|
Cyclodextrine haben unterschiedliche Namen, sie werden z.B. nach der Stärkekomponente Amylose (Amylose ist ein Helixpolymer aus α-D-Glucoseeinheiten, die über α glykosidische Bindungen miteinander verbunden sind) Cycloamylosen, Cycloglucane oder nach ihrem Entdecker Schardinger Dextrine genannt. Zwischen 1911 und 1935 erforschten die Deutschen in Pringsheim Cyclodextrine und entdeckten, dass sie mit anderen Substanzen in wässrigen Lösungen stabile Komplexe bilden. Die Molekulargewichte der Cyclodextrine wurden erst 1950 von Freudenberg und Cramer bestimmt. Ihr großer technischer Nutzen wurde vorerst noch nicht erkannt. Eine Umdrehung der Stärke (Stärke oder Stärke ist ein polymerer Kohlenhydrat aus einer großen Anzahl von Glucoseeinheiten, die durch glykosidische Bindungen verbunden sind) Spirale wird enzymatisch herausgeschnitten und dann werden die Enden wieder mit einem Oligosaccharid verbunden (Ein Oligosaccharid ist ein Saccharidpolymer mit einer kleinen Anzahl von Einfachzuckern) mit 6 bis 8 Glucoseeinheiten (Abb.2).¹ Diese dafür benötigten Enzyme nennt man Cyclodextrin-Glykosyltransferasen (CGTasen). Mit der kürzlich entdeckten Bacillus macerans CGTase aus einem Bazillus wird eine Mischung aus α-, β- und γ- Cyclodextrin erhalten, bei der β-cyclodextrin quantitativ dominiert. Diese vorherrschende Ringgrößenbildung ergibt sich aus der Tatsache, dass eine Wicklung der Stärkehelix au
s 6 bis 7 Glucoseeinheiten besteht. Darüber hinaus können Ringe, die aus weniger als 6 Glucoseeinheiten bestehen, aus sterischen Gründen nicht gebildet werden. In der Literatur wurden bisher Cyclodextrine mit 9 bis 17 Glukoseeinheiten beschrieben. Die Glucoseeinheiten der Cyclodextrine sind α-1,4-glykosidisch verknüpft, d.h. das erste Kohlenstoffatom von eins ist über ein Sauerstoffatom mit dem vierten Kohlenstoffatom des nächsten α-Glukosemoleküls verbunden. Die Moleküle der Cyclodextrine sind in Sesselform angeordnet (Abb.3). Der obere Teil besteht aus den Kohlenstoffatomen 2 und 3 der Glukose (Glukose ist ein einfacher Zucker mit der Summenformel C6H12O6) Molekülen mit den sekundären Hydroxygruppen. Auf der Unterseite, wo sich die primären Hydroxygruppen befinden, ist der Innenraum durch ihre freie Rotation schmaler. Diese Anordnung führt zu einer kegelstumpfförmigen Gesamtstruktur des Cyclodextrinmoleküls und daher wird die Molekularstruktur oder das Molekül selbst auch als Kegel bezeichnet.
