Receptores moleculares. Las ciclodextrinas (página 2)

Características generales de las ciclodextrinas.

Las ciclodextrinas son una familia de oligosacáridos cíclicos naturales no reductores, constituidos por 6, 7, u 8 unidades de D(+)-glucopiranosa unidas por enlaces a (1® 4) glicosídicos, que se denominan a -, b – y g -ciclodextrina, respectivamente (figura 2).

Figura 2- Estructura cíclica y dimensiones de las ciclodextrinas.

Son conocidas también ciclodextrinas con más de ocho unidades de D(+)-glucopiranosa (d , e y h -ciclodextrinas),6 hasta llegar a tener catorce unidades,7 aunque no son las más utilizadas por su pobre capacidad en la formación de compuestos de inclusión, debido al gran tamaño de la cavidad.

La estructura de las ciclodextrinas ha sido elucidada a partir de estudios de difracción de rayos X y de neutrones.8 Como resultado de la conformación silla 4C1 de las unidades glucopiranósicas, las ciclodextrinas presentan una forma tridimensional de cono anular truncado.9 (figura 2). Los grupos hidroxilo primarios enlazados al carbono 6 de cada unidad glucopiranósica quedan orientados hacia el borde más estrecho del cono, mientras que los hidroxilos secundarios situados en los carbonos 2 y 3 quedan, por consiguiente, dirigidos hacia el borde más ancho del cono anular. Así, todos los grupos hidrofílicos se ubican alrededor de las aberturas de la cavidad y orientados hacia afuera. De esta forma, la ciclodextrina presenta un revestimiento externo de naturaleza altamente hidrofílica. Los átomos de hidrógeno metínicos de los carbonos 3 y 5, así como los pares electrónicos de los enlaces glicosídicos quedan orientados hacia el interior de la cavidad, dándole un carácter marcadamente hidrofóbico y apolar (figura 3).

Figura 3- Ubicación de los diferentes grupos funcionales en la molécula de ciclodextrina.

En 1891, Villiers publicó la primera referencia acerca de las ciclodextrinas cuando aisló una sustancia cristalina no reductora a partir de la degradación enzimática del almidón,10 que llamó celulosina. Poco después, la enzima ciclodextrin-transglicosilasa, de origen bacterial, fue aislada por primera vez del microorganismo Bacillus macerans11 y se utilizó en la degradación enzimática del almidón, obteniéndose mezclas de dextrinas lineales y cíclicas. Posteriormente, Schardinger11 desarrolló en 1903 un trabajo sistemático en la síntesis y purificación de sustancias similares a la celulosina obtenida por Villiers, así como al estudio de sus compuestos de inclusión con yodo. Estos experimentos permitieron diferenciar la a – de la b -ciclodextrina, identificándose como "dextrinas de Schardinger".

En 1936, los trabajos relacionados con la hidrólisis enzimática de las dextrinas de Schardinger definieron la estructura cíclica de estas moléculas y la naturaleza de los enlaces glicosídicos tipo a (1® 4). En 1948, Freudenberg descubrió una nueva ciclodextrina, la g .12 En la actualidad las ciclodextrinas se producen industrialmente en grandes cantidades a partir de cepas del bacilo modificadas genéticamente, de forma tal que se obtiene selectivamente solamente una de las ciclodextrinas. Este método evita los procesos de separación de mezclas y hace más rentable el proceso, obteniéndose las ciclodextrinas como reactivos con grados de pureza superior al 99%.11,13

Las ciclodextrinas son receptores moleculares tridimensionales monotópicos, que al poseer una cavidad hidrofóbica central, les permite la formación de complejos de inclusión con una gran variedad de compuestos inorgánicos y orgánicos. Esta propiedad contribuyó al desarrollo de un gran número de aplicaciones de las ciclodextrinas en la tecnología de los alimentos,14 y las industrias farmacéutica, textil, biotecnológica y cosmética.15 A pesar de las potencialidades de aplicación de las ciclodextrinas en la química analítica, sólo han encontrado uso en la electroforesis capilar y la cromatografía quiral.

Una de las principales aplicaciones de las ciclodextrinas en la química supramolecular ha sido en el diseño de enzimas artificiales a partir de los años 60 por Tabushi,16 Bender17 y Breslow.18 Existen algunos casos notables en los que la sustitución de grupos hidroxilo por ciertos grupos funcionales ha permitido obtener enzimas artificiales con una actividad catalítica superior a la enzima natural.19

Otras aplicaciones de las ciclodextrinas que han motivado un gran desarrollo de la química supramolecular, es su utilización como sistemas de transporte selectivo de sustratos a través de las membranas biológicas.23 También se ha empleado la modificación selectiva de todos los hidroxilos primarios o secundarios por grupos apolares, obteniéndose derivados anfifílicos capaces de formar monocapas en la interfase de una disolución y en estado sólido, a través de procesos de auto-organización con diversas aplicaciones.18

El diseño de artefactos de reconocimiento molecular, es otra de las aplicaciones de las ciclodextrinas que se ha desarrollado aceleradamente en la actualidad, dada la capacidad de formar complejos de inclusión intramoleculares con sustituyente aromáticos (figura 4).20,21

Figura 4- Representación de un artefacto de reconocimiento molecular formado por una ciclodextrina modificada.

