ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΧΡΟΝΑΣ Γ. ΛΕΩΝΙΔΑΣ ΦΑΡΜΑΚΟΠΟΙΟΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΧΡΟΝΑΣ Γ. ΛΕΩΝΙΔΑΣ ΦΑΡΜΑΚΟΠΟΙΟΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΚΥΚΛΟΔΕΞΤΡΙΝΩΝ ΣΤΗΝ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΙΤΡΑΚΟΝΑΖΟΛΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΔΙΠΛΩΜΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΠΑΤΡΑ 2007

2 2 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΗΡΙΟ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΧΡΟΝΑΣ Γ. ΛΕΩΝΙΔΑΣ ΦΑΡΜΑΚΟΠΟΙΟΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΚΥΚΛΟΔΕΞΤΡΙΝΩΝ ΣΤΗΝ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΙΤΡΑΚΟΝΑΖΟΛΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΔΙΠΛΩΜΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΠΑΤΡΑ 2007

3 3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΧΡΟΝΑΣ Γ. ΛΕΩΝΙΔΑΣ ΦΑΡΜΑΚΟΠΟΙΟΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΚΥΚΛΟΔΕΞΤΡΙΝΩΝ ΣΤΗΝ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΙΤΡΑΚΟΝΑΖΟΛΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΔΙΠΛΩΜΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΣΥΜΒΟΥΛΕΥΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Σ. Αντιμησιάρη Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Κ. Αυγουστάκης Επίκουρος Καθηγητής Π. Κλεπετσάνης Επίκουρος Καθηγητής Επιβλέπων Καθηγητής

4 4 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΧΡΟΝΑΣ Γ. ΛΕΩΝΙΔΑΣ ΦΑΡΜΑΚΟΠΟΙΟΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΚΥΚΛΟΔΕΞΤΡΙΝΩΝ ΣΤΗΝ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΙΤΡΑΚΟΝΑΖΟΛΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΔΙΠΛΩΜΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΣΥΜΒΟΥΛΕΥΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Σ. Αντιμησιάρη Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Κ. Αυγουστάκης Επίκουρος Καθηγητής Π. Κλεπετσάνης Επίκουρος Καθηγητής Επιβλέπων Καθηγητή

5 5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 11 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 15 Α. ΚΥΚΛΟΔΕΞΤΡΙΝΕΣ Ιστορική αναδρομή Παραγωγή των κυκλοδεξτρινών Δομή Φυσικές κυκλοδεξτρίνες Τροποποιημένες κυκλοδεξτρίνες Μεθυλιωμένες κυκλοδεξτρίνες Υδροξυαλκυλιωμένες κυκλοδεξτρίνες Ιοντικές κυκλοδεξτρίνες Σχηματισμός συμπλόκων κυκλοδεξτρινών με βιοδραστικές ουσίες 4.1. Σταθερά σχηματισμού των συμπλόκων έγκλεισης Διάγραμμα διαλυτότητας φάσεων Μηχανισμοί συμπλοκοποίησης Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις Δεσμοί Υδρογόνου Απελευθέρωση μορίων ύδατος πλούσιων σε ενθαλπία Αλληλεπίδραση φόρτισης-μεταφοράς Προσδιορισμός θερμοδυναμικών παραμέτρων Ενθαλπία Εντροπία Ελεύθερη ενέργεια Gibbs Σταθερά συμπλοκοποίησης και θερμοκρασία Σχηματισμός συμπλόκων κυκλοδεξτρινών με βιοδραστικές ουσίες Μέθοδος της συγκαταβύθισης Μέθοδος της λειοτρίβησης Μέθοδος της λυοφιλοποίησης Μέθοδος της ξήρανσης των συμπλόκων Μέθοδος ξηρού μίγματος 59

6 6 6. Μέθοδοι ανάλυσης και χαρακτηρισμού των συμπλόκων έγκλεισης Περίθλαση των ακτίνων Χ (XRD) Θερμικές μέθοδοι Θερμοστατικές μέθοδοι Διαφορική θερμική ανάλυση Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης Φασματοσκοπία μαγνητικού πυρηνικού συντονισμού (ΝMR) Προσδιορισμός του σχηματισμού του συμπλόκου Επιβεβαίωση της συμπλοκοποίησης Προσδιορισμός της σταθεράς συμπλοκοποίησης Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) Μέθοδοι προσδιορισμού της σταθεράς συμπλοκοποίησης των συμπλόκων έγκλεισης των κυκλοδεξτρινών Μέθοδος της αγωγιμότητας Επιφανειακή τάση Φασματοσκοπική μέθοδος Ηλεκτροφόρηση Εφαρμογές των κυκλοδεξτρινών στη χορήγηση βιοδραστικών ενώσεων Αύξηση της διαλυτότητας βιοδραστικών ενώσεων Σταθερότητα Επίδραση στη βιοδιαθεσιμότητα των βιοδραστικών ενώσεων Επίδραση στην ασφάλεια των βιοδραστικών ενώσεων Περιορισμός της πτητικότητας Κατεύθυνση των χημικών αντιδράσεων Κάλυψη της δυσάρεστης γεύσης βιοδραστικών ενώσεων Αντιμετώπιση προβλημάτων ασυμβατότητας Χορήγηση βιοδραστικών ενώσεων από του στόματος Υπογλώσσια χορήγηση βιοδραστικών ενώσεων Ορθική χορήγηση Παρεντερική χορήγηση βιοδραστικών ενώσεων Οφθαλμική χορήγηση Ρινική χορήγηση βιοδραστικών ενώσεων Χορήγηση βιοδραστικών ενώσεων δια εισπνοής Ενδοφλέβια χορήγηση Ελεγχόμενη χορήγηση βιοδραστικών ενώσεων Πεπτιδική και πρωτεϊνική χορήγηση Διαδερμική χορήγηση Λιποσώματα Νανοσωματίδια 115

7 Σύμπλοκα πολυμερών-κυκλοδεξτρινών 9. Τοξικότητα Παρεντερική χορήγηση Από του στόματος χορήγηση Διαδερφμική χορήγηση Οφθαλμική χορήγηση Ρινική χορήγηση 121 Β. ΙΤΡΑΚΟΝΑΖΟΛΗ 123 ΣΚΟΠΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Υλικά και όργανα Υλικά/ουσίες Όργανα και συσκευές Διαλύματα και αντιδραστήρια Μέθοδοι και τεχνικές Παρασκευή στερεών συμπλόκων ιτρακοναζόλης με κυκλοδεξτρίνες Ανάλυση στερεών συμπλόκων Προσδιορισμός της διαλυτότητας της ιτρακοναζόλης σε υδ/κά διαλύματα κυκλοδεξτρίνης Υπολογισμός των σταθερών συμπλοκοποίησης K 1:1 και Κ 1: Υπολογισμός των θερμοδυναμικών παραμέτρων ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Αποτελέσματα μελετών διαλυτότητας Υδατοδιαλυτότητα ιτρακοναζόλης Διαγράμματα διαλυτότητας-φάσεων Υπολογισμός των σταυθερών συμπλοκοποίησης Κ 1:1 και Κ 1: Υπολογισμός θερμοδυναμικών παραμέτρων Αποτελέσματα ανάλυσης στερεών συμπλόκων Χαρακτηρισμός στερεών συμπλόκων Διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) Περίθλαση των ακτίνων Χ (XRD) Φασματοσκοπία μαγνητικού πυρηνικού συντονισμού (NMR) 171

8 ΣΥΖΗΤΗΣΗ 175 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 187 8

9 9 Αφιερώνεται στην οικογένεια μου

10 10 Η παρούσα ερευνητική εργασία εκπονήθηκε κατά τα έτη στο Εργαστήριο Φαρμακευτικής Τεχνολογίας του Τμήματος Φαρμακευτικής του Πανεπιστημίου Πατρών υπό την επίβλεψη του κ. Παύλου Κλεπετσάνη, Επίκουρου Καθηγητή, τον οποίο θέλω να ευχαριστήσω θερμότατα για τη άψογη συνεργασία, καθοδήγηση και υποστήριξη που μου παρείχε τα τρία αυτά χρόνια, τόσο στο επίπεδο της διπλωματικής εργασίας όσο και στη συγγραφή της παρούσας εργασίας. Ευχαριστώ θερμά τα μέλη της Συμβουλευτικής Επιτροπής μου, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια κ. Σοφία Αντιμησιάρη και Επίκουρο Καθηγητή κ. Κωνσταντίνο Αυγουστάκη για τις χρήσιμες συμβουλές και παρατηρήσεις τους. Θέλω να ευχαριστήσω θερμά τους συναδέλφους μου στο εργαστήριο της Φαρμακευτικής Τεχνολογίας Γρυπάρη Ε., Στιβακτάκη Ν., Ζαγανά Π., Γκέγκα Γ., Ματθαιολαμπάκη Γ., για την φιλία και την συμπαράσταση τους. Ευχαριστώ ιδιαίτερα τους συναδέλφους μου στο χώρο εργασίας κ.αβραμοπούλου Α., κ. Κομπορόζου Α., κ. Τρομπούκη Ν. και κ. Καλογερόπουλο Α. για την αμέριστη συμπαράσταση και κατανόησή τους κατά την εκπόνηση της ερευνητικής εργασίας. Κυρίως όμως θέλω να ευχαριστήσω το πατέρα μου Γεώργιο, τη μητέρα μου Ανθή και τον αδελφό μου Ηλία, γιατί χωρίς τη διαρκή στήριξη, ενθάρρυνση και κατανόησή τους δεν θα ήταν δυνατή η ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας.

