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Synthesis, characterization and study of supramolecular gel materials based on glycoamphiphiles

Clemente Oteo, María José
Fitremann, Juliette (dir.) ; Oriol Langa, Luis Teodoro (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2013
(Química Orgánica)


Abstract: El trabajo desarrollado en esta tesis, se centra en el campo de la ciencia de los materiales blandos, y en concreto dentro de este campo, en los geles. Los geles, son ampliamente conocidos por sus diversas aplicaciones como por ejemplo, en la alimentación, la cosmética o la biomedicina y se definen como estructuras viscoelásticas formadas por una red entrecruzada tridimensional hecha a partir de moléculas gelificantes que se autoensamblan atrapando el disolvente, el cual es el componente mayoritario. Dentro de los geles, podemos distinguir aquellos formados a partir de moléculas de bajo peso molecular, los llamados geles supramoleculares. En ellos la matriz fibrilar se forma a partir de interacciones de tipo no covalente, como son los enlaces de hidrógeno, las interacciones ¿-¿, interacciones donor-aceptor, fuerzas solvófobas, fuerzas de van der Waals¿ etc.1 Este tipo de geles tienen una importante proyección de futuro debido, no sólo a su interés en cuanto a los posibles estudios dedicados a la comprensión fundamental de los agregados que se forman a diferentes escalas, sino también por sus posibles aplicaciones tecnológicas, como por ejemplo, en la liberación controlada de fármacos o la formación de plataformas para la regeneración de tejidos.2 Durante los últimos años, los geles supramoleculares se han comenzado a estudiar más en profundidad porque pueden contrarrestar algunos inconvenientes de los geles macromoleculares. A diferencia de estos, los geles supramoleculares son reversibles, es decir, pueden ser transformados de un estado fluido a un estado no fluido y viceversa por la acción de un estímulo externo, por ejemplo la temperatura, el pH o la luz.3 Las moléculas gelificantes elegidas en este trabajo son moléculas anfífilas derivadas de azúcares. En los glicolípidos, la cabeza polar, que está formada por azúcares, tiene la capacidad de formar puentes de hidrogeno dirigidos y por tanto, es más fácil obtener estructuras fibrilares que permitan la formación de la matriz gelificante. Dentro de los distintos tipos de moléculas anfífilas azúcaradas capaces de formar geles descritas en la bibliografía, encontramos las llamadas convencionales o de una sóla cabeza y las bolaanfifílicas o de dos cabezas. Nosotros nos vamos a centrar en las del primer tipo. Como subclasificación de las moléculas de una sola cabeza, encontramos aquellas formadas por monosacáridos y las formadas por disacáridos. La mayor parte de los trabajos previos se han focalizado en los monosacáridos, en concreto en la glucosa, a partir de cuyos derivados se obtienen hidrogeles en los que es necesario la utilización en pequeñas proporciones de un alcohol que ayude en la gelificación.4 Como hemos mencionado anteriormente, los geles son sensibles a estímulos externos y lo más común es que sean sensibles a la temperatura, pero existe la posibilidad de que además sean sensibles a la luz mediante la introducción de un grupo cromóforo. En el caso concreto de la modulación por cambio en la isomería como respuesta a la irradiación, los ejemplos encontrados en moléculas azúcadas anfífilas son muy reducidos. Un ejemplo, es el descrito por el grupo de Shinkai5, que ha obtenido hidrogeles formados a partir de moléculas anfífilas con un diazobenceno en su estructura. Además, este tipo de moléculas glicolipídicas por su estructura polar asimétrica pueden presentar un comportamiento mesógeno. Mientras que la cabeza polar es capaz de formar puentes de hidrógeno, las cadenas alquílicas se agregan y forman microsegraciones dando lugar a organizaciones características de los cristales líquidos.6 En estudios previos realizados Fitremann et al demostraron que la mezcla de isómeros derivados de sucroésteres de N-palmitoilfenilalanina tiene características gelificantes. 