Diseño, síntesis y estudio supramolecular de N-arilsulfonamidocalix[4]arenos como anfitriones con capacidad de respuesta al pH cerca del pH neutro

Abstract

Los tejidos tumorales sólidos presentan un microambiente con pH extracelular levemente más ácido que el fisiológico, una característica común entre distintos tipos de tumores y que permite explorar estrategias de liberación más selectivas para fármacos de quimioterapia. En este contexto, esta tesis se centra en el diseño racional de anfitriones ionizables basados en N-arilsulfonamidocalix[4]arenos, capaces de modular su afinidad por huéspedes catiónicos según el pH, trasladando el control tradicional del proceso desde el vehículo hacia el anfitrión. El diseño molecular se apoyó en estudios de química computacional mediante Teoría del Funcional de Densidad (DFT, por sus siglas en inglés), que permitieron establecer un descriptor geométrico confiable de acidez para facilitar la selección de sustituyentes con pKa entre 6,5 y 7,0 Se seleccionó el grupo triflil (-SO2CF3) por conferir la acidez requerida, ya que este rango permite que pequeñas variaciones del pH entre medio fisiológico y tumoral produzcan cambios significativos en el estado de ionización. Los compuestos HSA4, CN-SA4, Tf-SA4 y Tf-SA4m se sintetizaron controlando la conformación del calix[4]areno mediante modificaciones en el borde inferior e instalando Narilsulfonamidas en el borde superior. Además, se obtuvo un derivado monofuncionalizado con un grupo carboxílico en el borde inferior, demostrando la posibilidad de incorporar grupos conjugables para una potencial integración en superficies o nanopartículas. Los estudios de 1H y 19F RMN en medio casi acuoso (χH2O) = 0,74) mostraron que TfSA4 presenta una ventana de ionización cercana al pH neutral, mientras que estructuras cristalinas revelaron una transición estructural en este tipo de compuestos, de un cono pinzado en su forma neutra a un cono simétrico abierto en su forma ionizada. Los estudios de fluorescencia con colorantes catiónicos, junto con titulaciones por ¹H-RMN y análisis por espectrometría de masas tipo nESI-MS e IM-MS, confirmaron la formación de un complejo 1:2 de fuerza moderada y la existencia de un “interruptor de unión” controlado por pH, con un incremento del 26 % en la estabilidad del complejo entre pHapp 7,8 y 8,2. En conjunto, estos resultados consolidan una prueba de concepto de control supramolecular dependiente del pH, donde pequeños cambios en la ionización del anfitrión se traducen en variaciones medibles de afinidad, estableciendo las bases para el desarrollo de anfitriones sensibles al pH del microambiente tumoral.

Solid tumor tissues exhibit an extracellular microenvironment that is slightly more acidic than the physiological tissue, a common feature across different genetic types of tumors and that enables the exploration of more selective drug-release strategies for chemotherapy. In this context, this thesis focuses on the rational design of ionizable hosts based on N-arylsulfonamidocalix[4]arenes, capable of modulating their affinity for cationic guests as a function of pH, shifting the traditional control mechanism from the carrier to the host itself. The molecular design was supported by computational chemistry studies using Density Functional Theory (DFT), which allowed the identification of a reliable geometric descriptor of acidity in N-arylsulfonamides to guide the selection of substituents with pKa values between 6.5 and 7.0. The triflyl group (-SO2CF3) was selected for providing the required acidity, as this range enables small pH variations between physiological and tumoral environments to produce significant changes in ionization state. The compounds H-SA4, CN-SA4, Tf-SA4, and Tf-SA4m were synthesized by controlling the conformation of the calix[4]arene through lower-rim modifications and introducing N-arylsulfonamide groups at the upper rim. In addition, a monofunctionalized derivative bearing a carboxylic acid group at the lower rim was obtained, demonstrating the possibility of incorporating conjugable functionalities for potential integration into surfaces or nanoparticles. 1H and 19F NMR studies in a near-aqueous medium (χH2O = 0.74) showed that Tf-SA4 exhibits an ionization window near neutral pH, while X-ray crystallographic analyses revealed a structural transition within this family from a pinched-cone conformation in the neutral state to a symmetric cone in the ionized form. Fluorescence studies with cationic dyes, together with ¹H-NMR titrations and nESI-MS and IM-MS mass spectrometry analyses, confirmed the formation of a 1:2 complex of moderate strength and the existence of a pH-controlled “binding switch,” with a 26% increase in complex stability between pHapp 7.8 and 8.2. Overall, these results establish a proof of concept for supramolecular control driven by pH, in which small changes in the ionization state of the host translate into measurable variations in binding affinity, providing the basis for the development of pH-responsive hosts suitable for targeting the acidic microenvironment of solid tumors.