11 11 ΠΕΡΙΛΗΨΗ

12 12 Οι κυκλοδεξτρίνες είναι κυκλικοί ολιγοσακχαρίτες αποτελούμενοι από μόρια α-d-γλυκοπυρανόζης που συνδέονται με α-1-4 γλυκοζιτικούς δεσμούς. Το σχήμα τους δεν είναι κυλινδρικό αλλά προσομοιάζει το σχήμα κόλουρου κώνου γεγονός που οφείλεται στην έλλειψη ελεύθερης περιστροφής των δεσμών που συνδέουν τις μονάδες γλυκοπυρανόζης. Εξαιτίας της ιδιαίτερης αυτής δομής τους, οι κυκλοδεξτρίνες εμφανίζουν μια υδρόφιλη εξωτερική επιφάνεια και μια σχετικά λιπόφιλη εσωτερική κοιλότητα μέσα στην οποία μπορούν να εγκλωβίσουν δυσδιάλυτες ουσίες και να σχηματίσουν μέσω διαμοριακών αλληλεπιδράσεων σύμπλοκα έγκλεισης. Με τον σχηματισμό των συμπλόκων αυτών επιτυγχάνεται η αύξηση της διαλυτότητας, η βελτίωση της σταθερότητας και της βιοδιαθεσιμότητας των βιοδραστικών ενώσεων καθώς και μείωση των παρενεργειών τους. Σήμερα μια σειρά από φαρμακομορφές που κυκλοφορούν στο εμπόριο περιέχουν σύμπλοκα κυκλοδεξτρινών με βιοδραστικές ουσίες. Στη παρούσα εργασία μελετήθηκε ο σχηματισμός συμπλόκων έγκλεισης της ιτρακοναζόλης με διάφορες φυσικές και τροποποιημένες κυκλοδεξτρίνες, τόσο σε στερεή κατάσταση όσο και σε υδατικά διαλύματα, με διαφορετικούς τρόπους παρασκευής και στοιχειομετρικές αναλογίες και στη συνέχεια μελετήθηκαν και χαρακτηρίστηκαν τα σύμπλοκα αυτά. Η ιτρακοναζόλη είναι ένα αντιμυκητιασικό φάρμακο ευρέως φάσματος και αντιμετωπίζει πολλά είδη μυκήτων, όπως του κόλπου, δέρματος, στόματος, ματιών, νυχιών ή εσωτερικών οργάνων. Η υδατοδιαλυτότητα της ιτρακοναζόλης σε ουδέτερο ph είναι μικρότερη από 1 ng/ml - με αποτέλεσμα να θεωρείται πρακτικά αδιάλυτη στο νερό και σε ph=1 είναι ~ 4μg/ml. Σημαντικό πρόβλημα αποτελεί η φωτοδιάσπαση του μορίου της ιτρακοναζόλης και ιδιαίτερα σε υδατικά διαλύματα, που πρέπει να φυλάσσονται μακριά από το φως, ενώ το μεγάλο πρόβλημα της χορήγησης της ιτρακοναζόλης είναι η μικρή απορρόφησή της κυρίως όταν χορηγείται ως στερεή φαρμακομορφή. Για την μελέτη των στερεών συμπλόκων της ιτρακοναζόλης με τις προς εξέταση κυκλοδεξτρίνες και την πιστοποίηση του σχηματισμού τους στην στερεή κατάσταση, ανάλογα με την μέθοδο παρασκευής, χρησιμοποιήθηκαν οι τεχνικές της περίθλασης ακτίνων-χ, διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης, ενώ για την μελέτη των παραγόμενων συμπλόκων χρησιμοποιήθηκε η φασματοσκοπία μαγνητικού πυρηνικού συντονισμού.

13 13 Πραγματοποιήθηκαν μελέτες διαλυτότητας της ιτρακοναζόλης σε υδατικά διαλύματα κυκλοδεξτρινών διαφορετικής συγκέντρωσης και σε θερμοκρασίες 20, 25, 30 και 35 o C. Οι κυκλοδεξτρίνες που μελετήθηκαν είναι οι Me-β-CD, HP-β-CD, ΗΕβ-CD HP-γ-CD, Heptakis(2,6-di-O-methyl)-β-CD και β-cd. Παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση της υδατοδιαλυτότητας της ιτρακοναζόλης πάνω από 100 φορές παρουσία Heptakis(2,6-di-O-methyl)-β-CD, 79 παρουσία Me-β-CD, 44 παρουσία HP-β-CD, 29 με την ΗΕ-β-CD και 6 φορές με τη β-cd για συγκεντρώσεις κυκλοδεξτρινών 30 mm στους 35 0 C. Η ισόθερμος διαλυτότητας για τις κυκλοδεξτρίνες HP-γ-CD και Heptakis(2,6-di-O-methyl)-β-CD έχουν γραμμική μορφή που αντιστοιχεί σε ισόθερμους της μορφής Α L γεγονός που αποτελεί ένδειξη σχηματισμού συμπλόκου έγκλεισης με στοιχειομετρική αναλογία 1:1. Αντίθετα, στη περίπτωση της ισοθέρμου διαλυτότητας της ιτρακοναζόλης με τις κυκλοδεξτρίνες Me-β-CD, HP-β-CD, ΗΕ-β-CD και β-cd παρατηρείται θετική απόκλιση από τη γραμμική μορφή A L, που αντιστοιχεί σε διάγραμμα διαλυτότητας-φάσεως της μορφής A p., γεγονός που αποτελεί σαφή ένδειξη για τον σχηματισμό συμπλόκων με στοιχειομετρική αναλογία 1:2. Υπολογίστηκε η σταθερά συμπλοκοποίησης των σχηματιζόμενων συμπλόκων έγκλεισης της ιτρακοναζόλης με τις κυκλοδεξτρίνες Me-β-CD, HP-β-CD, ΗΕ-β-CD HP-γ-CD, Heptakis(2,6-di-O-methyl)-β-CD και β-cd στις παραπάνω θερμοκρασίες. Συνοπτικά τα αποτελέσματα τους 35 ο C είναι: Heptakis(2,6-di-O-methyl)-β-CD Κ 1:1 = 4835,89 Μ -1, Me-β-CD K 1:1 = 821,45 Μ -1 και Κ 1:2 = 90,77 Μ -1, ΗP-β-CD K 1:1 = 704,77 Μ -1 και Κ 1:2 = 58,78 Μ -1, ΗΕ-β-CD K 1:1 = 424,63 Μ -1 και Κ 1:2 = 49,76 Μ -1, β- CD K 1:1 = 556,14 Μ -1 και Κ 1:2 =188,75 Μ -1, ΗP-γ-CD K 1:1 = 194,09 Μ -1. Από την μεταβολή των σταθερών σχηματισμού των συμπλόκων με την αύξηση της θερμοκρασίας υπολογίστηκε η μεταβολή της ενθαλπίας (ΔΗ), η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας Gibbs (ΔG) και η μεταβολή της εντροπίας (ΔS) συμπλοκοποίησης. Η αρνητική ή θετική μεταβολή των παραπάνω θερμοδυναμικών σταθερών που υπολογίστηκαν υποδεικνύει την επικράτηση των αλληλεπιδράσεων van der Waals κατά τον σχηματισμό των συμπλόκων έγκλεισης και την απελευθέρωση μορίων νερού πλούσιων σε ενθαλπία από την κοιλότητα των κυκλοδεξτρινών, ενώ παρουσία Heptakis(2,6-di-O-methyl)-β-CD κυρίαρχο ρόλο παίζουν οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Η πιο κατάλληλη μέθοδος για την μελέτη των στερεών συμπλόκων της ιτρακοναζόλης είναι η μέθοδος της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης. Η

14 14 εξαφάνιση της ισχυρής ενδόθερμης κορυφής που αντιστοιχεί στο σημείο τήξεως της ιτρακοναζόλης στα στερεά σύμπλοκα που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της συγκαταβύθισης αποτελεί σαφή ένδειξη για το σχηματισμό συμπλόκων έγκλεισης της ιτρακοναζόλης με της Μe-β-CD, ΗP-β-CD και HE-β-CD. Επίσης, στη περίπτωση της Me-β-κυκλοδεξτρίνης, σύμπλοκο έγκλεισης σχηματίστηκε και στο στερεό μίγμα που παρασκευάστηκε με τη μέθοδο της λειοφιλοποίησης. Αντίθετα, η μέθοδος της περίθλασης των ακτίνων-χ δεν είναι κατάλληλη για την μελέτη των στερεών συμπλόκων της ιτρακοναζόλης με τις Me-β-CD, HP-β-CD και ΗΕ-β-CD, καθώς στα φυσικά μίγματα αυτών δεν εμφανίζονται οι κορυφές που αντιστοιχούν στην χαρακτηριστική κρυσταλλικότητα της ιτρακοναζόλης αλλά επικρατεί το άμορφο φάσμα της κυκλοδεξτρίνης, γεγονός που πιθανότατα οφείλεται στην υπερκάλυψη των κορυφών από την κυκλοδεξτρίνη. Από την μελέτη των χημικών μετατοπίσεων του φάσματος NMR της ιτρακοναζόλης απουσία και παρουσία διαφορετικών συγκεντρώσεων Me-β-CD διαπιστώθηκε ότι η προσθήκη της κυκλοδεξτρίνης επηρέασε την χημική μετατόπιση ορισμένων πρωτονίων του μορίου της ιτρακοναζόλης, όπως του πρωτονίου 2 του τριαζολικού δακτυλίου και των πρωτονίων 11 και 12 του βενζολικού δακτυλίου. Η επίδραση στο πρωτόνιο 2 του τριαζολικού δακτυλίου παρατηρήθηκε σε όλες τις συγκεντρώσεις της Methyl-β-Cyclodextrin, ενώ η επίδραση στα πρωτόνια 11 και 12 παρατηρήθηκε σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις κυκλοδεξτρίνης. Αυτό δείχνει ότι το σύμπλοκο με στοιχειομετρία 1:1 σχηματίζεται με τον εγκλωβισμό του τριαζολικού δακτυλίου στην κοιλότητα του μορίου της κυκλοδεξτρίνης, ενώ σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις σχηματίζεται και το σύμπλοκο με στοιχειομετρία 1:2 όπου το ελεύθερο άκρο του μορίου της κυκλοδεξτρίνης εισέρχεται στην κοιλότητα του δεύτερου μορίου της κυκλοδεξτρίνης.

15 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 15

16 16 Α.Κυκλοδεξτρίνες 1. Ιστορική αναδρομή 1.1 Περίοδος ανακάλυψης Το πρώτο άρθρο που αναφέρει την προσεκτική παρατήρηση μερικών άγνωστων κρυσταλλικών ουσιών στη ζύμωση του αμύλου εκδόθηκε το Δεκαπέντε χρόνια αργότερα ο Αυστριακός μικροβιολόγος Franz Schardinger, μελετώντας τους μικροοργανισμούς που συμμετέχουν στην αλλοίωση των τροφίμων, απομόνωσε ένα μικροοργανισμό (Bacillus macerans) ο οποίος παρήγαγε δύο διακριτές κρυσταλλικές ουσίες σε καλλιέργειες που περιείχαν άμυλο. Επειδή οι ιδιότητές τους ήταν παρόμοιες με εκείνες των ήδη γνωστών προϊόντων αποικοδόμησης του αμύλου, των δεξτρινών, ονόμασε τις ουσίες αυτές α- και β- δεξτρίνη. Η χημική δομή τους όμως ήταν ακόμα άγνωστη. Πέρασαν 45 χρόνια μέχρι ο Freudenberg και οι συνεργάτες του προσδιορίσουν τη χημική δομή των α- και β- δεξτρινών (1936) [Villers (1891), Schardinger (1911)]. 1.2 Ερευνητική περίδος: Στις αρχές της δεύτερης περιόδου ο Freudenberg και οι συνεργάτες του, βασιζόμενοι στα δικά τους πειράματα αλλά και στις παρατηρήσεις των Karrer και Miekeley κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι δεξτρίνες του Schardinger αποτελούνται από μονάδες μαλτόζης και περιέχουν μόνο α-1,4-γλυκοζιτικούς δεσμούς και υπέθεσαν την κυκλική δομή των κρυσταλλικών δεξτρινών. Το ανακαλύφθηκε η γ-κυκλοδεξτρίνη και προσδιορίσθηκε η δομή της. Στις αρχές της δεκαετίας του 50 οι ομάδες των French και Cramer εργάσθηκαν εντατικά στην ενζυμική παραγωγή κυκλοδεξτρινών, στην απομόνωση των καθαρών συστατικών και στον προσδιορισμό των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων τους. Η ομάδα του French ανακάλυψε ότι υπάρχουν ακόμα μεγαλύτερες κυκλοδεξτρίνες, ενώ η ομάδα του Cramer ασχολήθηκε με την ικανότητα των κυκλοδεξτρινών να σχηματίζουν σύμπλοκα.

17 17 Το πρώτο ουσιαστικό άρθρο για τις κυκλοδεξτρίνες δημοσιεύτηκε το 1953 απο τον Freunch και ακολούθησαν οι μονογραφίες των Thoma και Stewart το 1965 και του Caesar το Όμως μια λανθασμένη δημοσίευση του Freunch σχετικά με την τοξικότητα των κυκλοδεξτρινών στον άνθρωπο αποθάρυνε πολλούς επιστήμονες από την παρασκευή προϊόντων με κυκλοδεξτρίνη για ανθρώπινη χρήση. Μέχρι το τέλος της δεκαετίας του 60 είχε διευκρινιστεί τόσο η παρασκευή των κυκλοδεξτρινών στο εργαστήριο, όσο και οι φυσικές και χημικές ιδιότητες αυτών αλλά και οι ιδιότητες σχηματισμού συμπλόκων. 1.3 Η περίοδος εκμετάλλευσης: 1970-σήμερα Μετά από μια σειρά τοξικολογικών μελετών που απέδειξαν την ασφάλεια των κυκλοδεξτρινών για θεραπευτική χρήση στον άνθρωπο, οι δημοσιεύσεις παρουσίασαν μια θεαματική αύξηση, με τον αριθμό τους να φτάνει στις το Γράφημα 1 : Ο αριθμός των δημοσιεύσεων που σχετίζονται με τις κυκλοδεξτρίνες σε διάφορα ερευνητικά πεδία ανά χρόνο, από το 1985 έως το 2002

18 18 Σύμφωνα με τα δεδομένα της CycloLab ο ολικός αριθμός των δημοσιεύσεων σήμερα φτάνει τις και ο μέσος αριθμός τους ανά ημέρα αυξήθηκε από 2,2 το 1990 σε 4,4 το [Szejtli (2004, Loftsson (2007)] Γράφημα 2: Ο αριθμός των δημοσιεύσεων που σχετίζονται με τις κυκλοδεξτρίνες από το 1980 έως σήμερα. Το πρώτο παγκόσμιο συνέδριο κυκλοδεξτρινών έγινε το 1981 και από τότε μέχρι σήμερα επαναλαμβάνεται κάθε δύο χρόνια. Το τελευταίο συνέδριο έγινε στο Τορίνο το Το Kg β-cd κόστιζε 2000 $, ενώ σήμερα κοστίζει μόλις μερικά $. Γράφημα 3: Η σχέση της τιμής της β-cd και της παραγόμενης ποσότητας ανά χρόνο, από το 1970 έως σήμερα.

19 19 2. Παραγωγή των κυκλοδεξτρινών Η παραγωγή των κυκλοδεξτρινών είναι μία σχετικά απλή διεργασία η οποία περιλαμβάνει την κατεργασία του αμύλου με μία σειρά ενζύμων. Το βασικότερα των ενζύμων αυτών είναι η γλυκοσυλο-τρανσφεράση των κυκλοδεξτρινών (CGTase) η οποία παράγεται από μικροοργανισμούς, όπως είναι ο Bacillus macerans, η Klebsiella oxytaca και o Bacillus circulans. Σήμερα, με τη βοήθεια της γενετικής μηχανικής έχουν παραχθεί μία σειρά ενζύμων τα οποία χρησιμοποιούνται για την βιομηχανική παραγωγή κυκλοδεξτρινών. Το πρώτο βήμα στη παραγωγή των κυκλοδεξτρινών είναι η ρευστοποίηση του αμύλου είτε με θέρμανση είτε με προσθήκη της α-αμυλάσης. Στη συνέχεια, προστίθεται η CGTάση. Η CGTάση μπορεί να συνθέσει όλους τους τύπους των φυσικών κυκλοδεξτρινών, επομένως το προϊόν της ενζυμικής μετατροπής είναι ένα μείγμα α-, β- και γ-κυκλοδεξτρίνης σε αναλογία που εξαρτάται από το ένζυμο που χρησιμοποιείται κάθε CGΤάση έχει τη δική της χαρακτηριστική αναλογία. Ο διαχωρισμός των τριών βασικών φυσικών κυκλοδεξτρινών στηρίζεται στη διαφορετική υδατοδιαλυτότητα των μορίων: η β-κυκλοδεκτρίνη έχει πολύ μικρή υδατοδιαλυτότητα (18,5 g/l) και μπορεί να ανακτηθεί εύκολα με κρυστάλλωση, ενώ οι περισσότερο διαλυτές α-cd και γ-cd (145 και 232 g/l αντίστοιχα) διαχωρίζονται με τη βοήθεια χρωματογραφικών τεχνικών. Επίσης, κατά τη διάρκεια της ενζυμικής μετατροπής μπορεί να προστεθεί ένας «παράγοντας συμπλοκοποίησης» ώστε να σχηματιστεί σύμπλοκο με την επιθυμητή κυκλοδεξτρίνη, το οποίο στη συνέχεια καθιζάνει. Ο σχηματισμός του συμπλόκου κατευθύνει την μετατροπή του αμύλου προς τη κατεύθυνση της σύνθεσης της επιθυμητής κυκλοδεξτρίνης, αυξάνοντας έτσι την περιεκτικότητα της κυκλοδεξτρίνης αυτής στο τελικό μείγμα. Στο τελικό στάδιο η κυκλοδεξτρίνη ανακτάται με φυγοκέντρηση και διαχωρίζεται από τον «παράγοντα συμπλοκοποίησης». Οι κυριότεροι παράγοντες που χρησιμοποιούνται είναι το τολουένιο, η ακετόνη και η δεκανόλη. Η προσθήκη τολουενίου κατευθύνει τη μετατροπή προς το σχηματισμό β-cd, η προσθήκη 1-δεκανόλης προς α-cd και η κυκλοεξαδεκανόλη προς γ-cd. H τελική καθαρότητα των προϊόντων είναι της τάξης του 99% [Biwer et al (2002), Szerman (2006), Sjejtli (1998)]

20 20 Σχήμα 1 : Εκλεκτικά ένζυμα χρησιμοποιούνται για τη βιομηχανική παραγωγή των α-, β- και γ- κυκλοδεξτρινών Πίνακας 1: Τύποι βακτηρίων που παράγουν παραγωγή των κυκλοδεξτρινών γλυκοσυλοτρανσφεράσες για την CGTάση απομονωμένη από: Bacillus macerans M. varians B. megaterium Thermoanaerobacter spp B. circulans Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes B. stearothermophilus Anaerobranca gottschalkii B. ohbensis B. licheniformes B. cereus K. oxytoca

21 21 3. Δομή Οι κυκλοδεξτρίνες είναι κυκλικοί ολικοσακχαρίτες αποτελούμενοι από μόρια α-d-γλυκοπυρανόζης που συνδέονται με α-1-4 γλυκοζιτικούς δεσμούς. Το σχήμα τους δεν είναι κυλινδρικό αλλά προσομοιάζει το σχήμα κόλουρου κώνου γεγονός που οφείλεται στην έλλειψη ελεύθερης περιστροφής των δεσμών που συνδέουν τις μονάδες γλυκοπυρανόζης. Κάθε μονάδα γλυκοπυρανόζης έχει 3 υδροξυλομάδες. Δύο από αυτές είναι δευτερεύουσες και εντοπίζονται στον άνθρακα 2 και 3 και μία είναι πρωτεύουσα στη θέση C-6. Οι υδροξυλομάδες αυτές καθιστούν υδρόφιλη την εξωτερική επιφάνεια των κυκλοδεξτρινών και είναι υπεύθυνες για την διαλυτότητά τους στο νερό. Οι πρωτεύουσες υδροξυλομάδες εντοπίζονται στο στενό άκρο του κώνου, ενώ οι δευτερεύουσες στο ευρύτερο άκρο. Το εσωτερικό των κυκλοδεξτρινών είναι υδρόφοβο, λόγω της παρουσίας των αιθερικών οξυγόνων στο Ο-4 και των υδρογόνων που είναι προσαρτημένα στους άνθρακες C-3 και C-5, με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια κοιλότητα για τον εγκλωβισμό υδρόφοβων μορίων [Loftsson (2005), Szejtli (1998), Saenger et al (1998)]. Σχήμα 2: Η διαμόρφωση των μονάδων γλυκοπυρανόζης έχει σαν αποτέλεσμα η εξωτερική επιφάνεια των κυκλοδεξτρινών να είναι υδρόφιλη και η εσωτερική υδρόφοβη.

