Las ciclodextrinas: características y aplicaciones de la formación de complejos de inclusión

Las ciclodextrinas: características y aplicaciones de la formación de complejos de inclusión Cyclodextrins: properties and applications of inclusion complex formation MUÑo z -BoTELLA, s. ; DEL CASTILLO, B. Y MARTÍN, M. A. Laboratorio de Técnicas Instrumentales. Sección Departamental de Química Analítica. Facultad de Farmacia. U. C. M. 28040-Madrid. España. RESUMEN Las ciclodextrinas son macromoléculas formadas por distinto número de residuos de D(+) glucopiranosa unidos mediante enlaces a(1-4). Las más utilizadas son la a-, 13- y y-CD que contienen 6,7 y 8 moléculas de glucopiranosa respectivamente. A pesar de que son muy hidrosolubles, el interior de la cavidad de las ciclodextrinas es apolar, por lo que son capaces de formar complejos de inclusión con distintos tipos de moléculas que se alojan en su interior. La mayoría de las aplicaciones de las ciclodextrinas en la industria están encaminadas a mejorar las características del producto terminado (solubilidad, caracteres organolépticos) y a incrementar la estabilidad de los compuestos lábiles. En este artículo se comentan algunas de las aplicaciones de las ciclodextrinas en la industria farmacéutica y en catálisis química así como en química analítica. La formación de los complejos de inclusión incrementa la selectividad y la sensibilidad de la mayoría de los métodos analíticos. Palabras clave: Ciclodextrinas. Complejos de inclusión. Compuestos farmacéuticos. Solubilización. ABSTRACT Cyclodextrins are macrocyclic compounds consisting of a varying number of D(+) glucopiranose residues linked through a(1-4) bonds. The most widely used are a-, 13-, ycyclodextrins containing respectively 6,7 and 8 glucose units. In spite of their high aqueous solubility, the inner cyclodextrin cavity is non-polar and they can form complexes with many types of molecules placed inside this cavity. Most industrial applications of cyclodextrins aim at improving certain properties offmi shed products (solubility, organoleptic properties, stability). In this article several applications of cyclodextrins to pharmaceutical industry and chemical catalysis are reviewed. Analytical applications are al so considered, since cyclodextrin inclusion improves the sensitivity and selectivity of most analytical methods. Key words: Cyclodextrins. Inclusion complexes. Pharmaceuticals. Solubilization. Recibido: 3-2-1995. Aceptado: 20-3-1995. BIBLID [0004-2927(1995) 36:2; 187-198] Ars Pharmaceutica, 36:2; 187-198, 1995 188 MUÑOZ-BOTEL LA , s .; DEL CASTILLO, B. Y MARTíN, M. A. INTRODUCCIÓN Las ciclodextrinas, cicloamilosas o cicloglucanos fueron descubiertos por Villiers en 1891. Sin embargo su descripción, preparación y aislamiento se debe a Schardinger en 1903 (1,2) por lo que durante mucho tiempo se denominaron "dextrinas de Schardinger" y han sido objeto de atención e investigación desde entonces hasta la actualidad debido a sus singulares características químicas. Fue necesario esperar a los años 50 para llevar a cabo la determinación exacta de su peso molecular (3) y confIrmar su estructura cíclica mediante difractometría de rayos-X (4), momento a partir del cual pasaron a denominarse ciclodextrinas. Las ciclodextrinas se obtienen por la acción de la amilasa del Bacillus macerans sobre el almidón, dando un crudo que contiene a- , B- y y-CD, junto con pequeñísimas cantidades de otras ciclo dextrinas de mayor número de unidades de glucosa. La a- , B- y y-CD (ciclohexaamilosa, cicloheptaamilosa y ciclooctaamilosa respectivamente) pueden separarse del crudo de reacción por precipitación selectiva mediante la adición de determinados solventes orgánicos. Hasta ahora se han aislado la a- , B- , y- y o-CD. Además de éstas, la E-, S- , 11- y 8-CD se han obtenido mediante purifIcación por cromatografia en columna, junto con otros análogos de cadena abierta. No se conocen ciclodextrinas con menos de seis unidades de glucosa, probablemente debido al impedimento estérico, como se demuestra mediante cálculos conformacionales. Estos compuestos se pueden