Fra metanfangst til kunstige enzymer: Facetter af cyclodextrinernes mange muligheder.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2022 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Læs originalartiklen her
Af Cecilie Høgfeldt Jessen, Martin Jæger Pedersen, Christian Marcus Pedersen og Mikael Bols, Kemisk Institut, Københavns Universitet
Cyclodextriner er cykliske kulhydrater med en kavitet, der kan kompleksbinde hydrofobe stoffer. Vi undersøger deres kemi og anvendelser til blandt andet gasfangst og som kunstige enzymer.
Cyclodextriner er ringsluttede kæder af kulhydrater bestående af a-1,4-bundne glukose-molekyler (figur 1). Således ligner de stivelse meget i struktur, og de mest almindelige cyclodextriner opstår da også ved enzymatisk nedbrydning af stivelse. En interessant egenskab ved cyclodextrinerne, som allerede blev opdaget af den østrigske kemiker Frans Shardinger i 1908, er, at skønt de selv er vandopløselige og polære molekyler, kan de danne komplekser med små hydrofobe molekyler. Komplekseringen skyldes cyclodextrinernes bagel-lignende struktur, hvor ydersiden er polær, mens kaviteten, dvs. hullet i bagelen er hydrofob og virker som et bindingssite (figur 1). Især cyclodextrinerne bestående af 6 og 7 glukose-enheder, kaldet a- og b-cyclodextrin, er billige og har en lang række anvendelser, hvor man udnytter komplekseringen af stoffer såsom lægemidler eller parfumestoffer [1]. Eksempelvis kan cyclodextrinen ved at kompleksbinde et hydrofobt lægemiddel gøre det mere vandopløseligt og virke som en slags færge, der transporterer et ellers uopløseligt lægemiddel til det sted, det skal optages. Et andet eksempel er, at cyclodextrinen kan danne et kompleks med en flygtig hydrofob parfumeforbindelse, som så kun afgives langsomt og giver en langvarig duft. En stor fordel ved at bruge cyclodextrinerne er, at de er billige, uskadelige og biologisk nedbrydelige stoffer.
Gaskomplekser
Mens det er velkendt, at cyclodextriner binder små organiske molekyler, er det mindre kendt, at de kan kompleksbinde simple gasser. Hvis man bobler klorgas gennem en opløsning af a-cyclodextrin, får man et tykt gul-grønt bundfald af klor-cyclodextrin komplekset. Udfældningen skyldes, at klor bindes i kaviteten i cyclodextrinen og derved fortrænger vandmolekyler, hvilket resulterer i dannelsen af et kompleks, der er tungtopløseligt i vand. Bundfaldet kan frafilteres og genopløses i vand, hvorved det afgiver klorgassen. Dette er interessant, fordi det måske kan bruges til at fange drivhusgasser såsom metan og CO2 og dermed bidrage til kampen mod den globale opvarmning forårsaget af netop disse to gasser. a-cyclodextrin kan i sig selv fange metan, men det er nødvendigt at sætte gassen under tryk for at få nok kompleks til, at det fælder ud. Cyclodextrin-metan komplekset er smukke krystaller, som kan studeres ved røntgenkrystallografi, der viser metanmolekylet bundet i kaviteten (figur 2). Opløses krystallerne i vand eller opvarmes de til 100°C, afgives metanen igen. Denne gas kan opsamles og cyclodextrinen kan genanvendes til fangst af mere metan. Processen kan følges med det blotte øje, men ses endnu bedre ved forstørrelse under et mikroskop (figur 2). For at gøre metanfangsten mere effektiv, skal kaviteten i cyclodextrinen optimeres til binding af metan. Dette vil gøre bindingen stærkere og samtidigt gøre cyclodextrinen selektiv overfor metan. På den måde forestiller vi os, at cyclodextrinen kan bruges til sortering af gasser. Klor vil eksempelvis være for stor til at passe ind i kaviteten, der er optimeret til metan. For nyligt er cyclodextriner med færre glukosemolekyler end 6 blevet beskrevet, og det vil være spændende at studere deres metanbindende egenskaber.
