Studium síťování cyklodextrinem modifikovaných biopolymerů supramolekulárními činidly na bázi derivátů adamantanu

Jelica Kovačević

Doctoral thesis

Study of adamantane-based supramolecular cross-linkage agents for cyclodextrin-modified biopolymers

Abstract:

Polysaccharide-based biopolymers are produced by living organisms or chemically synthesised from basic biomolecules. Biopolymers have a great potential to be employed in development of therapeutic devices for biomedical applications. The benefits of using naturally occurring polymers instead of synthetic materials are biocompatibility, biodegradability, lower antigenicity, and renewability. To combine the above mentioned advantages and reversible formation of higher aggregates in host-guest manner, biopolymers have been widely utilised in supramolecular chemistry. Among various host-guest partners, interaction based on cyclodextrins has been extensively investigated for the construction of supramolecular aggregates due to their hydrophobic cavities, biocompatibility, and low toxicity. The presented doctoral thesis is focused on the preparation of modified biopolymers (specifically, hyaluronane and chitosan) and study of their ability to form supramolecular networks with multitopic adamantane-based guest motifs. Due to low toxicity and sufficient biocompatibility, biopolymers like hyaluronic acid (HA) or chitosan (CS) are suitable for hydrogel preparation and make them excellent candidates for use in drug delivery, tissue engineering, etc. The new modified CD-HA polymer was prepared via a click reaction between propargyl-modified HA and monoazido-beta-cyclodextrin, whereas modified CD-CS polymer was prepared via a Schiff base reaction between 6-O-(4-formylphenyl)-beta-cyclodextrin and commercially available chitosan. Consecutively, we studied supramolecular behaviour of modified biopolymers with single-, two-, and three-site adamantane-based guest motifs to describe their ability to form supramolecular networks, which can be driven by competing signal molecules. The achieved results inferred that the modified biopolymers present promising components for construction of chemical stimuli-responsive architectures. The second aim of this work was preparation of 1-adamantylalkylimidazolium and bis(benz)imidazolium salts with bicyclo[2.2.2]octane as a centerpiece. According to their binding ability towards macrocyclic molecules, they can be employed as potential multitopic guests for the construction of supramolecular systems. Last but not least, selected single-site model guests based on adamantane imidazolium salts were prepared and examined. We studied how the prolongation of carbon chain length between non-polar part of the molecule and cationic moiety would influence their binding behaviour with macrocyclic hosts. Stoichiometry and stability of resulting complexes have been determined by means of 1H NMR spectroscopy and isothermal titration calorimetry.

Abstract:

Biopolymery na bázi polysacharidů jsou produkovány živými organismy nebo jsou chemicky syntetizovány ze základních biomolekul. Biopolymery mají velký potenciál při vývoji terapeutických přístupů a medicinálních aplikací. Ve srovnání se syntetickými materiály patří k výhodám přirozeně se vyskytujících polymerů biokompatibilita, biodegradabilita, nižší antigenicita a obnovitelnost zdrojů. Biopolymery jsou široce používány v supramolekulární chemii, poněvadž umožňují kombinovat výše uvedené výhody a reverzibilní vyznik vyšších agregátů na bázi "hostitel-host" interakcí. Mezi různými hostitelskými partnery zaujímají významné místo často studované cyklodextriny (CD), které jsou vhodné díky jejich hydrofobním kavitám, biokompatibilitě a nízké toxicitě. Předkládaná dizertační práce je zaměřena na přípravu modifikovaných biopolymerů, konkrétně hyaluronanu (HA) a chitosanu (CS), a na studium jejich schopností tvořit supramolekulární systémy s vícevazebnými ligandy na bázi adamantanu. Nový modifikovaný CD-HA polymer byl připraven pomocí click reakce mezi propargyl-modifikovaným HA a monoazido-beta-cyklodextrinem. Modifikovaný CD-CS polymer byl pak připraven pomocí Schiffovy báze reakcí 6-O-(4-formylfenyl)-beta-cyklodextrinu a komerčně dostupného chitosanu. Následně jsme studovali supramolekulární chování modifikovaných biopolymerů s jedno-, dvou- a třívazebným ligandem na bázi adamantanu. Prokázali jsme, že uvedené modifikované polymery jsou schopny tvořit supramolekulární sítě, jejichž vznik může být ovlivněn konkurenčními signálními molekulami. Dosažené výsledky naznačují, že modifikované biopolymery představují slibné komponenty pro konstrukci chemických architektur reagujích na chemické podněty. Dalším cílem předkládané dizertační práce bylo připravit 1-adamantylalkylimidaziolové a bis(benz)imidazoliové soli s bicyklo[2.2.2]oktanovou středovou častí. Vzhledem ke svým schopnostem vázat se na makrocyklické hostitelské molekuly mohou pak tyto soli být použity jako potenciální vícevazebné hostující molekuly pro konstrukci supramolekulárních systémů. V neposlední řadě byly připraveny a prostudovány vybrané modelové jednovazebné ligandy na bázi adamantylimidaziolových solí. Studovali jsme, jak prodloužení délky uhlíkového řetězce mezi nepolární částí molekuly a kationtovou skupinou ovlivní jejich schopnost vázat se s makrocyklickými hostiteli. Stechiometrie a stabilita výsledných komplexů byly stanoveny pomocí 1H NMR spektroskopie a izotermické titrační kalorimetrie.

Keywords

Hyaluronane, Chitosan, Cyklodextrin, Hostitel-host systemy, Supramolekulani sit., Adamantan, Bicyklo[2.2.2]oktan

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 3. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 28. 5. 2020
• Supervisor: doc. Mgr. Robert Vícha, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds