Μελέτη του προϊόντος εγκλεισμού γερανιόλης σε β-κυκλοδεξτρίνη με κρυσταλλογραφία ακτίνων-χ

Abstract

Οι κυκλοδεξτρίνες (CDs) είναι ολιγοσακχαρίδια που παράγονται από ενζυμική αποδόμηση της αμυλόζης. Αποτελούνται από γλυκοζιτικές μονάδες που συνδέονται με α(1-4)-γλυκοζιτικούς δεσμούς. Η πιο ενδιαφέρουσα ιδιότητα τους είναι αυτή του σχηματισμού συμπλόκων εγκλεισμού (ξενιστής- ξενιζόμενο μόριο) με συστατικά που διαθέτουν υδρόφοβα τμήματα και η αλλαγή φυσικοχημικών ιδιοτήτων και των δύο μελών του συμπλόκου, όπως διαλυτοποίηση υδρόφοβων συστατικών, αργή ή ελεγχόμενη απελευθέρωση συστατικών (όπως φάρμακα ή αρώματα), σταθεροποίηση πτητικών συστατικών, διαχωρισμός συστατικών (π.χ χειρόμορφων) . Η γερανιόλη είναι ένα σημαντικό συστατικό των αιθερίων ελαίων που λαμβάνονται από πολλά και σημαντικά φυτικά είδη όπως Zingiber officinale (τζίντζερ), Citrus limon (λεμόνι), Citrus aurantifolia (λάιμ), Lavandula latifolia (λεβάντα), Myristica fragrans (το μοσχοκάρυδο), Citrus sinensis (πορτοκάλι), Cymbopogon martini (παλμαρόζα), Rosa damascene και Rosa centifolia (τριαντάφυλλο). Χάρη στην γλυκιά οσμή της, χρησιμοποιείται στην αρωματοποιεία, στη σαπωνοποιεία στην κοσμετική και στην βιομηχανία τροφίμων. Ακόμα, πολύ σημαντικές είναι οι ιδιότητες αυτής στην ιατρική, στην αντιμετώπιση ασθενειών όπως ο καρκίνος, καθώς και στις μεταμοσχεύσεις (παρεμπόδιση οξείας απόρριψης μοσχεύματος). Τέλος έχει αξιολογηθεί ως σημαντικό εντομοαπωθητικό κι ως απωθητικό ζώων για τις γεωργικές εκμεταλλεύσεις. Ο εγκλεισμός αυτού του πτητικού μορίου σε κυκλοδεξτρίνη (β-CD) είναι πολύ σημαντικός για την εκμετάλλευση και καλύτερη αξιοποίηση όλων αυτών των ιδιοτήτων (αύξηση διαλυτότητας, προστασία έναντι της θερμοκρασίας και του οξειδωτικού στρες, ελεγχόμενη απελευθέρωση). Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήκε παρασκευή και κρυστάλλωση του συμπλόκου γερανιόλης σε φυσική β-κυκλοδεξτρίνη (β-CD). Τα αποτελέσματα της επιτυχούς κρυστάλλωσης και της συλλογής δεδομένων με περίθλαση ακτινών-Χ (σε σύγχροτρο υπό κρυογονικές συνθήκες) έδειξαν ότι το σύμπλοκο: κρυσταλλώνει στην μονοκλινή ομάδα χώρου P21, με διαστάσεις κυψελίδας a=15.58Å, b=24.98Å, c=18.68Å και γωνίες α=90º, β=110.91º και γ=90º. Η ασύμμετρη μονάδα περιέχει ένα διμερές β-CD τύπου «κεφαλής- κεφαλής» που μέσα του έχει εγκεκλεισμένα δύο ξενιζόμενα μόρια (στοιχειομετρία 1:1), κατανεμημένα σε 5 θέσεις και 16 μόρια νερού κατανεμημένα σε 25 θέσεις. Τα διμερή διατάσσονται στον τύπο καναλιού (channel) παράλληλα στον άξονα-α. Η κρυσταλλική αυτή μοριακή διευθέτηση επιτυγχάνεται χάρις στους δεσμούς υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ διμερών β-CD και του δικτύου νερού αλλά και μεταξύ των ξενιζομένων μορίων γερανιόλης με ξενιζόμενα μόρια και μόρια ξενιστές γειτονικών διμερών β-CD. Η δομή επιλύθηκε με μοριακή αντικατάσταση και βελτιστοποιήθηκε με την μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων, κατά την οποία με αλλεπάλληλους χάρτες διαφορικής ηλεκτρονιακής πυκνότητας προσδιορίστηκαν όλα τα άτομα του ξενιστή και του ξενιζομένου μορίου, καθώς και των νερών, που συγκροτούν ένα δίκτυο και σταθεροποιούν το κρυσταλλικό πλέγμα. Η βελτιστοποίηση απέδωσε συντελεστή αξιοπιστίας R=0.0768 και δείκτη προσαρμογής GooF= 1.257.

Cyclodextrins (CDs) are microcyclic oligosaccharides produced by enzymatic degradation of amylose. They consist of α (1-4) linked glucose units. The most interesting CD property is the formation of inclusion (host-guest) complexes with compounds disposing lipophilic moieties and the changes of physical and chemical properties of both members caused by complexation, such as: solubilization of lipophilic compounds with low solubility in water, slow or controlled release of compounds (drugs, fragrances), speeding up bioavailability, stabilization of reactive compounds, fixation of volatile compounds and separation of compound in the form of complexes. Geraniol is an essentials oils ingredient, met in many important plant species, such as Zingiber officinale, Citrus limon, Citrus aurantifolia, Lavandula latifolia, Myristica fragrans, Citrus sinensis, Cymbopogon martini, Rosa damascene and Rosa centifolia. Geraniol, thanks to its nice smell (sweet fragrance alike to rose fragrance) is used in perfumery, cosmetics and domestic applications, as well as in food industry. It is also important for winery, as it is contained in aromatic grape varieties (Vitis vinifera) and contributes to its characteristic “floral” aroma and its flavor. In addition, geraniol is a natural antioxidant and it has been suggested to help prevent cancer, as well as, acute transplant rejection. Finally, it is studied and applied as insect repellent and animal repellent for agricultural exploitations. Its inclusion in cyclodextrin (β-CD) has been proven to be very important for the exploitation geraniol’s interesting properties (increase in solubility, protection against high temperature and oxidative stress, slow or controlled release). In this work, the complex of geraniol with β-CD is crystallized and analyzed with X-ray crystallography. The inclusion compound, geraniol/β-CD is crystallized in the monoclinic space group P21, with unit cell parameters: a= 15.58, b= 24.98, c= 18.68Å, α=90º, β=110.91º, γ=90º. The crystal structure has been determined by the molecular replacement method (program Dirdif), using as initial model the atomic coordinates of the complex indolobutyric acid/ β-CD. The structure refinement was based on the least-square method, using SHELXL 97 program. The final model is obtained with R=0.0768 and GooF= 1.257. The complex is crystallized with stoichiometry host:guest, 1:1. In the asymmetric unit, two β-CD molecules form a head-to-head dimmer and two geraniol molecules, distributed in five positions, are encapsulated within this dimer. 16 water molecules, distributed in 25 positions have also been found in the asymmetric unit. The crystal packing for the crystallized complex is a channel of β-CD dimers across a- axis and the structure is stabilized with hydrogen bonds of a net of waters and hydrogen bonds between encapsulated geraniol molecules with guest and host molecules of adjacent β-CD dimmers.