Nuevas estrategias para el transporte de iones y la encapsulación selectiva de ligandos basadas en α,γ-ciclopéptidos

Resumen

Desde el desarrollo de la química moderna, ha existido la necesidad creciente de obtener estructuras cada vez más complejas desde el punto de vista de su tamaño, función o biocompatibilidad. Por ello, en un primer momento, la química sintética ha jugado un papel relevante a la hora de desarrollar nuevas metodologías para la obtención de enlaces químicos covalentes o nuevas estrategias para la modificación selectiva de grupos funcionales. A pesar del gran avance que ha experimentado la síntesis orgánica en las últimas décadas, siguen existiendo limitaciones a la hora de obtener ciertas estructuras complejas de gran tamaño y que presenten grupos funcionales orientados en una zona precisa del espacio tridimensional, ya que su preparación mediante únicamente enlaces covalentes sería inabarcable desde el punto de vista del tiempo y el esfuerzo humano que requerirían. Es por ello por lo que, más recientemente, ha emergido una nueva área que se conoce como química supramolecular y que, como su propio nombre indica, estudia las interacciones más allá de las moléculas singulares. Esta disciplina se centra en el estudio de las interacciones entre diferentes entidades químicas mediante las conocidas como interacciones débiles (enlace de hidrógeno, interacciones tipo π, fuerzas de Van der Waals, etc.), lo que permite que precursores sintéticamente sencillos se asocien para dar lugar a morfologías tridimensionales concretas. Esto se logra debido a que, a pesar de que la contribución de cada interacción sea entálpicamente pequeña, el conjunto de todas ellas es capaz de superar la barrera entrópica que supone ordenar tantas subunidades en una estructura supramolecular compleja. Dentro de la gran diversidad de topologías a las cuales ha sido posible tener acceso siguiendo esta estrategia supramolecular, caben destacar las estructuras tubulares y otras arquitecturas con cavidades que presenten grupos funcionales a la carta, que se suelen englobar en una categoría conocida como “cápsulas supramoleculares”. La relevancia de estos complejos reside en su capacidad de confinar ciertas moléculas en su interior de forma selectiva, siendo estas implicaciones muy significativas en campos como la catálisis, el desarrollo de sensores o a la hora de emular las reacciones o la translocación de sustancias a través de membranas lipídicas que se observan en el medio biológico, por ejemplo, en el sitio catalítico de las enzimas o en el interior de las proteínas transportadoras de membrana. En este campo, nuestro grupo de investigación ha desarrollado en las últimas dos décadas una robusta metodología para la síntesis de ciclopéptidos (CPs) compuestos por varios tipos de aminoácidos (Aas) diferentes. En particular, somos pioneros en el uso de γ aminoácidos cíclicos (γ-Aca) en combinación con α aminoácidos naturales de quiralidad opuesta. los cuales, al incorporarse en la estructura ciclopeptídica adquieren una conformación plana que permite la posterior formación de largas estructuras tubulares huecas. Si se desea, se pueden preparar unidades más cortas que derivan del bloqueo del ensamblaje debido a la prevención de la formación de los enlaces de hidrógeno en una de las caras del CP. La principal característica que presentan estos α,γ-CPs es la asimetría que presentan sus caras superior e inferior, dado que en cada una de ellas se proyecta todos los grupos NH y carbonilo de una única familia de Aas. Esta característica, junto con la capacidad de modificar el diámetro interno del anillo variando el número total de Aas que lo componen, permite modular la fortaleza de las interacciones que dirigen el ensamblaje supramolecular, lo que le confiere a la estructura resultante una cierta respuesta química frente a estímulos externos. Además, los γ-Aca proyectan hacia el interior de la cavidad un grupo metileno (posición β del cicloalcano), que abre la puerta a la obtención de cavidades funcionalizadas al utilizar un γ-Aca que contenga una posición β modificada. Con la idea de profundizar en el estudio de estas estructuras supramoleculares y tratando de aprovechar al máximo las ventajas que estas presentan en la preparación de cavidades funcionales con topologías definidas, el contenido de esta tesis doctoral se centrará en el diseño y la síntesis de nuevos α,γ-CPs modificados en su eje vertical con grupos funcionales que permitan la obtención de cápsulas supramoleculares, así como nuevas topologías tubulares en la escala nanométrica. En el primer capítulo de esta memoria, se aborda la síntesis de una nueva clase de estructuras tubulares que, de forma pionera en bibliografía, presentan un diámetro alternante. Para dicho fin, se utilizaron dos tipos de CPs bloqueados en su cara γ que presentan diferentes tamaños (diferente número de Aas en su secuencia) los cuales, por tanto, presentan