Complexos d'inclusió: enantiodiferenciació, reconeixement molecular i efecte quelat. Ciclodextrines gegants. Estudi computacional

Abstract

Els nostres estudis es basen en càlculs de mecànica clàssica realitzats mitjançant el programa Macromodel i el programa AMBER. Les tècniques emprades són mecànica molecular, dinàmica molecular, pertorbacions d'energia lliure, anàlisi MM/PBSA i altres anàlisis estadístics. Aquestes metodologies s'han aplicat a l'estudi de les associacions supramoleculars, més concretament en el camp dels complexos d'inclusió.<br/>- S'ha estudiat l'equilibri conformacional del clorociclohexà en el clúster tiourea/clorociclohexà. la preferència de la conformació axial del clorociclohexà dins els canals prové del major compactament que s'obté amb aquesta conformació.<br/>- S'ha estudiat l'equilibri conformacional axial-equatorial, i les barreres energètiques, del ciclohexanol i del ciclohexà i la seva possible modificació per la formació de complexos d'inclusió amb la b-ciclodextrina. En els complexos d'inclusió, el ciclohexanol altera completament el seu equilibri degut a la formació preferent d'enllaços d'hidrogen en la conformació axial.<br/>- S'ha estudiat la capacitat d'enantiodiferenciació de la b-ciclodextrina per la formació de complexos d'inclusió amb la cizolirtina i el seu carbinol precursor. L'enantiodiferenciació prové de l'estructura mitjana dels complexos diastereoisomèrics; la S-cizolirtina es troba més inclosa que la R-cizolirtina i presenta una orientació preferent, així, en promig, suporten diferents entorns químics. En els complexos amb carbinol la diferència entre estructures és menor i per tant presenta menys enantiodiferenciació.<br/>- S'ha estudiat la diferència en l'energia de complexació d'una molècula amb una funció ester front una amb una funció amida en la complexació amb un dímer de b-ciclodextrina unit per un pont disulfur. La major estabilitat de la complexació de l'ester prové de la major solubilitat de l'amida (l'ester és menys soluble i té més tendència formar el complex) i d'una energia interna desfavorable en el complex de l'amida que es troba tensionat.<br/>- S'ha estudiat la complexació del bisadamantil-fosfat amb una o dues b-ciclodextrines i amb un dímer d'aquestes unides per un pont disulfur, per tal d'estudiar l'efecte quelat. L'entalpia de formació del complex quelat és més favorable que la complexació amb dues ciclodextrines degut a la pèrdua de solvatació i l'energia interna desfavorable del complex amb les dues ciclodextrines.<br/>- S'ha realitzat un estudi teòric de l'estructura i comportament de les cicloamiloses comunes i de CA majors, tant en fase gas com en solució. Les CA comunes presenten estructures diferents del con truncat que se'ls acostuma a assignar, més replegades. Les de tamany major encara presenten més plegament i girs. Les estructures cristal·lines no corresponen a les estructures calculades en solució; en les CA comunes es pot contemplar l'estructura cristal·lina com un promig de les possibles estructures en solució, però en les CA més grans s'observa més variació estructural i la diferència és notable. Les CA grans ens obren una nova via d'investigació; presenten moltes possibilitats de plegaments i girs característics que es poden afavorir si es formen complexos d'inclusió amb les molècules adients, com ara àcids o alcohols de cadena llarga.