obtener por síntesis orgánica (5 ,6) aunque también puede lograrse su obtención mediante biosíntesis (7) gracias a la cual se obtienen considerables mejoras en los procesos de producción y purifIcación, por lo que la producción a escala industrial de estos compuestos resulta más económica. CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES Las ciclodextrinas están formadas por distinto número de residuos de D (+) glucopiranosa, de conformación "silla", unidos mediante enlaces a(l-4) , tal y como se representa en la Figura 1. La a- , B-, y y-CD contienen respectivamente o o - Fig. l. -Diagrama esquemático de las moléculas de glucopiranosa unidas mediante enlaces a-(l ,4). Ar s Pharmaceutica, 36:2; 187-198, 1995 LAS CICLODEXTRINAS: CARACTERÍSTICAS y APLICACIONES DE LA FORMACIÓN DE... 189 6, 7 Y 8 residuos de D(+) glucopiranosa. Las ciclo dextrinas tienen aspecto de cono truncado, debido a la disposición espacial característica de los distintos grupos funcionales de las unidades de glucosa. Como consecuencia de esta conformación, todos los grupos hidroxilo secundarios (correspondientes a los átomos de carbono C2 y C3 de las unidades de glucosa) se encuentran situados en uno de los bordes de la cavidad mientras que los hidroxilos primarios se encuentran en el otro extremo de la cavidad. La rotación de estos grupos -OH reduce el tamaño efectivo de la cavidad, haciendo que ésta posea un aspecto tronco-cónico más abierto hacia el lado de los hidroxilos secundarios tal y como se muestra de forma esquemática en la Figura 2. Esta disposición proporciona ENLACES -0- GLICOSIDICOS o 1-----15.3 A --_eo1l 1 1 , 1 1 , , o I 1--7.8 A---, , 1 I , Fig. 2.-Esquema de la estructura de la B-CD. HIDROXILOS SECUNDARIOS al interior de la cavidad un carácter apolar, mientras que los bordes del tronco de cono son polares debido a la presencia de los grupos -OH, lo que hace que estos compuestos sean muy hidrosolubles. La característica común de las ciclodextrinas es su capacidad de formar complejos de inclusión tanto en estado sólido como en solución. La idea de que una molécula pueda "envolver" a otra formando un nuevo compuesto (aducto, complejo de inclusión) no fue aceptada hasta que se demostró, mediante difracción de rayos-X, la formación de un complejo de inclusión entre la a-ciclodextrina y el yodo (8, 9, 10). Los huéspedes de carácter hidrofóbico se alojarán en el interior de la cavidad a causa de las interacciones hidrofóbicas de tipo Van der Waals. Sin embargo también pueden establecerse interacciones con huéspedes polares gracias a la formación de puentes de hidrógeno con los -OH de los hidroxilos primarios. Son múltiples las aplicaciones que el empleo de ciclodextrinas ha encontrado en la industria. La mayoría de ellas van encaminadas hacia la mejora de las Ars Pharmaceutica, 36:2; 187-198, 1995 190 MUÑOZ-BOTELLA, S .; DEL CASTILLO, B. Y MARTÍN, M. A. características del producto terminado así como al incremento de la estabilidad de los compuestos lábiles. Estas mejoras se consiguen gracias al proceso de inclusión, que puede considerarse como una auténtica encapsulación a nivel molecular del compuesto huésped, protegiéndolo del entorno en que se encuentra. APLICACIONES FARMACÉUTICAS Tanto en la industria cosmética como en la farmacéutica, la formación de complejos con ciclodextrinas tiene como finalidad la de lograr la mejora de las características del producto terminado (solubilidad, estabilidad), así como la de facilitar la absorción y liberación de principios farmacológicamente activos. Numerosas sustancias son inestables y sensibles a la acción del oxígeno y la incorporación de ciclodextrinas puede incrementar su estabilidad. Sin embargo, ciertos compuestos volátiles como los aceites esenciales, gracias a la formación del complejo con ciclodextrinas, aumentan su resistencia al calor, reduciéndose las pérdidas por volatilización (11, 12). La resistencia a la oxidación de la vitamina D se ve notablemente incrementada gracias a la formación de un complejo con B-CD (13). El complejo vitamina K/ B-CD es mucho más estable frente a la luz en solución ácida o neutra que la propia vitamina K3 (14). Este incremento en la estabilidad se ha observado para la aspirina (15), el nitracepam (16), algunos antiinflamatorios (17), el metronidazol (18) Y ciertos antiobióticos (19). En la Tabla 1 se muestran las características de algunos complejos de inclusión de diversos fármacos con ciclodextrinas. La formulación de compuestos farmacológicamente activos utilizando ciclodextrinas como vehículos, tiene como consecuencia la mayor hidrosolubi li dad de ciertos antiinflamatorios, el fenobarbital (20) o la benzotiazida (21), lo que Tabla l.