diferencias significativas en su constante de autoensamblaje para dar dímeros. Para poder llevar a cabo la unión covalente de los dos tipos de anillos, se optó por utilizar en la secuencia peptídica dos γ-Acas que incorporasen grupos funcionales ortogonales entre sí sobre el grupo amina. En esta línea, se prepararon un α,γ-ciclooctapéptido equipado con dos grupos propargilo y un α,γ-ciclotetrapéptido con cadenas de propilazida, que posteriormente se unieron mediante una cicloadición 1,3-dipolar de Huisgen, comúnmente conocida como reacción de click. El bis-ciclopéptido covalente resultante de esta transformación química presenta, como era de esperar, dos posibles modos de interacción para dar dímeros con propiedades muy diferentes entre sí. Por un lado, la cara α del ciclooctapéptido presenta una constante de asociación muy elevada en disolventes apolares como el cloroformo (Ka>105), mientras que en el caso del tetrapéptido la constante de asociación, que se calculó empíricamente utilizando modelos termodinámicos, resultó ser varios órdenes de magnitud más baja. Esta gran diferencia de Ka le confiere a esta molécula unas características muy interesantes a la hora de modular el grado de agregación de los nanotubos resultantes de las sucesivas interacciones a través de las caras α previamente descritas. Así, fue posible determinar por RMN la influencia que ciertos parámetros como la concentración de la muestra o la temperatura del medio tenían en el equilibrio entre monómeros discretos y nanotubos, tan grandes que se volvían insolubles en disolventes apolares. También fue posible bloquear el crecimiento de los nanotubos mediante la adición de pequeñas cantidades de disolventes próticos que compitan con los enlaces de hidrógeno débiles del α,γ-ciclotetrapéptido o la incorporación al sistema de un ciclopéptido complementario al octapéptido, que forma preferentemente heterodímeros e imposibilita la sucesiva agregación del sistema. Para estimar los tamaños de las especies en disolución y sacar así información relativa al grado de agregación del sistema se recurrió a la técnica de DOSY, la cual arrojó correlaciones claras entre concentración y tamaño de las estructuras supramoleculares obtenidas. En el segundo capítulo, decidimos mantener una estrategia similar a la hora de preparar los ciclopéptidos funcionalizados para tener acceso a estructuras que pudiesen comportarse como transportadores de membrana, imitando a las moléculas anfipáticas que existen en la naturaleza conocidas como ionóforos, las cuales son capaces de transportar con gran eficiencia cationes y aniones inorgánicos de un lado de una bicapa lipídica al opuesto. En primer lugar, se llevó a cabo un estudio de estructura-actividad con una familia de CPs que diferían en el tamaño del anillo y el número de posiciones modificables en su plano vertical, que se gobernaba por el número de Aas N-funcionalizados con propargilos que incorporaban a su estructura. Esto permitió acoplarles diferentes cadenas de azido-oligoetilenglicol de longitudes variables para dar lugar a moléculas con una parte central rígida dotada con un número variable de tentáculos. La finalidad de estas moléculas era la de provocar un incremento de permeabilidad en las membranas que facilitase el transporte de protones. Desafortunadamente, los resultados con estos transportadores largos fueron bastante modestos, por lo que decidimos variar el modelo de transporte Para dicho fin, nuestra estrategia fue preparar un α,γ-ciclohexapéptido que contuviese tres γ-Acas funcionalizados nuevamente con grupos propargilo. De esta forma, tras la síntesis peptídica fue posible incorporar grupos directores tipo piridina, usando la reacción de Sonogashira con diferentes isómeros de yodo-piridina. Los ionóforos resultantes presentaron una actividad magnífica a la hora de transportar iones inorgánicos a través de membranas lipídicas modelo de fosfatidilcolina. Los experimentos realizados sirvieron para demostrar que estas moléculas, en su forma dimérica, actuaban como symporters, ya que, para mantener el balance de cargas durante el proceso de transporte, generaban el tránsito transmembranal de un catión y un anión simultáneamente. Curiosamente, si se rompe el homodímero de ciclopéptidos funcionalizados con piridina con otro ciclohexapéptido complementario, se pierde prácticamente toda la actividad, sugiriendo que ambas tapas de tripiridina son necesarias para un transporte efectivo. Por último, se demostró que se requiere que la membrana se encuentre en estado de mosaico fluido que permita la movilidad de estos transportadores a su través, ya que, si la bicapa lipídica estaba en el estado de gel, no se pudo transporte alguno, excluyendo así que estos compuestos establezcan canales de membrana. En el tercer capítulo de esta memoria, nos centramos en el estudio de la capacidad que presentan los dímeros estudiados en el segundo capítulo para actuar como cápsulas