- Se ha estudiado el equilibrio conformacional del clorociclohexano en el clúster tiourea/clorociclohexano, mediante dinámica molecular. Los resultados apuntan a la hipótesis que la preferencia de la conformación axial del clorociclohexano en el clúster proviene de su mayor grado de empaquetamiento.<br/>- Se ha estudiado el equilibrio conformacional axial-equatorial, y las barreras energéticas, del ciclohexanol y del ciclohexano y su posible modificación por la formación de complejos de inclusión con la b-ciclodextrina. En los complejos de inclusión, el ciclohexanol altera completamente su equilibrio debido a la formación preferente de enlaces de hidrogeno en la conformación axial. No obstante, en los estudios experimentales no se observa ésta diferencia, cabe destacar que los cálculos se han realizados en fase gas y que los enlaces de hidrogeno están sobreestabilizados, pero la metodología usada es válida para evaluar barreras energéticas.<br/>- Se ha estudiado la capacidad de enantiodiferenciación de la b-ciclodextrina por la formación de complejos de inclusión con la cizolirtina y su carbinol precursor. La enantiodiferenciación proviene de la estructura promedio de los complejos diastereoisoméricos; la S-cizolirtina se encuentra más incluida que la R-cizolirtina y presenta una orientación preferente, así, en promedio, las dos moléculas soportan diferentes entornos químicos. En los complejos con carbinol la diferencia entre las estructuras es menor y por tanto presenta menor enantiodiferenciación, como también se observa experimentalmente.<br/>- Se ha estudiado la diferencia en la energía de complejación de una molécula con una función éster frente a una con una función amida al complejar con un dímero de b-ciclodextrina unido por un puente disulfuro. Mediante las técnicas de DM, FEP y MM/PBSA se ha llegado a las mismas conclusiones; la mayor estabilidad de la complejación del éster proviene de la mayor solubilidad de la y de una energía interna desfavorable en el complejo de la amida debido a que sus mejores interacciones guest-host obligan al complejo a tensionarse.<br/>- Se ha estudiado la complejación del bisadamantil-fosfato con una o dos b-ciclodextrinas y con un dímero de éstas unidas por un puente disulfuro, para así estudiar el efecto quelato. La entalpía de formación del complejo quelato (con el dímero unido por el puente disulfuro) es más favorable que la complejación con dos ciclodextrinas debido a la pérdida de solubilidad y a la energía interna desfavorable del último.<br/>- Se ha realizado un estudio teórico de la estructura y comportamiento de las cicloamilosas (CA), desde las más comunes (de 6-8 unidades de glucosa) hasta la de 28 unidades. Las CAs de 6-7 presentan estructuras diferentes, más plegadas, respecto a sus estructuras de rayos X. Las de tamaño mayor aún muestran más distorsiones y giros. Los enlaces de hidrógeno entre glucosas adyacentes no se mantienen y la cavidad típica de las ciclodextrinas tampoco se conserva. Las estructuras cristalinas no corresponden a las estructuras calculadas en solución; en las CAs comunes la estructura cristalina puede verse como un promedio de les posibles estructuras en solución, pero en las CAs mayores hay más variación estructural y la diferencia es notable. Las CAs grandes abren una nueva vía de investigación; presentan muchas posibilidades de pliegos y giros característicos y pueden formar complejos de inclusión con moléculas como ácidos o alcoholes de cadena larga.

Our work is centered in classical mechanics calculations, with the programs MacroModel and AMBER. The methodologies used are: molecular mechanics, molecular dynamics, free energy perturbations, MM/PBSA analysis and other statistical analysis. These methodologies have been applied to study supramolecular associations, specially in the field of inclusion complexes.<br/>- The conformational equilibrium of chloro-cyclohexane in the tiourea/chloro-cyclohexane cluster have been studied, proving that the axial conformation is preferred inside the tiourea tunnels by means of a higher package degree.<br/>- The conformational equilibrium and the free energy barriers of cyclohexanol and cyclohexane and their modification by formation of inclusion complexes with b-cyclodextrin have been studied. When complexed, the cyclohexanol behaves completely different because of the preferred formation of hydrogen bonds in the axial conformation.<br/>- The enantiodifferentiation capacity of the b-cyclodextrin by formation of inclusion complexes with chiral analgesic cizolirtine and its precursor carbinol has been studied. The causes of the enantiodifferentiation are subtle differences in the average structures of the diastereomeric complexes; the S-cizolirtine is more included than R-cizolirtine and has a preferred orientation, so, in average they have a different chemical environment. In the carbinol complexes the difference between the average structures is minor, so they have less enantiodifferentiation.<br/>- The molecular recognition process has been studied in the complexation of a b-cyclodextrin dimer linked by a S-S bond with two molecules different only by a ester group or an amide group. The better complexation of the ester has been explained by the mayor solubility of the amide (so the ester has more tendency to be included inside the cyclodextrin) and because the amide complex is tensioned and has a worse internal energy.<br/>- The chelatte effect has been studied in the complexation of a bisadamantyl-phosphate with one or two b-cyclodextrins and with a b-cyclodextrin dimer linked by a S-S bond. The enthalpy of formation of the chelatte complex is better than the complexation with two cyclodextrins because of the loss in solvatation and the unfavorable internal energy of the last one.<br/>- The structure and folding of several cycloamyloses (from 6 to 28 glucose units) have been studied, in the gas phase and in aqueous solution. The common cycloamyloses (6-8 glucose units) have distorted structures respect the x-ray data, and the major cycloamyloses have a large variety of folded structures. These larger cycloamyloses represent a new research field in our group, because of their possibilities to form inclusion complexes with long-chain alcohol's or acids.