22 22 Σχήμα 3: Η χημική δομή και η δομή του κόλουρου κώνου της α-κυκλοδεξτρίνης 3.1 Φυσικές κυκλοδεξτρίνες Οι πιο γνωστές φυσικές κυκλοδεξτρίνες είναι οι α-, β-, γ- κυκλοδεξτρίνη. Η α- κυκλοδεξτρίνη αποτελείται από 6 μόρια γλυκοπυρανόζης, η β-κυλοδεξτρίνη από 7 και η γ-κυκλοδεξτρίνη από 8, όπως απεικονίζονται στο σχήμα 4:

23 23 Σχήμα 4: Η χημική δομή της α-, β- και γ- κυκλοδεξτρίνης Έχουν επίσης παρασκευασθεί κυκλοδεξτρίνες με 9, 10, 11, 12 και 13 μονάδες γλυκοπυρανόζης που ονομάζονται δ, ε, ζ, η, θ κυκλοδεξτρίνες, αντίστοιχα. Κυκλοδεξτρίνες με λιγότερες από 6 μονάδες γλυκοπυρανόζης δεν μπορεί να υπάρξουν λόγω των παραπάνω στερεοχημικών περιορισμών [Szejtli (1996)].

24 24 Πίνακας 2: Τα βασικά χαρακτηριστικά της α-, β- και γ- κυκλοδεξτρίνης α-cd β-cd γ-cd Αριθμός μονάδων γλυκοπυρανόζης Μοριακό βάρος Διαλυτότητα στο νερό (g/100 ml) 14,5 1,85 23,2 Διάμετρος κεντρικής κοιλότητα (Å) 4,7-5,3 6,0 6,5 7,5 8,3 Ύψος του κώνου (Å) 7,9 ± 0,1 7,9 ± 0,1 7,9 ± 0,1 Διάμετρος εξωτερικής περιφέρειας (Å) 14,6 ± 0,4 15,4 ± 0,4 17,5 ± 0,4 3.2 Τροποποιημένες κυκλοδεξτρίνες (modified cyclodextrins) Ο αριθμός των τροποποιημένων κυκλοδεξτρινών που έχουν παραχθεί και μελετηθεί είναι μεγάλος. Οι τροποποιημένες κυκλοδεχτρίνες παράγονται με την αντίδραση χημικών μορίων με τις υδροξυλομάδες των κυκλοδεξτρινών. Οι υδροξυλομάδες στον C-6 έχουν την μεγαλύτερη ικανότητα αντίδρασης, ενώ οι υδροξυλομάδες στον C-3 έχουν την μικρότερη. Παρόλα αυτά μεταβάλλοντας τις συνθήκες της αντίδρασης, όπως το ph, την θερμοκρασία και τα αντιδρασήρια, μπορούμε να κατευθύνουμε την αντίδραση προς μία συγκεκριμένη πορεία και να πετύχουμε την εκλεκτική υποκατάσταση μίας συγκεκριμένης ομάδας. Κάθε μονάδα γλυκοπυρανόζης έχει 3 ελεύθερες υδροξυλομάδες, επομένως η α-κυκλοδεξτρίνη έχει 18 ελεύθερες υδροξυλομάδες που μπορούν να υποκατασταθούν, η β-κυκλοδξτρίνη έχει 21 και η γ-κυκλοδεξτρίνη έχει 24. Έτσι, με την υποκατάσταση του ατόμου υδρογόνου ή της υδροξυλομάδας από διάφορες ομάδες όπως άλκυλο-, υδροξυάλκυλο, καρβοξυλοάλκυλο-, άμινο-, θείο- γλυκόσυλο-, αλλά και άλλες ομάδες, μπορούν να παραχθούν μια σειρά από παράγωγα με χημικές αντιδράσεις [ Jicsinszky et al (1996), Loftsson & Brewster (1996)]. Επειδή κατά την παραγωγή των τροποποιημένων κυκλοδεξτρινών παράγονται διάφορα παράγωγα και ισομερή, η ονοματολογία πρέπει να είναι σαφής και να περιλαμβάνει τουλάχιστον την πρόδρομη κυκλοδεξτρίνη και τον τύπο και τον αριθμό των υποκαταστατών. Οι υποκαταστάτες συνήθως δηλώνονται με μία συντόμευση, πριν την αρχική κυκλοδεξτρίνη. Στη συντόμευση αυτή όμως μπορεί να φανεί και η ακριβής θέση του υποκαταστάτη, αν αυτό χρειαστεί. Για παράδειγμα, η

25 25 υδροξυλομάδα του υδροξυπρόπυλο υποκαταστάτη μπορεί να βρίσκεται σε ένα από τους τρεις άνθρακες της προπυλικής αλυσίδας. Έτσι, αν έχει ενωθεί με τον C-2, το παράγωγο θα συμβολίζεται ως 2HP-β-CD. Όταν θέλουμε να συμβολίσουμε τον αριθμό των υποκαταστατών που συνδέονται με την πρόδρομη κυκλοδεξτρίνη, ο αριθμός ακολουθεί τον υποκαταστάτη. Έτσι η HP4-β-CD υποδηλώνει μία β- κυκλοδεξτρίνη με 4 υδροξυπρόπυλο ομάδες. Ο αριθμός αυτός ονομάζεται μοριακός βαθμός υποκατάστασης (molar degree of substitution, MS) και εκφράζει το μέσο αριθμό αλκυλομάδων στο δακτύλιο της κυκλοδεξτρίνης. Βέβαια στο παράδειγμα της ΗP4-β-CD τέσσερις υδρόξυπρόπυλο υποκαταστάτες μπορεί να έχουν συνδεθεί σε τέσσερις διαφορετικές υδροξυλομάδες γύρω από το δακτύλιο της β-κυκλοδεξτρίνης ή μία μόνο υδροξυλομάδα μπορεί να έχει υποκατασταθεί από μία αλυσίδα με τέσσερις υδροξυπρόπυλο ομάδες Ένας άλλος όρος που χρησιμοποιείται είναι ο βαθμός υποκατάστασης (degree of substitution, DS) που εκφράζει το μέσο αριθμό των υποκατεστημένων υδροξυλομάδων των μονάδων γλυκοπυρανόζης και μπορεί να πάρει τιμές από 0 έως 3. Οι βασικές τροποποιημένες κυκλοδεξτρίνες που χρησιμοποιούνται ως έκδοχα στις φαρμακομορφές είναι όλες παράγωγα της β-κυκλοδεξτρίνης: 1.Τυχαία μεθυλιωμένα παράγωγα με μέσο MS 14 (Μ14-β-CD). 2.Δύο διαφορετικά υδροξυπρόπυλο παράγωγα, το ένα με μέσο μοριακό βαθμό υποκατάστασης 3 ((2ΗP)3-β-CD) και το άλλο με μέσο μοριακό βαθμό υποκατάστασης 7 ((2ΗP)7-β-CD). 3.Σουλφο-βούτυλο αιθερικά παράγωγα με μέσο MS 7 (SBE7-β-CD). 4.Γλυκόσυλο και μαλτόσυλο κυκλοδεξτρίνες, οι οποίες περιέχουν μόνο μόρια γλυκόζης (G 1 -β-cd) ή μαλτοσακχαρίτες όπως η μαλτόζη (G 2 -β-cd) συνδεδεμένα απευθείας με α-(1 6) γλυκοζιτικό δεσμό στο μόριο της κυκλοδεξτρίνης [Mosher και Thompson]. Η παραγωγή τροποποιημένων κυκλοδεξτρινών έχει σαν στόχο: 1. Να αυξήσει την υδατοδιαλυτότηα των κυκλοδεξτρινών και των συμπλόκων τους: Οι φυσικές κυκλοδεξτρίνες έχουν μικρή διαλυτότητα στο νερό. Η β-κυκλοδξτρίνη έχει τη μικρότερη υδατοδιαλυτότητα λόγω της περισσότερο άκαμπτης δομής της που οφείλεται στους δεσμούς υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ της υδροξυλομάδας του C-2 μιας μονάδας γλυκοπυρανόζης και της υδροξυλομάδας του C-3 της γειτονικής ομάδας, σχηματίζοντας επτά ενδομοριακούς δεσμούς υδρογόνου που

26 26 εμποδίζουν την αλληλεπίδραση της κυκλοδεξτρίνης με το διαλύτη. Αυτή η «ζώνη δεσμών υδρογόνου» δεν είναι πλήρης στις υπόλοιπες φυσικές κυκλοδεξτρίνες και γι αυτο ευνοείται η αλληλεπίδραση αυτών με τα μόρια του νερού. 2. Να βελτιώσει τη σύνδεση-αλληλεπίδραση των εγκλωβιζόμενων μορίων με τις κυκλοδεξτρίνες. 3. Να εκλύσει συγκεκριμένες καταλυτικές ομάδες στη θέση σύνδεσης. 4. Να σχηματίσει αδιάλυτες δομές που περιέχουν κυκλοδεξτρίνες, όπως τα πολυμερή, σε στόχο την εφαρμογή τους στη χρωματογραφία [Szetli (2004)] Σχήμα 5: Οι δεσμοί υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ της υδροξυλομάδας του C-2 μιας μονάδας γλυκοπυρανόζης και της υδροξυλομάδας του C-3 της γειτονικής ομάδας γλυκοπυρανόζης, στο μόριο της β-κυκλοδεξτρίνης Οι μέθοδοι για την εκλεκτική υποκατάσταση των κυκλοδεξτρινών χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: 1. Οι «σύντομες» μέθοδοι στις οποίες αξιοποιείται η χημεία των κυκλοδεξτρινών ώστε να παραχθεί το επιθυμητό παράγωγο με το πιο σύντομο τρόπο. 2. Οι «μακροσκελείς» μέθοδοι στις οποίες λαμβάνουν χώρα μία σειρά από βήματα προστασίας και αποπροστασίας των κυκλοδεξτρινών ώστε να φτάσουμε στο προσδιορισμό των κατάλληλων συνθηκών της αντίδρασης. 3. Η μέθοδος της «βαριάς» κατά την οποία οι κυκλοδεξτρίνες αντιδρούν χωρίς καμία εκλεκτικότητα και δίνουν ένα μίγμα προϊόντων από το οποίο το επιθυμητό παράγωγο απομονώνεται από τα υπόλοιπα ισομερή με χρωματογραφικές μεθόδους [Khan et al (1998)].

