Μελέτη εγκλεισμού βιοδραστικών ουσιών σε κυκλοδεξτρίνες.

Abstract

Το ινδολο-3-βουτυρικό οξύ (ΙΒΑ) είναι μία αυξίνη που ανήκει στην οικογένεια των φυτικών ρυθμιστών αύξησης και προάγει τη ριζοβολία. Οι κυκλοδεξτρίνες είναι μακροκυκλικοί ολιγοσακχαρίτες που εμφανίζουν τη μοναδική ιδιότητα να εγκλωβίζουν υδρόφοβα μόρια στην κοιλότητά τους. Ο εγκλεισμός του ΙΒΑ σε β-CD παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον στη γεωργική πρακτική χάρη στο γεγονός ότι προσφέρει ωφέλιμες τροποποιήσεις στις φυσικο-χημικές του ιδιότητες, όπως αύξηση της βιοδιαθεσιμότητας και της διαλυτότητας, καθώς και βραδεία αποδέσμευσή του. Στην παρούσα εργασία παρασκευάσθηκε το προϊόν εγκλεισμού του ΙΒΑ/β-CD και μελετήθηκε με διάφορες μεθόδους. Η επανάληψη προηγουμένων κρυσταλλογραφικών πειραμάτων (Μάζη, μεταπτυχιακή διατριβή 2012), βελτίωσε τα δεδομένα περίθλασης ακτίνων-Χ σε κρυσταλλική κατάσταση και επαλήθευσε το σχηματισμό διμερών β-κυκλοδεξτρίνης, με προσανατολισμό κεφαλής-κεφαλής (headto-head)

που εγκλωβίζουν στην σχηματιζόμενη κοιλότητα του διμερούς ένα μόριο ΙΒΑ. Τα προϊόντα εγκλεισμού IBA/β-CD βρέθηκαν και πάλι να κρυσταλλώνουν σε ομάδα χώρου C σχηματίζοντας διμερή στοιχειομετρίας 1/2 (ξενιζομένου/ξενιστή) και να διευθετούνται στο χώρο σχηματίζοντας στρώσεις τύπου καναλιού κατά τον άξονα c. 2 O σχηματισμός του προϊόντος εκλεισμού IBA/β-CD επιβεβαιώθηκε επίσης, στη στερεή κατάσταση, συγκρίνοντας τα φάσματα FT-IR του ΙΒΑ, της β-CD, του μίγματος αυτών των ουσιών και του συμπλόκου τους IBA/β-CD αντίστοιχα. Συγκεκριμένα η κορυφή που εμφανίζεται με τη μορφή ώμου στα 1734cm φαίνεται να είναι ένδειξη της αλληλεπίδρασης μεταξύ της β-CD και του μορίου του IBA. Επιπλέον, σε αυτή την εργασία η φασματοσκοπία FT-IR χρησιμοποιήθηκε, για πρώτη φορά, προκειμένου να αντλήσουμε ποσοτικές πληροφορίες σχετικά με την αποδέσμευση του ξενιζομένου μορίου από τον ξενιστή. Αφού πραγματοποιήθηκε αποσυνέλιξη της περιοχής 1700-1800cm -1 στα φάσματα του συμπλόκου βρέθηκε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ ΙΒΑ και β-CD ελαττώνεται με την πάροδο των ημερών. Μελέτη του συμπλόκου IBA/β-CD πραγματοποιήθηκε και σε μορφή διαλύματος πραγματοποιώντας πειράματα διαλυτότητας με τη βοήθεια της φασματοφωτομετρίας UV-Vis. Τα αποτελέσματα που διεξήχθησαν σύμφωνα με τη μέθοδο Higuchi-Connors σε δύο διαφορετικές τιμές pH έδωσαν μία εκτίμηση της σταθεράς σύνδεσης του ΙΒΑ με τη β-CD απ’ όπου βρέθηκε η Κ 1:1 = 5985M ενώ η Κ 1:1 = 792 Μ -1 σε pH = 3 και pH = 5.3 αντίστοιχα. Η γραμμικότητα του διαγράμματος του Higuchi-Connors έδειξε ότι η στοιχειομετρία του σχηματιζόμενου συμπλόκου στο διάλυμα είναι 1/1(ξενιζομένου/ξενιστή) ενώ στην κρυσταλλική κατάσταση είναι 1/2(ξενιζομένου/ξενιστή). Προκειμένου να επιλυθεί αυτή η ασάφεια, λήφθηκε φάσμα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτονίου ( 1 Η ΝΜR) αποκλειστικά σε σχηματισμένους κρυστάλους του συμπλόκου σε διάλυμα DMSO. Η φασματοσκοπία H ΝΜR έδειξε μια στοιχειομετρία 1/1(ξενιστή/ξενιζομένου) και έτσι επιβεβαιώθηκε η υπόθεση ότι η στοιχειομετρική αναλογία 1/2(ξενιστή/ξενιζομένου) εμφανίζεται αποκλειστικά την κρυσταλλική κατάσταση. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ελέγχου βλαστικότητας σε σπέρματα του είδους Zoysia japonica cv Zenith ® σε ιδανικές και μη ιδανικές για το είδος συνθήκες. Για το σκοπό αυτό παρασκευάσθηκαν διαλύματα ΙΒΑ 25 και 50 ppm καθώς και τα σύμπλοκα αυτών με β-CD και με αυτά πραγματοποιήθηκε προκατεργασία των σπερμάτων. Βρέθηκε λοιπόν ότι οι επεμβάσεις στα σπέρματα, του προϊόντος εγκλεισμού του ΙΒΑ 25 ppm, αύξησε σημαντικά το ρυθμό βλαστικότητας καθώς και την τελική βλαστικότητα σε μη ιδανικές συνθήκες βλάστησης.

