Fundamental studies and applications of molecular gels formed by peptides derivatives

Abstract

Tesis: FUNDAMENTAL STUDIES AND APPLICATIONS OF MOLECULAR GELS FORMED BY PEPTIDE DERIVATIVES (Estudios fundamentales y aplicaciones de geles moleculares formados por derivados peptídicos) 1. Introducción Los geles moleculares constituyen un ejemplo de materiales auto-ensamblados. Estos materiales blandos están constituidos por moléculas de bajo peso molecular que son capaces de auto-ensamblarse anisotrópicamente mediante interacciones de naturaleza no covalente (enlaces de hidrogeno, van de Waals, etc) dando lugar a agregados que crecen preferentemente en una dirección. Estos agregados posteriormente pueden seguir asociándose para dar lugar a fibras que a su vez contribuyen a la formación de redes tridimensionales. Estas redes de agregados tienen la capacidad de retener el disolvente en el que tiene lugar el proceso confiriendo a estos materiales de propiedades visco-elásticas y de un aspecto característico de ¿gel¿ en forma de sólido blando.(1) El auto-ensamblaje jerárquico de moléculas es una herramienta que ofrece una amplia variedad de posibilidades para conseguir sistemas que presenten una organización precisa de grupos funcionales, imitando los centros de reconocimiento y catálisis por excelencia, las enzimas.(2) Este tipo de proceso denominado también ¿construcción de abajo a arriba¿ es ventajoso desde el punto de vista de la economía atómica y energética. Además, la participación de enlaces de naturaleza no covalente dota a estos sistemas de reversibilidad y les confiere propiedades dinámicas que permiten la autocorrección de errores en el proceso de asociación y la obtención de estructuras altamente ordenadas libres de defectos.(3) Un gel molecular funcional puede considerarse como un material que presenta una amplia superficie activa y que presenta una organización precisa de grupos funcionales (por ejemplo, catalíticos, capaces del reconocimiento molecular, que respondan a estímulos, etc.). Los reactivos pueden difundir a través del gel e interaccionar, de forma covalente o no covalente, con los grupos funcionales que este contenga. En el caso de grupos funcionales catalíticos, se espera que la agregación de los mismos dé lugar a cambios en la eficiencia y la selectividad del catalizador. Estos cambios estarían relacionados, por ejemplo, con cambios en la movilidad conformacional, orientación en la aproximación de los sustratos o cooperación entre grupos catalíticos próximos. Por otro lado, la presencia de grupos funcionales capaces de interaccionar con especies moleculares (mediante enlaces de H, interacciones solvofóbicas, interacciones covalentes reversibles, etc.) puede dar lugar a procesos de reconocimiento molecular. El reconocimiento sería el resultado de las características intrínsecas de los grupos funcionales o de la cooperación de los mismos en la interacción con sustratos. Esta interacción modificaría las propiedades del gel molecular, dando lugar a respuestas asociadas a los cambios producidos como, por ejemplo, liberación de especies activas o cambio de volumen (respuesta mecánica) de interés en una variedad de aplicaciones.(1a) El objetivo de esta tesis es por lo tanto el diseño de nuevos gelantes de bajo peso molecular derivados de péptidos (4) que incorporen fragmentos funcionales para la obtención de materiales funcionalizados con aplicaciones en campos como la catálisis o los materiales que respondan a estímulos. Se espera que la ordenación de los grupos dentro de las fibras del gel de lugar a propiedades que difieran de las observadas en disolución.