7 Este compuesto, en contacto con el agua, a una concentración mínima de un 2%, forma un gel que debido a sus propiedades mecánicas puede denominarse como tipo ¿clara de huevo¿ donde el módulo elástico es siempre mayor que el módulo viscoso y los valores absolutos de los mismos son bajos; presenta además tixotropía. OBJETIVO El objetivo de esta tesis es diseñar, sintetizar y caracterizar nuevos materiales sensibles a la temperatura y a la luz a partir de moléculas gelificantes anfífilas, con una cabeza azucarada. Se ha variado la composición tanto de la cabeza como de la cola para estudiar la influencia en la capacidad de gelificación. Como cabeza se han seleccionado diversos disacáridos, unidos a un ácido graso para obtener hidrogeles potencialmente biocompatibles y biodegradables. También se combinan con un grupo cromóforo hidrófobo que permitirá al material gelificante responder al estímulo de la luz. En los antecedentes directos, no se obtuvieron buenos resultados con los sucroésteres a causa de un bajo rendimiento en la ruta sintética, por lo que se propone modificar químicamente la molécula con la intención de aumentar estos rendimientos. Esto se realiza cambiando el disacárido en la cabeza polar para evitar la mezcla de isómeros e introduciendo un grupo amida o un anillo de triazol en vez del enlace éster para favorecer la formación de puentes de hidrógeno. Una vez sintetizados, se caracterizó el material obtenido, estudiando en primer lugar los disolventes en los que gelifica, se trate bien de un hidrogel, por hacerlo en agua o bien de un organogel, es decir, en un disolvente orgánico. La estructura formada se describe a distintos niveles, nano, micro y macromolecular usando diferentes técnicas.8 Una vez visto el comportamiento de estos compuestos, el planteamiento siguiente es la introducción de un grupo fotoisomerizable, con el objetivo de poder modificar el material con la luz. Para ello se desarrolla una estrategia sintética que permita introducir en la cola el grupo diazobenceno. Este se coloca en distintas posiciones para establecer diferencias entre los sistemas resultantes. Adicionalmente se realiza un cambio en la estructura polar de la cabeza manteniendo el grupo azo en la cola. Se va a trabajar en este caso con polietilenglicol, lo que ofrece la posibilidad de introducir distintas longuitudes y así estudiar la influencia de la relación hidrofilia-hidrofobia en la formación de agregados supramoleculares y explorar la posibilidad de gelificación. METODOLOGÍA: Para la síntesis de las moléculas objetivo se ponen en práctica distintas rutas sintéticas como amidaciones, reducciones, cicloadiciones [3+2] azida-alquino catalizada con cobre I, así como la química de los azúcares (protecciónes y desprotecciones). Para su caracterización molecular se utilizan técnicas de resonancia magnética nuclear, espectroscopia infrarroja, análisis elemental y espectrometría de masas. Así mismo, la caracterización de las propiedades cristal líquido, tanto liótropas como termótropas, se describen mediante la observación por microscopio óptico de luz polarizada, calorimetría diferencial de barrido y difracción de rayos X. La caracterización tanto de los geles como de los agregados formados se realiza mediante microscopía electrónica de transmisión y de barrido, con el objetivo de determinar las estructuras formadas, fibrilares o lamelares, dicroísmo circular, al observar torsión en las fibras de los geles y también se usan la calorimetría diferencial de barrido y resonancia magnética nuclear para establecer la temperatura de gelificación de los distintos materiales. CONCLUSIONES: Los compuestos glicoanfífilos basados en disacáridos son moléculas de gran interés para obtener materiales blandos basados en geles supramoleculares. Las variaciones en la estructura molecular se traducen en modificaciones en las propiedades del gel. La cicloadición [3+2] azida-alquino catalizada por cobre I es una ruta sintética muy versátil para la preparación de compuestos glicoanfífilos. La presencia del grupo triazol mejora la capacidad de gelificación. La organización supramolecular quiral de los glicoanfífilos, la cual es responsable de la red entrecruzada que forma la estructura del gel, viene determinada por la cabeza azucarada de la estructura. Los geles supramoleculares basados en azúcares y polietilenglicol con azobenzeno en su estructura dan lugar a materiales sensibles a la luz. Las propiedades quiroópticas pueden ser moduladas por la luz y en algunos casos, se puede alcanzar la transición del estado gel al estado sol.


Keyword(s): química orgánica ; geles ; ciencia de materiales

Knowledge area: Química orgánica

Department: Química Orgánica

Notes: Presentado: 07 06 2013;Tesis-Univ. Zaragoza, Química Orgánica, 2013

 

 Record created 2013-09-26, last modified 2014-01-16


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