En este tipo de sistema, el sustituyente está acomplejado en la cavidad de la ciclodextrina y puede ser desplazado hacia el exterior por un sustrato o molécula huésped, alcanzándose de esa forma un estado de equilibrio entre ambos complejos.

Finalmente, una de las aplicaciones de las ciclodextrinas en la química supramolecular que ha tenido un desarrollo vertiginoso en la actualidad, y que presenta una importancia fundamental en nuestra tesis, es en el diseño de sensores de reconocimiento molecular a partir de electrodos modificados con ciclodextrinas. Estos sensores moleculares se basan en la propiedad de las ciclodextrinas de formar compuestos de inclusión con una gran variedad de sustratos.

Propiedades de las ciclodextrinas

Las ciclodextrinas son sólidos cristalinos incoloros. Su hidrólisis ácida parcial produce una mezcla de glucosa y una serie de oligosacáridos lineales. Este proceso transcurre a través de una cinética de pseudo primer orden.22 Las principales propiedades fisicoquímicas de las ciclodextrinas dependen del número de unidades de D(+)-glucopiranosa presentes en la molécula y se recogen en la tabla1.

Tabla 1. Principales propiedades fisicoquímicas de las ciclodextrinas.

Una de las propiedades fisicoquímicas más importantes de las ciclodextrinas es su solubilidad. Son solubles en agua y disolventes polares apróticos como el dimetilsulfóxido (DMSO) y la dimetilformamida (DMF) y prácticamente insolubles en la mayoría de los solventes orgánicos comunes (alcoholes, acetona, etc).23

En la molécula de ciclodextrina, el átomo de oxígeno del grupo hidroxilo del C2 de una unidad glucopiranósica forma un enlace por puente de hidrógeno con el protón del grupo hidroxilo del C3 de la unidad adyacente. En el caso de la b -ciclodextrina, los siete enlaces por puente de hidrógeno forman un cinturón en la cara secundaria con una geometría tal que origina una estructura sustancialmente rígida, estable y difícil de solvatar, lo que explica en cierta medida su menor solubilidad en agua. En la a – y g -ciclodextrinas este cinturón esta distorsionado por razones geométricas, lo cual hace más débiles los enlaces de hidrógeno que lo forman y, por tanto, son más fáciles de solvatar, aumentando su solubilidad en agua con respecto a la b -ciclodextrina.24

Complejos de inclusión en ciclodextrinas.

Como hemos visto, la estructura cíclica de las ciclodextrinas determina una cavidad apolar (receptor), que les permite la inclusión de moléculas huéspedes (sustratos), preferentemente apolares, en el interior de la cavidad mediante interacciones no covalentes. Este tipo de ensamblaje forma estructuras más o menos estables, que pueden ser aisladas en fase sólida. Es de notar que la inclusión apenas afecta la estructura y la funcionalidad de los sustratos moleculares, aunque puede provocar alguna ligera deformación del receptor.

A pesar de ser muchos y variados los trabajos realizados acerca del poder acomplejante de las ciclodextrinas, todos los autores coinciden en que se trata de un fenómeno huésped-hospedero. Pringsheim, en 1920, descubrió esta propiedad en las ciclodextrinas y lo denominó "coordinación", y al producto formado "complejo". La terminología actual es de "complejo de inclusión", propuesta por Schlenk 30 años después.23

El proceso de reconocimiento molecular de sustratos por las ciclodextrinas requiere que el receptor y el sustrato sean compatibles en cuanto a su tamaño y su forma. Si el sustrato posee grupos polares capaces de formar puentes de hidrógeno con los grupos hidroxilo, la interacción será más fuerte y, por tanto, la estructura será más estable.25 La fuerza motriz en la formación de complejos de inclusión es el desplazamiento, por parte del sustrato, de moléculas de agua situadas en la cavidad de las ciclodextrinas en posiciones energéticamente desfavorables (interacción polar-apolar).23 Ello provoca un aumento de la entropía del sistema, favoreciendo el proceso de formación del complejo de inclusión. En la figura 5 se representa de forma esquemática el proceso de formación de un complejo de inclusión.

Figura 5- Representación esquemática de la formación de un complejo de inclusión.

La naturaleza y contribución de las diferentes interacciones que toman parte en la formación de los complejos de inclusión no son enteramente conocidas, aunque la mayoría de los autores consideran como más importantes las siguientes:

1. Interacciones hidrofóbicas.
2. Formación de enlaces por puente de hidrógeno entre los centros polares de las moléculas.

3- Interacciones de Van der Waals.

4- Liberación de energía por sustitución o desplazamiento de moléculas de agua de la cavidad por el sustrato apolar.