(5) 2. Metodología La idea principal en esta tesis es por lo tanto el diseño de estructuras gelantes que generarán materiales blandos funcionalizados. Basado en esto, el diseño de los gelantes ha sido pensado siguiendo un enfoque modular. Partiendo de una estructura general con un esqueleto peptídico, la modificación de la misma da lugar a las estructuras finales que combinan fragmentos de auto-ensamblaje con fragmentos funcionales, responsables de otorgar las propiedades finales al material. De este modo se ha diseñado una familia de anfífilos y bolaanfífilos con el objetivo de formar geles tanto en disolventes orgánicos (organogeles) como en medio acuoso (hidrogeles). Por lo tanto, la metodología general empleada para llevar a cabo esta tesis comporta diferentes etapas que van desde el diseño y síntesis del gelante, con la selección del grupo funcional adecuado para cada tipo de aplicación, el estudio de gelación en los diferentes disolventes de interés para cada caso, la caracterización del gel y por último, su aplicación funcional. A continuación se describe el plan de trabajo y la metodología a utilizar en cada uno de los apartados propuestos: 1) Diseño y síntesis de gelantes moleculares Se ha diseñado una familia de gelantes derivados de péptidos partiendo de estructuras generales previamente estudiadas en nuestro grupo. Debido al carácter modular, diferentes variaciones estructurales así como varios grupos funcionales se han introducidos. De este modo las moléculas gelantes se han preparado siguiendo un procedimiento sintético convencional de síntesis en disolución. 2) Estudio del proceso de agregación y caracterización de geles moleculares La habilidad gelante de los compuestos sintetizados se ha evaluado en disolventes orgánicos así como en medio acuoso. Se ha analizado el proceso de agregación para poder tener una mejor comprensión de las reglas que lo controlan. Además, se han estudiado las propiedades gelantes de los compuestos desde un punto de vista macroscópico y microscópico y se han determinado parámetros como la concentración mínima de gelación o la morfología del gelante.(6) 3) Geles catalíticos (2) Gracias a la creciente popularidad del uso de derivados de prolina como catalizadores eficientes (7) y apoyados por los buenos resultados previamente obtenidos al incorporar este aminoácido en la estructura del gelante como grupo funcional,(8) se ha evaluado a una familia de compuestos derivados de L-prolina como organocatalizadores para la reacción de Michael en disolventes orgánicos. Por otra parte, se ha testado un derivado anfífilo como catalizador en medio acuoso para la reacción aldólica con diferentes sustratos prestando atención al efecto hidrofóbico. 4) Geles como materiales que responden a estímulos (9) Con el objetivo de obtener materiales funcionalizados inteligentes, se ha estudiado la introducción de grupos funcionales susceptibles a estímulos. Estos sistemas se definen como materiales capaces de cambiar sus propiedades ante la presencia de estímulos externos como un cambio en el pH, luz, calor, etc. Basado en esto, se ha estudiado una familia de hidrogelantes ionizables mediante cambios de pH. Adicionalmente, se ha analizado un sistema multi-componente complejo, basado en la diferente basicidad de cada uno de los componentes. 5) Bibliotecas combinatorias dinámicas para el descubrimiento de geles como materiales con propiedades electrónicas Finalmente se ha evaluado el uso de la química combinatoria dinámica como herramienta para el descubrimiento de nuevas estructuras funcionalizadas.(10) Una familia de derivados peptídicos conteniendo naftalendiimidas (NDI), grupo usado en materiales orgánicos conductores,(11) se ha combinado con una serie de derivados de aminoácidos para descubrir la mejor estructura. Además, se ha evaluado la incorporación de dadores de electrones al sistema, que aportan interacciones adicionales de transferencia de carga.(12) Para terminar, se ha llevado a cabo una completa caracterización del mejor sistema. 3. Conclusiones Una amplia familia de compuestos, todos ellos derivados de péptidos, han sido diseñados y sintetizados siguiendo el enfoque modular donde pequeñas modificaciones han sido introducidas para generar los diferentes gelantes. Así mismo, este enfoque nos ha permitido funcionalizar las moléculas permitiendo introducir el grupo funcional deseado dentro de la estructura molecular de una forma efectiva a través de una metodología sintética simple en disolución. Esta metodología ha permitido obtener los diferentes compuestos en escala de gramos y con buenos rendimientos sin la necesidad de métodos complejos de purificación. Se ha estudiado el proceso de agregación de varios compuestos en tolueno. Para ello, han sido utilizados cuatro diferentes dipéptidos, todos ellos derivados de L-prolina a los cuales se les