Supramolecular cucurbituril complexes for applications in bio-relevant contexts

• Autores: Cátia Diana Parente Caldeira Carvahlo
• Directores de la Tesis: Uwe Pischel (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2015
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 163
• Tribunal Calificador de la Tesis: Werner M. Nau (presid.), Francisco Najera Albendin (secret.), Francisco Bosca (voc.)
• Materias:
  • Química
    • Química orgánica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
• Resumen
  • español

    En la última década, los anfitriones macrocíclicos se han utilizado como una nueva herramienta excitante para aplicaciones de la química supramolecular funcional, que van desde la detección de analitos, la administración y el transporte de fármacos, a la catálisis y la química de materiales. Esta tesis doctoral describe el desarrollo de nuevos sistemas supramoleculares basados en cucurbiturilos para aplicaciones biológicas. Una solubilidad en agua adecuada, una baja toxicidad, y la capacidad para formar complejos fuertes anfitrión-huésped, dan lugar a que la química de los cucurbiturilos sea una herramienta poderosa para investigar y posiblemente controlar sistemas biológicos y sus funciones. Del mismo modo, su capacidad para modular propiedades fotofísicas y químicas de los huéspedes encapsulados se han explotado por medio del uso de técnicas basadas en absorción UV/vis, espectrometría de masas, cromatografía líquida, RMN y técnicas basadas en fluorescencia. Por otra parte, tomando ventaja de procedimientos de biología molecular, se investigaron también los efectos de los cucurbiturilos sobre la actividad enzimática. En este trabajo, por primera vez, se describe una prueba de concepto para la liberación foto-inducida de un fármaco modelo por la disociación de un complejo anfitrión-huésped con CB7, aprovechando un salto en el pH. Igualmente, se desarrolló un sistema basado en un anclaje, que permitió mejorar la estabilidad hidrolítica de los espiropiranos en solución acuosa sin comprometer su rendimiento como interruptores. Además, se desvela, por primera vez, que el CB6 y CB7 pueden influir directamente en la actividad enzimática de las endonucleasas, las cuales pueden ser controladas de forma reversible mediante el uso de competidores fuertes por del macrociclo. Con esto se consolida la posibilidad de tener un control supramolecular de los procesos biocatalíticos. Por último, se describe una operación lógica impulsada químicamente y mediante irradiación con luz resultando en un dispositivo keypad lock supramolecular. Ésta operación se ha llevado a cabo por un complejo ternario antraceno-huésped/CB8-anfitrión. Es de remarcar la reacción de cicloadición fotoinducida reversible y robusta dentro de la cavidad del huésped. viii En términos generales, este trabajo amplía aún más el uso de los anfitriones macrocíclicos cucurbiturilos en el contexto de la química funcional y para aplicaciones biológicas.

  • English

    In the last decade, macrocyclic hosts have been used as an exciting new tool in functional supramolecular chemistry applications ranging from sensing, via drug delivery to catalysis and materials chemistry. This doctoral thesis describes the development of new supramolecular systems based on cucurbiturils for biologically related applications. Adequate water solubility, low toxicity, and capacity to form strong host-guest complexes, establish cucurbituril chemistry as a powerful tool to investigate and possibly modulate biological systems and functions. Likewise, their ability to tune photophysical and chemical properties of encapsulated guests were exploited by the use of UV/vis, mass spectrometry, liquid chromatography, NMR, and fluorescence-based techniques. Moreover, taking advantage of molecular biology procedures the effects of cucurbiturils on enzymatic activity were investigated. In this work, for the first time a proof-of-principle for the photo-triggered delivery of a drug by disassembly of its host-guest complex with CB7, taking advantage of a pH jump, is described. Additionally, an anchor approach was developed, which enabled the improvement of the hydrolytic stability of spiropyrans in aqueous solution without compromising their switching performance. Furthermore, it is described for the first time that CB6 and CB7 can influence directly enzymatic activity of endonucleases, which can be reversibly controlled by the use of strong competitors for the macrocyclic host cavity. This consolidates the possibility of supramolecular control of biocatalytic processes. Finally, the chemically and photonically driven operation of a supramolecular keypad lock device with a ternary anthracene-guest/CB8 host complex is described. The reversible and robust photoinduced cycloaddition reaction in the cavity of the host is remarkable. In general terms, this work broadens further the use of cucurbituril macrocyclic hosts in the context of functional chemistry and biological applications.