27 27 Σχήμα 6: Σύνοψη των μεθόδων εκλεκτικής υποκατάστασης των κυκλοδεξτρινών 3.3 Μεθυλιωμένες κυκλοδεξτρίνες Η προσθήκη του μέθυλο-υποκαταστάτη στις υδροξυλομάδες των κυκλοδεξτρινών αυξάνει σημαντικά την υδατοδιαλυτότητα της τροποποιημένης κυκλοδεξτρίνης σε σχέση με αυτή της αρχικής. Η υδατοδιαλυτότητα αυξάνεται όσο αυξάνεται ο αριθμός των υποκαταστατών έως ότου τα 2/3 των υδροξυλομάδων να υποκατασταθούν και μειώνεται όσο οι υποκαταστάτες αυξάνονται περαιτέρω. Έτσι, οι κυκλοδεξτρίνες που περιέχουν 14 μεθόξυ-ομάδες έχουν την μεγαλύτερη διαλυτότητα, ενώ οι κυκλοδεξτρίνες με 21 μεθόξυομάδες παρουσιάζουν τη μικρότερη διαλυτότητα, η οποία όμως είναι σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή της μη μεθυλιωμένης κυκλοδεξτρίνης [ Szetli (1992), Szente and Szetli (1999)]. Οι πιο γνωστές εμπορικά μεθυλιωμένες κυκλοδεξτρίνες είναι οι : DM14-β- CD [επτάκις (2,6-δι-ο-μεθυλο)-β-κυκλοδεκτρίνη] (DIMEB) και η 2,3,6-ΤΜ21-β-CD [επτάκις (2,3,6-τρι-ο-μεθυλο)-β-κυκλοδεξτρίνη] (TRIMEB), των οποίων η διαλυτότητα στο νερό είναι 57g/100ml και 31g/100ml αντίστοιχα, σε σχέση με 1,8g/100ml που είναι η υδατοδιαλυτότα της β-κυκλοδεξτρίνης. Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί και μίγμα τυχαία μεθυλιωμένων β-κυκλοδεξτρινών. Βρέθηκε ότι η Μ14-β-CD αύξησε τη διαλυτότητα 26 βιοδραστικών ενώσεων σε σχέση με την β-cd και ο βαθμός της αύξησης ήταν 80% σε σχέση με τη καθαρή 2,6-DM-β-CD.

28 28 Σχήμα 7: Η χημική δομή της επτάκις (2,6-δι-ο-μεθυλο)-β-κυκλοδεκτρίνη (DIMEB) Η μεθυλίωση όμως αυξάνει και την ικανότητα συμπλοκοποίησης των κυκλοδεξτρινών καθώς η υποκατάσταση των υδροξυλομάδων στις θέσεις 2 και 6 αυξάνει την υδροφοβικότητα της εσωτερικής κοιλότητας. Η σταθερά συμπλοκοποίησης της 2,6-DM14-β-CD με πολλές βιοδραστικές ενώσεις είναι κατά μέσο όρο 5 φορές μεγαλύτερη από αυτή της β-cd. Παρόλα αυτά η μεθυλίωση των υδροξυλομάδων στη θέση 3 μειώνει σημαντικά την ικανότητα συμπλοκοποίησης της κυκλοδεξτρίνης [Szetli (1992)] Πίνακας 3: Παραδείγματα της αύξησης της διαλυτότητας βιοδραστικών ενώσεων σε υδατικά διαλύματα 10g/100ml μετά από συμπλοκοποίηση με τη DIMEB ΒΙΟΔΡΑΣΤΙΚΗ ΕΝΩΣΗ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΣΤΟ ΝΕΡΟ mg/ml ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΣΕ ΔΙΑΛΥΜΑ DIMEB S 2 / S 1 (S 1 ) mg/ml (S 2 ) π-αμινο βεζοϊκό οξύ 4, π-υδροξυ βενζοϊκό οξύ 5, ναφθόλη 0, ναφθόλη 0,62 12,5 20 τολουένιο 0,44 9,6 22 υδροκορτιζόνη 0, διγοξίνη 0,27 22,2 81 μεθυλοτετοστερόνη 0,071 13,7 193 προγεστερόνη 0,

29 Υδροξυλακυλιωμένες κυκλοδεξτρίνες Οι υδροξυαλκυλιωμένες κυκλοδεξτρίνες παράγονται μετά από κατεργασία των κυκλοδεξτρινών με οξείδια των αλκυλενίων και υποκατάσταση των ελεύθερων υδροξυλομάδων στις θέσεις C-2, C-3 και C-6 κάθε μονάδας γλυκοπυρανόζης. Το DS στις υδροξυαλκυλιωμένες κυκλοδεξτρίνες επηρεάζει τόσο την ικανότητα τους να σχηματίζουν σύμπλοκα όσο και τη διαλυτότητά τους. Το πιο γνωστό παράγωγο είναι η (2HP)-β-CD η οποία παρασκευάζεται μετά από κατεργασία της β-cd με οξείδιο του προπυλενίου και είναι γνωστή με τα εμπορικά ονόματα Molecusol TM και Encapsin TM. Η αντίδραση λαμβάνει χώρα τόσο στις πρωτεύουσες όσο και στις δευτερεύουσες υδροξυλομάδες και παράγεται ένα μίγμα απο ισομορφές της (2HP)-β-CD που οδηγεί σε ένα προϊόν που είναι άμορφο, μη κρυσταλλικό που έχει μεγάλη διαλυτότητα στο νερό και είναι 27 φορές πιο υδατοδιαλυτό από τη β-cd. Η ευρεία χρησιμοποίηση της ΗP-β-CD σε φαρμακομορφές τόσο σε ανθρώπους όσο και σε ζώα οφείλεται στην ικανότητά της να σχηματίζει σταθερά σύμπλοκα με πάρα πολλές βιοδραστικές ενώσεις, στην ασφάλειά της τόσο για παρεντερική όσο και για per os χορήγηση και στην ιδιότητά της να σχηματίζει διαλυτά σύμπλοκα τύπου A L [(Sjetli (1992), Szente and Szetli (1999), Sjetli (2004)] Σχήμα 8: Η χημική δομή της υδροξυπρόπυλο- β -κυκλοδεξτρίνης

30 Ιοντικές κυκλοδεξτρίνες Οι ιοντικές κυκλοδεξτρίνες παράγονται μετά από υποκατάσταση των υδροξυλομάδων των κυκλοδεξτρινών με υποκαταστάτες που ιονίζονται εύκολα. Η ικανότητα συμπλοκοποίησης των παραγομένων κυκλοδεξτρινών επηρεάζεται από το ph του διαλύματος, τον βαθμό υποκατάστασης και τις ιονίζουσες ομάδες με αποτέλεσμα στερικά και ηλεκτρονιακά φαινόμενα να επηρεάζουν την ικανότητα αυτή. Οι ιοντικές κυκλοδεξτρίνες διακρίνονται σε ανιονικές και κατιονικές. Τα κυριώτερα παράγωγα των ανιονικών κυκλοδεξτρινών είναι τα σουλφαλκυλαιθερο παράγωγα: Η σουλφοπροπυλοαιθυλο-β-cd (SPΕ-β-CD) και η σουλφοβουτυλοαιθυλο-β-cd (SBE-β-CD) παράγονται μετά από αντίδραση της β-cd σε αλκαλικό υδατικό διάλυμα με propane-sultone και butanesultone αντίστοιχα. Τα ευρύτερα παραγόμενα παράγωγα της SBE-β-CD είναι άμορφα και έχουν μεγάλη υδατοδιαλυτότητα (>50 mg/ml). H SBE7-β-CD χρησιμοποιείται σε κλινικά πειράματα για παρεντερική χορήγηση φαρμάκων και είναι γνωστή με το εμπορικό όνομα Captisol ΤΜ. [Mosher και Thompson, Stella and Rajewski(1991), Szente and Szetli (1999), Okimoto και συνεργάτες (1996), Hirayama και συνεργάτες (1999)]. Σχήμα 9: Η χημική δομή της SBE-β-κυκλοδεξτρίνης R= -(CH 2 ) 4 SO 3 Na ή Η

31 31 Πίνακας 4: Η γενική δομή των κυκλοδεξτρινών και των κυριοτέρων παραγώγων τους με φαρμακευτικό ενδιαφέρον [Stella and Rajewski, (1997)]. Κυκλοδεξτρίνη Συντομογραφία R n α-κυκλοδεξτρίνη α-cd Η 4 β-κυκλοδεξτρίνη β- CD Η 5 γ-κυκλοδεξτρίνη γ- CD Η 6 6-ο-γλυκόσυλ-β-κυκλοδεξτρίνη G-β-CD Γλυκόσυλ- ή Η 5 6-ο-μαλτόσυλ-β-κυκλοδεξτρίνη M-β-CD Μαλτόσυλ- ή Η 5 Διμεθυλιωμένη-β-κυκλοδεξτρίνη DM-β-CD CH 3 ή H 5 Τριμεθυλιωμένη-β-κυκλοδεξτρίνη TM-β-CD CH 3 ή H 5 Τυχαίως μεθυλ-β-κυκλοδεξτρίνη RM-β-CD CH 3 ή H 5 2-Υδρόξυπροπυλ-β-κυκλοδεξτρίνη HP-β-CD CH 2 CHOHCH 3 ή H 5 Υδροξυβουτενύλ-β-κυκλοδεξτρίνη Hben-β-CD CH 2 CHOHCHCH 2 ή H 5 Σουλφοβουτυλαίθερ-βκυκλοδεξτρίνη SBE-β-CD (CH 2 ) 4 SO 3 Na ή H 5 * Τα παράγωγα μπορούν να έχουν διαφορετικό DS της 2,3 ή 6 θέσης της γλυκοπυρανόζης