-Constantes de estabilidad (K) y estequiometria E (CD/fárrnaco) de los complejos de inclusión entre distintos fármacos y cic1odextrinas. a-CD ~CD r-CD FARMACO K E K E K E prostaglandina El 1430 1700 530 (2 / 1) prostaglandina E2 560 1270 prostaglandina F 2 250 1240 480 (I/l) progesterona 150 13300 (211) 24000 (3 / 2) testosterona 130 7540 (3 / 2) 16500 (2 / 1) digoxina 180 11200 12200 (4 / 1) digitoxina 290 17000 63600 (4/1) Ars Pharmaceutica, 36 : 2; 187-198 , 1995 LAS CICLODEXTRINAS: CARACTERÍSTICAS y APLICACIONES DE LA FORMACIÓN DE... 191 incrementa de forma muy significativa la biodisponibilidad de estos principios activos. Las prostaglandinas son insolubles e inestables en agua; sin embargo, la formación de complejos de inclusión con (X- y B-CD conlleva un efecto estabilizador de estos compuestos, a la vez que una mayor resistencia a la degradación de los mismos en solución (22). Algunas ciclodextrinas modificadas (metilciclodextrinas) han demostrado ser útiles en la solubilización de distintas vitaminas lipa solubles (A, D, E y K) (23) así como de derivados del ácido retinoico (24). En la Figura 3 se pueden ver los distintos tipos de complejos de la prostaglandina F2 con diferentes ciclodextrinas. (A) (C) (A) (B) (C) (B) a-ciclodextrina B -ciclodextri na Y'""ciclodextrina Fig. 3 .- Esquema de los distintos complejos prostaglandina F '¡ CD en solución acuosa. Dadas las peculiares características de las ciclodextrinas y el importante papel que juegan en la mejora de las propiedades farmacotécnicas de numerosos principios activos, permitiendo la absorción de la forma libre de dichos principios a través de la mucosa intestinal, su estudio es de indudable interés, por lo que se han dedicado numerosas revisiones bibliográficas a este tema (25 , 26, 27). APLICACIONES EN CATÁLISIS QUÍMICA Las ciclodextrinas aceleran numerosas reacciones (oxidaciones, descarboxilaciones, eliminaciones ... ) (28). La catálisis por ciclodextrinas tiene lugar a A rs Pharmaceutica, 36:2; 187-198, 1995 192 MUÑOZ-BOTELLA, s.; DEL CASTILLO, B. Y MARTÍN, M. A. través de la formación de un complejo de inclusión con las moléculas implicadas en la reacción. Las reacciones catalizadas por ciclodextrinas muestran características cinéticas semejantes a las reacciones enzimáticas, entre las que se encuentran: saturación, catálisis, esteroespecificidad, formación de un complejo sustrato/catalizador e inhibición competitiva. La inclusión de un determinado sustrato, así como la aproximación fisica de los distintos compuestos implicados en la reacción, gracias a la formación de complejos de inclusión, es una de las razones por las que las ciclo dextrinas se consideran "sistemas biomiméticos" de forma semejante a los enzimas. El incremento en la velocidad de reacción para determinados sustratos que presentan una cierta disposición espacial, es una de las aplicaciones más importantes de las ciclo dextrinas en catálisis. Gracias al proceso de inclusión se favorece la formación selectiva de algún producto mayoritario que puede ser estereoespecífico, por lo que se puede favorecer la formación enantioselectiva de algún isómero mediante la elección de la ciclodextrina adecuada. Por ejemplo, si se comparan las velocidades y la enantioselectividad de la B-CD y algunas ciclodextrinas modificadas como la dimetil-B-CD y la trimetil-B-CD, se puede apreciar que diferentes sustratos tienen preferencia porque determinadas ciclodextrinas catalicen sus reaCCIOnes. La modificación en la fotorreactividad de distintas moléculas debido a su