Da die nicht bindenden Elektronenpaare der Glykosidsäuren-Brückenatome nach innen zeigen, ergibt sich eine hohe Elektronendichte im Inneren.³ Die Hydroxylgruppen befinden sich an den Rändern des Cyclodextrins, daher ist der Hohlraum im Inneren hydrophob (wasserabweisend, nicht wasserlöslich), während der Außenbereich hydrophil (wasseranziehend, wasserlöslich) ist (Abb.4 (Polyphosphoinositid-Phosphatase, auch bekannt als Phosphatidylinositol 3,5-Bisphosphat-5-Phosphatase oder SAC-Domäne enthaltendes Protein 3 ist ein Enzym, das beim Menschen durch das FIG4-Gen kodiert wird). Auffällig ist hier, dass die Hohlraumhöhe für alle drei Cyclodextrine gleich ist und dass alle anderen Größen, von α bis γ Cyclodextrin, zunehmen. Abb.5 Cyclodextrine werden in sauren Medien hydrolysiert, deren pH-Wert unter 3 liegt und die in alkalischen Lösungen stabil bleiben. Ihre Schmelzpunkte sind nicht eindeutig definierbar. Ab einer Temperatur von 200 Grad beginnen sie sich zu zersetzen. Aufgrund ihrer Hydrophilie (A hydrophil ist ein Molekül oder eine andere molekulare Einheit, die von Wassermolekülen angezogen wird und dazu neigt, von Wasser gelöst zu werden) Hülle sind sie relativ wasserlöslich. Die Löslichkeit von Cyclodextrinen steigt mit der Temperatur.1 Die Tabelle (Abb.6) zeigt einen Vergleich einiger Eigenschaften von Cyclodextrinen. Beachten Sie die geringe Wasserlöslichkeit von β Cyclodextrin. In allen Fällen reagieren die Hydroxylgruppen zu Estern oder Ethern. So löst beispielsweise ein Derivat von β Cyclodextrin namens Me-β-CD bei 25° 150 mal mehr auf als unverändertes β Cyclodextrin. In der Tabelle (Abb.7) sind einige Derivate mit besonderen Eigenschaften aufgeführt. Dies wird als Host-Gast-Beziehung bezeichnet, für deren Ausbildung mehrere Bedingungen erfüllt sein müssen: Zunächst muss das Gastmolekül mit seiner Größe und Geometrie in den Cyclodextrinhohlraum passen. Die treibende Kraft der Komplexbildung ist der Austausch von Wassermolekülen durch hydrophobe (In der Chemie ist die Hydrophobie die physikalische Eigenschaft eines Moleküls, das scheinbar aus einer Wassermasse abgewiesen wird) Gastmoleküle (Abb. 8). Es gibt Wechselwirkungen zwischen unpolaren Molekülteilen von Wirt und Gast und es kommt zu einem stabileren Zustand mit geringerer Energie, da die Ringspannung abnimmt. Cyclodextrine sind durch Van der Waals-Kräfte, hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbindungen an Gastmoleküle gebunden (Eine Wasserstoffbindung ist die elektrostatische Anziehungskraft zwischen zwei polaren Gruppen, die entsteht, wenn ein Wasserstoffatom, das kovalent an ein hochgradig elektronegatives Atom wie Stickstoff, Sauerstoff oder Fluor gebunden ist, das elektrostatische Feld eines anderen hochgradig elektronegativen Atoms in der Nähe erlebt). Zuerst nähert sich das Gastmolekül dem Cyclodextrinmolekül und die hydratisierenden Wassermoleküle können mit dem Hydroxyl (Eine Hydroxy- oder Hydroxylgruppe ist die Einheit mit der Formel OH) Gruppen am Rand des Cyclodextrins interagieren.
