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