ha modificado el aminoácido central. Se ha llevada a cabo una caracterización completa del proceso de agregación así como un estudio de la disposición molecular, tanto en disolución como en estado agregado. Los resultados muestran una diferente preferencia conformacional respecto al anillo de prolina, dependiendo del aminoácido central utilizado, antes y después del proceso de agregación. Han sido evaluados los diferentes dipéptidos derivados de L-prolina como posibles organocatalizadores en la reacción de Michael usada como modelo entre la ciclohexanona y el trans-ß-nitroestireno en tolueno. Los resultados han mostrado actividad catalítica después de la agregación para todos ellos. Adicionalmente, se ha encontrado que las diferencias en las preferencias conformacionales obtenidas previamente, influyen en la selectividad de dicha reacción, siendo una conformación ligeramente más selectiva hacia la formación del enantiómero mayoritario. El estudio del proceso de agregación de los análogos solubles así como de su actividad como organocatalizadores, ha servido para escoger el mejor aminoácido y de esta forma diseñar la estructura gelante bolaanfífilica derivada. La habilidad gelante de este compuesto ha sido completamente estudiada y sus propiedades y características han sido analizadas desde un punto de vista tanto macroscópico como microscópico en tolueno. Adicionalmente ha sido evaluado el gelante derivado de L-prolina como organocatalizador supramolecular en fase gel para la reacción de Michael entre la ciclohexanona y el trans-ß-nitroestireno en tolueno. Se ha demostrado la participación de la red fibrilar en la actividad catalítica y se han obtenido resultados de conversiones cuantitativas así como una moderada selectividad. Se ha estudiado la habilidad gelante del anfífilo derivado de L-prolina en medio acuoso. Se han encontrado y caracterizado cuatro diferentes polimorfos (A-D) dependiendo del método de gelación empleado. Los resultados muestran pequeñas diferencias en el empaquetamiento de las estructuras moleculares después de la agregación. Adicionalmente, se ha evaluado la actividad catalítica de este derivado para la reacción aldólica entre la ciclohexanona y el 4-nitrobenzaldehído en medio acuoso ¿sobre agua¿ (donde la disolución de los reactivos no es necesaria). Los resultados han mostrado diferencias en la selectividad y en la velocidad de reacción para los diferentes polimorfos utilizados, destacando la importancia de la caracterización de estas estructuras supramoleculares para su uso como materiales funcionalizados. Se ha realizado un estudio adicional usando el anfífilo derivado de L-prolina en agua como organocatalizador en fase gel para la reacción aldólica entre el 4-nitrobenzaldehído y diferentes cetonas alifáticas de longitud de cadena variable. Los resultados han mostrado que el efecto hidrofóbico juega un papel importante tanto en la agregación como en el comportamiento catalítico. Se ha observado la selección de los sustratos más hidrofóbicos para llevar a cabo la reacción en las fibras catalíticas. Adicionalmente, se ha estudiado el mecanismo de la reacción aldólica en este sistema, detectándose intermedios de tipo enamina. Se ha estudiado la introducción de grupos que responden a estímulos con el objetivo de generar materiales inteligentes. Para ello se ha diseñado una familia de moléculas a las cuales se les ha introducido un grupo ionizable (derivado del ácido succínico), y se han evaluado para su uso como materiales que respondan a cambios en el pH. Se ha analizado su capacidad gelante así como el equilibrio acido-base, tanto en disolución como después de la agregación, y se han obtenido las correspondientes constantes de ionización. Los resultados han mostrado algunas diferencias relacionadas con las propiedades agregantes, además de la posible presencia de agregados para las especies solubles cargadas involucradas en el equilibrio de ionización. Se ha llevado a cabo un estudio de sistemas complejos multicomponente en medio acuoso. En este caso, se ha preparado y analizado un sistema en fase gel formado por el gelante derivado de L-prolina en presencia de un derivado de piridina. El estudio de la influencia del pH en la habilidad gelante de este sistema ha mostrado la sorprendentemente solubilización de la red fibrilar del derivado de piridina a valores de pH en los cuales este compuesto no es soluble. Se ha propuesto explicar este comportamiento por la formación de agregados micelares mixtos entre el derivado de prolina cargado y el derivado de piridina neutro. Se ha estudiado el sistema multicomponente (derivado bolaanfifílico de prolina+derivado de piridina) como material para su uso en la liberación controlada de sustancias. Los resultados han demostrado diferentes perfiles de liberación en función del pH del sistema y se ha corroborado por lo tanto, su uso como sistema inteligente que responde a estímulos. Se ha probado un nuevo enfoque en el descubrimiento de moléculas gelantes. En él, la química combinatoria dinámica se ha empleado para elegir al mejor candidato entre una mezcla de moléculas. En este estudio, se ha usado un derivado de naftalendiimida NDI, al cual se le ha unido un fragmento de tipo aminoácido, como precursor para la generación de una familia de compuestos gelantes basada en péptidos. En esta familia la agregación tiene lugar a partir de la formación de un enlace peptídico por medio de la acción de una enzima. Se ha demostrado la formación de varios gelantes y se ha visto la amplificación del mejor gelante en una mezcla de derivados de aminoácido. Además, se ha visto que la presencia de diferentes dadores de electrones amplifica la selección del mejor gelante gracias a interacciones adicionales de transferencia de carga entre los dadores de electrones y los derivados de NDI que actúan como aceptores de electrones. Finalmente se ha llevado a cabo una completa caracterización de las propiedades del mejor sistema obtenido en la librería en presencia y en ausencia de diferentes dadores de electrones. Con este estudio se ha conseguido una mejor compresión del proceso de agregación. Estos resultados han conducido a la redacción de los artículos de investigación que se citan a continuación: Substrate Selective Catalytic Molecular Hydrogels: the Role of the Hydrophobic Effect. C. Berdugo; J. F. Miravet; B. Escuder, Chem. Commun., 2013, 49, 10608-10610. Biocatalytic Self-Assembly of Supramolecular Charge-Transfer Nanostructures Based on n-Type Semiconductor-Appended Peptides. S. K. M. Nalluri; C. Berdugo; N. Javid; P. W. J. M. Frederix; R. V. Ulijn, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 5882 ¿5887. Structural Insight into the Aggregation of L-Prolyl Dipeptides and its Effect on Organocatalytic Performance. C. Berdugo; J. F. Miravet; B. Escuder, Org. Biomol. Chem., 2015, 13, 592-600. Study of the Effect of Polymorphism on the Self-Assembly and Catalytic Performance of an L-Proline Based Molecular Hydrogelator. S. Díaz-Oltra; C. Berdugo; J. F. Miravet; B. Escuder, New J. Chem., 2015, 39, 3785 ¿ 3791. A Biocatalytically Driven Dynamic Combinatorial Library Approach for the Discovery of Aqueous Gel Phase Charge Transfer Nanostructures. C. Berdugo; S. K. M. Nalluri; N. Javid; B. Escuder; J. F. Miravet; R. V. Ulijn (manuscrito en preparación). En conclusión en este trabajo, se han diseñado y sintetizado diferentes compuestos derivados de péptidos, tanto anfífilos como bolaanfífilos, para ser usados como gelantes mediante un enfoque modular, en donde diferentes grupos funcionales pueden ser introducidos en la estructura de la molécula para así poder generar compuestos funcionalizados. De este modo, han sido introducidos varios grupos funcionales y los gelantes así construidos han sido probados en diferentes campos de estudio como la catálisis o los materiales con propiedades electrónicas. Además se ha demostrado que la naturaleza no covalente de estos materiales supramoleculares provoca que estos puedan responder a diferentes estímulos (como el pH), y que tengan aplicaciones en la construcción de materiales inteligentes. Adicionalmente se ha comprobado el uso de la química combinatoria dinámica como una herramienta potente para el descubrimiento de materiales funcionalizados, y la gelación por medio de enzimas como una metodología eficiente para la generación de sistemas en fase gel. 4. Referencias: (1). (a) Hirst, A. R.; Escuder, B.; Miravet, J. F.; Smith, D. K. "High-Tech Applications of Self-Assembling Supramolecular Nanostructured Gel-Phase Materials: From Regenerative Medicine to Electronic Devices", Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 8002-8018; (b) Caran, K. L.; Lee, D.