Ανάλυση της κρυσταλλικής δομής προϊόντων εγκλεισμού

Abstract

Cyclodextrins (CDs) are cyclic oligosaccharides consisting of six, seven or eight α-(1-4)-linked D-glucose residues, called respectively α-, β- or γ- CD. As they possess a hydrophobic cavity, the hydrophobic moieties of a wide variety of guest molecules, having suitable size and shape, may be included there and form inclusion compounds. The guest molecules are held inside the CD cavity by non-covalent interactions, such as hydrogen bonds, van der Waals or hydrophobic interactions. The encapsulation modifies the physico-chemical properties of the guests by increasing their solubility in water and resulting in an augmented protection against chemical degradation, oxidation, etc. The structures of the inclusion compounds: 4-chloro-2-methylphenoxyacetic acid (MCPA), 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) and β-naphthylacetic acid (2-NAA) in β-Cyclodextrin (β-CD) has been investigated by X-ray crystallography and their action has been tested on the bioindicators Avena sativa (oat), Vicia faba (broad beans) and Lemna minor. The inclusion complex MCPA/β-CD, crystallizes in the P21 space group. Its asymmetric unit contains two β-CD molecules hosting two disordered MCPA guest molecules (2:2 host:guest stoichiometry) occupying overall five sites. It also contains 16.13 water molecules distributed over 36 sites. One water molecule is entrapped inside the dimeric cavity, forming a hydrogen bond with the chlorine atom of a guest. The two complexes of the asymmetric unit are located alongside and they form head-to-head dimers with the symmetry related complexes by the 2-fold screw axis (b-axis). The dimers form channels developed along the a-axis. The inclusion compound of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid in -Cyclodextrin (2,4-D/-CD) crystallizes in space group P1 and forms dimers installed along the c axis forming channels. A guest molecule, extended inside all over the dimeric cavity, is disorder over three sites, having an overall occupancy of 1.0 and, therefore, the host:guest stoichiometry is 2:1. 1.47 water molecules are located inside the dimeric cavity, distributed over four sites. The 2-NAA/-CD complex crystallizes in the triclinic system forming a dimer inside the cavity of which two 2-NAA molecules, disordered over two sites, are located. The dimers are stacked along the c axis according to the channel packing mode forming a nanotube which resembles a wireway as it contains guest molecules linked by π-π interactions inside each dimeric cavity and by H-bonds between the adjacent dimers. As concerned the orientation of the guest molecules in the 2-NAA/-CD complex, their naphthalene moieties are accommodated deeply inside the dimeric cavity while their carboxyl groups are located in the rim of their primary hydroxyl groups protruding from the host cavity, due to the π-π interactions between the naphthalene moieties of the encapsulated molecules inside the dimeric cavity.

Furthermore, the action of the above auxins and their inclusion compounds with β-CD has been tested on the bioindicators Avena sativa (oat), Vicia faba (broad beans) and Lemna minor. The effect of the auxins and their inclusion compounds with β-CD assessed by means of Inhibition Index (IC) for 70 %,50 %, 30 % or 20 % relatively of their radicle growth decrease. The synthetic auxin MCPA does not affect the germination of Avena sativa at solution concentration less than 0.66 μg/ml. At the presence of β-CD its effectiveness is decreased. The growth of Vicia faba treated with MCPA during germination, was inhibited even at 0.33 μg/ml. Reversely, a significant inhibitory action in the presence of β-CD compared to the pure compound has been observed. The auxin-induced growth of Avena sativa seedlings can be inhibited by the synthetic auxin 2,4-D at solution concentration more than 0.36 μg/ml. When treated with 2,4-D/β-CD, Avena sativa presented the same inhibition. Vicia faba was strongly inhibited by the presence of 2,4-D during germination as 2,4-D affected both coleoptile and radicle. Though 2-NAA is usually referred as an inactive auxin, inhibition was observed at concentration level more than 0.6 μg/ml when added to the culture during germination of Avena sativa. The concentration 10.54 μg/ml for MCPA, 11.6 μg/ml for 2,4-D and 4.9 μg/ml for 2-NAA did not affect the growth of the bioindicator Lemna minor.