5- Energía liberada por cambios conformacionales.

6- Interacciones dipolares y dispersivas.

7- Interacciones electrostáticas

Las interacciones hidrofóbicas sustrato-receptor son las predominantes en la formación de los compuestos de inclusión, aunque las contribuciones de cada una de estas fuerzas dependen de la naturaleza del sustrato incluido.

La estructura y estabilidad de los complejos de inclusión depende de dos parámetros fundamentales:

2. Polaridad del sustrato: La estabilidad de los complejos de inclusión está en función del carácter hidrófobo del sustrato.
3. Compatibilidad geométrica: La estabilidad de los complejos de inclusión también depende del tamaño y forma geométrica del sustrato con respecto a las dimensiones de la cavidad de las ciclodextrinas.

El proceso de formación de complejos de inclusión provoca variaciones reversibles en las propiedades fisicoquímicas de la molécula huésped, tales como su solubilidad en agua, volatilidad y fotosensibilidad, confiriéndoles una gran utilidad industrial en la solubilización de drogas,26 la estabilización de sustancias volátiles,14 y la protección contra la oxidación.25 Otras propiedades fisicoquímicas de las moléculas huéspedes que sufren variaciones al formar complejos de inclusión son sus corrimientos químicos en RMN y la intensidad y posición de las bandas de sus espectros de absorción y de fluorescencia, los cuales son muy útiles para detectar la inclusión y determinar sus parámetros cinéticos y termodinámicos.27,28

El sistema más frecuente de inclusión molecular se verifica con estequiometría 1:1 y es descrito mediante la ecuación siguiente:

donde G es la molécula huésped, CD la molécula de ciclodextrina, G-CD es el complejo de inclusión formado y K es la constante de equilibrio.

Los principales tipos de compuestos de inclusión que se observan entre las ciclodextrinas y diferentes sustratos son los siguientes:23

2. Parcial: Inclusión parcial del sustrato en la cavidad de la ciclodextrina. Si la molécula huésped es de dimensiones muy grandes con respecto a la ciclodextrina, el proceso de inclusión se lleva a cabo sólo por una parte del sustrato que se incluye.
3. Completa: Inclusión total de una pequeña molécula huésped en la cavidad de la ciclodextrina. Si el huésped posee grupos polares, éstos generalmente quedan orientados hacia el exterior de la cavidad. Los grupos polares pudieran interactuar con los grupos OH periféricos de las ciclodextrinas, mediante enlaces por puente de hidrógeno.
4. Complejos con estequiometría superior: Tanto en solución como en estado sólido pueden formarse complejos de inclusión de estequiometría superior, (p.e, 2:1 sustrato-receptor), si el sustrato es de pequeñas dimensiones, o 1:2 si, por el contrario, el sustrato es mucho mayor que la cavidad.

Derivados de las ciclodextrinas

La síntesis de derivados de ciclodextrinas constituye en la actualidad un desafío de extraordinaria dimensión para la química supramolecular, debido a sus potenciales aplicaciones en diversos campos. Por otro lado, los derivados de las ciclodextrinas en muchas ocasiones poseen una mayor capacidad de formación de complejos de inclusión, como consecuencia de los nuevos grupos funcionales incorporados a las ciclodextrinas.18

Las estrategias de síntesis de derivados de las ciclodextrinas están regidas por dos de sus principales propiedades estructurales: la capacidad de formación de compuestos de inclusión y la presencia de numerosos grupos hidroxilo en la periferia del cono anular truncado, que pueden ser sustituidos por diferentes grupos funcionales. Los grupos más reactivos en reacciones de sustitución nucleofílica son los hidroxilos más básicos unidos al C6 (pKa = 15-16), seguido de los hidroxilos unidos al C2 (pKa = 12-13). En C3 se encuentran los grupos hidroxilos menos accesibles a reacciones de sustitución nucleofílica debido a los enlaces por puentes de hidrógeno en los que intervienen con los grupos hidroxilo de unidades adyacentes de glucopiranosa.18,29

En la década del 50 aparecieron de forma sistemática en revistas especializadas las primeras referencias relacionadas con la síntesis y caracterización de derivados de las ciclodextrinas.11 Recientemente,29,30 se han reportado recopilaciones de los principales tipos de derivados de las ciclodextrinas, así como de las diferentes estrategias de síntesis y sus principales aplicaciones.

Diversos autores han intentado clasificar los derivados de las ciclodextrinas atendiendo a variados criterios. A continuación mostramos una propuesta general de clasificación (figura 6).

Figura 6- Clasificación de los derivados más comunes de las ciclodextrinas.

La forma más directa de síntesis de derivados de las ciclodextrinas es a partir de la sustitución, mediante un reactivo electrofílico, de uno o varios grupos hidroxilo primarios o secundarios de las ciclodextrinas.29,31

Hasta aquí el resumen de los receptores moleculares y en particular de las ciclodextrinas y sus derivados; como excelentes formadores de complejos de inclusión.

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Autor:

Javier Hernández Obregón