-C.; Weiss, R. G., "Molecular Gels and their Fibrillar Networks". In Soft Fibrillar Materials, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2013; pp 1-75; (c) Dawn, A.; Shiraki, T.; Haraguchi, S.; Tamaru, S.-i.; Shinkai, S. "What Kind of ¿Soft Materials¿ Can We Design from Molecular Gels?", Chem. Asian J., 2011, 6, 266-282; (d) de Loos, M.; Feringa, B. L.; van Esch, J. H. "Design and Application of Self-Assembled Low Molecular Weight Hydrogels", Eur. J. Org. Chem., 2005, 2005, 3615-3631; (e) Estroff, L. A.; Hamilton, A. D. "Water Gelation by Small Organic Molecules", Chem. Rev., 2004, 104, 1201-1218. (2). Escuder, B.; Rodríguez-Llansola, F.; Miravet, J. F. "Supramolecular Gels as Active Media for Organic Reactions and Catalysis", New J. Chem., 2010, 34, 1044-1054. (3). Rodríguez-Llansola, F.; Miravet, J. F.; Escuder, B. "Supramolecular Gel Formation and Self-Correction Induced by Aggregation-Driven Conformational Changes", Chem. Commun., 2009, 209-211. (4). Tomasini, C.; Castellucci, N. "Peptides and Peptidomimetics that Behave as Low Molecular Weight Gelators", Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 156-172. (5). Escuder, B.; Miravet, J. F., Eds. in Functional Molecular Gels. RSC, Cambridge, 2014. (6). Nebot, V. J.; Smith, D. K., "CHAPTER 2 Techniques for the Characterisation of Molecular Gels". In Functional Molecular Gels. RSC, Cambridge, 2014; pp 30-66. (7). (a) List, B. "Proline-Catalyzed Asymmetric Reactions", Tetrahedron, 2002, 58, 5573-5590; (b) Cobb, A. J.; Shaw, D. M.; Longbottom, D. A.; Gold, J. B.; Ley, S. V. "Organocatalysis with Proline Derivatives: Improved Catalysts for the Asymmetric Mannich, Nitro-Michael and Aldol Reactions", Org. Biomol. Chem., 2005, 3, 84-96. (8). (a) Rodríguez-Llansola, F.; Escuder, B.; Miravet, J. F. "Switchable Perfomance of an L-Proline-Derived Basic Catalyst Controlled by Supramolecular Gelation", J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 11478-11484; (b) Rodríguez-Llansola, F.; Miravet, J. F.; Escuder, B. "A Supramolecular Hydrogel as a Reusable Heterogeneous Catalyst for the Direct Aldol Reaction", Chem. Commun., 2009, 7303-7305; (c) Rodríguez-Llansola, F.; Miravet, J. F.; Escuder, B. "Supramolecular Catalysis with Extended Aggregates and Gels: Inversion of Stereoselectivity Caused by Self-Assembly", Chem. Eur. J., 2010, 16, 8480-8486. (9). Segarra-Maset, M. D.; Nebot, V. J.; Miravet, J. F.; Escuder, B. "Control of Molecular Gelation by Chemical Stimuli", Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 7086-7098. (10). (a) Li, J. W.; Nowak, P.; Otto, S. "Dynamic Combinatorial Libraries: From Exploring Molecular Recognition to Systems Chemistry", J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 9222-9239; (b) Sadownik, J. W.; Ulijn, R. V. "Dynamic Covalent Chemistry in Aid of Peptide Self-Assembly", Curr. Opin. Biotechnol., 2010, 21, 401-411; (c) Das, A. K.; Hirst, A. R.; Ulijn, R. V. "Evolving Nanomaterials Using Enzyme-Driven Dynamic Peptide Libraries (eDPL)", Faraday Discuss., 2009, 143, 293-303. (11). Bhosale, S. V.; Jani, C. H.; Langford, S. J. "Chemistry of Naphthalene Diimides", Chem. Soc. Rev., 2008, 37, 331-342. (12). (a) Das, A.; Molla, M. R.; Banerjee, A.; Paul, A.; Ghosh, S. "Hydrogen-Bonding Directed Assembly and Gelation of Donor-Acceptor Chromophores: Supramolecular Reorganization from a Charge-Transfer State to a Self-Sorted State", Chem. Eur. J., 2011, 17, 6061-6066; (b) Mukhopadhyay, P.; Iwashita, Y.; Shirakawa, M.; Kawano, S.; Fujita, N.; Shinkai, S. "Spontaneous Colorimetric Sensing of the Positional Isomers of Dihydroxynaphthalene in a 1D Organogel Matrix", Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 1592-1595; (c) Kumar, M.; Rao, K. V.; George, S. J. "Supramolecular Charge Transfer Nanostructures", Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 1300-1313; (d) Das, A.; Ghosh, S. "Supramolecular Assemblies by Charge-Transfer Interactions Between Donor and Acceptor Chromophores", Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 2038-2054.