32 32 4. ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΛΟΚΩΝ ΚΥΚΛΟΔΕΞΤΡΙΝΩΝ ΜΕ ΒΙΟΔΡΑΣΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ Η βασικότερη ιδιότητα των κυκλοδεξτρινών είναι η ικανότητά τους να εγκλωβίζουν στην υδρόφοβη κοιλότητά τους είτε ολόκληρα μόρια βιοδραστικών ενώσεων είτε υδρόφοβα τμήματα των ενώσεων αυτών, σε υδατικά διαλύματα. [Masson (2003)] Σχήμα 10: Μοντέλο του σχηματισμού συμπλόκου έγκλεισης βιοδραστικής ένωσης/κυκλοδεξτρίνης (σύμπλοκο σαλικυλικού οξέος : β-κυκλοδεξτρίνης) Τα σύμπλοκα που σχηματίζονται ονομάζονται σύμπλοκα έγκλεισης καθώς σε αυτά δεν σχηματίζονται πραγματικοί δεσμοί μεταξύ των μορίων. Η σταθερότητα των συμπλόκων αυτών οφείλεται σε: 1. Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις 2. Δυνάμεις Van der Waals 3. Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις 4. Δεσμούς υδρογόνου 5. Στην απομάκρυνση μορίων νερού με μεγάλη ενθαλπία από την υδρόφοβη κοιλότητα

33 ΣΤΑΘΕΡΑ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΣΥΜΠΛΟΚΩΝ ΕΓΚΛΕΙΣΗΣ Σχήμα 11: Σχηματική απεικόνιση του σχηματισμού συμπλόκου έγκλεισης λιπόφιλης βιοδραστικής ουσίας:κυκλοδεξτρίνης. Η σταθερά συμπλοκοποίησης ή σταθερά σχηματισμού συμπλόκου είναι μια σταθερά που προσδιορίζεται πειραματικά μετρώντας τη μεταβολή μιας φυσικοχημικής ιδιότητας (διαλυτότητα, απορρόφηση) του βιοδραστικού μορίου με αλλαγές της συγκέντρωσης του βιοδραστικού μορίου ή/και της κυκλοδεξτρίνης. Η τιμή της σταθεράς αυτής, με μονάδα το M -1, αποτελεί μέτρο της ικανότητας συμπλοκοποίησης των διαφόρων κυκλοδεξτρινών. Για απλούστευση, το S θα συμβολίζει το εγκλωβιζόμενο μόριο (guest molecule) και το L θα συμβολίζει το ξενιστή (host molecule), δηλαδή την κυκλοδεξτρίνη. Έτσι, ο σχηματισμός ενός συμπλόκου έγκλεισης περιγράφεται από τη γενική εξίσωση: ms + nl S m L n όπου m και n είναι ο αριθμός των μορίων της δραστικής ουσίας και της κυκλοδεξτρίνης, αντίστοιχα. Η σταθερά ισορροπίας είναι ίση με:

34 34 Κ= [ SmLn] m n [ S] [ L] (4.1) Η στοιχειομετρική αναλογία των συμπλόκων που σχηματίζονται διαφέρει και εξαρτάται από το τύπο της κυκλοδεξτρίνης και από το μέγεθος και τις φυσικοχημικές ιδιότητες της βιοδραστικής ένωσης. Η πιο απλή και γνωστή στοιχειομετρική αναλογία είναι 1:1, οπότε το σύμπλοκο συμβολίζεται S:L. S + L SL Κ = [ SL] 1:1 [ S][ L] (4.2) Όταν όμως η κοιλότητα της κυλοδεξτρίνης είναι αρκετά μεγάλη δύο μόρια βιοδραστικής ένωσης μπορούν να εγκλωβιστούν, οπότε σχηματίζεται σύμπλοκο 2:1 (S 2 L). S + SL S 2 L [ SL] [ S][ SL] Κ = 2 (4.3) 2:1 Αντίστοιχα, αν το μόριο του βιοδραστικού μορίου είναι πολύ μεγάλο τότε απαιτούνται περισσότερα από ένα μόρια κυκλοδεξτρίνης για να το εγκλωβίσουν και σχηματίζονται σύμπλοκα 1:2 (SL 2 ) ή μεγαλύτερης τάξης. SL + L SL 2 [ SL ] [ SL][ L] 2 Κ 1:2 = (4.4) ή S + L 2 SL 2

35 35 [ SL ] Κ = 2 1:2 [ S][ L2 ] (4.5) Σχήμα 12: Α. Τμήμα του μορίου της δοξορουβικίνης εγκλωβίζεται στη κοιλότητα της γ-κυκλοδεξτρίνης Β. Ολόκληρο το μόριο του ακέτυλο σαλικυλικού οξέος εγκλωβίζεται στη κοιλότητα της β-κυκλοδεξτρίνης 4.2 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΦΑΣΕΩΝ Η πιο κοινή μέθοδος για τον προσδιορισμό της σταθεράς συμπλοκοποίησης και της στοιχειομετρίας του συμπλόκου είναι η μελέτη της διαλυτότητας φάσεων [Higuchi and Connors(1965)]. Η τεχνική αυτή περιλαμβάνει αρχικά την προσθήκη σταθερής ποσότητας βιοδραστικής ουσίας (Substrate) σε μία σειρά από περιέκτες (vials) ανάλογα με την φυσιολογική διαλυτότητα του φαρμάκου. Σε κάθε περιέκτη προστίθεται σταθερός όγκος υδατικού διαλύματος προοδευτικά αυξανόμενης συγκέντρωσης σε κυκλοδεξτρίνη (Ligand). Οι περιέκτες σφραγίζονται και αφήνονται υπό ανάδευση σε σταθερή θερμοκρασία μέχρι να αποκατασταθεί ισορροπία. Στη συνέχεια τα υδατικά διαλύματα αναλύονται και προσδιορίζεται η ολική συγκέντρωση του υποστρώματος ανεξάρτητα από την μοριακή κατάστασή του. Τέλος κατασκευάζεται ένα διάγραμμα φάσεως ή ισόθερμος διαλυτότητας με τη γραφική παράσταση της ολικής συγκέντρωσης του υποστρώματος [S] ως προς τη συγκέντρωση του υποκαταστάτη που προστέθηκε στο σύστημα [Connors (1987)] Τα διαγράμματα φάσεως διακρίνονται σε δύο γενικούς τύπους: 1. Στα διαγράμματα τύπου Α, τα οποία χαρακτηρίζονται από το σχηματισμό διαλυτών συμπλόκων μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας και από την συνεχή

36 36 αύξηση της διαλυτότητας του υποστρώματος όσο αυξάνεται η συγκέντρωση του υποκαταστάτη. Τα διαγράμματα τύπου Α διακρίνονται σε 3 κατηγορίες: Α L type: Είναι τα διαγράμματα στα οποία το σύμπλοκο εμφανίζει πρώτης τάξης σχέση με τη συγκέντρωση του υποκαταστάτη και πρώτης ή μεγαλύτερης τάξης σχέση με τη συγκέντρωση του υποστρώματος (SL, S 2 L, S 3 L, S m L). Το διάγραμμα αυτό παριστά μια γραμμική σχέση ανάμεσα στη συγκέντρωση του υποκαταστάτη και τη συνολική συγκέντρωση της βιοδραστικής ουσίας στο διάλυμα. Α p type: Είναι τα διαγράμματα στα οποία εμφανίζεται θετική απόκλιση από τη γραμμική σχέση και στα οποία το σχηματιζόμενο σύμπλοκο εμφανίζει πρώτης τάξης σχέση με τη συγκέντρωση της βιοδραστικής ουσίας και δεύτερης ή μεγαλύτερης τάξης σχέση με τη κυκλοδεξτρίνη (SL 2, SL 3, SL n ). Α N type: Είναι τα διαγράμματα στα οποία εμφανίζεται αρνητική απόκλιση από τη γραμμική σχέση και στα οποία το σχηματιζόμενο σύμπλοκο εμφανίζει πρώτης τάξης σχέση με τη συγκέντρωση της κυκλοδεξτρίνης και δεύτερης ή μεγαλύτερης τάξης σχέση με τη βιοδραστική ουσία. 2. Στα διαγράμματα τύπου Β, τα οποία χαρακτηρίζονται από το σχηματισμό συμπλόκων περιορισμένης διαλυτότητας. Τα σύμπλοκα αυτά καταβυθίζονται πάνω από μία ορισμένη συγκέντρωση κυκλοδεξτρίνης. Στην ισόθερμο Β s το τμήμα xy υποδεικνύει το σχηματισμό ενός ευδιάλυτου συμπλόκου που αυξάνει τη συγκέντρωση της βιοδραστικής ουσίας και είναι παρόμοιο με τα διαγράμματα τύπου Α. Στο σημείο y όμως, η ευθεία οριζόντια γραμμή υποδεικνύει ότι παρά το σχηματισμό συμπλόκου, η συνολική συγκέντρωση της διαλυτοποιημένης βιοδραστικής ουσίας παραμένει σταθερή, επομένως το σύμπλοκο που σχηματίζεται είναι δυσδιάλυτο. Στο τελευταίο τμήμα της ισοθέρμου παρατηρείται μία απότομη πτώση της συγκέντρωσης της διαλυτοποιημένης βιοδραστικής ουσίας λόγω του σχηματισμού δυσδιάλυτων συμπλόκων με τα μόρια της κυκλοδεξτρίνης. Η ισόθερμος Β Ι είναι παρόμοια με τη B s με τη διαφορά ότι το σύμπλοκο που σχηματίζεται είναι τόσο δυσδιάλυτο που δεν παρατηρείται αύξηση της διαλυτότητας της βιοδραστικής ουσίας [Connors (1987)].