The indole-3-butyric acid (IBA) is an auxin which belongs to the Plant Growth Regulators (PGRs) family and is used for the induction of root formation. Cyclodextrins are macrocyclic oligosugars that are known for their unique ability to act as molecular containers. The inclusion of IBA in β-Cyclodextrin (β-CD) is of particular interest in agriculture as it offers beneficial modifications in its physico--chemical properties, such as enhanced bioavailability and improved solubility, and a controlled release. In the present work, the IBA/β-CD inclusion compound has been prepared and studied with different methods. The repetition of previous conducted crystallographic experiments (Vasiliki Mazi, Master Thesis, 2012), has given improved crystallographic data and has verified the formation, in the crystalline state, of head-to-head β-CD dimers encapsulating an IBA molecule within their dimeric cavity. In accordance with the previous results, the IBA/β-CD complexes was found crystallize in the C2 space group and the formed dimers at stoichiometry 1/2 guest/host are packed in a channel mode across the c-axis. The formation of the IBA/β-CD inclusion compound has also been verified, in the solid state, by comparing the FT-IR spectra of IBA, β-CD, mixture of the two and the complex IBA/β-CD respectively. Especially, the peak in 1734 cm-1 revealed the coupling between the β-CD and IBA molecule. Moreover, in this work, FT-IR was used for the first time, in order to obtain quantitive results of the slow release of the guest from the complex. After the deconvolution of the region 1700-1800cm-1 of the spectra, it was found that the characteristic peak of the coupling was decreasing over the passage of days. The formation of the IBA/β-CD complex was also verified, in solution, by conducting phase solubility experiments using UV-Vis spectrophotometry. The data obtained from these experiments were used, according the Higuchi-Connors method in two different pH values, to estimate the binding constant of the formed complex. The values obtained are Κ1:1 = 5985M-1 and Κ1:1 = 792 Μ-1 for pH = 3 and pH = 5.3 respectively . The linearity of the Higuchi-Connors diagram indicates that the guest/host stoichiometry of the formed complex in solution is 1/1 whereas in the crystalline state a 1/2 stoichiometry was found. In order to resolve this ambiguity, an 7 NMR experiment of complexed crystals dissolved in DMSO was performed. The NMR spectrum indicates a stoichiometry of about 1/1 and thus verifies the existence of the 1/2 IBA/β-CD dimers only in the crystalline state. The stoichiometry and the binding constant of the formed complex is essential for the preparation of the solutions conducted on turfgrass seeds. In particular, we have ensured that in the prepared solutions the IBA in its complexed form is in excess, compared to its free form. On the basis of the above results, experiments on Ζoysia japonica cv Zenith® turfgrass seeds were applied under favorable and unfavorable germination conditions. For this purpose, solutions of 25 and 50ppm of uncomplexed IBA, as well as complexed IBA/β-CD were prepared in order to dip the seeds into. It was found that the intervention of the seeds into the solution of complexed ΙΒΑ (25 ppm) / β-CD (50 ppm), increased significantly the germination rate as well as the final germination under unfavorable conditions.