incorporación a medios organizados (micelas y ciclodextrinas), constituye una de las parcelas más atractivas de la actividad catalítica de estos medios. La inclusión de las moléculas huéspedes en el interior de la cavidad de las ciclodextrinas, modifica su fotorreactividad de forma imprevisible (6). En ciertos casos las ciclodextrinas protegen a las moléculas incluidas disminuyendo su fotosensibilidad. Así, se ha demostrado que la B-, la y- y la 2,6-dimetil-B-CD dificultan el proceso de fotodegradación de alcaloides tales como la emetina y la cefalina en solución acuosa, siendo el efecto más significativo en el caso de la dimetil-B-CD (29). Sin embargo en otros casos, las ciclodextrinas catalizan ciertas reacciones fotoquímicas tales como procesos de dimerización e isomerización, gracias a la inclusión de moléculas huéspedes fotosensibles, como ocurre en el caso del cis-trans estilbeno (Figura 4), los ésteres del ácido cinámico (Figura 5) (30) y la isomerización cis-trans del azobenceno (31). Tanto la B- como la y-CD aceleran la fotodimerización del 2-antracenosulfonato. Sin embargo, mientras que en solución acuosa o en presencia de y-CD se obtienen 4 isómeros con rendimientos cuánticos semejantes, en el caso de la B- CD sólo se obtiene uno de los isómeros, lo que indica que la cavidad de la B- CD fuerza la obtención de una configuración específica. Ars Pharmaceutica, 36:2; 18 7-1 98, 1995 LAS CICLODEXTRlNAS: CARACTERíSTICAS y APLICACIONES DE LA FORMACIÓN DE . .. 193 + Benceno 5% 91% 4% B- Ciclodextrina: 78% 22% 0% © ffJ -~ ~·· -:::.: . . - -- ' .. hu - Fig. 4.-Reacción de fotoisomerización y cic\ación del trans-estilbeno. Esquema del modo de isomerización en el seno de cic\odextrinas. o 11 ~Ij C-OEt h» &- ~ @ ();-OEt O O Benceno 50 % 50~ (!- Ciclodextrina 49% 51':. EtO OEI hv h)) .. « • Fig. S.- Reacción de fotoisomerización del cinamato de etilo. Esquema del modo de isomerización en el seno de cic\odextrinas. Ars Pharmaceutica, 36:2; 187-19 8, 1995 194 MUÑOZ-BOTELLA, s. ; DEL CASTILLO, B. Y MARTÍN, M. A. APLICACIONES ANALÍTICAS Las ciclodextrinas han encontrado aplicaciones en campos muy diversos de la química analítica, tanto en técrucas espectroscópicas como cromatográficas. La formación de complejos de inclusión con ciclodextrinas origina un incremen- to en la selectividad y sensibilidad del método analítico. La cavidad de las ciclodextrinas posee una alta densidad electrónica, ya que los pares no enlazantes de los oxígenos glicosídicos se orientan hacia el interior de la cavidad, lo que le confiere un carácter de base de Lewis. La elevada densidad electróruca puede contribuir a desplazar los electrones de las moléculas incluidas, lo cual tiene una repercusión significativa sobre los procesos de absorción y emisión de la radiación electromagnética. Desde el punto de vista de la absorciometría UV-VIS, el proceso de inclusión generalmente incrementa la solubilidad de los reactivos y de los compuestos problema en medios acuosos, aumenta la estabilidad de los reactivos lábiles y de sus complejos coloreados en solución acuosa, eleva la sensibilidad de las reacciones coloreadas y mejora la estabilidad de las reacciones coloreadas a través de la especificidad impuesta por la formación del complejo. La formación de un complejo con B-CD con colorantes básicos tales como verde malaquita, cristal violeta o rodamina B, incrementa la sensibilidad y la estabilidad de los complejos metálicos formados (32). Igualmente, la determinación de Cu en cabello humano mediante su reacción con mesotetrakis (4- metoxi-3-sulfofenil) porfrrina alimenta su sensibilidad en un 50% en presencia de a-CD. La determinación de Zn con ditizona a través de la formación de un complejo con B-CD incrementa el coeficiente de absorción molar en aproximadamente 8 veces con respecto a las soluciones sin B-CD. La B-CD incrementa la sensibilidad, en la determinación de paladio con 1,2-diamino antraquinona. Las técnicas de luminiscencia, en sus vertientes fluorimetría y fosforimetría han alcanzado un rápido desarrollo en análisis de rutina. Sin embargo, muchos compuestos luminescen muy