν μόνο μόρια γλυκόζης (G1-β-CD) ή μαλτοσακχαρίτες όπως η μαλτόζη (G2-β-CD) συνδεδεμένα απευθείας με α-(1→6) γλυκοζιτικό δεσμό στο μόριο της κυκλοδεξτρίνης.

26 Η παραγωγή τροποποιημένων κυκλοδεξτρινών έχει στόχο
1. Να αυξήσει την υδατοδιαλυτότηα των κυκλοδεξτρινών και των συμπλόκων του. Οι φυσικές κυκλοδεξτρίνες έχουν μικρή διαλυτότητα στο νερό. Η β-κυκλοδεξτρίνη έχει τη μικρότερη υδατοδιαλυτότητα λόγω της περισσότερο άκαμπτης δομής της που οφείλεται στους δεσμούς υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ της υδροξυλομάδας του C-2 μιας μονάδας γλυκοπυρανόζης και της υδροξυλομάδας του C-3 της γειτονικής ομάδας, σχηματίζοντας επτά ενδομοριακούς δεσμούς υδρογόνου που εμποδίζουν την αλληλεπίδραση της κυκλοδεξτρίνης με το διαλύτη. Αυτή η «ζώνη δεσμών υδρογόνου» δεν είναι πλήρης στις υπόλοιπες φυσικές κυκλοδεξτρίνες και γι’αυτο ευνοείται η αλληλεπίδραση αυτών με τα μόρια του νερού. 2. Να βελτιώσει τη σύνδεση-αλληλεπίδραση των εγκλωβιζόμενων μορίων με τις κυκλοδεξτρίνες. 3. Να εκλύσει συγκεκριμένες καταλυτικές ομάδες στη θέση σύνδεσης. 4. Να σχηματίσει αδιάλυτες δομές που περιέχουν κυκλοδεξτρίνες, όπως τα πολυμερή, σε στόχο την εφαρμογή τους στη χρωματογραφία

27 Οι δεσμοί υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ της υδροξυλομάδας του C-2 μιας μονάδας γλυκοπυρανόζης και της υδροξυλομάδας του C-3 της γειτονικής ομάδας γλυκοπυρανόζης, στο μόριο της β-κυκλοδεξτρίνης.

28 Οι μέθοδοι για την εκλεκτική υποκατάσταση των κυκλοδεξτρινών χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες:
Οι «σύντομες» μέθοδοι στις οποίες αξιοποιείται η χημεία των κυκλοδεξτρινών ώστε να παραχθεί το επιθυμητό παράγωγο με το πιο σύντομο τρόπο. Οι «μακροσκελείς» μέθοδοι στις οποίες λαμβάνουν χώρα μία σειρά από βήματα προστασίας και αποπροστασίας των κυκλοδεξτρινών ώστε να φτάσουμε στο προσδιορισμό των κατάλληλων συνθηκών της αντίδρασης. Η μέθοδος της «βαριάς» κατά την οποία οι κυκλοδεξτρίνες αντιδρούν χωρίς καμία εκλεκτικότητα και δίνουν ένα μίγμα προϊόντων από το οποίο το επιθυμητό παράγωγο απομονώνεται από τα υπόλοιπα ισομερή με χρωματογραφικές μεθόδους.

29 Σύνοψη των μεθόδων εκλεκτικής υποκατάστασης των κυκλοδεξτρινών

30 ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΛΟΚΩΝ ΚΥΚΛΟΔΕΞΤΡΙΝΩΝ ΜΕ ΒΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ
Η βασικότερη ιδιότητα των κυκλοδεξτρινών είναι η ικανότητά να εγκλωβίζουν στην υδρόφοβη κοιλότητά τους ολόκληρα μόρια βιοδραστικών ενώσεων ή υδρόφοβα τμήματα αυτών, σε υδατικά διαλύματα. Τα σύμπλοκα ονομάζονται “σύμπλοκα έγκλεισης” καθώς δεν σχηματίζονται πραγματικοί δεσμοί μεταξύ των μορίων. Η σταθερότητα των συμπλόκων οφείλεται σε: Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις Δυνάμεις Van der Waals Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις Δεσμούς υδρογόνου Στην απομάκρυνση μορίων νερού με μεγάλη ενθαλπία από την υδρόφοβη κοιλότητα

31 Μοντέλο του σχηματισμού συμπλόκου έγκλεισης βιοδραστικής ένωσης/κυκλοδεξτρίνης (σύμπλοκο σαλικυλικού οξέος : β-κυκλοδεξτρίνης).

32 σας ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