Estudio comparativo de las capacidades de inclusión de derivados amino-β-ciclodextrinas inmovilizados sobre superficies de oro

Abstract

La construcción de conjuntos macroscópicos artificiales basados en el reconocimiento molecular sigue siendo un desafío y el paso limitante en el diseño apropiado de plataformas basadas en receptores macrocíclicos. Por lo tanto, en esta tesis se modificaron superficies de oro con derivados aminados de β-ciclodextrina (amino-CD): (i) CD1OMe y (ii) CD7OMe (amino-CDs metiladas), (iii) CD1 y (iv) CD7 (amino-CDs no-metiladas) con el propósito de evaluar: (i) el efecto del número de sitios de anclaje en el recubrimiento, y (ii) el efecto en el fenómeno de inclusión con la incorporación de modificaciones en el borde ancho de la estructura de las CDs. Las amino-CDs poseen distinto número de grupos de anclaje (-NH2) en el borde estrecho de su estructura, las CD1s se encuentran mono-aminadas y las CD7s hepta-aminadas. Además, poseen diferencias en el borde ancho de su estructura: las amino-CDs metiladas poseen grupos -OCH3 localizados en el borde ancho de su estructura química, mientras que las amino-CDs no-metiladas poseen grupos -OH. La capacidad de inclusión de estas 4 amino-CDs se evaluó frente a 2 moléculas huésped de interés medioambiental: tetraciclina (TET) y propanil (3,4-DPA), que corresponde a un antibiótico y un herbicida, respectivamente. La estrategia de inmovilización de las amino-CDs utilizada en esta tesis se basa en la formación de monocapas autoensambladas (SAMs) de ácido 4-mercaptobenzoíco (MBA) sobre oro. La construcción supramolecular se llevó acabo en 4 etapas: (i) inmovilización MBA, (ii) activación con EDC+NHS, (iii) inmovilización amino-CDs, y (iv) bloqueo con etanolamina (ETA). Las condiciones óptimas de la modificación superficial, así como los tiempos de inmersión y concentración de reactivos, se determinaron a través de VC, utilizando [Fe(CN)6]3- como mediador redox. Las superficies modificadas se caracterizaron a través de técnicas espectroscópicas como: XPS, FTIR en modo ATR-SEIRAS y Raman, donde se corroboró la inmovilización de MBA debido a los enlaces R-S-Au, mientras que las amino-CDs se inmovilizaron por la formación de enlaces amida entre los -COOH de MBA y los -NH2 de los macrociclos. Además, mediante EIS y SPR, se determinó el recubrimiento, siendo mayor para las CD7s, respecto a las CD1s. Junto con esto, a través de medidas de ángulo de contacto se demostró que las 4 amino-CDs están orientadas con el borde ancho de su estructura hacia la solución. Adicionalmente, se determinaron los valores de constantes de asociación (Ka) de los complejos de inclusión (ci) CDs/TET y CDs/3,4-DPA en solución, a través de 3 métodos: (i) espectroscopía UV-vis, (ii) ITC y (iii) VPD. Los ci CDs /TET no presentaron valores de Ka con diferencias significativas. En cambio, CDMe/3,4-DPA presentó un valor de Ka mayor respecto al CD/3,4-DPA, debido a la formación de enlaces de hidrógeno, donde juega un rol preponderante los grupos -OCH3, lo que fue demostrado por los resultados obtenidos de los estudios teóricos. Para estos complejos de inclusión (CDs/3,4-DPA) que presentaron diferencias en solución, se determinaron los valores de constante de asociación con las amino-CDs inmovilizadas utilizando la técnica de resonancia de plasmón superficial (SPR). Los valores de Ka obtenidos mediante SPR de los ci amino-CDs metiladas/3,4-DPA (con las CDs inmovilizadas) fueron entre 3,5 y 1,9 veces más grandes respecto a los valores de los ci amino-CDs no-metiladas/3,4-DPA, debido a que los grupos -OCH3 que poseen estos macrociclos favorecen la inclusión de 3,4-DPA, lo que concuerda con lo observado en solución. Además, se observó un mayor efecto en la inclusión de 3,4-DPA con las CD7s respecto a las CD1s, debido a la orientación completamente perpendicular que presenta la CD inmovilizada producida por los 7 grupos de anclaje (-NH2). Las superficies modificadas se utilizaron para la detección de TET y 3,4-DPA. En el caso de TET, mediante voltametría de pulso diferencial (VPD), no se observaron diferencias significativas en la respuesta en corriente con las 4 superficies modificadas. En contraste, para 3,4-DPA se obtuvo una mayor respuesta en corriente con las amino-CDs metiladas respecto a las amino-CDs no-metiladas. En el caso de las superficies modificadas con las CD1s, la respuesta en corriente del 3,4-DPA fue mayor respecto a las superficies modificadas con las CD7s. Sin embargo, esta mayor respuesta en corriente de las CD1s se debe a una mayor contribución de interacciones inespecíficas y, de esta manera, no es exclusiva de la formación de los complejos de inclusión, lo que está vinculado con el menor recubrimiento por parte de las CD1s al poseer solo un grupo de anclaje (-NH2). Por otra parte, utilizando amperometría se determinó el límite de detección (LOD) y límite de cuantificación (LOQ) de ambos analitos. En el caso de TET, el valor de LOD es similar para las 4 superficies modificadas y son menores respecto al oro desnudo, mientras que, en el caso de 3,4-DPA la óptima superficie modificada para detectar este analito corresponde a Au/MBA/CD7OMe~ETA, ya que se obtuvieron menores valores de LOD y LOQ, junto con esto una mayor sensibilidad. Los factores que influyeron en la obtención de una respuesta analítica mejorada, fue el alto recubrimiento superficial y los grupos -OCH3 presentes en la CD7OMe que favorecen el fenómeno de inclusión del huésped obteniendo la mayor Ka por SPR