Die Wassermoleküle werden dann aus dem Hohlraum entfernt und an das umgebende Wasser abgegeben. Jetzt sind die Kräfte von Van der Waals (In der physikalischen Chemie sind die Kräfte von van der Waals, benannt nach dem niederländischen Wissenschaftler Johannes Diderik van der Waals, die restlichen attraktiven oder abstoßenden Kräfte zwischen Molekülen oder Atomgruppen, die nicht durch kovalente Bindungen oder ionische Bindungen entstehen) und es entstehen Wasserstoffbindungen zwischen Wirt und Gast und die Hydratstruktur um den Komplex herum wird neu strukturiert. Soll der in 2.1 beschriebene Komplex wieder aufgelöst werden, ist eine gewisse Wassermenge erforderlich, damit umgekehrte Prozesse stattfinden können. Trotz einer anfänglichen Energiehürde verläuft die Dissoziation aufgrund der Wechselwirkungen schnell, da die Anzahl der Wassermoleküle um den Käfig herum schnell zunimmt. Mit dieser Eigenschaft können verschiedene Effekte erzielt werden. So ist es beispielsweise gelungen, die Wasserlöslichkeit bestimmter Wirkstoffe zu erhöhen oder sie gegen Licht, UV-Strahlung, thermischen Zerfall, Oxidation (Redox ist eine chemische Reaktion, bei der die Oxidationszustände von Atomen verändert werden) und Hydrolyse (Hydrolyse bedeutet in der Regel die Spaltung chemischer Bindungen durch Zugabe von Wasser ) zu stabilisieren. Da es in diesem Bereich einige Substanzen gibt, die in Wasser schwer löslich sind, benötigen sie einen Lösungsvermittler (Micellare Solubilisierung ist der Prozess der Einarbeitung des Solubilisats in oder auf Mizellen) der sie in den wässrigen Systemen des Körpers verteilt. Dies hat den Vorteil, dass sie in Lösung besser dosiert werden können. Darüber hinaus können Geruchs- oder Geschmackseinflüsse sowie Haut- oder Augenreizungen rückgängig gemacht werden. Darüber hinaus können molekular verkapselte Wirkstoffe durch Cyclodextrin-Komplexe so modifiziert werden, dass sie nicht mehr interagieren. Cyclodextrine können beispielsweise zur Herstellung von Pulvern verwendet werden, die einfach zu handhaben und zu dosieren sind. Dazu wird z.B. β Cyclodextrin verwendet.
In Augentropfen und Salben werden die Reizung der Augen sowie die Stabilität und Löslichkeit der Wirkstoffe durch Cyclodextrin-Komplexe verbessert. Der grundlegende Wirkstoff heißt Dihydroxyaceton (Dihydroxyaceton, oder DHA, auch Glyceron genannt, ist ein einfaches Kohlenhydrat mit der Formel) (siehe Abbildung). Schädliche Elemente können zerstört und wertvolle Elemente ohne Kontamination in Lebensmittel eingebracht werden. Cyclodextrine werden auch verwendet, um den Geschmack von Kaugummi länger zu erhalten, Fischöle zu stabilisieren oder flüssigen Honig oder Fruchtsäfte in Pulver zu verwandeln. Mit Cyclodextrinen ist es jedoch möglich, stabile Komplexe in Pulverform herzustellen und ihre Herstellung ist einfach. Das Problem bei Tabakaromen besteht darin, dass sie während der Lagerung allmählich verdunsten. In Cyclodextrin-Komplexen gelagert, bleiben sie jedoch im Tabak und werden erst bei der Verbrennung freigesetzt. Menthol wird daher in Mentholzigaretten fixiert (siehe Abbildung). Wenn die Cellulose (Cellulose ist eine organische Verbindung mit der Formel, ein Polysaccharid, bestehend aus einer linearen Kette von mehreren hundert bis vielen tausend β verknüpften D-Glucoseeinheiten) von Zigarettenfiltern mit Cyclodextrinen imprägniert wird, wird die mehrfache Menge an Teer und Nikotin (Nikotin ist ein starkes parasympathomimetisches Stimulans und ein Alkaloid aus der Nachtschattenfamilie der Pflanzen) erhalten (siehe Abbildung). Kartonagen werden zur Verpackung von Lebensmitteln verwendet. Ihr Karton enthält aber auch stark riechende Substanzen aus recyceltem Material. Die Duftstoffe in diesen Produkten verdecken den Geruch der Reinigungsmittel, verdunsten aber sehr schnell. Mit Cyclodextrinen ist es nun möglich, zum einen diese Parfüms zu stabilisieren und zum anderen die Parfümkomponenten im Cyclodextrin (Cyclodextrine sind eine Familie von Verbindungen, die aus ringförmig miteinander verbundenen Zuckermolekülen bestehen) Käfige bleiben lange in ihnen, so dass sie länger an Fasern haften und nicht so schnell ausgewaschen werden.