Kunstige enzymer
Endnu mere nyttige er cyclodextrinerne, hvis de ikke blot binder kemiske forbindelser, men også omdanner dem til andre stoffer. Og med de delvist beskyttede cyclodextriner kan vi lave kunstige enzymer ved at kombinere cyclodextrinens bindingssite med katalytiske grupper såsom syrer, baser eller metalioner. Får man placeret atomerne rigtigt, resulterer det i katalysatorer, der udviser enzymatisk katalyse og Michaelis Menten kinetik. Vi har tidligere i Dansk Kemi beskrevet cyclodextrin derivater, der katalyserer hydrolyse og oxidation med høje hastighedsforøgelser [2]. Disse cyclodextriner har strategisk placerede ketoner eller syregrupper i sig. Senere har vi lavet cyclodextriner, der binder metalioner og virker som kunstige metalloenzymer, der i nærværelse af hydrogenperoxid forøger hastigheden af alkoholoxidation flere tusinde gange [3].
Stadig er vi et godt stykke fra at have kunstige enzymer, der er så effektive som rigtige enzymer, men med udvikling af nye cyclodextrin derivater vil vi kunne forbedre efterligningen af et enzyms aktive site. Det interessante ved kunstige enzymer skabt fra cyclodextriner er, at de ligesom rigtige enzymer katalyserer reaktioner i vand og derfor er miljøvenlige, men kan katalysere andre reaktioner. Man kan for eksempel tænke sig, at man kan udvikle et enzym, der kan binde et CO2 eller metanmolekyle og derefter omdanne det til et ikke-gasformigt brændstof som metanol.
Cyclodextrin modifikation
Hvis vi virkelig skal ”rykke” i forhold til at forbedre cyclodextrinernes anvendelser til gasfangst eller kunstige enzymer, er det nødvendigt at kunne modificere dem kemisk. At gøre det direkte på det ubeskyttede kulhydrat giver dog lave udbytter og urene stoffer. Vores erfaring er, at det er bedre at beskytte hydroxygrupperne i cyclodextrinen med beskyttelsesgrupper først, hvorved vi får hydrofobe forbindelser, der let kan håndteres og oprenses. En meget effektiv metode er at beskytte cyclodextrinen med såkaldte benzyl-grupper eller benzyl-ethere. Nogle af benzylgrupperne kan derefter fjernes med reduktionsmidlet diisobutyl aluminium hydrid (DIBAL). Ved at justere mængden af DIBAL, temperatur og reaktionstid har vi fundet ud af, at vi selektivt kan fjerne en, to, tre eller fire benzylgrupper fra én eller begge sider af cyclodextrinen (figur 3) [4]. Dette resulterer i alkoholer, der kan omdannes til andre funktionelle grupper, broer eller hængsler. Endelig kan de resterende benzylgrupper fjernes med mild hydrogenolyse med hydrogen- og palladiumkatalysator.
Konklusion
Naturlige cyclodextriner har et væld af anvendelsesmuligheder – nogle af hvilke vi har diskuteret her. Det bliver derfor meget spændende at se, hvor vores nye metoder til at fremstille modificerede cyclodextriner (figur 3) vil bringe os hen.
E-mail:
Mikael Bols: bols@chem.ku.dk
Referencer
1. J. Szejtli, Chem. Rev. (Washington, D.C.) 1998, 98, 1743-1753.
2. J. Bjerre, L. Marinescu, M. Bols, Dansk Kemi 2007, 15-18.
3. B. Wang, M. Bols, Chem. – A Eur. J. 2017, 23, 13766-13775.
4. M. Bols, V. Friis, Chem. – A Eur. J. 2022, 28, e202200564.