Οι κυκλοδεξτρίνες (CDs) είναι κυκλικοί ολιγοσακχαρίτες που αποτελούνται, κυρίως, από έξη, επτά ή οκτώ μόρια α-(1-4)-D γλυκόζης (α-CD, β-CD, γ-CD, αντίστοιχα). Στην υδρόφοβη κοιλότητα που διαθέτουν μπορεί να εγκλειστεί το υδρόφοβο τμήμα ενός μεγάλου αριθμού μορίων (ξενιζόμενα μόρια), που διαθέτουν το κατάλληλο μέγεθος και σχήμα, σχηματίζοντας με τον τρόπο αυτό μαζί με τις CDs (ξενιστές), προϊόντα εγκλεισμού. Τα ξενιζόμενα μόρια συγκρατούνται μέσα στην κοιλότητα των CDs με μη-ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις, όπως δεσμούς υδρογόνου, van der Waals και υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Ο εγκλεισμός τροποποιεί τις φυσικοχημικές ιδιότητες του ξενιζόμενου μορίου αφού βελτιώνει την υδατοδιαλυτότητα και συγχρόνως προστατεύει την ουσία από χημική αποδόμηση, οξείδωση, κ.α. Η δομή των συμπλόκων 4-χλωρο-2-μεθυλο-φαινοξυοξικό οξύ (MCPA), 2,4-διχλωροφαινοξυοξικό οξύ (2,4-D) and β-ναφθαλενικό οξύ (2-NAA) σε β-κυκλοδεξτρίνη (β-CD), μελετήθηκε με κρυσταλλογραφική ανάλυση ακτίνων Χ. Όλες οι παραπάνω χημικές ουσίες αποτελούν συνθετικές αυξίνες. Το σύμπλοκο MCPA/ β-CD, κρυσταλλώνεται στην ομάδα χώρου P21. Η ασύμμετρη μονάδα του περιέχει δύο μόρια β-CD τα οποία εγκλείουν δυο αποδιατεταγμένα μόρια ξενιζόμενου μορίου MCPA (με στοιχειομετρία ξενιστή:ξενιζόμενο μόριο 2:2) και κατέχουν συνολικά πέντε θέσεις. Επίσης περιέχει 16.13 μόρια νερού κατανεμημένα σε 36 θέσεις. Ένα μόριο νερού είναι παγιδευμένο μέσα στην κοιλότητα του διμερούς, σχηματίζοντας υδρογονικό δεσμό με το άτομο χλωρίου του ξενιζομένου μορίου. Τα δύο σύμπλοκα της ασύμμετρης μονάδας σχηματίζουν διμερή τύπου «κεφαλή με κεφαλή» σχετίζονται δε με άξονα ελίκωσης δεύτερης τάξης (b άξονας). Τα διμερή σχηματίζουν διαύλους που αναπτύσσονται κατά μήκος του a άξονα. Το σύμπλοκο του 2,4-διχλωροφαινοξυοξικού οξέος σε -κυκλοδεξτρίνη (2,4-D/-CD) κρυσταλλώνεται στην ομάδα χώρου P1 και σχηματίζει διμερή που τοποθετούνται κατά μήκος του c άξονα σχηματίζοντας διαύλους. Ένα ξενιζόμενο μόριο εκτείνεται εσωτερικά σε όλη την κοιλότητα του διμερούς, αποδιατεταγμένο σε τρεις θέσεις, και με συνολικό βαθμό κατάληψης 1.0 και ως εκ τούτου, η στοιχειομετρία ξενιστή:ξενιζομένου μορίου είναι 2:1. 1.47 μόρια νερού είναι τοποθετημένα μέσα στην κοιλότητα του διμερούς καταναμημένα σε τέσσερις θέσεις. Το σύμπλοκο 2-NAA/-CD κρυσταλλώνεται στο τρικλινές σύστημα σχηματίζοντας ένα διμερές και μέσα στην κοιλότητά του περιέχονται δύο μόρια 2-NAA, αποδιατεταγμένα σε δύο θέσεις. Στον κρύσταλλο τα διμερή διευθετούνται κατά μήκος του c άξονα σχηματίζοντας έναν νανοσωλήνα. Τα ξενιζόμενα μόρια που βρίσκονται στο εσωτερικό του νανοσωλήνα έχουν διαδοχικές εναλλάξ επαφές τύπου π-π αλληλεπίδρασης και δεσμών υδρογόνου. Σε ό,τι αφορά στη διάταξη των ξενιζόμενων μορίων στο σύμπλοκο 2-NAA/-CD, τα ναφθαλένια είναι τοποθετημένα βαθιά μέσα στην κοιλότητα του διμερούς ενώ οι καρβοξυλομάδες τους βρίσκονται στο χείλος του δακτυλίου των πρωτοταγών υδροξυλίων και προβάλουν από την κοιλότητα του ξενιστή λόγω των π-π αλληλεπιδράσεων ανάμεσα στα ναφθαλένια των εσωκλεισμένων μορίων στην κοιλότητα του διμερούς. Στη συνέχεια διερευνήθηκε η δράση τόσο των ουσιών όσο και των συμπλόκων τους, πάνω στους βιοδείκτες Avena sativa (βρώμη), Vicia faba (κουκιά) and Lemna minor, η οποία υπολογίστηκε μέσω του δείκτη IC (Inhibition Concentration Index) 70 %, 50 %, 30 % ή 20 % για την παρεμπόδιση της ανάπτυξης των ριζιδίων των φυτών. Παρεμπόδιση της βλάστησης της Avena sativa παρατηρήθηκε για συγκεντρώσεις μεγαλύτερες από 0.66 μg/ml στα διαλύματα καθαρής MCPA ενώ παρουσία β-CD μειώνεται η δραστικότητα. Στην Vicia faba εμφανίζεται έντονη παρεμπόδιση ακόμα και σε συγκέντρωση 0.33 μg/ml διαλύματος καθαρής MCPA ενώ, αντίθετα από την περίπτωση της Avena sativa, αυξημένη παρεμπόδιση παρατηρήθηκε και παρουσία β-CD (ακόμα και σε 0.33 μg/ml που είναι η χαμηλότερη συγκέντρωση). Η βλάστηση των σπόρων της Avena sativa μπορεί να παρεμποδιστεί από την συνθετική αυξίνη 2,4-D σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των 0.36 μg/ml. Δεν παρατηρήθηκε διαφορά στη δράση παρουσία β-CD. Στη Vicia faba, δρα παρεμποδιστικά τόσο στο ριζίδιο όσο και στο βλαστίδιο σε όλες τις συγκεντρώσεις των βιοδοκιμών. Αν και η 2-ΝΑΑ αναφέρεται συνήθως ως ασθενής αυξίνη προκάλεσε παρεμπόδιση σε συγκεντρώσεις πάνω των 0.6 μg/ml στην Avena sativa. Στις συγκεντρώσεις 10.54 μg/ml για την ΜCPA, 11.6 μg/ml για την 2,4-D και 4.9 μg/ml για την 2-ΝΑΑ, δεν επηρεάστηκε η ανάπτυξη του βιοδείκτη Lemna minor.