37 37 Γράφημα 4: Διάγραμμα των διαφόρων τύπων ισοθέρμων διαλυτότητας κατά Higuchi και Connors ΣΥΜΠΛΟΚΑ 1:1 Βασικός στόχος των διαγραμμάτων φάσεως είναι ο προσδιορισμός της στοιχειομετρίας και ο υπολογισμός των σταθερών συμπλοκοποίησης των σχηματιζόμενων συμπλόκων. Έστω ότι έχουμε το σχηματισμό ενός συμπλόκου 1:1. Οι συνολικές ποσότητες υποστρώματος (S) και υποκαταστάτη (L) είναι: [S] t = [S] f + [S] b (4.6) [L] t = [L] f + [L] b [L] f = [L] t - [L] b (4.7) όπου [S] t και [L] t συμβολίζεται η συνολική, [S] f και [L] f η ελεύθερη και [S] b και [L] b η δεσμευμένη ποσότητα της βιοδραστικής ουσίας και της κυκλοδεξτρίνης, αντίστοιχα. Επειδή όμως η ελεύθερη ποσότητα του υποστρώματος είναι ίση με την υδατοδιαλυτότητα (S 0 ) αυτού, η σχέση (1.6) γίνεται: [S] t = S 0 + [S] b (4.8)

38 38 Δεχόμενοι ότι το σύμπλοκο που σχηματίζεται έχει στοιχειομετρία 1:1 συνεπάγεται ότι η συγκέντρωση της δεσμευμένης βιοδραστικής ουσίας θα ισούται με τη συγκέντρωση της δεσμευμένης κυκλοδεξτρίνης και εκείνη με τη σειρά της θα ισούται με τη συγκέντρωση του συμπλόκου που σχηματίζεται. Δηλαδή: [S] b = [L] b = [SL] (4.9) ισούται με: Με βάση την αντίδραση S + L SL η σταθερά συμπλοκοποίησης θα Κ 1:1 = [SL] / [S] f [L] f (1.8) Κ 1:1 = [SL] / S 0 [L] f (4.10) Από τις σχέσεις (4.7), (4.9), (4.10) συνεπάγεται ότι: Κ [ SL] [ SL] = Κ = S ([ L ] [ L ]) S ([ L ] [ SL]) 1:1 1:1 0 t b 0 t (4.11) Λύνοντας την εξίσωση (4,10) ως προς [SL] έχουμε: [ SL] = K1:1 S0 [ L] t 1+ K S 1:1 0 (4.11) Επομένως, η γραφική παράσταση της συγκέντρωσης της διαλυτοποιημένης βιοδραστικής ουσίας έναντι της συνολικής συγκέντρωσης της κυκλοδεξτρίνης, δηλαδή η ισόθερμος διαλυτότητας, δίνει μια ευθεία γραμμή που τέμνει τον άξονα y στο σημείο S 0. Από την κλίση της ευθείας μπορεί εύκολα να υπολογιστεί η σταθερά K 1:1 καθώς: Κ λση ί = K1:1[ S0 ] K [ S ] + 1 1:1 0 (4.12) κλíση Επομένως K1:1 = S0 (1 κλíση) (4.13)

39 39 Η τιμή της Κ 1:1 είναι συνήθως μεταξύ 50 και 2000 Μ -1 και η μέση τιμή για την α-, β-, γ- κυκλοδεξτρίνη είναι 129, 490 και 355 Μ -1 αντίστοιχα. Αυτή όμως η σχέση ισχύει μόνο όταν η κλίση είναι μικρότερη της μονάδας. Και αυτό γιατί τα διαγράμματα Α L είναι αυτά στα οποία το σύμπλοκο εμφανίζει πρώτης τάξης σχέση με τη συγκέντρωση του υποκαταστάτη και πρώτης ή μεγαλύτερης τάξης σχέση με τη συγκέντρωση του υποστρώματος (SL, S 2 L, S 3 L, S m L). Έτσι, αν η αντίδραση έχει τη μορφή : ms + L S m L τότε από τις σχέσεις (4.7), (4.9) έχουμε ότι: [L] f = [L] t - [S m L] (4.14) και από τις σχέσεις (4.6), (4.8), έχουμε ότι: [S m L] = ([S] t [S] 0 ) / m (4.15) και τελικά προκύπτει ότι: mks L [ St ] = + S 1+ KS m 0 t m 0 0 (4.16) Επομένως η γραφική παράσταση του S t ως προς L t για το σχηματισμό ενός διαλυτού συμπλόκου S m L δίνει ευθεία γραμμή (διάγραμμα τύπου Α L ) που τέμνει τον άξονα y στο σημείο S 0 και η κλίση της δίνεται από τη σχέση: mks κλίση = (4.17) 1 + KS m 0 m 0 Για παράδειγμα στην περίπτωση σχηματισμού συμπλόκου με στοιχειομετρία 2:1 η κλίση δίνεται από το τύπο: Slope = 2S K SK : :1 όπου Κ 2:1 είναι η σταθερά συμπλοκοποίησης του συμπλόκου. Στη περίπτωση αυτή η κλίση του διαγράμματος φάσεως είναι πάντα μικρότερη από δύο.

40 40 Όταν η σχέση ανάμεσα στη συγκέντρωση της διαλυμένης βιοδραστικής ουσίας και τη συγκέντρωση της κυκλοδεξτρίνης δεν είναι γραμμική σχηματίζεται σύμπλοκο υψηλότερης τάξης. Πιο συχνά εμφανίζεται σύμπλοκο με στοιχειομετρία 1:2, δηλαδή ένα σύμπλοκο δεύτερης τάξης ως προς την κυκλοδεξτρίνη, όπου ένα μόριο βιοδραστικής ουσίας δεσμεύεται από δύο μόρια κυκλοδεξτρίνης. Ο σχηματισμός του συμπλόκου γίνεται σε δύο στάδια, με βάση τις αντιδράσεις: S + L SL SL + L SL 2 Οι σταθερές συμπλοκοποίησης των επιμέρους συμπλόκων [SL] και [SL 2 ] συμβολίζονται Κ 1:1 και Κ 1:2 αντίστοιχα και δίνονται από τη σχέσεις: K 1:1 = [ SL] [ S][ L] (4.18) K [ SL ] [ SL][ L] 2 1:2 = (4.19) Υποσημείωση: Η Κ 1:2 μπορεί να ισούται με Κ 1:2 = [SL 2 ] / [S] [L] 2. Σε αυτή τη περίπτωση η τιμή της σταθεράς διαφέρει. Με βάση της ισορροπία μάζας έχουμε: [S] t = S 0 + [SL] + [SL 2 ] (4.20) [L t ] = [L f ] + [SL] + 2[SL] 2 (4.21) (4.18), (4.19), (4.20) [S t ] = [S 0 ] + K 11 [S 0 ] [L f ] + K 11 K 12 [S 0 ] [L f ] 2 (4.22) Ομοίως (4.18), (4.19), (4.21) [L t ] = [L f ] + K 11 [S 0 ] [L f ] + 2 K 11 K 12 [S 0 ] [L f ] 2 (4.23) ή

41 41 1/ 2 b + ( b 2 + alt ) L = (4.24) 2a όπου a = 2K11K12S0 και b = 1+ K11S0 Η τιμή της Κ 12 είναι συνήθως 10 έως 500 Μ -1 και σημαντικά μικρότερη από την τιμή της Κ 11. Αντίστοιχα αν το σύμπλοκο που σχηματίζεται είναι τρίτου βαθμού ως προς την κυκλοδεξτρίνη η ολική συγκέντρωση της βιοδραστικής ουσίας και της κυκλοδεξτρίνης δίνονται από τις σχέσεις: 2 [ S ] = [ S ](1 + K [ L ] + K K [ L ] + K T [ L 0 11 f f f K K ] 3 ) (4.25) 2 3 [ L t ] [ L f ] + [ S0 K11[ L f ] + 2[ S0 ] K11K12[ L f ] + 3[ S0 ] K11K12K13[ L f ] = (4.26) όπου Κ 13 η σταθερά συμπλοκοποίησης του συμπλόκου SL 3 Στη περίπτωση τώρα που το διάγραμμα διαλυτότητας φάσεων παρουσιάζει θετική απόκλιση από τη γραμμική σχέση (ισόθερμος τύπου Α p ) και σχηματίζονται σύμπλοκα ιτρακοναζόλης-κυκλοδεξτρίνης με στοιχειομετρία 1:1 και 1:2, οι σταθερές συμπλοκοποίησης Κ 1:1 και K 1:2 μπορούν να υπολογιστούν με βάση το κινητικό μοντέλο του Iga [Iga et al (1970)], σύμφωνα με το οποίο: S S = [ SL] + [ SL ] = K S [ L](1 + K [ L]) (4.27) eq 0 2 1:1 0 1:2 L = [ L] + [ SL] + 2[ SL ] = [ L]{1 + K S (1 + K [ L])} = L (4.28) eq 2 1:1 0 1:2 t Από τις σχέσεις (4.27) και (4.28) συνεπάγεται ότι: Q L = (4.29) 1 K S 1:1 0

42 42 όπου Q= Lt 2( Seq S0) Με αντικατάσταση της εξίσωσης (4.29) στην (4.27) προκύπτει ότι: S eq 1 + K1:2[ Q] QK1:1S 0 1 K1:1S0 S0 = 1 K S 1:1 0 (4.30) η οποία οδηγεί στη γραμμική σχέση: y = a+ bq (4.31) όπου: y S S eq 0 =, Q a K S 1 K S 1:1 0 = και 1:1 0 b ak 1:2 = 1 K 1:1 S 0 Επομένως η γραφική παράσταση του y έναντι του Q δίνει ευθεία γραμμή από τη κλίση της οποίας και την τεταγμένη επί την αρχή μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε τις σταθερές συμπλοκοποίησης: K 1:1 a = S (1 ) 0 + a (4.32) K b(1 K S ) a 1:1 0 1:2 = (4.33)

43 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΣΥΜΠΛΟΚΟΠΟΙΗΣΗΣ Ο εγκλωβισμός ενός τμήματος ή ολόκληρης της βιοδραστικής ουσίας στην υδρόφοβη κοιλότητα της κυκλοδεξτρίνης σχετίζεται με μία σειρά φαινομένων - αλληλεπιδράσεων. Οι μελέτες που έχουν γίνει στο τομέα αυτο έχουν οδηγήσει στο συμπέρασμα ότι ο σχηματισμός των συμπλόκων έγκλεισης των κυκλοδεξτρινών περιλαμβάνει φαινόμενα όπως οι: Ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις Αλληλεπιδράσεις van der Waals Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις Δεσμοί υδρογόνου Απελευθέρωση μορίων ύδατος πλούσιων σε ενθαλπία Αλληλεπίδραση φόρτισης-μεταφοράς Η σημασία που έχουν οι παραπάνω καλούμενες και ασθενείς δυνάμεις στο σχηματισμό των συμπλόκων επηρεάζεται από το εγκλωβιζόμενο μόριο, τη κυκλοδεξτρίνη και το διαλύτη και στις περισσότερες των περιπτώσεων περισσότερες από μία δυνάμεις συμμετέχουν στη συμπλοκοποίηση. Πρέπει όμως εδώ να σημειωθεί ότι αναφερόμαστε μόνο στις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στο μόριο της βιοδραστικής ουσίας και την επιφάνεια της υδρόφοβης κοιλότητας της κυκλοδεξτρίνης και όχι στις αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στη βιοδραστική ουσία και τις ομάδες των υποκαταστατών στις τροποποιημένες κυκλοδεξτρίνες [Szejtli (1996), Connors (1997)]. Σχήμα 13: Ο σχηματισμός των συμπλόκων έγκλεισης περιλαλαμβάνει πολλαπλές αλληλεπιδράσεις μεταξύ βιοδραστικού μορίου, διαλύτη και κυκλοδεξτρίνης

