Etude par modélisation moléculaire de dimères de cyclodextrines et de leurs complexes d'inclusion

Abstract

Las ciclodextrinas (CDS) son oligómeros cíclicos de varias unidades de a-D-glucopiranosa. Las más frecuentes se denominan a-, b- y g-CD dependiendo de cuantas unidades de glucosa (6, 7 o 8 respectivamente forman la pared del macrociclo toroidal. Esta poca común forma define dos zonas especiales bien definidas: una pared externa hidrófila y una cavidad interna hidrófoba que puede incluir substratos orgánicos en medio aucoso. Los complejos de inclusión son asociaciones moleculares en las que un componente (el host) incluye a una molécula (el guest) generalmente con una estequiometría 1:1. Sin embargo, si el guest es más grande, la estequiometría puede llegar a alcanzar 2:1.<br/>En este trabajo, estudiamos la preferencia de la orientación que adopten dos moléculas de CD con la finalidad de comprender las interacciones intermoleculares responsables. La agregación preferencial de dímeros de a-, b- y g-CD en ausencia de disolvente se estudió en primer lugar considerando las tres orientaciones más probables Head-Head, Head-Tail y Tail-Tail. En segundo lugar, se procedió al estudio de los mismos dímeros en un medio similar al biológico, es decir en presencia de moléculas de agua, para averiguar la orientación preferencial en disolución gracias a los resultados de los cálculos de energía de interacción y de las interacciones responsables de sus formaciones.<br/>Una vez realizado este estudio, pasamos al estudio teórico del complejo supramolecular de esteoquimetría 2:1, formado por un dímero g-CD con el fullereno (C60) para averiguar las fuerzas responsables que favorecen la formación de este complejo en medio acuoso cambiando el campo de fuerza.<br/>Finalmente, estudiamos por modelización molecular la separación de los enantiómeros de la benzoina utilizados en electroforesis capilar. Los disolventes quirales utilizando teórica y experimentalmente fueron ciclodextrinas aniónicas (mono y tetrasulfobutiléter-b- CD) y neutras permetil-b- CD). Se estudiaron las posibles agrupaciones y estequiometrías (1:1 y 2:1) de los complejos para racionalizar las enantiodiferenciación, en base a la energía de interacción entre la benzoina y las ciclodextrinas.<br/>Todos los cálculos se llevaron a cabo mediante los programas de modelización molecular AMBER, Macromodel y MM3, en los supercomputadores del Centro de Supercomputación de Catalunya (CESCA).

Cyclodextrins are cyclic oligomers of several a-D-glucopyranose units .The toroidal macrocyclic shape defines two clear spatial regions, a hydrophilic external wall and a hydrophobic cavity. They are well known to act as hosts in supramolecular chemistry having the capability to form inclusión complexes with a large variety of organic molecules (the guest), generally with a 1:1 stoichiometry between host and guest. Nevertheless, complexes formed with large guests usually have 2:1 stoichiometries.<br/>Our work has been carried out to detemine the preferential orientation of the cyclodextrin dimers and to understand the responsible intermolecular interactions. The preferential aggregation of two a-, b- and g-cyclodextrin molecules in the absence fo solvent have been studied in a first part, considering the three most likely orientations: Head-Head, Head-Tail and Tail-Tail. In a second part, the cyclodextrin dimers have been studied using water as explicit solvent with the aim of determing their preferential orientation in water solution by studying the binding energy and the interactions responsible for their informations.<br/>As one 2:1 complex, the supramolecular complexation of the fullerene C60 in a g-cyclodextrin dimer has been studied. The force field for the fullerene has been changed to correctly consider its intramolecular interactions.<br/>Also, thanks to some experimental results of capillary electrophoresis, we have reproduced and analysed the enantiodifferenciation of an inclusion complex formed by different cyclodextrin dimers and one chiral molecule: the benzoine. Different stoichiometries, different derived cyclodextrins (as permethyl-b-cyclodextrin, monosulfated-b-cyclodextrin and tetrasulfatedb-cyclodextrin), and different orientations of the complex (as Head-Head and Head-Tail) have been studied. Moreover, in each case the two posible orientations of the benzoine incide the cyclodextrin cavity were also considered.<br/>All of the simulations have been carried out on using MM3, MacroModel and AMBER force fields in the Supercomputing Center of Catalonia (CESCA).