supramoleculares versátiles, además de ampliar el estudio con otras cápsulas de cavidad más grande (α,γ-ciclooctapéptidicas) y cerradas completamente en la parte superior con diferentes metaloporfirinas, que actúan a su vez como grupos directores de la encapsulación de ligandos. En cuanto a los α,γ-ciclohexapéptidos equipados con diferentes isómeros de piridinas, se estudió la capacidad de las tapas piridínicas para dirigir la inclusión en la cavidad de ligandos tipo diamonios lineales. Al analizar ligandos alquílicos de diferentes longitudes, se pudo observar por RMN la variación de las señales en el dímero de los hexapéptidos, lo que evidencia la interacción con la especie dicatiónica. Además, se observó por DOSY que existe una relación directa entre la longitud del ligando bajo estudio y el tamaño de las especies supramoleculares que se forman. Este comportamiento se explica en base a que, si la longitud de la molécula huésped no es la apropiada para formar el aducto de inclusión, el sistema tiende a formar entramados moleculares de mayor tamaño derivados de interacciones intermoleculares en donde los diamonios puentean diferentes dímeros ciclopeptídicos por su parte externa. La presencia de las tres unidades de piridina también permite explotar la encapsulación de otros ligandos a través de la coordinación inicial de un metal de geometría apropiada que dirija la incorporación de un cuarto ligando (molécula huésped) en el volumen de la cavidad. En esta área, hemos explorado el uso de Cu (I), que forma complejos de geometría tetraédrica los cuales satisfacen las necesidades de nuestro sistema. Para ello, nos basamos en una primera etapa que supone la complejación de una molécula de CuI en cada una de las tapas tripiridínicas. Los complejos derivados de esta interacción demostraron ser estables durante varios días y pudieron ser caracterizados en profundidad. La siguiente etapa consistió en la liberación de uno de los orbitales de coordinación del centro metálico, mediante tratamiento por una sal de plata para precipitar el ion yoduro que inicialmente tenía unido el metal. Desafortunadamente, tras llevar a cabo esta precipitación en presencia de una variedad de ligandos tipo dinitrilo de diferente longitud, siempre se observaba la degradación de la muestra, causada probablemente por la oxidación de Cu(I) a Cu(II) tras perder el ion yoduro que le acompaña, imposibilitando así la detección de los complejos de encapsulación de dinitrilos en la cápsula. En cuanto a las cápsulas derivadas de ciclooctapéptidos, se siguió una estrategia sintética que permite posicionar en el plano vertical al macrociclo peptídico dos grupos hidrazida. De esta manera, se puede diseñar una porfirina complementaria que contenga dos unidades de benzaldehído en posiciones meso no adyacentes para llevar a cabo el acoplamiento, dando lugar a una cápsula que se mantiene unida por el proceso de dimerización del CP y los enlace hidrazona entre este y las tapas de porfirina. En este punto, fue posible equipar esta molécula con un centro metálico de Zn por un lado y de Sn por otro. Con esta combinación de metales se decidió llevar a cabo el reconocimiento de moléculas que tuviesen dos grupos funcionales diferentes, cada uno de ellos complementario con uno de los centros metálicos. En nuestro caso particular, estos grupos resultaron ser un anillo de piridina, que forma complejos estables con metaloporfirinas de Zn, y un anillo de ácido benzoico complementario con la porfirina de Sn, mucho más oxofílica. De esta manera, esperábamos poder observar un proceso de self-sorting inducido por la adición de un ligando apropiado, que desplazaría el equilibrio hacia la formación del complejo de inclusión exclusivamente, frente a todas las posibilidades que estadísticamente se podrían dar en presencia de las dos cápsulas diferentes. En esta línea, se sintetizaron una serie de ligandos heterofuncionales lineales y relativamente rígidos para estudiar su encapsulación por parte de la mezcla equimolar de las cápsulas. En primer lugar, se realizaron valoraciones mediante espectroscopía UV-vis, que revelaron un comportamiento complejo y en ocasiones algo errático sobre el proceso de interacción cápsula-ligando. Se pudo observar que analizando parámetros como la Abs o la λmax de la banda Soret o, mejor dicho, de la mezcla de bandas Soret, de las porfirinas de Zn y Sn en presencia de diferentes cantidades de ligandos, no se podía obtener información concluyente sobre las diferencias de afinidad entre ligandos. Finalmente, comprobamos mediante RMN que al incubar uno de los ligandos con un tamaño más similar al de la cápsula, aparecían nuevas señales que se correspondían con los protones del ligando, pero su desplazamiento se ve afectado por el cono de anisotropía de las tapas de porfirina, que causan su apantallamiento y la aparición de señales en regiones diferentes a las habituales para este tipo de anillos aromáticos.