44 ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΕΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ: Αλληλεπιδράσεις van der Waals Οι δεσμοί van der Waals είναι μία μη ειδική δύναμη και δημιουργούνται όταν δύο άτομα βρεθούν σε απόσταση 3 έως 4 Å μεταξύ τους. Παρά το γεγονός ότι είναι ασθενέστεροι και λιγότερο εξειδικευμένοι σε σύγκριση με τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις και τους δεσμούς υδρογόνου, δεν είναι λιγότερο σημαντικοί για το σχηματισμό των συμπλόκων έγκλεισης. Οι αλληλεπιδράσεις van der Waals δημιουργούνται από την αλλαγή της κατανομής του ηλεκτρονικού φορτίου γύρω από τα άτομα με το χρόνο (παροδικά δίπολα). Σε μία δεδομένη στιγμή, η κατανομή του φορτίου δεν είναι απολύτως συμμετρική. Αυτή η ασύμμετρη κατανομή ηλεκτρονικών φορτίων γύρω από ένα άτομο, ενθαρρύνει μια παρόμοια ασυμμετρία στην κατανομή ηλεκτρονίων γύρω από τα γειτονικά του άτομα (δίπολα εξ επαγωγής). Η συνεπαγόμενη έλξη μεταξύ ενός ζεύγους ατόμων αυξάνει καθώς αυτά πλησιάζουν μέχρι να φτάσουν στην απόσταση επαφής van der Waals. Σε αποστάσεις μικρότερες από αυτή αναπτύσσονται πολύ ισχυρές απωστικές δυνάμεις, επειδή τα εξωτερικά νέφη των ηλεκτρονίων αλληλεπικαλύπτονται. Οι απωστικές αυτές δυνάμεις ονομάζονται δυνάμεις London, ενώ εμπλέκονται και οι αλληλεπιδράσεις διπόλουδιπόλου και διπόλων εξ επαγωγής. Ο όρος αλληλεπιδράσεις Van Der Waals περιλαμβάνει τις δυνάμεις διπόλου-διπόλου, τις δυνάμεις London και τις δυνάμεις διπόλου-διπόλου εξ επαγωγής. Η απόσταση μεταξύ ατόμων οξυγόνου και άνθρακα είναι για παράδειγμα 3,4 Å και αυτό γιατί αποτελεί το άθροισμα 1,4 και 2 Å των ακτίνων επαφής των ατόμων Ο και C. Η ενέργεια του δεσμού van der Waals για ένα ζεύγος ατόμων είναι περίπου 1 Kcal/mol, επομένως σημαντικά ασθενέστερη σε σύγκριση με την αντίστοιχη ενός δεσμού υδρογόνου ή ενός ηλεκτροστατικού δεσμού που κυμαίνεται από 3 έως 7 Kcal/mol. Επομένως ένας μόνο δεσμός van der Waals έχει πολύ μικρή σημασία, ειδικά όταν η απόσταση ενός ζεύγους ατόμων γίνεται έστω κατά 1 Å μεγαλύτερη από την απόσταση επαφής τους. Αντιθέτως οι δυνάμεις αυτές γίνονται σημαντικές όταν μεγάλος αριθμός ατόμων ενός μορίου μπορεί να πλησιάσει ταυτόχρονα πολλά άτομα ενός άλλου μορίου. Αυτό είναι δυνατόν να συμβεί μόνο όταν το σχήμα των μορίων

45 45 ταιριάζει. Με άλλα λόγια, η αποτελεσματικότητα των δεσμών van der Waals εξαρτάται από την συμπληρωματικότητα των μορίων στο χώρο. Έτσι, παρόλο που δεν υπάρχει καθόλου εξειδίκευση σε ένα μόνο δεσμό van der Waals, η εξειδίκευση προκύπτει από από την ευκαιρία να δημιουργηθούν πολλοί δεσμοί van der Waals συγχρόνως στο εσωτερικό της κοιλότητας της κυκλοδεξτρίνης [Szejtli (1996), Connors (1997), Liu and Guo (2002), Strayer] ΥΔΡΟΦΟΒΕΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ Με τον όρο υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις περιγράφουμε την τάση των υδρόφοβων μορίων ή των υδρόφοβων τμημάτων των μορίων να αποφεύγουν το νερό επειδή αυτά δεν μπορούν να προσαρμοσθούν στη χαρακτηριστική δομή του νερού με τους δεσμούς υδρογόνου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μεγάλα υδρόφοβα μόρια να συζεύγνυνται μεταξύ τους, στη προσπάθειά τους να αποφύγουν τα μόρια του νερού, και να σχηματίζουν δομές παρόμοιες με αυτές των μικυλλίων, με τα μη πολικά τμήματα σε επαφή στις εσωτερικές περιοχές των μικυλλίων αυτών από όπου έχουν απομακρυνθεί τα μόρια του νερού, ενώ αντίστοιχα τα πολικά τους τμήματα προεξέχουν προς την επιφάνεια του μικυλλίου αλληλεπιδρώντας με τα μόρια του νερού. Η αλληλεπίδραση αυτή οδηγεί σε θετική μεταβολή της ενθαλπίας και της εντροπίας του συστήματος και η μεταβολή αυτή θεωρήθηκε ως ένδειξη της ύπαρξης υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων. Μάλιστα η αύξηση της εντροπίας είναι σημαντικά μεγαλύτερη με αποτέλεσμα το φαινόμενο να ελέγχεται ουσιαστικά από την μεταβολή της. Αρχικά, το γεγονός ότι κατά το σχηματισμό των συμπλόκων έγκλεισης των κυκλοδεξτρινών η μεταβολή των δύο θερμοδυναμικών παραμέτρων είναι αρνητική οδήγησε στο λανθασμένο συμπέρασμα ότι η συνεισφορά των υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων κατά τη συμπλοκοποίηση είναι πολύ μικρή. Στη συνέχεια όμως αποδείχθηκε ότι οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις παίζουν ουσιαστικό ρόλο στη συμπλοκοποίηση και ότι η θετική αύξηση της εντροπίας και της ενθαλπίας υπερκαλύπτονται από τις αρνητικές αλλαγές που οφείλονταν στην απελευθέρωση μορίων πλούσιων σε ενθαλπία και στις αλληλεπιδράσεις van der Waals. Η μοναδική όμως πηγή αύξησης της εντροπίας είναι η υδρόφοβος αλληλεπίδραση [Connors (1997), Liu and Guo (2002), [Loftsson & Brewster (1996)].

46 ΔΕΣΜΟΙ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Οι διαμοριακές ελκτικές δυνάμεις για ορισμένες υδρογονούχες ενώσεις είναι ασυνήθιστα ισχυρές. Οι ελκτικές αυτές δυνάμεις εμφανίζονται σε υδρογονούχες ενώσεις, στις οποίες το υδρογόνο είναι ομοιοπολικά ενωμένο μ ενα ισχυρα ηλεκτραρνητικό και μικρό σε μέγεθος άτομο Υ- όπως το οξυγόνο, το άζωτο, το χλώριο και το φθόριο. Σ αυτές τις ενώσεις τα ηλεκτρόνια του δεσμού Υ-Η έλκονται τόσο ισχυρά από το στοιχείο Υ, ώστε στο άτομο Η εμφανίζεται ένα σημαντικό θετικό φορτίο δ+. Στην ουσία το άτομο Η, απογυμνωμένο από τη θωράκιση των ηλεκτρονίων του δεσμού δεν διαφέρει πολύ από ένα πρωτόνιο. Το άτομο Η ενός μορίου Υ-Η και ένα ελεύθερο ζεύγος ηλεκτρονίων του ηλεκτραρνητικού ατόμου Υ ενός γειτονικού μορίου έλκονται αμοιβαία σχηματίζοντας αυτό που ονομάζουμε δεσμό ή γέφυρα υδρογόνου. Η ενέργεια των δεσμών κυμαίνεται από 3 έως 7 Kcal/mol. Οι δεσμοί υδρογόνου είναι ισχυρότεροι από τους δεσμούς Van der Waals, αλλά πολύ ασθενέστεροι απ ότι οι ομοιοπολικοί δεσμοί. Το μήκος ενός δεσμού υδρογόνου κυμαίνεται μεταξύ αυτού του ομοιοπολικού δεσμού και ενός δεσμού van der Waals. Οι δεσμοί υδρογόνου παίζουν σημαντικό ρόλο στη συμπλοκοποίηση των κυκλοδεξτρινών σε υδατικά διαλύματα και εμφανίζονται κυρίως στη πρωτογενή Ο(6)-Η ομάδα των κυκλοδεξτρινών και πιο σπάνια στα δευτερογενή Ο(2) και Ο(3) άτομα ενώ έχουν βρεθεί και δεσμοί C-H O, C-H N και C-H π μεταξύ της επιφάνειας της εσωτερικής κοιλότητας και του βιοδραστικού μορίου, με ενέργεια που κυμαίνεται μεταξύ 0,7 και 1,1 Kcal/mol [Liu and Guo (2002)] ΑΠΕΛΕΥΘΕΡΩΣΗ ΜΟΡΙΩΝ ΥΔΑΤΟΣ ΠΛΟΥΣΙΩΝ ΣΕ ΕΝΘΑΛΠΙΑ Επειδή η κοιλότητα της κυκλοδεξτρίνης είναι μη πολική, τα μόρια του νερού που βρίσκονται στο εσωτερικό της κυκλοδεξτρίνης δεν μπορούν να σχηματίσουν τον ίδιο αριθμό δεσμών υδρογόνου με τα μόρια που περιβάλλουν τη κυκλοδεξτρίνη, με αποτέλεσμα τα πρώτα να έχουν υψηλότερη ενέργεια και να καλούνται μόρια ύδατος πλούσια σε ενθαλπία. Η απελευθέρωση των μορίων αυτών από την κοιλότητα της κυκλοδεξτρίνης προκειμένου να αυξήσουν τον αριθμό των δεσμών υδρογόνου με τα μόρια του περιβάλλοντος διαλύτη και η παράλληλη αντικατάστασή τους από τα