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.
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.