débilmente en solución acuosa y la adición de ciclodextrinas conlleva una notable mejora en los procesos de emisión, debido a que la disposición estructural de las ciclodextrinas protege a los estados excitados (singulete o triplete) de los posibles amortiguadores presentes en la solución y a que la rotación de las moléculas está impedida debido a la formación del complejo de inclusión con el resultado de una disminución de los procesos de relajación vibracional. La formación de complejos de inclusión incrementa asimismo el rendimien- to cuántico de fluorescencia y por consiguiente las intensidades de fluorescencia de numerosos compuestos, entre otros de pireno, alucinógenos (33), narcóticos (34), biferulos policlorados (35) o ANS (36), incrementándose las señales de fluorescencia en aproximadamente diez veces. La sensibilidad para ciertas reacciones analíticas, aumenta gracias a la Ar s Ph armaceutica, 36:2; 187-198, 1995 L AS CICLODEXTRINA S: CARACTERlSTIC AS y APLICACIONES DE LA FORMACIÓN DE .. . 195 adición de ciclodextrinas. Por ejemplo, la emisión de glutation y otros derivados tiólicos que reaccionan con el 7 -fluorobenceno-2-oxa-1 ,3-diazol-4-sulfonato amónico, así como la determinación de aminoácidos por reacción con el cloruro de dansilo, se incrementa aproximadamente en ocho veces con respecto a la alcanzada en soluciones acuosas (37). También se ha demostrado la mejora de la sensibilidad en la determinación analítica de escandio con quinizarina (1,4- dihidroxiantraquinona) a través de la formación de un complejo con 13-CD (38). Las ciclodextrinas incrementan asimismo la intensidad de emisión de las reacciones quimioluminiscentes. Esta mejora puede atribuirse a distintos factores, entre los que se encuentran un aumento de la velocidad de la reacción y una mayor eficacia del proceso de excitación· y protección de las especies emisoras de los fenómenos de "quenching". Una de las aplicaciones más relevantes de las ciclodextrinas es la de permitir la observación de la fosforescencia a temperatura ambiente (RTP). Ello es debido a que protegen el estado triplete excitado de las moléculas de los amortiguadores presentes en la solución y en el caso de la fosforescencia, del "quenching" del oxígeno molecular. Consecuentemente, se puede detectar la fosforescencia del naftaleno, bromonaftaleno, acenafteno, fenantreno, pireno y criseno entre otros (39). También se ha descrito la emisión de fosforescencia a temperatura ambiente (RTP) para ciertos heterociclos como quinolina e isoquinolina (40). Las ciclodextrinas se utilizan también en la detección luminiscente de compuestos volátiles. El papel de. filtro tratado con ciclodextrinas es capaz de capturar de forma eficaz compuestos volátiles tales como 1- y 2-naftol, permitiendo la observación de la fosforescencia de los mismos. Asimismo, las mezclas 13-CD/NaCl (30:70) originan señales muy intensas de los compuestos que se van a determinar, sin necesidad de utilizar como recurso el efecto de átomo pesado para mejorar el proceso de fosforescencia. Esta metodología permite la determinación de ácido p-aminobenzoico y fenantreno (41). La mezclas de a.- CD/NaCl, se han utilizado en la detección.mediante RTP, de distintos compuestos adsorbidos en estas matrices sólidas entre otros 4-fenilfenol o fenantreno (42). En la revisión de Li y Purdy (32), se recogen las aplicaciones de las ciclo dextrinas en otras técnicas instrumentales. A continuación comentaremos algunas de ellas. Las ciclodextrinas se utilizan como reactivos quirales en RMN. En muchos casos, la formación de complejos de inclusión modifica las características quirales y los desplazamientos químicos de dos enantiómeros. La diferencia en los desplazamientos químicos de dos diasteroisómeros puede utilizarse para la determinación de la pureza isomérica de las muestras. El estudio por 19 F_ RMN de los complejos formados con diateroisómeros de aminoácidos fluorados y a.-cn muestra que los desplazamientos químicos de los derivados formados con isómeros R aparecen a campos más altos que los correspondientes isómeros S. Ars Pharmaceutica, 36:2; 187-198, 1995