Building artificial macroscopic arrays based on molecular recognition remains a challenge and the limiting step in the appropriate design of macrocyclic receptor-based platforms. Therefore, in this thesis, gold surfaces were modified with amino derivatives of β-cyclodextrin (amino-CDs): (i) CD1OMe and (ii) CD7OMe (methylated amino-CDs), (iii) CD1 and (iv) CD7 (non-methylated amino-CDs) in order to evaluate: (i) the effect of the number of anchoring sites in the coating, and (ii) the effect on the inclusion phenomenon with the incorporation of modifications in the broad border of the structure of CDs. Amino-CDs have different numbers of anchoring groups (-NH2) on the narrow border of their structure, CD1s are mono-aminated and CD7s are hepta-aminated. In addition, they have differences in the broad border of their structure: methylated amino-CDs have -OCH3 groups located on the broad border of their chemical structure, while non-methylated amino-CDs have -OH groups. The inclusion capacity of these 4 amino-CDs was evaluated against 2 guest molecules of environmental interest: tetracycline (TET) and propanil (3,4-DPA), which correspond to an antibiotic and an herbicide, respectively. The immobilization strategy of amino-CDs used in this thesis is based on the formation of self-assembled monolayers (SAMs) of 4-mercaptobenzoic acid (MBA) on gold. The supramolecular construction was carried out in 4 stages: (i) MBA immobilization, (ii) activation with EDC+NHS, (iii) immobilization amino-CDs, and (iv) blocking with ethanolamine (ETA). The optimal conditions of the surface modification, as well as the immersion times and reagent concentration, were determined through cyclic voltammetry (VC), using [Fe(CN)6]3- as a redox mediator. The modified surfaces were characterized through spectroscopic techniques such as: XPS, FTIR in ATR-SEIRAS mode and Raman, where the immobilization of MBA due to R-S-Au bonds was corroborated, while amino-CDs were immobilized by the formation of amide bonds between -COOH of MBA and -NH2 of macrocycles. In addition, through electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and surface plasmon resonance (SPR), the coating was determined, being greater for CD7s, compared to CD1s. Along with this, through contact angle measurements it was shown that the 4 amino-CDs are oriented with the wide edge of their structure towards the solution. Additionally, the values of association constants (Ka) of the inclusion complexes (ci) CDs/TET and CDs/3,4-DPA in solution were determined, through 3 methods: (i) UV-vis spectroscopy, (ii) ITC and (iii) VPD. The ci CDs/TET did not present Ka values with significant differences. On the other hand, CDMe/3,4-DPA presented a higher Ka value compared to CD/3,4-DPA, due to the formation of hydrogen bonds, where the -OCH3 groups play a preponderant role, which was demonstrated by the results obtained from theoretical studies. For these CDs/3,4-DPA inclusion complexes that presented differences in solution, the values of the association constant with immobilized amino-CDs were determined using the surface plasmon resonance (SPR) technique. The Ka values obtained by SPR of methylated amino-CDs/3,4-DPA inclusion complexes (with the immobilized CDs) were between 3.5 and 1.9 times higher with respect to the values of non-methylated amino-CDs/3,4-DPA inclusion complexes, because the -OCH3 groups that these macrocycles possess favor the inclusion of 3,4-DPA, which is consistent with what is observed in solution. In addition, a greater effect was observed in the inclusion of 3,4-DPA with the CD7s compared to the CD1s, due to the completely perpendicular orientation of the immobilized CD produced by the 7 anchoring groups (-NH2). The modified surfaces were used for the detection of TET and 3,4-DPA. In the case of TET, by means of differential pulse voltammetry (VPD), no significant differences were observed in the response in current with the 4 modified surfaces. In contrast, for 3,4-DPA a higher current response was obtained with the methylated amino-CDs compared to the non-methylated amino-CDs. In the case of surfaces modified with CD1s, the current response of 3,4-DPA was greater compared to surfaces modified with CD7s. However, this greater current response of the CD1s is due to a higher contribution of nonspecific interactions and thus, it is not exclusive to the formation of inclusion complexes, which is related to the lower coverage by the CD1s by having only one anchoring group. On the other hand, using amperometry, the limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) of both analytes were determined. In the case of TET, the LOD value is similar for the 4 modified surfaces and they are lower compared to bare gold, while in the case of 3,4-DPA, the optimal surface to detect this analyte corresponds to Au/MBA/CD7OMe~ETA, since lower LOD and LOQ values were obtained, together with this higher sensitivity. The factors that influenced the obtaining of an improved analytical response were the high surface coverage and the -OCH3 groups present in the CD7OMe that favor the inclusion phenomenon of the guest, obtaining the highest Ka by SPR