Synteza i badanie właściwości kompleksotwórczych hybrydowych połączeń cyklodekstryn z pochodnymi aminokwasów

Spośród wielu obiektów będących przedmiotem zainteresowania chemii supramolekularnej, moja uwaga w niniejszej pracy skupiła się na β-cyklodekstrynie (β-CD), jako najczęściej stosowanym w chemii oligosacharydzie. Spośród wszystkich cyklodekstryn, to właśnie β-CD posiada wnękę o rozmiarach odpowiednich do kompleksowania w swoim wnętrzu tak dużych fragmentów cząsteczek, jak np. pierścienie sześcioczłonowe. Jednocześnie cyklodekstryna nie jest zbyt duża, i nie obserwuje się w jej przypadku „zapadnięcia” wnęki, jak to ma miejsce w γ-CD. Substancje te są powszechnie używane w produkcji wypełnień do kolumn chromatograficznych. Oddziaływania, jakie tworzą ze związkami chemicznymi, zwielokrotnione w licznych procesach adsorpcji i desorpcji, umożliwiają rozdział mieszanin substancji, a często nawet rozdział enancjomerów. Jednak gdy rozważamy proces jednostkowy, pojedynczą reakcję tworzenia kompleksu w roztworze wodnym, okazuje się, że oddziaływanie pomiędzy β-CD a rozpuszczalnymi w wodzie niskocząsteczkowymi związkami organicznymi jest słabe. Wyjątkowo wymagającymi związkami są aminokwasy, zazwyczaj znakomicie rozpuszczalne w wodzie w szerokim zakresie pH. Dla fenyloalaniny stałe trwałości kompleksów z natywną β-CD wynoszą ok. 100 M-1. Choć badacze poznali dokładnie sposób tworzenia i strukturę kompleksów aminokwasów i β-CD, to poprawa siły oddziaływania stanowiła i nadal stanowi wyzwanie dla syntetyków. Dotychczasowe badania nad funkcjonalizacją β-CD obejmują podstawianie grup hydroksylowych po obu stronach makropierścienia. Lista 2- i 6-podstawionych pochodnych obejmuje przede wszystkim układy zawierające grupy aminowe, karboksylowe, arylowe, czy alkilowe. Stosowano modyfikacje pojedynczych, całych zespołów, czy nawet wszystkich dwudziestu jeden grup hydroksylowych. Wyniki badań nad kompleksowaniem z zastosowaniem zmodyfikowanej β-CD pozwoliły stwierdzić, że funkcjonalizacja, która zwiększa liczbę punktów oddziaływania z cząsteczką gościa, przyczynia się do wzrostu stałych trwałości kompleksów. Z tego powodu za kluczowe uważano wprowadzanie grup polarnych, często elektrycznie naładowanych, które miały oddziaływać z grupami aminową i karboksylową aminokwasu, podczas gdy wnęka cyklodekstryny miała być dogodnym „środowiskiem” dla hydrofobowych fragmentów tegoż aminokwasu. Wyniki tych badań były obiecujące, jednak stosowanie podstawników elektrycznie naładowanych ograniczało możliwości pracy tak zmodyfikowanej β-CD do pH powyżej 9. W swojej pracy podjąłem się próby opracowania pochodnej β-CD, której synteza miała być prosta i skuteczna. Otrzymywane związki miały być substancjami dobrze zdefiniowanymi, zawierać kilka domen wiążących różne grupy funkcyjne (czy inaczej: oddziałujących z nimi). Wreszcie miały silnie oddziaływać z aminokwasami. Opracowana metodologia syntezy okazała się bardzo wydajna, choć nie wszystkie zsyntezowane tą drogą związki mogły być ostatecznie zastosowane jako praktyczne receptory. Zaprojektowana synteza zbieżna minimalizowała manipulacje, jakim poddawać musiałem β-CD. Było to korzystne także ze względu na fakt jej rozpuszczalności w wodzie. Choćby odparowanie wodnego roztworu β-CD było procesem długotrwałym, uciążliwym i energochłonnym. Z tego powodu jej funkcjonalizacja grupami azydkową lub propargilową pozwoliła na szybkie i wydajne uzyskiwanie deocelowych związków: z użyciem sfunkcjonalizowanej cząsteczki β-CD przeprowadzałem tylko jedną reakcję, a następnie, w wyniku strącenia, uzyskiwałem praktycznie czysty pożądany produkt. Cały ciężar tworzenia skomplikowanej strukturalnie pochodnej przerzuciłem na drugiego partnera reakcyjnego: azydki lub estry propargilowe uzyskiwane z aminokwasów. Zastosowanie aminokwasów jako substancji wyjściowych było bardzo opłacalne, gdyż są one związkami o chyba największej „gęstości różnorodności strukturalnej” (przez co rozumiem tak dużą liczbę różnych grup funkcyjnych i elementów strukturalnych w tak małej cząsteczce). Mogłem zatem przygotować reagent zawierający komplementarną grupę funkcyjną podatną na cykkloaddycję azydkowo-alkinową, grupę aminową (dalej funkcjonalizowaną), różnorodny zestaw łańcuchów bocznych, itd. Jednocześnie, gotowy reagent był enancjomerycznie czystym związkiem chiralnym. Opracowana ścieżka reakcyjna była bardzo wydajna, a więc oba substraty do cykloaddycji azydkowo alkinowej metodą „click” mogłem otrzymywać w dogodny i ekonomiczny sposób, w dużych ilościach. Opracowanie odpowiednich warunków do tej reakcji pozwoliło z powodzeniem stosować ją dla różnorodnych strukturalnie substratów, realizując tym samym pierwszy postawiony warunek – nieskomplikowanej, wydajnej syntezy. Badania strukturalne potwierdziły że uzyskane związki były dobrze zdefiniowane. Podstawienie zachodziło tylko w zakresie wybranej, pojedynczej grupy hydroksylowej, nie otrzymywałem mieszaniny różnie podstawionych substancji, a ilościowy przebieg reakcji cykloaddycji azydkowo-alkinowej przyczyniał się do izolowania produktu bez choćby śladowych ilości nieprzereagowanych substratów. Tym samym zaprojektowana synteza realizowała warunek otrzymywania dobrze zdefiniowanych związków. Dodatkowo wykazałem, że opracowana metodologia umożliwia syntezę związków o znacznie bardziej skomplikowanej budowie, przy zachowaniu pełnej kontroli nad miejscami funkcjonalizacji. Możliwe jest zatem monopodstawienie zarówno w pozycji C-2, jak i C-6. Z kolei w obrębie grup pierwszorzędowych, cykloaddycja azydkowo-alkinowa daje możliwość tworzenia pochodnych dipodstawionych, a także zamkniętych układów makrobicyklicznych. Pomiary stałych trwałości kompleksów uzyskanych receptorów z aminokwasami pozwoliły stwierdzić, że zsyntezowane związki wykazywały znacznie silniejsze powinowactwo do fenyloalaniny, tryptofanu, czy tyrozyny niż natywna β-CD, czy nawet znane dotąd receptory. Takie zachowania obserwowałem też dla mało hydrofobowej alaniny, a także dla typowo polarnej seryny. W lekko zasadowym pH, odpowiadającym górnej granicy pH fizjologicznego, otrzymane przeze mnie receptory funkcjonowały dziesiątki tysięcy razy lepiej niż natywna β-CD i wykazywały dużą specyficzność substratową, związaną z obecnością grup aminowej i karboksylowej. O ile tworzyły w tych warunkach stabilne kompleksy z aminokwasami, o tyle pozbawienie cząsteczek gości grupy aminowej skutkowało dramatycznymi spadkami stałych trwałości kompleksów. Zróżnicowanie siły oddziaływania receptorów z gośćmi w zakresie pH od 6,5 do 8 było wyjątkowo duże. W pH zasadowym kompleksowanie było bardzo silne, gdy tymczasem już w pH 6,5 można było mówić o braku kompleksowania. Oznacza to, że zaprojektowane receptory tworzą kompleksy z aminokwasami w sposób selektywny, a trwałość kompleksów może być regulowana przez zmianę pH środowiska pracy układu. Na podstawie badań mikrokalorymetrycznych oraz spektroskopowych ustalono, że modus operandi uzyskanych receptorów znacząco odbiega od sposobu tworzenia kompleksów przez natywną β-CD. Rezultaty badań potwierdziły, że w powstających układach dominuje stechiometria 1:2 (gość:gospodarz). Występujące głównie w postaci dimerów receptory kompleksują aminokwas nie poprzez tworzenie klasycznego kompleksu inkluzyjnego, ale w inny sposób, związany prawdopodobnie z dehydratacją aminokwasu i „opłaszczaniem” go przez hydrofobowe elementy cząsteczek receptorów. Dla pomiarów w układach bardziej rozcieńczonych, gdzie receptory występowały głównie jako monomery, również obserwowałem mechanizm kompleksowania prowadzący do powstawania struktur o stechiometrii 1:2. Podsumowując, można uznać, że postawiony w dysertacji cel syntezy hybrydowych połączeń β-CD z pochodnymi aminokwasów i sprawdzenie właściwości kompleksotwórczych takich hybryd został zrealizowany